6061铝合金电机外壳型材的生产技术

2019-06-13满士国植鑑钧

有色金属加工 2019年3期

邢阳，满士国，陈力，植鑑钧

(广东新大明铝业有限公司，广东肇庆 526070)

铝合金因质轻、美观、具有良好的导热性能和比热容以及良好的塑性等特点，广泛应用于电能转换或传递的电磁装置领域。近年来，电机外壳越来越多选择铝合金材料进行生产，由于对尺寸精度和性能要求较高，优选6061铝合金，通过挤压方式制造[1]。本文简要介绍铝合金电机外壳型材生产技术，供相关技术研究和生产人员参考。

1 合金成分确定

目前，工业用的6xxx系挤压合金的特点是具有良好的可挤压性能、可焊接性能、取得其适当强度所需要的低成本。在6xxx系合金中，6061合金具有较高的强度和综合性能，具有加工性能极佳、优良的焊接特点及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、材料致密无缺陷等优点。生产实践表明，6061铝合金已成为生产铝合金电机外壳型材的基础合金。

(1)合金的强度性能通过控制合金中Mg2Si的含量和过剩硅的含量来保证。6061合金的主要强化元素是Mg和Si，主要强化相是Mg2Si和过剩游离硅。其抗拉强度随合金中Mg2Si的含量和过剩硅的含量增加而提高，其淬火敏感性也相应提高，但伸长率和挤压性会下降。新合金中硅的含量比Mg2Si化学计量比中要求的稍大，是因为在连续铸造的实际结晶过程中，合金中的硅要优先与杂质铁或锰易形成AlFeSi和/或(FeMn)3SiAl12金属间化合物，要消耗部分硅[2-3]。因此，内控标准中将合金中镁含量控制在0.84%～0.88%，而硅含量控制在0.60%～0.64%。这样使合金产品抗拉强度达到296 N/mm2以上，材料力学性能完全满足国标和客户的要求。

(2)合金的耐蚀性。对于6061合金而言，铁和硅是合金中的正常杂质，它们形成相对铝基体而言呈阴极的组分(FeAl3、αAlMnSi、硅和其它)。此外，合金中的过剩硅也会增大合金对应力腐蚀的敏感性。因此，为了使合金具有较好的耐蚀性，在成分设计时，应尽可能降低杂质铁的含量和次要成分铜的含量，并消除过剩硅的存在。

(3)合金中铁的作用。铁含量较高对合金的韧性、挤压性能和耐腐蚀性能有较大影响。在合金中与锰、铬、硅等形成硬脆的金属铝化物相。试验表明，6061合金在(标准值0.7%以下)的范围内，对合金强度和延伸率的影响不大，但伴随Fe含量的增加，韧性明显降低。合金中的铁以不超过0.30%为宜。

(4)合金中铜的作用。合金中的铜作为弥补停放效应的强度损失而加入，能够降低自然时效速度。6061合金中铜的添加因析出了细微致密的β′-Mg2Si，使得合金强度提高，同时也改善了化学光亮处理的反应能力。铜可产生抑制挤压效应，降低合金的各向异性。因此，合金成分设计时，铜的含量选取按下限0.15%～0.20%。

(5)合金中钛的作用。钛有细化铸造组织和结晶晶粒的作用。生产实践表明，采用在线变质处理方法时，钛的加入量只需0.01%～0.02%即可。

综上所述，最终确定6061化学成分如表1所示。

表1 6061铝合金化学成分(wt.%)

2 模具设计

从图1可知，铝合金电机外壳型材结构主要由内腔、散热翅、支撑脚和螺钉安装位组成。内腔的面积很大，采用大型挤压机制造需要承受较大的挤压力，这就要求对力学性能和模具设计要求很高，否则某些散热翅很容易崩裂。由于型材具有一定对称性，因此在金属成形过程中，对称的部位、金属成形的状态要求一致[4]。即在模具设计时，对称部位分流孔金属供应、工作带选择应尽可能趋于一致，避免因流速差产生拉应力，从而保证型材的尺寸精度[5]。

图1 铝合金电机壳型材断面结构图Fig.1 Section structure diagram of aluminum alloy motor shell profiles

本设计采用分流模结构，8孔均衡分布。因产品又大又厚，生产时常出现缩水，防止生产时出现摆动，在模芯工作带离下空刀5mm处做10度保护台，中心大圆下空刀须铣深3mm，空刀光滑接顺。为调节各处厚薄点出料速度均匀并减缓流速，可在下模焊合室特别厚处加7mm栏基，下模大圆处工作带取11mm，支架最厚处取23mm工作带。模具采用高纯氮气淬火，以保证模具电机外壳散热翅的硬度[6]。模具制造结构如图2所示。

图2 铝合金电机壳型材模具结构示意图Fig.2 Schematic diagram of die structure for aluminum alloy motor shell profile

3 熔铸工艺

采用25t 矩形固定型蓄热式炉和25t 立式半连续铸造机设备进行熔炼和铸造，经除气、除渣、细化并优化熔铸工艺参数，经先进的均匀化处理和机加工生产出6061合金Φ254mm的优质铸锭，供挤压使用。

(1)熔炼。采用旋转式节能熔炼炉设备，装炉前对熔炼炉进行烘炉，并按1kg/t(装炉量)的比例在炉内撒上一层清炉剂，彻底清炉，再装炉、熔炼。待合金全部熔化后，使用电磁搅拌设备，以加快熔化，避免熔体过热。控制熔炼温度在700℃～760℃，温度过高会增大吸收氢和氧化，温度过低易产生夹杂。炉前熔体取样快速分析，然后进行补料计算。

(2)精炼。成分合格后开始精炼，精炼温度控制在700℃～730℃。在720℃以上温度用高纯氮气向熔体吹入精炼剂，精炼15min～30min。精炼结束后，根据渣量撒入适量打渣剂，扒去铝液表面的浮渣。然后加入覆盖剂，以保护熔体不受污染，静置20min以上方可铸造。

(3)铸造。采用同水平热顶铸造半连续法生产圆铸锭。铸造过程中，主要控制铸造温度、铸造速度和冷却水压强度等因素。铸棒规格为Φ254mm，铸造温度700℃～720℃，铸造速度50mm/min～70mm/min，冷却水量为2400L/min～3100 L/min。

(4)均质。合金的均匀化处理能够提高挤压速度，满足型材断面要求的成型要求。通常选择(0.9～0.95)Tm为合金均匀化退火温度(Tm为铸锭实际开始融化的温度)。对铸锭进行均匀化处理，铸锭加热到560℃～580℃，保温7h～8h，随即冷却200℃水冷至常温。

4 挤压与时效工艺

铝合金电机外壳型材是一种空心挤压型材，外壳结构复杂，内腔大，壁厚相差悬殊，特别是对Φ6mm的8个小圆和中心圆及支架部分厚度比较难控制，因此电机外壳型材技术难点较高，给生产制造带来很大的难度。将6061-T6合金高硅均质铸锭，在智控高节能蓄热式燃气铝棒加热炉加温，金属填充过程中散热翅很容易崩断，因此需让挤压杆慢速加压前行。综合考虑挤压机挤压能力，为达到理想的力学性能，应适当降低挤压温度、合理控制挤压速度[7-8]，其挤压生产过程工艺参数为，铸锭加热温度480℃～530℃，模具温度480℃～500℃，盛锭筒温度440℃～460℃，挤压速度3m/min～6m/min，出口温度510℃～530℃，冷却方式为强风水雾冷却。挤压完毕后，经特殊设计与制造的精密在线水、雾、气淬火装置上淬火，采用时效温度为(175±5)℃×8h的时效工艺处理[9-11]。