王海彬,王祝堂
(1.東北輕合金有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150060; 2.中國(guó)有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì),北京 100814)
6×××系鋁合金又稱Al-Mg-Si合金或Al-Mg2Si合金,Mg及Si是其主要合金化元素,往往還含有少量的Mn或Cr,作為雜質(zhì)元素Fe的中和劑,有時(shí)還添加少量Cu或Zn,以提高合金的強(qiáng)度,而又不使其抗蝕性能明顯下降;導(dǎo)電材料中有少量Cu、以抵消Ti及V對(duì)導(dǎo)電性的不良影響; Zr或Ti能控制晶粒尺寸;為了改善切削加工性,有時(shí)還加入Pb與Bi,但它們?cè)诖祟惡辖鹬械淖饔帽仍跓oMg合金中的小。
現(xiàn)行的6×××系鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%):Mg 0.2~1.5,Cr 0~0.5,B、Ti、Zr 0~0.3,Si 0.2~2,Cu 0~2.0,Pb、B 0~0.1,Mn 0~1.5,Zn 0~2.5。
Mg2Si中w(Mg)/w(Si)為1.73,但是在生產(chǎn)中不可能保持此比例,所以大部分合金不是含有過剩量的Mg,就是Si含量過剩。Mg含量過剩時(shí),合金的抗蝕性能好,但強(qiáng)度與成形性能較低; Si含量過剩時(shí),合金的強(qiáng)度高,成形性能及可焊性能較低,且稍有晶間腐蝕傾向。
Al-Mg-Si合金的組織比較簡(jiǎn)單,主要強(qiáng)化相是Mg2Si,熱處理時(shí)Mg2Si溶于固溶體中,使合金在人工時(shí)效時(shí)有強(qiáng)化能力。如果合金含有相當(dāng)量的Cu和Si,則除了Mg2Si外,還會(huì)形成Cu2Mg8Si6Al5,即至少有一部分Mg2Si被Cu2Mg8Si6Al5取代,后者也有一定的時(shí)效硬化能力。在無Mn、Cr的合金中,F(xiàn)e以Al3Fe、Al6Fe、Fe2SiAl6或FeMg3Si6Al8的形式存在;在有Mn及Cr的合金中,F(xiàn)e與它們形成化合物。Zn溶于固溶體中,B、Ti、Zr的含量很小,一般不會(huì)形成可見的化合物。加入P、S、Te、I或MgCl2可使Mg2Si球化。
2018年在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司(The Aluminum Association,Inc.)注冊(cè)的706個(gè)變形鋁合金中(常用的550個(gè),非常用的156),6×××系鋁合金126個(gè),占17.85%,居第二位,僅比5×××鋁合金的141個(gè)少15個(gè)。但是6×××系鋁合金半成品的產(chǎn)量卻居前位,因?yàn)榻ㄖ?結(jié)構(gòu)鋁材的85%以上是用6063型及6061型鋁合金生產(chǎn)的。
回顧近70年來6×××系鋁合金的發(fā)展[1],該系的6063鋁合金于20世紀(jì)80年代在北美和歐洲獲得了廣泛的應(yīng)用,是一種軟合金,用于擠壓建筑-結(jié)構(gòu)鋁材,美國(guó)鋁業(yè)公司(Alcoa)1944年發(fā)明,與7075鋁合金同時(shí)誕生,含w(Mg)=0.45%的Mg。Mg、Si的含量不完全符合Mg2Si的原子比,Si過剩一些(圖1)。如要制備強(qiáng)度稍低些的T5狀態(tài)材料,可降低Si含量,現(xiàn)在仍有不少這樣的合金在使用。6063型鋁合金現(xiàn)有6個(gè)常用合金: 6063 (美國(guó))、6063A(1979年英國(guó))、6463(1957年美國(guó))、6463A(1973年澳大利亞)、6763(1972年美國(guó))、 6963(1994年美國(guó));非常用合金(inactive alloy)6個(gè): X6163、 6263、6363、6563、6663、6863。
圖1 6×××系鋁合金Mg、Si的含量范圍Fig.1 Content range of Mg and Si in 6××× series Al alloys
雖然6060鋁合金1972年就已注冊(cè),但在那個(gè)時(shí)候并沒有獲得廣泛應(yīng)用,主要原因是它的成分設(shè)計(jì)原理是其平衡相Mg2Si量與6063鋁合金的相同, 因此其抗拉強(qiáng)度很難達(dá)到6063-T6鋁合金的水平。爾后發(fā)現(xiàn),增大過剩Si的量可以提升強(qiáng)度,而可擠壓性能的下降很小,不過過剩Si的量也是有一定限度的。20世紀(jì)90年代歐洲開始用6060鋁合金取代6063鋁合金,研究發(fā)現(xiàn),減少M(fèi)g含量,加大Si含量,合金的強(qiáng)度不會(huì)降低,而擠壓性能卻明顯上升。那時(shí)Si在合金中的作用尚未徹底明白,只知道它能細(xì)化沉淀相質(zhì)點(diǎn),加大合金的人工時(shí)效能力。2018年,6060鋁合金已發(fā)展到常用合金8個(gè): 6060(1972年,歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)EAA)、 6160(1993年美國(guó))、6260(1996年美國(guó))、6360(2001年美國(guó))、 6460(2001年美國(guó))、6460B(2010年巴西)、6560(2001年美國(guó))、6660(2011年美國(guó));非常用合金1個(gè),6460A。
20世紀(jì)90年代后期,力拓公司(Rio Tinto)開發(fā)出 6360鋁合全,成分設(shè)計(jì)原理:充分利用過剩Si與較低的Mg含量,從而提供較低的流動(dòng)應(yīng)力與仍可以達(dá)到6063-T6鋁合金的強(qiáng)度。6360鋁合金2001年注冊(cè),同時(shí)在北美進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。在20世紀(jì)90年代后期,歐洲和澳大利亞的一些大學(xué)的科學(xué)工作者采用原子探針(atom probe)和高倍顯微鏡發(fā)現(xiàn)[2]:納米級(jí)時(shí)效硬化沉淀相β′的x(Mg)/x(Si)≈1∶1,而不是過去認(rèn)為2∶1。
由圖1可清晰地看出在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司注冊(cè)的6×××系鋁合金的成分范園,6060及6063鋁合金的Mg、Si含量相近1∶1,而它們的總含量又使合金的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,這兩個(gè)合金在北美和歐洲都獲得廣泛應(yīng)用,不過北美對(duì)6063鋁合金更喜歡些,太平洋地區(qū)及國(guó)家都廣泛應(yīng)用它們。6360鋁合金是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)開發(fā)的,它綜合了6×××系鋁合金的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。
中等強(qiáng)度的6×××鋁合金的發(fā)展在北美和歐洲各走各的路,自20世紀(jì)50年代以來,北美的結(jié)構(gòu)擠壓鋁材市場(chǎng)主要是6061鋁合金,它的成分范圍是按Mg2Si的原理設(shè)計(jì)的,6061-T6鋁合金有最高的強(qiáng)度性能。力拓公司利用Mg含量的下限,開發(fā)成功T6狀態(tài)的擠壓機(jī)淬火工藝[3],于20世紀(jì)90年代后期面世的68234鋁合金有優(yōu)秀的擠壓性能,很易達(dá)到6061鋁合金的性能,它的x(Mg)/x(Si)=1∶1,也就是在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)Si含量盡量高些,而Mg含量盡量低些。68234是力拓公司的鋁合金牌號(hào)。
與6061鋁合金對(duì)應(yīng)的,在歐洲則用6082鋁合金,一直延續(xù)了四五十年,它的x(Mg)/x(Si)接近1∶1,并含有少量的Mn和Cr,它的擠壓速度比6061鋁合金的約快10%,在北美多用它擠壓汽車結(jié)構(gòu)型材。
20世紀(jì)70年代,歐洲開發(fā)出可中間空氣淬火合金(intermediate air quenchable)6005A鋁合金,它的性能介于6082與6063鋁合金之間,其w(Mg)/w(Si)符合1∶1。力拓公司研制的65300鋁合金是6005A鋁合金的改型,于20世紀(jì)90年代初期進(jìn)入北美市場(chǎng),用以取代6005鋁合金。該合金適于空氣淬火,現(xiàn)已納入美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)2015年版鋁設(shè)計(jì)手冊(cè),在工業(yè)生產(chǎn)中,它的性能很容易滿足6061-T6鋁合金的最低要求,而其擠壓速度比6061鋁合金的快30%,在生產(chǎn)結(jié)構(gòu)擠壓材時(shí)可用它取代6061鋁合金。6005A及6082鋁合金都已納入美國(guó)焊接協(xié)會(huì)(AWS)的有關(guān)手冊(cè)與資料匯編。
21世紀(jì)以來,為了減小流動(dòng)應(yīng)力與增大擠壓性能,力拓公司研究中心實(shí)驗(yàn)室和中間試驗(yàn)廠對(duì)一些合金進(jìn)行了謹(jǐn)慎的篩選與評(píng)估。圖2[1]示出擠壓突破力與成分的關(guān)系。由圖2可見,在w(Mg)由0.48%減小到0.24%時(shí),每減小0.1%,擠壓力下降約3%。相反,w(Si)每上升0.1%,擠壓力僅下降約1%。合金在時(shí)效(185 ℃5 h)后的抗壓強(qiáng)度與成分的關(guān)系見圖3[1]。由圖3可見,若w(Mg)<0.25%,合金的性能就很難滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。若w(Mg)為0.30%~0.35%,w(Si)為0.5%~0.6%,合金的力學(xué)性能就與6063-T5及T6的相當(dāng)。
N.C.帕森(Parson)等研究了擠壓材的表面質(zhì)量與Si含量及擠壓速度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)形成表面凹痕(pickup)的最低速度隨著Si含量的增加而下降,這與均勻化鑄錠組織形成β-FeSiAl5相的穩(wěn)定性相吻合。
圖4表示凹痕的形成傾向與Si含量、出口擠壓速度的關(guān)系,合金w(Mn)=0.03%與w(Fe)=0.17%。加大Mn含量可有效使β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al12(FeMn)5Si,同時(shí)可以提升擠壓速度,材料表面質(zhì)量好,沒有任何缺陷,由此可知β相對(duì)材料表面品質(zhì)的不良影響。這種情景也清晰地指出,β相可促進(jìn)合金化程度低的Al-Mg-Si合金擠壓材表面出現(xiàn)凹痕。
圖4 凹痕形成傾向與出口速度、Si含量的關(guān)系Fig.4 Relationship of denting tendency and exit speed and Si content
力拓公司北美研究中心對(duì)Al-0.33Mg-0.50Si合金進(jìn)行了更為深入的研究,并與常規(guī)6060鋁合金作了對(duì)比試驗(yàn)(表1)。兩種合金的w(Mg)+w(Sieff)含量相近,前者的為0.77%,后者的為0.79%,其中的w(Sieff)為w(Si)-[w(Mn)+w(Fe)]/4。對(duì)這兩種合金進(jìn)行了一系列的成對(duì)試驗(yàn)(back-to-back trials), 入口速度25 m/min~100 m/min,錠坯溫度450 ℃。6360鋁合金的擠壓力約比6060鋁合金低4%,這相當(dāng)于6360鋁合金的擠壓溫度可比6060鋁合金的低20 ℃,或者說它的擠壓速度可比6060鋁合金的約大12%。
表1 力拓公司試驗(yàn)的合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of the specimen tested by Rio Tinto(wt%)
在試驗(yàn)時(shí),在型材端面鉆有孔,便于插入熱電偶測(cè)量溫度,型材溫度變化如圖5所示。在給定的柱塞速度時(shí),6360鋁合金型材的溫度低4 ℃~5 ℃,這是因?yàn)?360鋁合金的流動(dòng)應(yīng)力較小,也就是說,表面缺陷凹印未出現(xiàn)前,6360鋁合金的擠壓速度可比6060鋁合金的約快10%,即6360鋁合金錠坯的擠壓溫度可比6060鋁合金的低。試生產(chǎn)型材的表面粗糙度見圖6。由圖6可見,6360鋁合金型材的表面比6060鋁合合的光滑,擠壓柱塞速度相等。
圖5 溫度與錠坯頻率的關(guān)系Fig.5 Relationship between temperatures and billet sequence
圖6 對(duì)比試驗(yàn)時(shí)型材的表面粗糙度Fig.6 Profile surface roughnesses in the contrast test
根據(jù)力拓公司的試驗(yàn),6360鋁合金的優(yōu)勢(shì)很明顯,生產(chǎn)率有較大提高,在埃羅里特?cái)D壓廠(Aerolite Extrusions)試驗(yàn)了13種模,有些模的使用次數(shù)超過13次,6360鋁合金的生產(chǎn)率平均比6063鋁合金的高9.5%,有些模的甚至高達(dá)24%,模的壽命也大為延長(zhǎng),有些模擠壓的錠坯數(shù)已達(dá)50塊、100塊,甚至有達(dá)200塊的,所擠材料的表面品質(zhì)也令人滿意(見圖7)。
圖7 擠壓錠坯的型材的表面粗糙度Fig.7 Profile surface roughnesses during extrusion of the billet
6360鋁合金擠壓型材在185 ℃5 h時(shí)效后的力學(xué)性能與6063鋁合金的相當(dāng)(表2),并有很好的時(shí)效能力。不過這兩種合金在實(shí)際生產(chǎn)中往往在車間內(nèi)停放一段時(shí)間才能時(shí)效,這對(duì)材料的力學(xué)性能有一定的影響,但是現(xiàn)代化的生產(chǎn)線可以做到無停放時(shí)間,下擠壓線后可及時(shí)時(shí)效,或停放很短時(shí)間。圖8示出了6360及6060鋁合金的時(shí)效(185 ℃)曲線,為了比較還繪有6063鋁合金的時(shí)效曲線。6063鋁合金在時(shí)效保溫5 h后即達(dá)到峰值,而6360及6060鋁合金達(dá)到峰值則需8 h,這么長(zhǎng)的時(shí)效時(shí)間在實(shí)際生產(chǎn)中是不可接受的。他們的研究發(fā)現(xiàn),向合金添加w(Cu)≈0.05%,就可以大大加速6360鋁合金的時(shí)效動(dòng)力學(xué),從而引出了63081鋁合金,它是6063鋁合金的變型,時(shí)效后的力學(xué)性能與6063-T6鋁合金的相當(dāng)。同時(shí),含微量Cu的6360鋁合金有很好的表面處理性能,氧化后表面甚為亮麗,與6060及6063鋁合金陽(yáng)極氧化一模一樣。當(dāng)前,6360-T5、 T6鋁合金已獲得廣泛應(yīng)用,特別適合于擠壓截面復(fù)雜的型材。6360-T5、T6鋁合金型材的性能已納入美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。
表2 6360型合金的狀態(tài)及力學(xué)性能(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定)Table 2 Tempers and mechanical properties of 6063 Al alloy(specified)
圖8 Cu對(duì)6360鋁合金時(shí)效的影響Fig.8 Influence of Cu on the ageing of 6360 Al alloy
與6360鋁合金的發(fā)展相反,力拓公司最初為澳大利亞/太平洋地區(qū)市場(chǎng)研制出一種強(qiáng)化效率高的合金,它的Mg、Si含量原子比為1∶1,即在標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定的范圍內(nèi),盡量減少M(fèi)g含量,加大Si含量(參見圖1)。與發(fā)展6360鋁合金相似,添加了微量的Mn,以促進(jìn)α相向含F(xiàn)e的β相轉(zhuǎn)變,這就是力拓公司的65496鋁合金,2010年進(jìn)入北美市場(chǎng),雖然它的w(Mg+Si)含量 約達(dá)1.0%,比6063鋁合金的約0.85%高一些,而熔點(diǎn)有所下降,在實(shí)際生產(chǎn)中,它的擠壓效率與SF 6063鋁合金的非常接近。
生產(chǎn)實(shí)踐很快就證明,超流合金(superflow 6063)在北美市場(chǎng)上的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是有突出的時(shí)效能力,成為6063鋁合金與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)合金如6005A、6061鋁合金之間的新型實(shí)用合金。力拓公司技術(shù)中心進(jìn)行了約4個(gè)月的生產(chǎn)性試驗(yàn),擠壓了5種型材,試驗(yàn)結(jié)果見表3。在充分時(shí)效狀態(tài)下,SF6063鋁合金的抗拉強(qiáng)度實(shí)際上能滿足6005A-T61鋁合金的最低要求,雖然其平均值比標(biāo)準(zhǔn)6005A鋁合金的低。在此基礎(chǔ)上,力拓公司在美國(guó)協(xié)會(huì)公司注冊(cè)了一個(gè)新的合金狀態(tài)6063-T65。其最低力學(xué)性能完全與6063-T6、6005A-T61、6061-T6鋁合金的相當(dāng),見表4。
表3 SF6063鋁合金與6005A鋁合金的性能比較Table 3 Property comparison between SF6063 alloy and 6005A alloy
表4 6063-T65鋁合金的力學(xué)性能*與標(biāo)準(zhǔn)合金性能*的比較Table 4 Contrast of mechanical properties between6063-T65* and standard Al alloys
注:*注冊(cè)性能值。
SF 6063鋁合金可以經(jīng)欠時(shí)效處理(underage)后就能達(dá)到6063-T6鋁合金的性能,從而可以縮短時(shí)效處理周期?,F(xiàn)在北美的許多用戶都已欣然接受了這個(gè)合金。SF6063鋁合金在165 ℃及185 ℃時(shí)效后的性能見圖9,保溫前的加熱升溫為1.5 h~2 h,圖中的水平線代表對(duì)6063-T6鋁合金的最低要求抗拉強(qiáng)度。由圖可以清晰看出,SF6063鋁合金時(shí)效后的力學(xué)性能完全能達(dá)到6063-T6鋁合金的水平,還綽綽有余。
圖9 SF6063鋁合金的抗拉強(qiáng)度與時(shí)效時(shí)間的關(guān)系Fig.9 Relationship between the tensile strength and ageing time of SF6063 Al alloy
超流6060鋁合金的研發(fā)歷程與高性能超流SF6063輕合金的相似,即盡量降低6060鋁合金的Mg含量,使Mg、Si含量的原子比接近1∶1平衡線,同時(shí)與6063鋁合金相比,6060鋁合金對(duì)地板時(shí)效(floor age)與加熱速度更為敏感,時(shí)效動(dòng)力學(xué)也比6063鋁合金的慢?!暗匕鍟r(shí)效”即通常說的“停放效應(yīng)”。不過,即使在最壞情況下,利用現(xiàn)代化的自動(dòng)設(shè)備處理,6060鋁合金的力學(xué)性能也能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。圖10為6060鋁合金的時(shí)效曲線,地板時(shí)效時(shí)間很短,時(shí)效時(shí)的加熱速度也快。試驗(yàn)表明,此合金在200 ℃3 h時(shí)效后的性能就能達(dá)到歐洲AA6060-T66鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)。它在歐洲的牌號(hào)為606007,歐洲的一批生產(chǎn)企業(yè)已接受了此合金,它同SF6063鋁合金一樣,此合金的強(qiáng)度還有較大的提升潛力,同時(shí)有相當(dāng)強(qiáng)的吸收沖擊能的性能,歐洲一些汽車構(gòu)件廠已用它制造直齒輪變速器(crashbox)/防撞構(gòu)件(crash)。
圖10 SF6060鋁合金的時(shí)效曲線Fig.10 Ageing curves of SF6060 Al alloy
在變形鋁合金中,6×××系鋁合金是產(chǎn)量最大與應(yīng)用最廣的,建筑-結(jié)構(gòu)鋁材都是用它們擠壓的。1934年6061鋁合金成型、1944年6063鋁合金成型,前者中等強(qiáng)度,后者的強(qiáng)度中等偏下,它們是6×××系的主要合金,建筑-結(jié)構(gòu)鋁材大多數(shù)是用它們生產(chǎn)的,都是美國(guó)鋁業(yè)公司研發(fā)的,自20世紀(jì)40年代中期至21世紀(jì)10年代中期6×××系鋁合金處于穩(wěn)健的發(fā)展期。2005年以來,加拿大鋁業(yè)公司及以后的力拓-加鋁公司對(duì)6063、6060鋁合金的發(fā)展做了許多工作,先后推出高成形性(high performance)6360鋁合金、高成形性超流(high performance superflow)6063鋁合金、高成形性超流(high performance Superflow)6060鋁合金,并冠以SF6063、606007等新牌號(hào),它們已在歐洲、北美獲得商業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用,不但性能有所提高,而且由于擠壓速度(流速)的提高,生產(chǎn)效率普遍提高20%以上。
筆者編撰此文是希望中國(guó)的鋁擠壓生產(chǎn)者關(guān)注國(guó)外的最新技術(shù)成就。