通信機(jī)箱加工中6061鋁合金對2A12鋁合金的可替代性

王 偉，李應(yīng)紅

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西桂林541004)

隨著我國鋁加工業(yè)的迅速發(fā)展，各種新材料不斷出現(xiàn)，既為設(shè)計(jì)師選擇材料提供了廣闊的余地，又因難以權(quán)衡而增加了新的困難，特別是對結(jié)構(gòu)材料。然而，正確、合理地選擇材料是保證產(chǎn)品最佳性能、可靠工作、安全使用和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)，必須全面考慮，科學(xué)論證，認(rèn)真分析計(jì)算。

對于通信機(jī)箱，屬于薄壁結(jié)構(gòu)，工作條件惡劣，影響因素更多，因此選材更加困難。因此通信機(jī)箱選材時應(yīng)考慮下列因素：

（1）使用環(huán)境下材料的比強(qiáng)度和比剛度；

（2）材料在使用條件下的斷裂韌度和亞臨界裂紋擴(kuò)展速率；

（3）材料的生產(chǎn)工藝性；

（4）材料與環(huán)境的相容性；

（5）生產(chǎn)成本與資源；

（6）生產(chǎn)工藝水平和產(chǎn)品研制進(jìn)度；

考慮這些因素鋁合金中6061 與2A12 成為我司日常機(jī)箱設(shè)計(jì)的常用材料，但哪種材料更能滿足產(chǎn)品需求而且節(jié)約資源和成本？

1 基本性能分析

1.1 化學(xué)成分及耐腐蝕性對比

1.1.1 化學(xué)成分對比

6061 鋁合金材料與2A12 鋁合金材料的化學(xué)成分對比見表1所示。

表1 2A12 與6061 化學(xué)成分及元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由表1可以明顯看出兩種鋁合金組成元素大體相同，但是元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別甚大，從而決定了兩種合金的化學(xué)性能有較大的差異。2A12 屬于超硬鋁，具有很高的硬度，適合做剛度要求高的結(jié)構(gòu)。6061 鋁合金的主要合金元素是鎂與硅，并形成Mg2Si 相。含有一定量的錳與鉻，可以中和鐵的壞作用，當(dāng)添加少量的銅或鋅，可提高合金的強(qiáng)度，而又不使其抗蝕性有明顯降低；當(dāng)做導(dǎo)電材料時還有少量的銅，以抵消鈦及鐵對導(dǎo)電性的不良影響；鋯或鈦能細(xì)化晶粒與控制再結(jié)晶組織，為了改善可切削性能，可加入鉛與鉍。

1.1.2 耐腐蝕性分析

2A12、6061 均屬于高強(qiáng)度鋁合金，廣泛用作飛機(jī)、通信設(shè)備等結(jié)構(gòu)材料。工作性能的要求使它們大多暴露于大氣環(huán)境中，它們表面一般有一層致密的氧化膜，具有較好的耐大氣腐蝕性能，但隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展和大氣環(huán)境的嚴(yán)酷性增強(qiáng)和熱處理工藝的多樣化，對鋁合金的耐大氣腐蝕性也有了更高的要求。通過室內(nèi)模擬加速大氣腐蝕實(shí)驗(yàn)對兩種材料的抗腐蝕性能在短時間內(nèi)較快地得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在本次實(shí)驗(yàn)中，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NaCl 溶液對兩種材料試件進(jìn)行全浸泡，采用掃描電鏡和X 射線衍射儀觀察腐蝕產(chǎn)物形貌和腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，見圖1、圖2所示。

圖1 2A12 模擬大氣腐蝕微觀形貌

圖2 6061 模擬大氣腐蝕微觀形貌

圖1、圖2為兩種材料分別在0.5%的NaCl 溶液中全浸泡460 h 后的微觀腐蝕形貌，圖中（b）、（d）為局部放大圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明2A12 和6061 鋁合金均發(fā)生了明顯的局部腐蝕，主要是點(diǎn)蝕和輕微的晶間腐蝕。隨時間的延長腐蝕產(chǎn)物形貌由局部活性點(diǎn)生成的圓胞狀產(chǎn)物逐漸聚集長大，最后形成連續(xù)腐蝕產(chǎn)物膜，可以看出腐蝕產(chǎn)物膜疏松且厚度不均勻，上面有明顯的龜裂紋，6061 腐蝕斑點(diǎn)更加明顯，但是6061 熱處理性能好，表面附著力大，容易進(jìn)行噴涂或者導(dǎo)電氧化，常采用陽極氧化處理與涂漆方法或表面加包鋁層以提高其抗腐蝕能力。

1.2 力學(xué)性能及加工性能比較

1.2.1 力學(xué)性能對比

由化學(xué)成分及含量決定了2A12 是一種高強(qiáng)度硬鋁，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，在退火和剛淬火狀態(tài)下塑性中等，點(diǎn)焊焊接性良好，用氣焊和氬弧焊時有形成晶間裂紋的傾向；在淬火和冷作硬化后其可切削性能尚好，退火后可切削性低。2A12 為Al－Cu－Mg 系中的典型硬鋁合金，其成份比較合理，綜合性能較好。很多國家都生產(chǎn)這個鋁合金，是硬鋁中用量最大的。該合金的力學(xué)性能是強(qiáng)度高，有一定的耐熱性，可用作150℃以下的工作零件。溫度高于125℃，2A12 合金的強(qiáng)度比7075 鋁合金的還高,焊接時易產(chǎn)生裂紋，但采用特殊工藝可以焊接，也可以鉚接。由于組織不夠致密，加工時容易粘刀，形成積削瘤，降低工件表面光潔度，另外裝夾和加工時容易引起變形切削性能低，加工中會發(fā)生“粘刀”、“崩刀”現(xiàn)象。其力學(xué)性能對比見表2。

表2 2A12 與6061 力學(xué)性能

而6061 屬熱處理可強(qiáng)化鋁合金，具有良好的可成型性、可焊接性、可機(jī)加工性好，同時具有中等強(qiáng)度，在退火后仍能維持較好的操作性。6061是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品，其強(qiáng)度雖不能與2A12 比，但其鎂、硅合金特性多，具有加工性能極佳、優(yōu)良的焊接特點(diǎn)及電鍍性、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、材料致密無缺陷及易于拋光、上色膜容易、氧化效果極佳等優(yōu)良特點(diǎn)。

1.2.2 焊接性能對比

通信機(jī)箱大多是鑲拼焊接結(jié)構(gòu)，6061 鋁合金從物理性能上看，它的導(dǎo)熱性強(qiáng)、熱容量大、線膨脹系數(shù)大、熔點(diǎn)低且高溫強(qiáng)度小，其氧化親和力極大，在表面生成氧化鋁，使表面熔點(diǎn)高，組織致密，密度增大，焊接性能優(yōu)于2A12。圖3、圖4是在相同條件下用氬弧焊機(jī)對兩種材料焊接的焊縫圖。

圖3 2A12 焊接焊縫

圖4 6061 焊接焊縫

從上圖可以看出在兩組接近的焊接參數(shù)下，兩種材料的焊縫首先在外觀上有明顯的差別，2A12 材料的焊縫周圍有細(xì)小的裂紋，2A12 焊接接頭強(qiáng)度低于6061 的焊縫強(qiáng)度。

1.2.3 抗沖擊性能分析

通信設(shè)備不僅要在相對靜止的室內(nèi)環(huán)境正常使用，由于功能的要求很多時候是在環(huán)境惡劣的室外，甚至是在不斷移動和運(yùn)輸過程中也要正常運(yùn)作，這就要求在設(shè)備中起到固定保護(hù)作用的機(jī)箱要有足夠的抗沖擊性能。為驗(yàn)證2A12、6061 兩種材料做成的機(jī)箱在運(yùn)輸和使用過程中的抗沖擊性能，分別用2A12 鋁合金和6061 鋁合金加工制作且運(yùn)行正常的某固化機(jī)箱設(shè)備進(jìn)行模擬運(yùn)輸和振動實(shí)驗(yàn)，經(jīng)相同條件和參數(shù)的實(shí)驗(yàn)之后檢測兩批設(shè)備發(fā)現(xiàn)均運(yùn)行正常，內(nèi)部元器件沒有任何損傷或者脫落。除用2A12 制作的箱體四角焊縫處噴塑塑粉有細(xì)小的裂紋之外沒有其他明顯的破壞，分析其原因材料2A12 的強(qiáng)度高表面附著力弱，對油漆或塑粉的吸附力沒有6061 強(qiáng)，也驗(yàn)證了2A12 用氬弧焊接時有形成晶間裂紋傾向的結(jié)論。

1.3 2A12 與6061 的應(yīng)用領(lǐng)域

2A12 鋁合金主要用于制作各種高負(fù)荷的零件和構(gòu)件如飛機(jī)上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，鉚釘?shù)?50℃以下工作零件。

6061 鋁合金制造工藝成熟，2A12 與6061 均屬于可熱處理鋁合金，兩者經(jīng)過熱處理以后從外觀上難以區(qū)別，由于兩者的價(jià)格相差巨大，大概相差在10 000 元以上/ 噸，所以6061 鋁合金產(chǎn)量大規(guī)格齊全，6061 板帶廣泛應(yīng)用于裝飾、包裝、建筑、運(yùn)輸、電子、航空、航天、兵器、汽車、地鐵車輛、鐵路客車、高速客車的車體結(jié)構(gòu)件材料，代表用途包括航天固定裝置、電器固定裝置、通訊領(lǐng)域，也廣泛應(yīng)用于自動化機(jī)械零件、精密加工、模具制造、電子及精密儀器、SMT、PC 板焊錫載具等。

2 結(jié) 論

6061 鋁合金屬于Al-Mg-Si 系，是具有很多比其他有色金屬、鋼鐵、塑料和木材等更優(yōu)良的特性，密度小，為2.7 g/cm3，大約為銅或鋼鐵的1/3 左右，它有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，良好的塑性和加工性能，良好的耐低溫性能，對光熱電波的反射率高、表面性能好，耐酸性，比較小的彈性系數(shù)；鑄造性能和焊接性良好。當(dāng)暴露在氧氣、水和其他氧化劑的新鮮鋁表面上容易生成一薄層連續(xù)的氧化鋁膜，穩(wěn)定性很強(qiáng)。氧化鋁的分子約是氧化反應(yīng)消耗的鋁體積的1.3 倍。此層氧化膜是處于壓應(yīng)力之下，一但局部受到損傷，馬上能夠彌補(bǔ)，特別適合通信機(jī)箱在戶外工作時的抗腐蝕性要求。通過以上分析6061 鋁合金表現(xiàn)出來的優(yōu)越性能滿足通信機(jī)箱加工中的各種性能要求，并在其生命周期過程中可有效節(jié)約能源和資源，而且有利于加工、焊接，同時可極大的降低成本。

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