人工時效制度對6063鋁合金型材質(zhì)量的影響

1、人工時效制度對6063 鋁合金型材質(zhì)量的影響來源：中國鋁材信息網(wǎng)，更新時間：2007-7-20 11:08:47，閱讀：2120 次摘要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，還與人工時效制度有較大關(guān)系。低溫長時間時效和高溫短時間時效使力學(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，采用室溫自然時效（停放）2h, 再在 195 205人工時效 2h 的時效制度是適宜的。關(guān)鍵詞6063 鋁合金人工時效過渡相力學(xué)性能電化學(xué)性能Effect of Artificial Aging Specification on Quality

2、of 6063 Aluminium Alloy ProfileLi Shiping(Guizhou AluminiumFabrication Plant,Guiyang,550005,China)AbstractThe mechanical properties and electro-chemical properties of6063 aluminium alloy profile are effected by the chemical compositon and artificialaging specification.The optimal artificialaging spe

3、cification is at room temperature for 2 h and then at 195 250for 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

4、壓性能， Mg2Si 質(zhì)量分數(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，時效 2h）。表 16063 合金化學(xué)成分%主成分雜質(zhì)其它雜質(zhì)MgSiFeCu MnZnCrTiAl單個 合計0.450.9 0.20.6 0.350.1 0.10.10.10.10.05 0.15 余量表 2 日本 6063 合金化學(xué)成分及 Mg/Si( w(Mg)/ w(

5、Si)）與型材硬度的關(guān)系合金SiMgFeCuZnMnCrTiMg/Si HVA0.390.480.110.010.010.010.010.00471.23B0.400.530.170.010.020.010.000.00801.33C0.440.480.250.020.030.020.010.00431.168.971.975.5從表 2 可以看出，雜質(zhì) Fe 和 Zn 對合金的力學(xué)性能也有較大的影響， 這是因為在合金中生成 Fe2SiAl 8(以前報道為 Fe3SiAl 12), FeSiAl5(以前報道為 Fe2Si 2Al 9)及 T-Al 2MgZn 3 等雜質(zhì)相的緣故。這些雜質(zhì)相都是

6、硬的質(zhì)點，位錯不易切割，能夠增強合金的力學(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，還與熱處理條件即人工時效有關(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 合金型材的人工時效機制及其對力學(xué)性能和電化學(xué)性能的影響。1 6063 擠壓型材的時效過程中力學(xué)性能變化6063 合金在擠壓變形出口處的溫度一般是 520540，在變形程度較大或變形復(fù)雜的情況下，出口溫度可達 570580。在這樣的溫度下 Mg2Si 強化相多數(shù)被溶解，隨后經(jīng)風(fēng)淬冷卻，產(chǎn)生溶質(zhì)原子和空位雙重過飽和

7、的固溶體，又經(jīng)過自然時效（ 100以下停放 2h）形成球狀 GP區(qū)，其大小為 1060×10-10m。在 100以下，時效幾年才能長大到 100×10-10 m。因此必須進行人工時效（100以上）使飽和固溶體進一步分解脫溶。圖 1 是在 175、 195、 215 下時效的型材力學(xué)性能與時效時間的變化曲線。從圖 1 可以看出，低溫時效的6063 合金型材力學(xué)性能提高最大， 但是所需要的時間較長， 生產(chǎn)效率較低。 另外還可以看出溫度比時間的影響大得多。 因此在人工時效過程中應(yīng)該重點嚴格控制溫度。圖 1人工時效時間與強度的關(guān)系(B 合金 )2 w(Mg)/w(Si) 、Fe、Z

8、n 在合金時效圖 2、3 分別是 6063 合金中 w(Mg)/w(Si) 比值與雜質(zhì) Fe 對人工時效效果的影響。從圖中可以看出 w(Mg)/w(Si) 對時效硬度的影響曲線有一個低谷點；而 Fe 則隨其質(zhì)量分數(shù)增加時效硬度也增加。在 w(Mg)/w(Si)<1.73 的情況下， 6063 合金的人工時效硬度應(yīng)該隨著 w(Mg)/w(Si) 增加而增加， 而圖 2 中的時效硬度低谷是由于這些合金中生成的雜質(zhì)相 -Fe 2SiAl 8、 -FeSiAl 5、T-Al 2Mg3Zn 較少的緣故。低谷處合金中 Fe 的質(zhì)量分數(shù)為 0.11%,Zn 的為 0.01%；低谷左邊的 Fe 的為 0

9、.25%,Zn 為 0.03%, 右邊的 Fe 的質(zhì)量分數(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)點粗大， 約 0.5 10m，在變形中易成為裂紋源，降低合金的斷裂韌性，而且對后來的陽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) 值對時效硬度的影響圖 3合金中 Fe 的質(zhì)量分數(shù)對時效硬度的影響3 人工時效對 6063 合金電化學(xué)性能的影響3.1對導(dǎo)電率的影響合金的導(dǎo)電率一般為 50%IACS左右。隨著時效溫度和時效時

10、間增加導(dǎo)電率增加，而雜質(zhì) Fe 的質(zhì)量分數(shù)及 w(Mg)/w(Si) 對它的影響較小，見圖 4 和表 3。 6063 合金的時效分解序列為： 固溶體球狀 GP區(qū) " 針狀相 棒狀相 板狀相（穩(wěn)定相）。在低溫、短時人工時效時，主要生成 GP區(qū) " 相，由于它們微細、 彌散分布，使自由電子運動的空隙較小， 阻力大，電阻率增加。隨著時效溫度和時效時間增加，過渡相逐漸向粗大的 、 相轉(zhuǎn)變，而自由電子運動的空隙增加，阻力減小，因而導(dǎo)電率增加。而 Fe、 w(Mg)/w(Si) 在時效過程中只影響相的組成，而不影響微細結(jié)構(gòu)，因而對導(dǎo)電率影響甚微。圖 4 導(dǎo)電率與人工時效溫度和時間的關(guān)系

11、表 3 6063 合金 w(Fe) 和 w(Mg)/w(Si) 量對導(dǎo)電率的影響序號175195215w（ Fe） /w （Mg ）/（ Si）2h5h2h5h2h5h150.25151.852.953.154.30.111.23249.85151.752.75.354.40.171.33349.850.751.652.552.754.10.251.13.2對陽極氧化的影響合金的導(dǎo)電率對陽極氧化膜的生長有影響。隨著導(dǎo)電率增加陽極氧化膜的重量減少，見圖 5。 6063 合金在時效過程中導(dǎo)電率是隨著時效溫度和時效時間增加而增加的，也就是說導(dǎo)電率隨著合金中的Mg2Si 相及雜質(zhì)相析出、長大而增加，而

12、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。過時效的型材不但力學(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)電率對陽極氧化膜生長的影響 3.3 對陽極氧化膜和著色膜的光澤度的影響圖 6 是陽極氧化膜的重量對光的反射率的影響。表 4 是人工時效溫度和時效時間對陽極氧化膜和著色膜的光澤度的影響?？梢钥闯?，氧化膜和著色膜的光澤度（光反射率）是隨著時效溫度、時效時間的增加而減小的； 也是隨著合金中Fe 的質(zhì)量分數(shù)增加而減小的， 并且其減小程度較溫度和時間的大，而對著色膜的色調(diào)（ L 值）幾乎沒有影響。 L 值小，色調(diào)越暗。圖 6 陽極氧化膜重量對光的反射率的影響表 4 人工

13、時效及合金成分對氧化和著色膜光澤度的影響時效條件175195 2152h5h12h2h5h12h0.83h2h5h氧化膜反射率 /14.313.310.511.59.48.710.610.57.6著色膜反射率 /7.06.25.25.94.94.95.25.24.1A色調(diào)L值27.027.825.928.429.828.126.726.430.1氧化膜反射率 /10.17.96.78.25.24.96.06.06.0著色膜反射率 /5.04.54.15.03.13.43.63.73.2B色調(diào)L值25.526.527.529.629.830.329.329.438.4氧化膜反射率 /7.26.5

14、5.36.75.55.55.96.09.7著色膜反射率 /3.64.13.44.03.03.24.13.53.4C色調(diào)L值26.126.127.830.428.032.827.428.429.9一般認為陽極氧化膜越厚，對光的反射率越低，而圖 6 中卻是膜越重，對光的反射率越高， 具有相反的結(jié)果。 這是因為隨著時效溫度、時效時間及合金中 Fe 的質(zhì)量分數(shù)增加， 陽極氧化膜的耐蝕性降低， 氧化膜變得疏松， 致密度降低， 重量相對減少， 因而對光的反射率減小。另一方面，隨著時效時間和時效溫度增加， Mg2Si 強化相由 " 相轉(zhuǎn)變，析出量增加并粗大。在陽極氧化中阻擋層變薄，氧化膜增厚，電容

15、增加，著色等當點（著色離子剛析出所需時間）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 及著色等當點 t c 的關(guān)系。圖 7Mg2Si 析出形態(tài)與氧化膜的電容C 及著色等當點 tc 的關(guān)系4 結(jié)束語綜上所述， 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，還與人工時效制度有較大關(guān)系。低溫長時間時效和高溫短時間時效及合金中的雜質(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，需認真選擇人工時效制度，而嚴格控制溫度條件是至關(guān)重要的。根據(jù)研究和生產(chǎn)實踐，筆者認為選擇自然時效 2h 后再在 195

16、205人工時效 23h較為適宜。一、分類：展伸材料分非熱處理合金及熱處理合金1.1 非熱處理合金：純鋁 1000系，鋁錳系合金3000系，鋁矽系合金 4000系，鋁鎂系合金5000系。1.2熱處理合金：鋁銅鎂系合金 2000 系，鋁鎂矽系合金6000 系，鋁鋅鎂系合金7000二、合金編號： 我國目前通用的是美國鋁業(yè)協(xié)會Aluminium Association的編號。茲舉系。例說明如下：1070-H14( 純鋁 )2017-T4( 熱處理合金 )3004-H32( 非熱處理合金 )2.1 第一位數(shù)：表示主要添加合金元素。1：純鋁2：主要添加合金元素為銅3：主要添加合金元素為錳或錳與鎂4：主要添

17、加合金元素為矽5：主要添加合金元素為鎂6：主要添加合金元素為矽與鎂7：主要添加合金元素為鋅與鎂8：不屬於上列合金系的新合金2.2 第二位數(shù)：表示原合金中主要添加合金元素含量或雜質(zhì)成分含量經(jīng)修改的合金。0：表原合金1：表原合金經(jīng)第一次修改2：表原合金經(jīng)第二次修改2.3 第三及四位數(shù)：純鋁：表示原合金合金：表示個別合金的代號”-：后面的Hn 或 Tn 表示加工硬化的狀態(tài)或熱處理狀態(tài)的鍊度符號-Hn：表示非熱處理合金的鍊度符號-Tn ：表示熱處理合金的鍊度符號2 鋁及鋁合金的熱處理一、鍊度符號 ： 若添加合金元素尚不足於完全符合要求，尚須藉冷加工、淬水、時效處理及軟燒等處理，以獲取所需要的強度及性能

18、。這些處理的過程稱之為調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)的結(jié)果便是鍊度。鍊度符號定義F 制造狀態(tài)的鍊度無特定鍊度下制造的成品，如擠壓、熱軋、鍛造品等。H112未刻意控制加工硬化程度的制造狀態(tài)成品，但須保證機械性質(zhì)。O 軟燒鍊度完全再結(jié)晶而且最軟狀態(tài)。如系熱處理合金，則須從軟燒溫度緩慢冷卻，完全防止淬水效果。H 加工硬化的鍊度H1n ：施以冷加工而加工硬化者H2n ：經(jīng)加工硬化后再施以適度的軟燒處理H3n ：經(jīng)加工硬化后再施以安定化處理n 以 19 的數(shù)字表示加工硬化的程度n=2 表示 1/4 硬質(zhì)n=4 表示 1/2 硬質(zhì)n=6 表示 3/4 硬質(zhì)n=8 表示硬質(zhì)n=9 表示超硬質(zhì)T T1 ： 高溫加工冷卻后自然時效

19、。擠型從熱加工后急速冷卻，再經(jīng)常溫十效硬化處理。亦可施以不影響強度的矯正加工，這種調(diào)質(zhì)適合於熱加工后冷卻便有淬水效果的合金如：6063 。T3：溶體化處理后經(jīng)冷加工的目的在提高強度、平整度及尺寸精度。T36 ： T3 經(jīng) 6% 冷加工者。T361 ： 冷加工度較T3 大者。T4：溶體化處理后經(jīng)自然時效處理。T5：熱加工后急冷再施以人工時效處理。人工時效處理的目的在提高材料的機械性質(zhì)及尺寸的安定性適用於熱加工冷卻便有淬水效果的合金如：6063 。T6：溶體化處理后施以人工時效處理。此為熱處理合金代表性的熱處理，無須施以冷加工便能獲得優(yōu)越的強度。於溶體化處理后為提高尺寸精度或矯正而施以冷加工，如不

20、保證更高的強度時，亦可當作是T6 鍊度。T61 ： 溶體化處理后施以溫水淬水再經(jīng)人工時效處理，溫水淬水的目的在防止發(fā)生變形。T7： 溶體化處理后施以安定化處理 (亦及人工時效處理的溫度或時間較T6 處理高或長 ) 。其目的在改善耐硬力腐蝕裂及防止淬水時發(fā)生變形。T7352 ： 溶體化處理后除去殘余應(yīng)力再施以過時效處理( 亦及人工 時效處理的溫度或時間較T6 處理高或長) 。目的在改善耐硬力腐蝕裂。於溶體化處理后施以15% 永久變形的壓縮加工，以消除殘余應(yīng)力。T8： 溶體化處理后施以冷加工再施以人工時效處理，冷加工時斷面減少率為 3% 及 6% 各為 T83 及 T86 。T9： 溶體化處理后人

21、工時效處理，最后施以冷加工，最后冷加工的目的在增加強度。二、軟燒處理：2.1 目的：展伸用材料包括壓延用材料，擠壓用材料及鍛造用材料，通常其制造程序為：鑄造 熱加工 冷加工 材料成品在熱加工或冷加工的過程中，材料發(fā)生加工硬化的情況，使強度變大或?qū)е录庸び不那闆r，使強度變大或?qū)е录庸ば詼p低。為消除這些加工硬化，於冷加工前，中或后所施的熱處理即為軟燒處理，其目的在使材料具有使用上所需要的程度。2.2 分類：由於軟燒條件的不同而分：2.2.1部分軟燒：僅消除部份加工硬化，處理溫度在再結(jié)晶溫度以下，實際溫度則視強度而定，強度愈高則處理溫度較低。2.2.2完全軟燒：處理溫度在材料的再結(jié)晶溫度或稍高使材

22、料發(fā)生再結(jié)晶而完全消除加工硬化，亦使強度達到最低的狀態(tài)。軟燒處里就時機而分：中間軟燒： 再冷加工開始之前或冷加工過程中，所加的軟燒處理，通常為完全軟燒，其目的在恢復(fù)其加工性，使接下去的加功能較順利，及控制其組織狀態(tài)，俾能適合於最終成品的要求。最終軟燒：主要目的再調(diào)整成品最后的強度水準亦即調(diào)整鍊度。3 加工常識一、鋁合金成型加工通常出現(xiàn)之缺陷：缺陷原因改善對策 胚料有瑕疵1. 空心殼壁或凸緣之龜裂 1. 滾動缺陷 ( 摺疊 ) 1. 改善品質(zhì)管制2. 起耳狀物 2. 機械性質(zhì)太過平均 2. 退火 (如不致生晶粒生長 )工具有瑕疵1. 引伸一開始，空心殼之底部即被撕裂。 1. 沖頭或模之圓角太小。

23、1. 加大沖頭或模之圓角。2. 引伸末了，空心殼之底部方被撕裂。2. 引伸比太大，沖頭未對準模孔中心。形空心殼則增加轉(zhuǎn)角之沖模間隙。2. 增加中間引伸，選用品質(zhì)較佳之材料；若為方3. 引伸刮痕。 3. 潤滑不佳，工具表面之情況不佳 (已磨耗 )。 3. 使用特殊引伸用黃油 ( 材料必須經(jīng)磷酸鹽處理或鍍銅 ) ，再光制工具表面 (鍍鉻 )，選用不易產(chǎn)生刮痕之材料。4. 成品邊緣有鋸齒形，殼表面有皺紋。4. 模圓角太大，沖模間隙太大。4. 再輪?；蚋鼡Q引伸模具 工具或機器之調(diào)整不常瑕疵1.凸緣上有皺紋。1. 胚料架壓力太小。1. 增加胚料架之壓力。2. 成品之一邊有抓傷或其他痕跡，而工具表明面顯之

24、痕跡。2. 沖頭未對準模孔中心，或傾斜一角度，而造成磨損。2. 再輪磨或重新校準模具3. 殼壁太粗，尤其是矩形深引伸成型成品為然。3. 胚料架壓力太小，或模之圓角太大。3.增加胚料架之壓力，或於模與胚料架間制一加強之隆起。4. 殼線有壓平之皺紋或龜裂。4. 胚料架壓力太小，或沖模間隙太大。4. 更換模具。二、硫酸陽極處理通常出現(xiàn)之缺陷：缺陷原因改善對策工作物件局部位置電擊燒傷或穿孔1. 工作物和陰極接觸發(fā)生短路。1. 放置工作物於處理槽內(nèi)時，注意與陰極之距離，避免發(fā)生接觸。2. 工作物彼此之間接觸發(fā)生短路。2. 加大工作物間距離。3. 工作物件和夾具接觸不良。3. 夾具使用前須加以清洗，與工作

25、物間須夾緊。氧化膜極疏松，用手就可擦掉1. 電解液溫度太高。1. 設(shè)法降低溫度，例如進行攪拌或開動冷卻設(shè)備，并控制溫度差在±2內(nèi)。2. 氧化處理時間太久。 2. 縮短氧化時間。3. 工作電流密度太高。 3. 降低電流密度。氧化膜帶紅色斑點或整個表面或局部表面發(fā)紅1. 導(dǎo)電棒和夾具之間的接觸不好令銅沉積在鋁表面。1. 改善導(dǎo)電棒與夾具的接觸，材質(zhì)改用鋁材。2. 接觸中斷，如導(dǎo)電中斷 2. 加強氧化過程的檢驗。氧化膜暗淡不夠光亮或燒焦現(xiàn)象1. 工作物件在槽中長時間無給電，或斷電后又給電。1. 經(jīng)常檢查糾正與電器維修嚴格管制處理時程。2. 硫酸溶液內(nèi)溶存的鋁業(yè)增加導(dǎo)致氧化膜的透明性變差，最

26、后發(fā)生燒焦現(xiàn)象。2. 檢驗處理液中的鋁量。2.1 硫酸液中含鋁量以1gm/l左右為宜。2.2 新液則添加1213 gm/l的硫酸鋁。氧化膜有黑斑或黑條紋1. 電解液中有懸浮的雜質(zhì)1. 清理表面懸浮雜質(zhì)。2. 工作物件表面有油污漬或其它污染物。2. 徹底糾正除油液成份；確實執(zhí)行前處理。3. 電解液中含銅和鐵雜質(zhì)太多。3. 分析后除去并定期更新部份電解液。4. 電解后工作物未洗乾凈就進行封孔。4. 電解后工作物要立即清洗乾凈，避免處理液或雜質(zhì)殘留於氧化膜表面氧化膜局部表面被腐蝕1. 氧化后氧化膜上的電解液未洗乾凈。1. 加強氧化后的洗滌。2. 深凹處藏有電解無洗乾凈。2. 均加強氧化后的洗滌。3. 電解液無洗乾凈就進行封孔處理。3. 均加強氧化后的洗滌。經(jīng)重鉻酸鉀填充后氧化膜色淡而發(fā)白1.溶液溫度低，填充時間短。1. 改正不適宜條件。2. SO4-2 含量太高。 2. 檢查和校正 SO4-2 成份。3. 氧化膜太薄。 3. 增加氧化