電導(dǎo)率與鋁合金擠壓制程穩(wěn)定性的研究

丁小理，高森田

（廣東和勝工業(yè)鋁材股份有限公司，廣東 中山 528400）

電導(dǎo)率與鋁合金擠壓制程穩(wěn)定性的研究

丁小理，高森田

（廣東和勝工業(yè)鋁材股份有限公司，廣東 中山 528400）

鋁合金的化學(xué)成分、加工及熱處理狀態(tài)等與其電導(dǎo)率有一定的關(guān)聯(lián)。一般而言，合金元素愈多，電導(dǎo)率愈低或電阻愈高。鋁的合金元素在固溶狀態(tài)和析出狀態(tài)下，電導(dǎo)率不同，同屬析出狀態(tài)下，析出顆粒越大，電導(dǎo)率越高。相同鋁合金的化學(xué)成分通過(guò)電導(dǎo)率的測(cè)定，可以初步推測(cè)熱處理加工狀態(tài)以及某些力學(xué)性能，達(dá)到檢測(cè)快速便捷的目的，從而可以判斷制程的穩(wěn)定性。本研究結(jié)果顯示：電導(dǎo)率的檢測(cè)是目前判定鋁合金擠壓制程及生產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)定性的最簡(jiǎn)單最實(shí)用的方法之一，半成品及成品的電導(dǎo)率是產(chǎn)品質(zhì)量與制程穩(wěn)定性的指標(biāo)。

鋁合金；電導(dǎo)率； 熱處理；析出物；擠壓制程；時(shí)效

0　前言

鋁及鋁合金的化學(xué)成分、加工及熱處理狀態(tài)直接決定材料的性能，如何以簡(jiǎn)單快捷的方式檢測(cè)合金的加工狀況，判定制程穩(wěn)定性已成為新的研究方向。許多單位或人員也使用電導(dǎo)率儀來(lái)做鋁合金產(chǎn)品的測(cè)量或研究，1964年費(fèi)城航天材料實(shí)驗(yàn)室就使用電導(dǎo)率的測(cè)量來(lái)預(yù)測(cè)7000系列合金在高溫環(huán)境下的機(jī)械性質(zhì)變化。劉東雨等也用電導(dǎo)率儀來(lái)研究中強(qiáng)度AlMgSi鋁合金導(dǎo)體材料的合金設(shè)計(jì)及其對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率[1]。

熱處理過(guò)程中6000系列合金的電導(dǎo)率與合金成分、固溶或析出的化合物顆粒狀態(tài)有很大的關(guān)系。一般而言，合金元素愈多電導(dǎo)率愈低或電阻愈高，此外，鋁的合金元素固溶狀態(tài)和析出狀態(tài)對(duì)電導(dǎo)率的影響也不大相同。基本上，合金元素固溶狀態(tài)對(duì)電阻率平均的增值比析出狀態(tài)的增值大許多。鋁合金熱處理過(guò)程中如均勻化處理、固溶及時(shí)效處理，析出物顆粒會(huì)有不同變化。一般析出物的顆粒越大，電子通過(guò)材料的過(guò)程變得容易，電阻愈低而電導(dǎo)率愈高，析出物固溶狀態(tài)的原子聚集狀態(tài)電阻最高而電導(dǎo)率最低。

本文選擇6000系的6061及6063合金鑄錠，在不同擠壓生產(chǎn)線進(jìn)行擠壓及時(shí)效，研究在鑄造狀態(tài)/均質(zhì)態(tài)/擠壓淬火態(tài)/擠壓時(shí)效狀態(tài)下的電導(dǎo)率。分析發(fā)現(xiàn)，制程的變量會(huì)影響電導(dǎo)率，根據(jù)坯料、半成品及成品的電導(dǎo)率值可以了解各制程、生產(chǎn)設(shè)備及質(zhì)量的穩(wěn)定性并加以控制。

1　實(shí)驗(yàn)方法

選取6000系合金中的常用合金6063及6061，使用同一熱頂鑄造系統(tǒng)鑄造6063-A、6063-B、6061-C及6061-D鑄棒。使用光譜儀分析其主要元素的化學(xué)成分，并用渦流導(dǎo)電儀測(cè)量鑄棒中心部位的電導(dǎo)率。將上述鑄棒進(jìn)行均質(zhì)處理（570℃/保溫6h），均質(zhì)熱處理目的之一是要使高溫析出元素從鑄造的固溶狀態(tài)變成析出狀態(tài)。6061及6063合金的高溫析出元素主要是鉻及錳。鉻及錳由固溶狀態(tài)變成析出狀態(tài)，對(duì)電導(dǎo)率有明顯影響。使用渦流導(dǎo)電儀測(cè)量均質(zhì)后鑄棒中心部位電導(dǎo)率。將鋁棒于不同生產(chǎn)線不同的加溫爐內(nèi)進(jìn)行加熱，加溫設(shè)置亦不盡相同，但都將取樣用的圓棒加熱后拔出并進(jìn)行水淬，測(cè)量水淬后的電導(dǎo)率。將均質(zhì)態(tài)鑄棒進(jìn)行離線固溶淬火（550℃/保溫1h，加熱后水淬），測(cè)量其電導(dǎo)率。在一定擠出條件及冷卻系統(tǒng)的冷卻下，在擠出產(chǎn)品的頭、中、尾部及擠出產(chǎn)品工件上下面分別測(cè)量其電導(dǎo)率（擠出1h內(nèi)及室溫測(cè)量）。將擠壓冷卻的半成品進(jìn)入不同的生產(chǎn)線大型時(shí)效爐進(jìn)行人工時(shí)效處理，分別測(cè)量長(zhǎng)方時(shí)效爐體兩端共8個(gè)角及爐體中心位置的實(shí)驗(yàn)試樣的電導(dǎo)率。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1電導(dǎo)率

各種狀態(tài)下的電導(dǎo)率如表1所示

表1　各種狀態(tài)下電導(dǎo)率/%IACS

2.2化學(xué)成分

本實(shí)驗(yàn)用合金6063及6061的4爐次的主要元素化學(xué)成分如表2所示。除Cu以外6063-A比6063-B設(shè)計(jì)較多的合金元素。6061-C比6061-D設(shè)計(jì)較多的合金元素。

表2　實(shí)驗(yàn)用4爐次的主要元素化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2.3鑄態(tài)電導(dǎo)率

使用FIRST渦流導(dǎo)電儀，分別測(cè)量這4批鑄棒中心部位的電導(dǎo)率如表1所示。表1及表2顯示6063-A的合金元素Mn、Cr、Fe、Mg及Si的重量百分比較6063-B大，相對(duì)應(yīng)其電導(dǎo)率較低。雖然6063-B的Cu添加較多，但從表3可知Cu的添加對(duì)電導(dǎo)率的降低比起Cr、Mn、Si及Fe而言不是很明顯。6061-C因添加較多的Cr、Mn及Si，故與6061-D的電導(dǎo)率比較，兩者有明顯的差異。6061-C鑄棒因鑄造凝固的Cr及Mn主要以固溶狀態(tài)存在，因此使鑄棒的電導(dǎo)率明顯下降。6061與6063合金相比，6061的電導(dǎo)率低于6063合金約10%IACS。同屬6000系合金，強(qiáng)化相均為硅化鎂，但4爐次的鑄棒電導(dǎo)率有明顯差異，電導(dǎo)率從大至小依次排列為6063-B＞6063-A＞6061-D＞6061-C，以上排列順序和合金元素含量的高低正好成反比關(guān)系。

表3　在鋁中添加每1%元素在固溶狀態(tài)及非固溶狀態(tài)對(duì)電阻平均增值的影響/10-8Ω·m

2.4均質(zhì)態(tài)電導(dǎo)率

6063-B、6063-A及6061-C均質(zhì)后電導(dǎo)率如表1所示。均質(zhì)熱處理目的之一是要使高溫析出元素從鑄造的固溶狀態(tài)變成析出狀態(tài)。6000系列合金的高溫析出元素主要是鉻、錳及少量的Fe由固溶狀態(tài)變成析出狀態(tài)。這些元素的析出對(duì)電導(dǎo)率有相當(dāng)明顯影響，如表3所示[1、2]。表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，6063-A鑄棒經(jīng)均質(zhì)處理后電導(dǎo)率從50.1%增加到51.3%IACS，提高1.2%IACS的量，但6063-B爐次的鑄棒經(jīng)均質(zhì)處理后只增加0.5%IACS的量，主要是6063-B爐次的鑄棒Mn及Cr的含量較微量。從表3可預(yù)知含量較高的Cr/Mn鑄棒若能從固溶狀態(tài)變成析出狀態(tài)則將有較大的電導(dǎo)率增加。6063-A爐次的鑄棒Mn及Cr的含量較6063-B高，故經(jīng)均質(zhì)處理后電導(dǎo)率增加較明顯。

相同的道理，一般6061較6063合金含有較高的Cr/Mn元素，從表3也可預(yù)知含量較高Cr/Mn元素的6061鑄棒若能從固溶狀態(tài)變成析出狀態(tài)，則將有大量的電導(dǎo)率變化。6061-C爐次，加入總量約0.3%Mn及Cr等，若能通過(guò)均質(zhì)處理產(chǎn)生高溫析出相，則均質(zhì)態(tài)的電導(dǎo)率將明顯高出未經(jīng)均質(zhì)處理的鑄棒。6061-C經(jīng)均質(zhì)處理后，增加較高（約8%IACS）的電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于含Mn、Cr等高溫析出相的合金似乎可以通過(guò)電導(dǎo)率的變化來(lái)判定高溫析出相的析出效果。若如此的話，電導(dǎo)率的值將影響合金材料的后續(xù)的晶粒結(jié)構(gòu)及性能，故不得不加以控制。

2.5鑄棒固溶后淬火狀態(tài)電導(dǎo)率

取以上4個(gè)爐號(hào)鑄錠，在試驗(yàn)爐采用550℃/1h進(jìn)行固溶加熱后水淬，測(cè)量其淬火狀態(tài)電導(dǎo)率。均質(zhì)態(tài)的6063-A、6063-B、6061-C及無(wú)均質(zhì)的6061-D等鑄棒淬火狀態(tài)電導(dǎo)率如表1所示。這些電導(dǎo)率值將是本實(shí)驗(yàn)的擠壓鋁鑄棒加熱條件的參考值。均質(zhì)態(tài)的6063-A及6063-B鑄棒經(jīng)固溶及水淬后電導(dǎo)率下降約1.8%IACS值，推測(cè)可能是此兩種合金在均質(zhì)冷卻的過(guò)程中有部分的硅化鎂析出，也就是6063-A及6063-B鑄棒經(jīng)本試驗(yàn)的均質(zhì)冷卻處理后并非完全的固溶狀態(tài)。

均質(zhì)態(tài)的6061-C鑄棒的電導(dǎo)率為45.53%IACS，均質(zhì)態(tài)鋁棒經(jīng)試驗(yàn)爐固溶及水淬后電導(dǎo)率為41.25%IACS，下降約4.3%IACS，意為在均質(zhì)冷卻處理的過(guò)程中有更多的硅化鎂析出。在本研究中，采用相同的均質(zhì)處理6063-A、6063-B及6061-C的鑄棒，但電導(dǎo)率下降的IACS值不一樣。此說(shuō)明相同的均質(zhì)冷卻下，Si及Mg愈高則冷卻過(guò)程中可能愈容易析出硅化鎂。無(wú)均質(zhì)的6061-D等鑄棒固溶淬火狀態(tài)電導(dǎo)率下降約4.1%IACS，意為鑄造凝固的硅化鎂顆粒溶解后而固溶，因此而降低材料導(dǎo)電率。

2.6鋁棒擠壓前加熱的電導(dǎo)率

將上述鋁棒在不同生產(chǎn)線進(jìn)行加熱，鋁棒加熱爐爐型及加溫設(shè)置因不同生產(chǎn)線而異。將加熱后拔出的測(cè)試鋁棒水淬，測(cè)量其電導(dǎo)率如表1所示。通過(guò)表1中試驗(yàn)爐固溶后淬火狀態(tài)與鋁棒加熱爐加熱后的淬水態(tài)電導(dǎo)率的比較，6063-A、6063-B及6061-C所用的產(chǎn)線鋁棒爐加溫設(shè)定工藝，可以實(shí)現(xiàn)鋁棒的固溶效果，可以把均質(zhì)冷卻析出的部分硅化鎂重新固溶。而非均質(zhì)的6061-D鑄棒，在現(xiàn)有產(chǎn)線的鋁棒爐加溫工藝設(shè)定未能實(shí)現(xiàn)完全的固溶效果。

2.7擠壓半成品導(dǎo)電率測(cè)量

在一定擠出條件及冷卻系統(tǒng)的冷卻下，取擠出產(chǎn)品的頭、中、尾部及擠壓品上下面分別測(cè)量其電導(dǎo)率，本試驗(yàn)測(cè)量時(shí)機(jī)為擠出1h內(nèi)及室溫狀態(tài)，結(jié)果如表4所示。從測(cè)量結(jié)果看，最大最小偏差值在2以內(nèi)，相對(duì)而言擠壓品的淬火冷卻速度在不同位置的偏差不是很大。

從鋁棒加熱爐加熱后拔出水淬與擠壓半成品冷卻態(tài)的電導(dǎo)率對(duì)比看，6063-A所在的生產(chǎn)線淬火冷卻速度不夠，因擠壓半成品的電導(dǎo)率在擠出后及冷卻后有增加，增加的幅度有2%IACS。6061-C生產(chǎn)線淬火冷卻效果最好，因擠壓半成品的電導(dǎo)率增加很微量。而6061-D、6063-B淬火冷卻效果尚可接受，電導(dǎo)率增幅只有約0.8%、1.3%IACS。AlMgSi合金的擠壓冷卻目的是不讓擠壓品的硅化鎂析出，若硅化鎂析出的話則擠壓品的電導(dǎo)率會(huì)有變化。也就是沒(méi)有硅化鎂析出的電導(dǎo)率較低，有硅化鎂析出的電導(dǎo)率會(huì)比前者高。擠壓冷卻不佳狀況下可能擠出品的硅化鎂析出愈多或愈大，相對(duì)地?cái)D壓品的電導(dǎo)率增加愈多。

表4　擠壓半成品冷卻態(tài)的電導(dǎo)率

2.8時(shí)效后擠壓成品（T6或T5）電導(dǎo)率

上述擠壓冷卻的半成品進(jìn)入生產(chǎn)線的大型時(shí)效爐進(jìn)行人工時(shí)效處理，分別測(cè)量長(zhǎng)方時(shí)效爐體兩端共8個(gè)角及爐體中心位置的成品電導(dǎo)率，結(jié)果如表5所示。從電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果可知，6061-C所用的時(shí)效爐偏差稍大，偏差為2.06%IACS，分析為時(shí)效爐控溫能力不佳，溫度分布不均造成合金元素SiMg的析出顆粒大小不同所致。6063-A及6063-B所用的時(shí)效爐偏差為1%～1.5%IACS，其時(shí)效爐控溫能力尚可接受。

表5　不同擠壓品在不同時(shí)效爐電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果/%IACS

6061-C時(shí)效后產(chǎn)品電導(dǎo)率從40.85%IACS增加到43.6%IACS，時(shí)效后只增加約2.8%IACS，而6061-C合金含Mg0.902%，而含Si0.6%。6063-B時(shí)效后產(chǎn)品電導(dǎo)率從50.89%IACS增加到54.36%IACS，時(shí)效后增加約3.5%IACS，而Mg成分只有0.505%，Si只有0.34%。從電導(dǎo)度的測(cè)量可知6061-C爐次產(chǎn)品所使用的時(shí)效爐溫度可能出現(xiàn)問(wèn)題，因時(shí)效后的電導(dǎo)率增加太少，時(shí)效尚未發(fā)揮應(yīng)有的硅化鎂析出強(qiáng)化效果。

3　結(jié)論

（1）綜合上述試驗(yàn)，6000系列AlMgSi合金各種材質(zhì)的熱處理或制程狀態(tài)下有相對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率。電導(dǎo)率與合金元素成分重量百分比有關(guān)系，也與各種熱處理如均質(zhì)、固溶淬火、冷卻及時(shí)效等有關(guān)系。

（2）從研究可看出，6061-C爐次均質(zhì)后電導(dǎo)率大幅提高，分析與其成分中含有較多的Mn、Cr，在均質(zhì)過(guò)程中形成高溫析出有關(guān)。而6063-A/B爐次均質(zhì)態(tài)與鑄態(tài)差別不明顯，因?yàn)槠涓邷匚龀鱿嗪琈n、Cr化合物很少。

（3）經(jīng)過(guò)鋁棒加溫爐加熱后，各合金的電導(dǎo)率均有一定程度的下降，說(shuō)明鋁棒加溫爐的加熱過(guò)程可以促進(jìn)部分細(xì)小析出物的再溶解，實(shí)現(xiàn)合金元素的固溶。從試驗(yàn)爐脫機(jī)固溶水淬及產(chǎn)線鋁棒加溫爐加熱后水淬所得的電導(dǎo)率資料看，6063-A/B，6061-C爐次，其離線固溶水淬電導(dǎo)率與鋁棒爐加熱后水淬電導(dǎo)率相當(dāng)，說(shuō)明在相對(duì)應(yīng)的鋁棒加溫爐中可實(shí)現(xiàn)充分固溶硅化鎂顆粒的作用。

（4）無(wú)均質(zhì)6061-D鋁棒經(jīng)加熱爐加熱水淬后的電導(dǎo)率與離線固溶水淬的電導(dǎo)率相差大，說(shuō)明此相對(duì)應(yīng)的鋁棒加熱爐或加熱工藝未能實(shí)現(xiàn)完全的固溶。

（5）6063-A/B的淬火或冷卻后擠壓材的電導(dǎo)率較鋁棒爐加熱后水淬后有升高，說(shuō)明有硅化鎂的析出，推測(cè)其相對(duì)應(yīng)的淬火系統(tǒng)的冷卻速度不足。

（6）6061-C的淬火擠壓材與離線固溶水淬的電導(dǎo)率相當(dāng)，說(shuō)明其過(guò)飽和固溶體程度一致，其相對(duì)應(yīng)的淬火系統(tǒng)的淬火冷卻速度可滿足要求。

（7）從電導(dǎo)率的測(cè)量可知6061-C爐次產(chǎn)品使用的時(shí)效爐的設(shè)定溫度與實(shí)際溫度可能出現(xiàn)問(wèn)題。6061-C所用的時(shí)效爐時(shí)效結(jié)果的電導(dǎo)率偏差大，偏差為2.06%IACS，分析為時(shí)效爐控溫能力不佳。

（8）鋁合金的擠壓制程會(huì)影響溶質(zhì)或化合物的固溶或析出物狀態(tài)及其對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率。電導(dǎo)率測(cè)量可作為擠壓生產(chǎn)在線非破壞性的簡(jiǎn)易檢測(cè)手段，評(píng)估設(shè)備能力，半成品質(zhì)量、產(chǎn)品質(zhì)量及制程穩(wěn)定性的指標(biāo)。

[1]劉東雨，李文杰，等. 熱處理型中強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)體材料的組織與性能[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2014（24），8

[2]王祝堂，田榮璋. 鋁合金及其加工手冊(cè)[M]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)出版社，2005: 937

（編輯：楊毅）

Research on Stability of Electrical Conductivity and Aluminum Alloy Extrusion Process

DING Xiao-li, GAO Sen-tian
（Guangdong Hesheng Aluminum Co.,Ltd., Zhongshan 528400,China）

The research results show that detection of electrical conductivity is one of the simplest and practical method which can judge the stability of aluminum alloy extrusion process and production equipment, the conductivity of semi-finished products and finished products is the index of product quality and process stability.

aluminum alloy；conductivity；6063；6061；cast rod；homogeneity；solution；quenching；precipitation；extrusion；aging

TG146.21，TG379

A

1005-4898（2016）02-0045-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.02.09

丁小理（1978-），女，廣西桂林人，工程師。

2015-10-20