6063鋁合金擠壓型材的快速時(shí)效工藝研究

吳錫坤，王順成，黃杰海，聶德鍵，李 輝

（廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，佛山528137）

0 前言

6063鋁合金屬于中等強(qiáng)度的Al-Mg-Si系合金，具有良好的擠壓性能、耐腐蝕性能、焊接性能和氧化著色性能等，廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、艦船、軌道交通、太陽(yáng)能光伏等領(lǐng)域[1-3]。

6063鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化型合金，時(shí)效是提高其強(qiáng)度的重要手段[4]。王克等人[5]研究了時(shí)效制度對(duì)6063鋁合金品字形型材力學(xué)性能的影響。魏玉等人[6]研究了時(shí)效時(shí)間對(duì)汽車用6063鋁合金組織與力學(xué)性能的影響。寧愛(ài)林等人[7]研究了不同時(shí)效工藝對(duì)6063鋁合金組織和力學(xué)性能的影響。6063鋁合金的單級(jí)時(shí)效溫度通常為165~200℃，需要時(shí)效6h以上才能達(dá)到強(qiáng)度峰值。而雙級(jí)時(shí)效工藝通常是在165~185℃下預(yù)時(shí)效2~3h，然后再升溫到190~200℃繼續(xù)時(shí)效2~3h。雙級(jí)時(shí)效可以進(jìn)一步提高6063鋁合金的峰值強(qiáng)度。

現(xiàn)有6063鋁合金擠壓型材的時(shí)效工藝，無(wú)論是單級(jí)時(shí)效還是雙級(jí)時(shí)效，時(shí)效溫度都比較低，導(dǎo)致時(shí)效時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率較低。為了提高生產(chǎn)效率，本文在210~250℃溫度下對(duì)6063鋁合金擠壓型材分別時(shí)效處理15~90min，然后研究了其快速時(shí)效工藝。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為6063鋁合金，采用工業(yè)純鋁錠、鎂錠和鋁硅合金熔煉配制。在蓄熱式燃?xì)馊垆X爐內(nèi)于750℃下加熱熔化鋁錠，然后再加入鎂錠和鋁硅合金，攪拌熔化成鋁合金液。用氮?dú)夂途珶拕?duì)鋁合金液噴吹精煉20min后進(jìn)行除氣除雜處理，扒渣后再靜置40min，最后將鋁合金液半連續(xù)鑄造成直徑為152mm的6063鋁合金圓棒。鑄造溫度為710℃，鑄造速度為110mm/min。經(jīng)ARL4460型光電直讀光譜儀分析，6063鋁合金圓棒的化學(xué)成為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）：Si0.44，Mg0.47，F(xiàn)e0.15，Mn0.002，Zn0.022，Ni0.003，Ti0.011，余量為Al。

將6063鋁合金圓棒進(jìn)行分切和加熱，然后在1460t擠壓機(jī)上擠壓成壁厚1.4mm的空心型材，型材的形狀及尺寸如圖1所示。鋁合金圓棒上機(jī)溫度為516℃，模具上機(jī)溫度為438℃，擠壓速度為8.5mm/s，型材出口溫度為555℃。最后將該型材風(fēng)淬冷卻至室溫。

圖1 擠壓型材的形狀及尺寸

時(shí)效實(shí)驗(yàn)設(shè)備為DHG-9035A型電熱鼓風(fēng)箱。將6063鋁合金擠壓型材分別在210℃、220℃、230℃、240℃和250℃下進(jìn)行時(shí)效，時(shí)效時(shí)間分別為 15min、30min、45min、60min、75min 和90min。實(shí)驗(yàn)完成后，在6063鋁合金擠壓型材上分別取樣（取樣位置如圖1所示），然后加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。在WDW-100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2mm/min，拉伸試樣的形狀及尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試樣的形狀及尺寸

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為6063鋁合金擠壓型材的拉伸力學(xué)性能隨時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間變化的曲線圖。從圖3可看到，在210℃下時(shí)效時(shí)，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，擠壓型材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸升高，斷后伸長(zhǎng)率則逐漸降低。當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到90min時(shí)，擠壓型材的抗拉強(qiáng)度為235.5MPa，屈服強(qiáng)度為215.1 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為9.4%。在220℃時(shí)效時(shí)，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，擠壓型材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先逐漸升高，斷后伸長(zhǎng)率則先逐漸降低；當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到60min時(shí)，擠壓型材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到峰值，分別為234.2MPa和212.6MPa，斷后伸長(zhǎng)率為9.4%；繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度開始逐漸降低，斷后伸長(zhǎng)率則逐漸升高。在230℃和240℃下時(shí)效30min后，擠壓型材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到峰值；繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間，擠壓型材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都逐漸降低，斷后伸長(zhǎng)率則逐漸升高。而在250℃下時(shí)效15min后，擠壓型材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到峰值；當(dāng)繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間，擠壓型材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都逐漸下降，斷后伸長(zhǎng)率則逐漸升高。

圖3 拉伸力學(xué)性能隨時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間的變化曲線

圖4為6063鋁合金擠壓型材在不同溫度時(shí)效下的峰值強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率曲線圖。從圖4可看到，在不同溫度下時(shí)效，擠壓型材的抗拉強(qiáng)度峰值和屈服強(qiáng)度峰值都隨時(shí)效溫度的升高而逐漸降低，斷后伸長(zhǎng)率則隨時(shí)效溫度的升高而逐漸升高。

圖4 峰值強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率隨時(shí)效溫度的變化曲線

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，提高6063鋁合金擠壓型材的時(shí)效溫度可顯著加快時(shí)效進(jìn)程，使強(qiáng)度峰值出現(xiàn)的時(shí)間縮短，但峰值強(qiáng)度也隨時(shí)效溫度的升高而降低。過(guò)高的時(shí)效溫度不僅會(huì)使峰值強(qiáng)度下降，也會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度出現(xiàn)急劇下降，使時(shí)效熱處理的操作變得困難。綜合來(lái)看，6063鋁合金擠壓型材較理想的快速時(shí)效工藝為：時(shí)效溫度210~220℃，時(shí)效時(shí)間45~90min。在此時(shí)效制度下擠壓型材具有較高且穩(wěn)定的力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度226.2~235.5MPa，屈服強(qiáng)度202.8~215.1MPa，斷后伸長(zhǎng)率9.4%~9.8%。

6063鋁合金的強(qiáng)化相是β（Mg2Si）相，在時(shí)效過(guò)程中，β（Mg2Si）相的脫溶析出序列為：過(guò)飽和固溶體→G.P.區(qū)→β″相→β′相→β相[5]。在時(shí)效初期，Mg、Si原子在鋁基體的晶面上聚集，形成Mg、Si原子的富集區(qū)，即G.P.區(qū)。G.P.區(qū)與鋁基體保持共格關(guān)系，為了適應(yīng)不同原子的排列序列，鋁基體會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)變。彈性應(yīng)變會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高6063鋁合金的強(qiáng)度。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，Mg、Si原子進(jìn)一步富集并趨向有序化，G.P.區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米級(jí)的針狀或棒狀β'相。β'相與鋁基體呈共格關(guān)系，當(dāng)β'相長(zhǎng)大到一定尺寸后，應(yīng)力場(chǎng)會(huì)遍布整個(gè)鋁基體，此時(shí)6063鋁合金的強(qiáng)度最高。隨著時(shí)效進(jìn)程的進(jìn)一步發(fā)展，β'相逐漸轉(zhuǎn)變成β′相，β′相與鋁基體呈半共格關(guān)系，使鋁基體的彈性應(yīng)變程度下降，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙減小，導(dǎo)致6063鋁合金的強(qiáng)度下降。在時(shí)效后期，在β′相基礎(chǔ)上析出穩(wěn)定的β相，與鋁基體的共格關(guān)系消失，彈性應(yīng)變也隨之消失，使6063鋁合金的強(qiáng)度進(jìn)一步下降[8-9]。

從β（Mg2Si）相的脫溶析出過(guò)程可看到，G.P.區(qū)、β'相和β′相都能提高6063鋁合金的強(qiáng)度，但強(qiáng)化效果有所不同，以β'相的強(qiáng)化效果最大，一旦出現(xiàn)β′相后，6063鋁合金的強(qiáng)度則開始下降。因此，在6063鋁合金擠壓型材的時(shí)效過(guò)程中，擠壓型材的強(qiáng)度先是隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸升高，當(dāng)達(dá)到強(qiáng)度峰值后，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間，強(qiáng)度則開始逐漸下降。β（Mg2Si） 相的脫溶析出是一個(gè)擴(kuò)散相變過(guò)程，G.P.區(qū)的數(shù)量與大小主要取決于時(shí)效溫度，由于G.P.區(qū)容易長(zhǎng)大，時(shí)效溫度越高，原子擴(kuò)散速度越快。原子擴(kuò)散速度太快會(huì)導(dǎo)致G.P.區(qū)的密度減少而尺寸較大，最終導(dǎo)致β'相的數(shù)量減少和尺寸較大，使強(qiáng)化效果下降。因此，提高時(shí)效溫度，雖然可以加快6063鋁合金擠壓型材的時(shí)效進(jìn)程，但也會(huì)降低擠壓型材的峰值強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）提高6063鋁合金擠壓型材的時(shí)效溫度可顯著加快時(shí)效的進(jìn)程，有利于縮短擠壓型材的時(shí)效時(shí)間和提高生產(chǎn)效率，但同時(shí)也會(huì)降低擠壓型材的峰值強(qiáng)度。

（2）6063鋁合金擠壓型材較為理想的快速時(shí)效工藝為：時(shí)效溫度210~220℃，時(shí)效時(shí)間45~90min。在此時(shí)效制度下，擠壓型材的抗拉強(qiáng)度為226.2~235.5MPa，屈服強(qiáng)度為202.8~215.1MPa，斷后伸長(zhǎng)率為9.4%~9.8%。