6013合金擠壓工藝研究

滕廣標，高森田

（廣東堅美鋁型材廠（集團）有限公司，佛山，528222）

0 前言

6×××系鋁合金可以生產出各種復雜截面的鋁型材產品，廣泛應用于航空航天、軌道交通、門窗幕墻等領域[1]。6013 合金作為2024 的理想替代材料，被應用于汽車的大梁、底盤、結構框架以及飛機的蒙皮、機翼、加強筋等結構材料中[2]。通常擠壓出的產品均需經過在線或離線淬火處理，以使合金元素固溶于基體，形成過飽和固溶體，隨后在時效過程中析出彌散，從而保證產品強度符合要求[3-4]。

然而在實際生產中常常會面臨一個矛盾性的問題，即當追求強度最大化時，需要出料口溫度盡可能提高，達530～560 ℃后再進行淬火處理。但是這樣做的結果是型材易拖爛，擠壓效率低，且尺寸精度難以保證。為了保證型材的精度以及表面質量，適當降溫是必要的，但降溫的結果是合金性能不穩定[5]。對于6013等硬質合金的擠壓來說，由于合金化程度高，合金強度高，擠壓相對變得困難，如何在保證產品質量的情況下，合理地控制擠壓溫度以及提高擠壓效率成為企業面臨的難題。

本研究根據現場工藝操作，通過調整擠壓工藝參數，對比研究了不同條件下加熱的鑄棒對于生產制品的質量以及生產效率的影響，為擠壓技術人員提供參考。

1 實驗方法

采用兩組參數對比的方法，所用鑄棒棒徑為229 mm，在2 500 t 擠壓機上進行擠壓。棒材均經過540 ℃/2h+570 ℃/12 h 雙級均勻化處理，然后分別以兩種不同的工藝方式進行擠壓。其中工藝1：于多棒爐中將鑄棒加熱至510 ℃直接上機擠壓，將擠壓出料口溫度控制在525±10 ℃；工藝2：采用多棒爐將鑄棒加熱至450～500℃，然后將鑄棒轉至工頻爐加熱至560 ℃固溶5～10 min，然后降溫至500 ℃上機。控制擠壓出料口溫度在510±10 ℃，產品壁厚＞6 mm，采用穿水冷卻，以增加冷卻效率。淬火后的型材經175 ℃/10 h的時效處理。力學性能檢測在GMT-6105GD 型萬能實驗拉伸機上進行，拉伸速率為5 mm/min。布氏硬度測試在HBS-62.5型小負荷布氏硬度儀上進行。兩種對比擠壓工藝的基數如表1所示。

表1 擠壓工藝參數

2 實驗結果

兩種擠壓工藝所得型材的力學性能及表面質量如表2所示。從結果來看，采用常規擠壓工藝，即在多棒爐中進行510 ℃/3 h 以上的固溶處理，然后直接上機擠壓這種工藝時，當出料口溫度大于530 ℃時，型材內部拖爛嚴重。由于溫度較高，在擠壓過程中，合金元素進一步固溶于基體，更易獲得過飽和固溶體，在后續時效過程中析出更多細小的彌散相，致使型材的強度更高，其中抗拉強度、屈服強度以及延伸率分別達到407 MPa、368 MPa和11%。當出料口溫度降低（＜520 ℃）時，型材表面質量良好，但強度有所下降，延伸率有所提高。

采用對鑄棒先升溫再降溫的擠壓工藝對型材的表面質量以及機械性能是有利的。在本試驗中將鑄棒先置于多棒爐中保溫，然后于工頻爐中加熱至較高溫度（560 ℃）固溶一定時間，然后降溫至500 ℃進行擠壓，出料口溫度為510±10 ℃。采用該工藝獲得的強度比常規工藝更高，且生產速度可以得到一定程度的提升，同時更容易獲得良好的表面質量。采用該工藝獲得的抗拉強度、屈服強度以及延伸率分別達到408 MPa、376 MPa 和12%。此外，對比兩種工藝發現，采用工藝2可以獲得更高的綜合力學性能。用這兩種擠壓工藝獲得的產品力學性能對比如表2所示。

表2 力學性能對比

對比兩種工藝的生產效率來看，采用參數2的工藝的擠壓速度更高，比工藝1的生產效率提升了16.7%，且更易獲得較高的表面質量。

3 分析討論

在擠壓生產中，通常鑄棒加熱有兩種方式，一為采用多棒爐加熱，二為單棒爐加熱。采用多棒爐加熱可以滿足生產過程中高速擠壓對產能的要求，鋁棒加熱的透心度更高，且對鋁棒也有均勻化處理以及固溶處理的作用。而單棒爐可以分段加熱，操作靈活。但鋁棒加熱時表面與心部溫度有偏差，且要求鑄棒必須經過均勻化處理后才可以使用，以利于擠壓順利進行。

本實驗中兩種工藝對鑄棒采用相同的均質處理工藝，即540 ℃/2 h+570 ℃/12 h，使鑄棒充分均勻化。對于熱處理強化型合金來說，固溶程度即意味著合金時效后的強度，而固溶程度主要與加熱的溫度以及保溫時間有關，擠壓難度則與合金成分以及均勻化程度等有關。由于6013 合金強度較高，為保證擠壓順利進行，綜合考慮，選用多棒爐進行加熱。

工藝1 采用在多棒爐中加熱至510 ℃、然后直接上機擠壓的方式，通過調整工藝參數并未能取得理想的效果。對6013 等硬質合金進行擠壓時，往往需要較高的擠壓溫度才能使合金元素充分固溶，從而保證產品強度。本產品采用常規工藝（510 ℃）時，由于鋁棒溫度較高，變形量大，致使擠壓過程中的溫升大。溫度過高易導致擠壓裂紋的產生，破壞金屬的連續性，因此不宜采用過快的擠壓速度。如果降低爐溫，在保證產品質量的前提下雖可以提升擠壓效率，但會導致固溶不充分，性能不能滿足客戶需求的風險。

工藝2采用的是：先于多棒爐中保溫，再在工頻爐中升溫至較高溫度（560 ℃），然后再降溫至較低溫度（500 ℃）擠壓。因為固溶最主要的參數為加熱溫度和保溫時間，且保溫時間隨著加熱溫度的升高而減少[6]。采用560 ℃作為固溶溫度，在保證合金不過燒的前提下，大大提升了棒材的固溶效率。該工藝采用三級固溶的方式，即多棒爐固溶+工頻爐固溶+擠壓過程中的形變固溶，鋁棒固溶更加充分，因此得到的產品性能也更穩定。且當棒材于較低溫度擠壓時，可以適當提升擠壓速度，從而提高擠壓效率，同時更易獲得優良的型材表面。

4 結論

（1）相較于傳統擠壓工藝來說，鑄棒采用先高溫加熱，冷卻后再上機擠壓的工藝獲得的產品的綜合力學性能更優，且生產效率更高，較傳統擠壓工藝提升了16.7%。

（2）采用短時高溫固溶處理，在實際操作過程中是可行的，并且型材的質量更加可控。

（3）該工藝生產的6013型材的抗拉強度、屈服強度以及延伸率分別為408 MPa、376 MPa 和12%，布氏硬度可達123.3 HB。