Effect of homogenization treatment on the pick-up defect on the surface of extruded 6063 aluminum alloy
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摘要: 采用扫描电镜、金相显微镜和X射线衍射等手段分析不同处理态的合金组织，研究了均匀化处理对6063铝合金型材表面渣粒缺陷的影响，结果表明：铸态合金由富集于晶界呈连续网状的非平衡共晶相与过饱和α-Al固溶体组成；非平衡共晶相由Mg2Si与β-Al5FeSi相组成；在均匀化退火过程中发生非平衡共晶相的溶解，针状的β-Al5FeSi相向颗粒状α-Al8FeSi相的转变.铸态合金挤出的型材表面有大量渣粒，570 ℃下随均匀化退火处理保温时间的延长，非平衡共晶相逐渐消失，挤压型材表面渣粒数量不断减少. 570 ℃保温6 h退火处理是6063合金铸锭较适宜的均匀化处理工艺.Abstract: The microstructures of as-cast and homogeneous alloys were analyzed by metalloscope, scanning electron microscope and X-ray diffraction. The effect of homogenization treatment on the pick-up defect on the surface of extruded 6063 aluminum alloy were investigated. The results show that as-cast alloy consists of supersaturated α-Al solid solution and non-equilibrium eutectic phase in network structure which uniformly distributes along grain boundaries. The non-equilibrium eutectic is composed of Mg2Si phase and β-AlFeSi phase. During the process of homogenization treatment, the non-equilibrium eutectic structure broke and dissolved, and the acicular β-AlFeSi phase transformed to spherical α-AFeSi phase. A large number of pick-up defects were observed on the surface of extruded alloy without homogenization treatment. The non-equilibrium eutectic phase disappeared and the number of pick-up defects decreased gradually with the increase of holding time of homogenization treatment at 570 ℃. In conclusion, the proper homogenization treatment of 6063 alloy is at 570 ℃ for 6h.
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Keywords:
- 6063 aluminum alloy /
- pick-up defect /
- homogenization treatment /
- AlFeSi phase
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在开采地下矿产资源的过程中，通常会形成形态各异、大小不一的空区，这些不规则复杂空区不仅直接威胁着井下设备和作业人员的安全，而且关系到矿山能否安全高效地回收地下矿产资源，因此对空区的空间形状、即时状态进行精密探测以及后期安全治理显得尤为重要，然而传统的空区探测方法，如高密度电阻率法、探地雷达法等探测深度和精度有限，过程繁琐，可视化程度低.
3D激光探测法是目前国际上广泛使用的一种新型空区探测方法，该方法是利用激光的高精确性对地下空区的位置、大小进行三维探测.C-ALS是一种用于探测地下空区的新型3 D激光探测技术，该探测系统可以迅速记录与目标物相关的三维数据信息，通过数据遥感勘测系统将所测得的数据输送到主控装置，同时利用计算机对数据进行获取和管理，再利用软件编辑和处理数据，构建空区三维模型，在此基础上，可以计算空区的体积、采场超欠挖量以及导入到数值模拟软件中进行稳定性分析，为空区有效治理提供了技术依据.
本文以龙桥铁矿的0~2线空区为工程背景，采用三维激光探测系统（C-ALS）进行了激光扫描，获得该空区的原始点云数据，同时借助Surpac矿业建模软件对原始数据进行处理以构建该空区的三维空间模型，准确地获取了其形状、空间位置、体积大小、暴露面积等信息，进而对相关数据进行了处理，并分析了顶板覆岩冒落高度及其原因.
1 三维激光探测系统（C-ALS）简介
三维激光探测系统（C-ALS）是英国Measurement Devices Limited公司生产的一种新型的采空区探测设备，该设备主要用于探测地下矿山隐伏空区，目前在国际上得到了广泛使用，由于其探头直径较小，仅为50 mm，故可以伸入地表直通地下空区的钻孔进行探测.
1.1 C-ALS基本构成
C-ALS主要由激光扫描探头、标准加长杆、钻孔摄像头、电源、电缆和计算机控制软件等构成，如图 1所示；其中计算机控制软件为C-ALS自带的软件CavityScan，它不仅可以处理空区探测后产生的原始数据，并且可以将其导入到CAD和其他建模软件中进行处理.
1.2 C-ALS工作原理
C-ALS探测系统采用激光测距的原理，扫描探头内置一个激光扫描仪，扫描仪发射脉冲激光，激光依次扫过空区后到达空区壁后被发射返回，返回的时间通过高精度的计时器记录下来，然后通过微处理器利用该时间自动计算出距离，设该距离值为s，每个激光脉冲横向扫描角度为α，纵向扫描角度θ，由此可得到每个三维激光测点坐标的计算公式[1-9]，如图 2所示.
激光扫描探头伸入空区后可以上下180°、水平360°旋转，达到对空区完整扫描的目的.系统测量范围0.5~150 m，精确度为（±）5 cm，水平和垂直角精确度为0.1°，数据捕捉率为200点/s.C-ALS主要有3种扫描类型：单水平切面扫描、水平扫描和垂直扫描，其工作原理如图 3所示.
2 现场探测方法和内容
（1）设备架设.根据龙桥铁矿采空区现场情况，扫描探杆水平放置，扫描头朝向与0~2线联络巷平行，并设计了3根2 m长的连接杆，尽量将扫描探头伸入采空区，避免出现扫描盲区，空区探测位置和设备架设现场分别如图 4、图 5所示.
（2）空区探测.设备架设妥当之后，连接系统元件并接通激光发射装置的电源，打开计算机控制软件，根据扫描需要选择扫描类型、设置初始扫描角度和探头一次抬升的角度，准备就绪后就可以进行探测了，探测现场如图 6所示.
（3）探头定位.为了精确每个扫描点的坐标，需测定扫描探头的坐标及加长杆件的方位角，由于探测时没有探测扫描头坐标与扫描探杆的方位角，因此，本次探测时默认扫描头坐标为X=1000, Y=1000, Z=100.
3 采空区模型构建与三维信息获取
3.1 采空区三维模型构建
在采空区现场探测获得原始数据后，需在探测系统自带的软件CavityScan中将“.mdl”格式的原始数据转换为“.dxf”或“.str”格式的文件，然后将其导入到Surpac、Datemine、Dimine等建模软件中构建空区三维实体模型[10-13].本论文采用三维可视化程度高的Surpac软件来构建空区三维实体模型，采空区三维建模技术流程如图 7所示.
由于扫描现场条件制约，空区形状不规则，采场内矿堆太高，视野不够开阔，致使扫描空区有部分盲区，但不影响空区大致轮廓，将扫描数据导入Surpac软件构建采空区三维立体模型如图 8所示.
3.2 空区高度的计算
探测结果在Surpac中构建的三维实体模型，通过有效性验证后就可以求出采空区的体积，其计算结果如图 9所示.
由空区实体报告可知，空区体积为17607 m3，空区高度最高达45.451 m，结合该空区采矿活动历史沿革，首采层位于-320 m分层，采用浅孔爆破，分层高度大约为7 m，本次测试的水平标高为-355 m，依次推论此空区的高度理论值约为40 m以上，与空区实测值基本接近，这说明该区段空区顶板覆岩基本没有冒落，其主要原因是：该区段空区暴露的倾向跨度值较小，至今仍未满足空区顶板覆岩冒落的临界跨度.
4 结论
（1）三维激光探测系统（C-ALS）对不规则空区进行的探测，能够准确地扫描出空区的实际构造状况，根据扫描得到的三维点云数据可借助矿业建模软件进行处理，从而得到空区的三维表面模型，使得地下不明空区可视化，提高了空区探测数据的可靠性和实用性，为矿山的持续安全开采提供了详尽的信息.
（2）龙桥铁矿的0~2线空区进行无损探测的结果表明：实测空区的高度与理论推测值基本接近，该区段空区顶板覆岩基本没有冒落，其主要原因是，该区段空区暴露的倾向跨度值较小，至今仍未满足空区顶板覆岩冒落的临界跨度.
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图 1 型材表面渣粒形貌二次电子像
Fig 1. Secondary electron image of pick-up defect on the profile surface
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图 2 不同处理状态合金的电子背散射像
Fig 2. Back scattered electron images of 6063 alloys in different treatment states
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图 3 不同处理状态合金的电子背散射像
Fig 3. SEM back scattered images of 6063 alloys in different treatment states
表 1 试验合金的化学成分组成/（质量分数，%）
Table 1 Composition analysis of experimental alloy /(mass fraction, %)
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表 2 型材表面渣粒化学成分/（质量分数，%）
Table 2 Composition of pick-up defect on the profile surface /(mass fraction, %)
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表 3 不同处理态合金析出相元素组成/（原子百分比，%）
Table 3 Composition of phases in alloy with different treatments /(atomic ratio, %)
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