6063鋁合金擠壓型材的快速時效工藝研究

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、太陽能光伏等領(lǐng)域[1-3]。

6063鋁合金屬于可熱處理強化型合金，時效是提高其強度的重要手段[4]。王克等人[5]研究了時效制度對6063鋁合金品字形型材力學(xué)性能的影響。魏玉等人[6]研究了時效時間對汽車用6063鋁合金組織與力學(xué)性能的影響。寧愛林等人[7]研究了不同時效工藝對6063鋁合金組織和力學(xué)性能的影響。6063鋁合金的單級時效溫度通常為165~200℃，需要時效6h以上才能達到強度峰值。而雙級時效工藝通常是在165~185℃下預(yù)時效2~3h，然后再升溫到190~200℃繼續(xù)時效2~3h。雙級時效可以進一步提高6063鋁合金的峰值強度。

現(xiàn)有6063鋁合金擠壓型材的時效工藝，無論是單級時效還是雙級時效，時效溫度都比較低，導(dǎo)致時效時間較長，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6063鋁合金擠壓型材分別時效處理15~90min，然后研究了其快速時效工藝。

1 實驗材料與方法

實驗材料為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。用氮氣和精煉劑對鋁合金液噴吹精煉20min后進行除氣除雜處理，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鋁合金圓棒進行分切和加熱，然后在1460t擠壓機上擠壓成壁厚1.4mm的空心型材，型材的形狀及尺寸如圖1所示。鋁合金圓棒上機溫度為516℃，模具上機溫度為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

時效實驗設(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℃下進行時效，時效時間分別為 15min、30min、45min、60min、75min 和90min。實驗完成后，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型電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，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 實驗結(jié)果與分析

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

圖3 拉伸力學(xué)性能隨時效溫度和時效時間的變化曲線

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

圖4 峰值強度和斷后伸長率隨時效溫度的變化曲線

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

6063鋁合金的強化相是β（Mg2Si）相，在時效過程中，β（Mg2Si）相的脫溶析出序列為：過飽和固溶體→G.P.區(qū)→β″相→β′相→β相[5]。在時效初期，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，鋁基體會產(chǎn)生彈性應(yīng)變。彈性應(yīng)變會阻礙位錯的運動，從而提高6063鋁合金的強度。隨著時效時間的延長，Mg、Si原子進一步富集并趨向有序化，G.P.區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米級的針狀或棒狀β'相。β'相與鋁基體呈共格關(guān)系，當(dāng)β'相長大到一定尺寸后，應(yīng)力場會遍布整個鋁基體，此時6063鋁合金的強度最高。隨著時效進程的進一步發(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，對位錯運動的阻礙減小，導(dǎo)致6063鋁合金的強度下降。在時效后期，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鋁合金的強度進一步下降[8-9]。

從β（Mg2Si）相的脫溶析出過程可看到，G.P.區(qū)、β'相和β′相都能提高6063鋁合金的強度，但強化效果有所不同，以β'相的強化效果最大，一旦出現(xiàn)β′相后，6063鋁合金的強度則開始下降。因此，在6063鋁合金擠壓型材的時效過程中，擠壓型材的強度先是隨著時效時間的延長而逐漸升高，當(dāng)達到強度峰值后，繼續(xù)延長時效時間，強度則開始逐漸下降。β（Mg2Si） 相的脫溶析出是一個擴散相變過程，G.P.區(qū)的數(shù)量與大小主要取決于時效溫度，由于G.P.區(qū)容易長大，時效溫度越高，原子擴散速度越快。原子擴散速度太快會導(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，使強化效果下降。因此，提高時效溫度，雖然可以加快6063鋁合金擠壓型材的時效進程，但也會降低擠壓型材的峰值強度。

3 結(jié)論

（1）提高6063鋁合金擠壓型材的時效溫度可顯著加快時效的進程，有利于縮短擠壓型材的時效時間和提高生產(chǎn)效率，但同時也會降低擠壓型材的峰值強度。

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