摘要 6063合金擠壓型材的力學(xué)性能和電化學(xué)性能除了與合金的化學(xué)成分有密切關(guān)系外，還與人工時(shí)效制度有較大關(guān)系。低溫長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效和高溫短時(shí)間時(shí)效使力學(xué)性能有較大提高，但卻降低了合金的電化學(xué)性能。為了兼顧兩種性能及確保生產(chǎn)效率，采用室溫自然時(shí)效（停放）2h,再在195～205℃人工時(shí)效2h的時(shí)效制度是適宜的。
關(guān)鍵詞 6063鋁合金 人工時(shí)效 過(guò)渡相 力學(xué)性能 電化學(xué)性能
Effect of Artificial Aging Specification on Quality of 6063 Aluminium Alloy Profile
Li Shiping
(Guizhou Aluminium Fabrication Plant,Guiyang,550005,China)
Abstract The mechanical properties and electro-chemical properties of 6063 aluminium alloy profile are effected by the chemical compositon and artificial aging specification.The optimal artificial aging specification is at room temperature for 2 h and then at 195～250℃for 2 h,which can assure two properties and high production efficiency.
Keywords 6063 aluminium alloy；artificial aging；transition phase；mechanical properties；electro-chemical properties
按GB/T3190-1996規(guī)定,6063（LD31）合金的化學(xué)成分如表1。為了兼顧力學(xué)性能和擠壓性能，Mg2Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.7%左右。應(yīng)控制w(Mg)/w(Si)=1.73。但是由于合金中存在雜質(zhì)Fe,要消耗一部分Si,在生產(chǎn)實(shí)踐中一般控制w(Mg)/w(Si)=1.1～1.3。表2是日本6063合金的化學(xué)成分（%）及合金硬度與w(Mg)/w(Si)的關(guān)系（195℃，時(shí)效2h）。
表1 6063合金化學(xué)成分 %
| 主成分 |
雜質(zhì) |
其它雜質(zhì) |
Al |
| Mg |
Si |
Fe |
Cu |
Mn |
Zn |
Cr |
Ti |
單個(gè) |
合計(jì) |
| 0.45～0.9 |
0.2～0.6 |
0.35 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.05 |
0.15 |
余量 |
|
表2 日本6063合金化學(xué)成分及Mg/Si(w(Mg)/w(Si)）與型材硬度的關(guān)系 |
| 合金 |
Si |
Mg |
Fe |
Cu |
Zn |
Mn |
Cr |
Ti |
Mg/Si |
HV |
| A |
0.39 |
0.48 |
0.11 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.0047 |
1.23 |
68.9 |
| B |
0.40 |
0.53 |
0.17 |
0.01 |
0.02 |
0.01 |
0.00 |
0.0080 |
1.33 |
71.9 |
| C |
0.44 |
0.48 |
0.25 |
0.02 |
0.03 |
0.02 |
0.01 |
0.0043 |
1.1 |
75.5 |
|
從表2可以看出，雜質(zhì)Fe和Zn對(duì)合金的力學(xué)性能也有較大的影響，這是因?yàn)樵诤辖鹬猩搔罠e2SiAl8(以前報(bào)道為Fe3SiAl12),βFeSiAl5(以前報(bào)道為Fe2Si2Al9)及T-Al2MgZn3等雜質(zhì)相的緣故。這些雜質(zhì)相都是硬的質(zhì)點(diǎn)，位錯(cuò)不易切割，能夠增強(qiáng)合金的力學(xué)性能，但卻降低了合金的擠壓性能（容易拉傷、劃傷）、耐腐蝕性、電化學(xué)性能及著色材的顏色均勻性和光澤性。
6063合金型材的性能除了與化學(xué)成分有關(guān)之外，還與熱處理?xiàng)l件即人工時(shí)效有關(guān)。為了兼顧各種性能，本文結(jié)合合金的化學(xué)成分，著重研究了6063合金型材的人工時(shí)效機(jī)制及其對(duì)力學(xué)性能和電化學(xué)性能的影響。
1 6063擠壓型材的時(shí)效過(guò)程中力學(xué)性能變化
6063合金在擠壓變形出口處的溫度一般是520～540℃，在變形程度較大或變形復(fù)雜的情況下，出口溫度可達(dá)570～580℃。在這樣的溫度下Mg2Si強(qiáng)化相多數(shù)被溶解，隨后經(jīng)風(fēng)淬冷卻，產(chǎn)生溶質(zhì)原子和空位雙重過(guò)飽和的固溶體，又經(jīng)過(guò)自然時(shí)效（100℃以下停放2h）形成球狀GP區(qū)，其大小為10～60×10-10m。在100℃以下，時(shí)效幾年才能長(zhǎng)大到100×10-10m。因此必須進(jìn)行人工時(shí)效（100℃以上）使飽和固溶體進(jìn)一步分解脫溶。圖1是在175℃、195℃、215℃下時(shí)效的型材力學(xué)性能與時(shí)效時(shí)間的變化曲線。從圖1可以看出，低溫時(shí)效的6063合金型材力學(xué)性能提高最大，但是所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率較低。另外還可以看出溫度比時(shí)間的影響大得多。因此在人工時(shí)效過(guò)程中應(yīng)該重點(diǎn)嚴(yán)格控制溫度。
圖1 人工時(shí)效時(shí)間與強(qiáng)度的關(guān)系(B合金)
2 w(Mg)/w(Si)、Fe、Zn在合金時(shí)效
圖2、3分別是6063合金中w(Mg)/w(Si)比值與雜質(zhì)Fe對(duì)人工時(shí)效效果的影響。從圖中可以看出w(Mg)/w(Si)對(duì)時(shí)效硬度的影響曲線有一個(gè)低谷點(diǎn)；而Fe則隨其質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)效硬度也增加。在w(Mg)/w(Si)<1.73的情況下，6063合金的人工時(shí)效硬度應(yīng)該隨著w(Mg)/w(Si)增加而增加，而圖2中的時(shí)效硬度低谷是由于這些合金中生成的雜質(zhì)相α-Fe2SiAl8、β-FeSiAl5、T-Al2Mg3Zn較少的緣故。低谷處合金中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11%,Zn的為0.01%；低谷左邊的Fe的為0.25%,Zn為0.03%,右邊的Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.17%,Zn為0.02%,左、右邊的一些合金晶界處生成較多的雜質(zhì)相。雖然6063合金人工時(shí)效中所生成的Fe、Zn雜質(zhì)相能提高型材的硬度，但由于雜質(zhì)相質(zhì)點(diǎn)粗大，約0.5～10μm，在變形中易成為裂紋源，降低合金的斷裂韌性，而且對(duì)后來(lái)的陽(yáng)極氧化著色造成不利影響，因此，還是應(yīng)盡量避免它的生成。
圖2 合金中w(Mg)/w(Si)值對(duì)時(shí)效硬度的影響
圖3 合金中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)時(shí)效硬度的影響
3 人工時(shí)效對(duì)6063合金電化學(xué)性能的影響
3.1 對(duì)導(dǎo)電率的影響
合金的導(dǎo)電率一般為50%IACS左右。隨著時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間增加導(dǎo)電率增加，而雜質(zhì)Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及w(Mg)/w(Si)對(duì)它的影響較小，見(jiàn)圖4和表3。6063合金的時(shí)效分解序列為：α固溶體→球狀GP區(qū)→β"針狀相→β’棒狀相→β板狀相（穩(wěn)定相）。在低溫、短時(shí)人工時(shí)效時(shí)，主要生成GP區(qū)β"相，由于它們微細(xì)、彌散分布，使自由電子運(yùn)動(dòng)的空隙較小，阻力大，電阻率增加。隨著時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間增加，過(guò)渡相逐漸向粗大的β’、β相轉(zhuǎn)變，而自由電子運(yùn)動(dòng)的空隙增加，阻力減小，因而導(dǎo)電率增加。而Fe、w(Mg)/w(Si)在時(shí)效過(guò)程中只影響相的組成，而不影響微細(xì)結(jié)構(gòu)，因而對(duì)導(dǎo)電率影響甚微。
圖4 導(dǎo)電率與人工時(shí)效溫度和時(shí)間的關(guān)系
表3 6063合金w(Fe)和w(Mg)/w(Si)量對(duì)導(dǎo)電率的影響 |
| 序號(hào) |
175℃ |
195℃ |
215℃ |
w（Fe）/％ |
w（Mg）/（Si） |
| 2h |
5h |
2h |
5h |
2h |
5h |
| 1 |
50.2 |
51 |
51.8 |
52.9 |
53.1 |
54.3 |
0.11 |
1.23 |
| 2 |
49.8 |
51 |
51.7 |
52.7 |
5.3 |
54.4 |
0.17 |
1.33 |
| 3 |
49.8 |
50.7 |
51.6 |
52.5 |
52.7 |
54.1 |
0.25 |
1.1 |
|
3.2 對(duì)陽(yáng)極氧化的影響
合金的導(dǎo)電率對(duì)陽(yáng)極氧化膜的生長(zhǎng)有影響。隨著導(dǎo)電率增加陽(yáng)極氧化膜的重量減少，見(jiàn)圖5。6063合金在時(shí)效過(guò)程中導(dǎo)電率是隨著時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間增加而增加的，也就是說(shuō)導(dǎo)電率隨著合金中的Mg2Si相及雜質(zhì)相析出、長(zhǎng)大而增加，而耐電化學(xué)溶解和耐酸溶解腐蝕性卻降低，因而膜的生成效率降低。過(guò)時(shí)效的型材不但力學(xué)性能降低，而且耐電化學(xué)和耐化學(xué)腐蝕性也降低。
圖5 合金導(dǎo)電率對(duì)陽(yáng)極氧化膜生長(zhǎng)的影響
3.3 對(duì)陽(yáng)極氧化膜和著色膜的光澤度的影響
圖6是陽(yáng)極氧化膜的重量對(duì)光的反射率的影響。表4是人工時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì)陽(yáng)極氧化膜和著色膜的光澤度的影響。可以看出，氧化膜和著色膜的光澤度（光反射率）是隨著時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間的增加而減小的；也是隨著合金中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而減小的，并且其減小程度較溫度和時(shí)間的大，而對(duì)著色膜的色調(diào)（L值）幾乎沒(méi)有影響。L值小，色調(diào)越暗。
圖6 陽(yáng)極氧化膜重量對(duì)光的反射率的影響
表4 人工時(shí)效及合金成分對(duì)氧化和著色膜光澤度的影響 |
| 時(shí)效條件 |
175℃ |
195℃ |
215℃ |
| 2h |
5h |
12h |
2h |
5h |
12h |
0.83h |
2h |
5h |
| A |
氧化膜反射率/％ |
14.3 |
13.3 |
10.5 |
11.5 |
9.4 |
8.7 |
10.6 |
10.5 |
7.6 |
| 著色膜反射率/％ |
7.0 |
6.2 |
5.2 |
5.9 |
4.9 |
4.9 |
5.2 |
5.2 |
4.1 |
| 色調(diào)L值 |
27.0 |
27.8 |
25.9 |
28.4 |
29.8 |
28.1 |
26.7 |
26.4 |
30.1 |
| 氧化膜反射率/％ |
10.1 |
7.9 |
6.7 |
8.2 |
5.2 |
4.9 |
6.0 |
6.0 |
6.0 |
| B |
著色膜反射率/％ |
5.0 |
4.5 |
4.1 |
5.0 |
3.1 |
3.4 |
3.6 |
3.7 |
3.2 |
| 色調(diào)L值 |
25.5 |
26.5 |
27.5 |
29.6 |
29.8 |
30.3 |
29.3 |
29.4 |
38.4 |
| 氧化膜反射率/％ |
7.2 |
6.5 |
5.3 |
6.7 |
5.5 |
5.5 |
5.9 |
6.0 |
9.7 |
| C |
著色膜反射率/％ |
3.6 |
4.1 |
3.4 |
4.0 |
3.0 |
3.2 |
4.1 |
3.5 |
3.4 |
| 色調(diào)L值 |
26.1 |
26.1 |
27.8 |
30.4 |
28.0 |
32.8 |
27.4 |
28.4 |
29.9 |
|
一般認(rèn)為陽(yáng)極氧化膜越厚，對(duì)光的反射率越低，而圖6中卻是膜越重，對(duì)光的反射率越高，具有相反的結(jié)果。這是因?yàn)殡S著時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間及合金中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，陽(yáng)極氧化膜的耐蝕性降低，氧化膜變得疏松，致密度降低，重量相對(duì)減少，因而對(duì)光的反射率減小。
另一方面，隨著時(shí)效時(shí)間和時(shí)效溫度增加，Mg2Si強(qiáng)化相由β"→β＇→β相轉(zhuǎn)變，析出量增加并粗大。在陽(yáng)極氧化中阻擋層變薄，氧化膜增厚，電容增加，著色等當(dāng)點(diǎn)（著色離子剛析出所需時(shí)間）上升，因而著色濃，但光澤度降低。圖7是Mg2Si析出形態(tài)與氧化膜的電容C及著色等當(dāng)點(diǎn)tc的關(guān)系。
圖7 Mg2Si析出形態(tài)與氧化膜的電容C及著色等當(dāng)點(diǎn)tc的關(guān)系
4 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，6063合金型材的質(zhì)量和性能除與合金的化學(xué)成分有密切關(guān)系外，還與人工時(shí)效制度有較大關(guān)系。低溫長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效和高溫短時(shí)間時(shí)效及合金中的雜質(zhì)Fe、Zn等能提高型材的力學(xué)性能，但卻降低其電化學(xué)性能。為了兼顧兩種性能及有較高的生產(chǎn)效率，需認(rèn)真選擇人工時(shí)效制度，而嚴(yán)格控制溫度條件是至關(guān)重要的。根據(jù)研究和生產(chǎn)實(shí)踐，筆者認(rèn)為選擇自然時(shí)效2h后再在195～205℃人工時(shí)效2～3h較為適宜。
作者簡(jiǎn)介：李世平，男，1946年生，高級(jí)工程師。
作者單位：貴州鋁加工廠 貴州省貴陽(yáng)市 550005 | |
