6063铝合金挤压型材的快速时效工艺研究

吴锡坤，王顺成，黄杰海，聂德键，李 辉

（广东兴发铝业有限公司，佛山528137）

0 前言

6063铝合金属于中等强度的Al-Mg-Si系合金，具有良好的挤压性能、耐腐蚀性能、焊接性能和氧化着色性能等，广泛应用于建筑、汽车、舰船、轨道交通、太阳能光伏等领域[1-3]。

6063铝合金属于可热处理强化型合金，时效是提高其强度的重要手段[4]。王克等人[5]研究了时效制度对6063铝合金品字形型材力学性能的影响。魏玉等人[6]研究了时效时间对汽车用6063铝合金组织与力学性能的影响。宁爱林等人[7]研究了不同时效工艺对6063铝合金组织和力学性能的影响。6063铝合金的单级时效温度通常为165~200℃，需要时效6h以上才能达到强度峰值。而双级时效工艺通常是在165~185℃下预时效2~3h，然后再升温到190~200℃继续时效2~3h。双级时效可以进一步提高6063铝合金的峰值强度。

现有6063铝合金挤压型材的时效工艺，无论是单级时效还是双级时效，时效温度都比较低，导致时效时间较长，生产效率较低。为了提高生产效率，本文在210~250℃温度下对6063铝合金挤压型材分别时效处理15~90min，然后研究了其快速时效工艺。

1 实验材料与方法

实验材料为6063铝合金，采用工业纯铝锭、镁锭和铝硅合金熔炼配制。在蓄热式燃气熔铝炉内于750℃下加热熔化铝锭，然后再加入镁锭和铝硅合金，搅拌熔化成铝合金液。用氮气和精炼剂对铝合金液喷吹精炼20min后进行除气除杂处理，扒渣后再静置40min，最后将铝合金液半连续铸造成直径为152mm的6063铝合金圆棒。铸造温度为710℃，铸造速度为110mm/min。经ARL4460型光电直读光谱仪分析，6063铝合金圆棒的化学成为（质量分数/%）：Si0.44，Mg0.47，Fe0.15，Mn0.002，Zn0.022，Ni0.003，Ti0.011，余量为Al。

将6063铝合金圆棒进行分切和加热，然后在1460t挤压机上挤压成壁厚1.4mm的空心型材，型材的形状及尺寸如图1所示。铝合金圆棒上机温度为516℃，模具上机温度为438℃，挤压速度为8.5mm/s，型材出口温度为555℃。最后将该型材风淬冷却至室温。

图1 挤压型材的形状及尺寸

时效实验设备为DHG-9035A型电热鼓风箱。将6063铝合金挤压型材分别在210℃、220℃、230℃、240℃和250℃下进行时效，时效时间分别为 15min、30min、45min、60min、75min 和90min。实验完成后，在6063铝合金挤压型材上分别取样（取样位置如图1所示），然后加工成标准拉伸试样。在WDW-100型电子万能试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速率为2mm/min，拉伸试样的形状及尺寸如图2所示。

图2 拉伸试样的形状及尺寸

2 实验结果与分析

图3为6063铝合金挤压型材的拉伸力学性能随时效温度和时效时间变化的曲线图。从图3可看到，在210℃下时效时，随着时效时间的延长，挤压型材的抗拉强度和屈服强度逐渐升高，断后伸长率则逐渐降低。当时效时间达到90min时，挤压型材的抗拉强度为235.5MPa，屈服强度为215.1 MPa，断后伸长率为9.4%。在220℃时效时，随着时效时间的延长，挤压型材的抗拉强度和屈服强度先逐渐升高，断后伸长率则先逐渐降低；当时效时间达到60min时，挤压型材的抗拉强度和屈服强度达到峰值，分别为234.2MPa和212.6MPa，断后伸长率为9.4%；继续延长时效时间，抗拉强度和屈服强度开始逐渐降低，断后伸长率则逐渐升高。在230℃和240℃下时效30min后，挤压型材的抗拉强度和屈服强度达到峰值；继续延长时效时间，挤压型材的抗拉强度和屈服强度都逐渐降低，断后伸长率则逐渐升高。而在250℃下时效15min后，挤压型材的抗拉强度和屈服强度达到峰值；当继续延长时效时间，挤压型材的抗拉强度和屈服强度都逐渐下降，断后伸长率则逐渐升高。

图3 拉伸力学性能随时效温度和时效时间的变化曲线

图4为6063铝合金挤压型材在不同温度时效下的峰值强度及断后伸长率曲线图。从图4可看到，在不同温度下时效，挤压型材的抗拉强度峰值和屈服强度峰值都随时效温度的升高而逐渐降低，断后伸长率则随时效温度的升高而逐渐升高。

图4 峰值强度和断后伸长率随时效温度的变化曲线

从以上实验结果可以看到，提高6063铝合金挤压型材的时效温度可显著加快时效进程，使强度峰值出现的时间缩短，但峰值强度也随时效温度的升高而降低。过高的时效温度不仅会使峰值强度下降，也会导致强度出现急剧下降，使时效热处理的操作变得困难。综合来看，6063铝合金挤压型材较理想的快速时效工艺为：时效温度210~220℃，时效时间45~90min。在此时效制度下挤压型材具有较高且稳定的力学性能：抗拉强度226.2~235.5MPa，屈服强度202.8~215.1MPa，断后伸长率9.4%~9.8%。

6063铝合金的强化相是β（Mg2Si）相，在时效过程中，β（Mg2Si）相的脱溶析出序列为：过饱和固溶体→G.P.区→β″相→β′相→β相[5]。在时效初期，Mg、Si原子在铝基体的晶面上聚集，形成Mg、Si原子的富集区，即G.P.区。G.P.区与铝基体保持共格关系，为了适应不同原子的排列序列，铝基体会产生弹性应变。弹性应变会阻碍位错的运动，从而提高6063铝合金的强度。随着时效时间的延长，Mg、Si原子进一步富集并趋向有序化，G.P.区逐渐转变为纳米级的针状或棒状β'相。β'相与铝基体呈共格关系，当β'相长大到一定尺寸后，应力场会遍布整个铝基体，此时6063铝合金的强度最高。随着时效进程的进一步发展，β'相逐渐转变成β′相，β′相与铝基体呈半共格关系，使铝基体的弹性应变程度下降，对位错运动的阻碍减小，导致6063铝合金的强度下降。在时效后期，在β′相基础上析出稳定的β相，与铝基体的共格关系消失，弹性应变也随之消失，使6063铝合金的强度进一步下降[8-9]。

从β（Mg2Si）相的脱溶析出过程可看到，G.P.区、β'相和β′相都能提高6063铝合金的强度，但强化效果有所不同，以β'相的强化效果最大，一旦出现β′相后，6063铝合金的强度则开始下降。因此，在6063铝合金挤压型材的时效过程中，挤压型材的强度先是随着时效时间的延长而逐渐升高，当达到强度峰值后，继续延长时效时间，强度则开始逐渐下降。β（Mg2Si） 相的脱溶析出是一个扩散相变过程，G.P.区的数量与大小主要取决于时效温度，由于G.P.区容易长大，时效温度越高，原子扩散速度越快。原子扩散速度太快会导致G.P.区的密度减少而尺寸较大，最终导致β'相的数量减少和尺寸较大，使强化效果下降。因此，提高时效温度，虽然可以加快6063铝合金挤压型材的时效进程，但也会降低挤压型材的峰值强度。

3 结论

（1）提高6063铝合金挤压型材的时效温度可显著加快时效的进程，有利于缩短挤压型材的时效时间和提高生产效率，但同时也会降低挤压型材的峰值强度。

（2）6063铝合金挤压型材较为理想的快速时效工艺为：时效温度210~220℃，时效时间45~90min。在此时效制度下，挤压型材的抗拉强度为226.2~235.5MPa，屈服强度为202.8~215.1MPa，断后伸长率为9.4%~9.8%。