摘要 6063合金擠壓型材的力學性能和電化學性能除了與合金的化學成分有密切關系外，還與人工時效制度有較大關系。低溫長時間時效和高溫短時間時效使力學性能有較大提高，但卻降低了合金的電化學性能。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。
關鍵詞 6063鋁合金 人工時效 過渡相 力學性能 電化學性能
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）合金的化學成分如表1。為了兼顧力學性能和擠壓性能，Mg2Si質量分數(shù)一般控制在0.7%左右。應控制w(Mg)/w(Si)=1.73。但是由于合金中存在雜質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合金的化學成分（%）及合金硬度與w(Mg)/w(Si)的關系（195℃，時效2h）。
表1 6063合金化學成分 %
| 主成分 |
雜質 |
其它雜質 |
Al |
| Mg |
Si |
Fe |
Cu |
Mn |
Zn |
Cr |
Ti |
單個 |
合計 |
| 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合金化學成分及Mg/Si(w(Mg)/w(Si)）與型材硬度的關系 |
| 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Fe和Zn對合金的力學性能也有較大的影響，這是因為在合金中生成αFe2SiAl8(以前報道為Fe3SiAl12),βFeSiAl5(以前報道為Fe2Si2Al9)及T-Al2MgZn3等雜質相的緣故。這些雜質相都是硬的質點，位錯不易切割，能夠增強合金的力學性能，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成分有關之外，還與熱處理條件即人工時效有關。為了兼顧各種性能，本文結合合金的化學成分，著重研究了6063合金型材的人工時效機制及其對力學性能和電化學性能的影響。
1 6063擠壓型材的時效過程中力學性能變化
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雜的情況下，出口溫度可達570～580℃。在這樣的溫度下Mg2Si強化相多數(shù)被溶解，隨后經(jīng)風淬冷卻，產(chǎn)生溶質原子和空位雙重過飽和的固溶體，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10～60×10-10m。在100℃以下，時效幾年才能長大到100×10-10m。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該重點嚴格控制溫度。
圖1 人工時效時間與強度的關系(B合金)
2 w(Mg)/w(Si)、Fe、Zn在合金時效
圖2、3分別是6063合金中w(Mg)/w(Si)比值與雜質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相α-Fe2SiAl8、β-FeSiAl5、T-Al2Mg3Zn較少的緣故。低谷處合金中Fe的質量分數(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相。雖然6063合金人工時效中所生成的Fe、Zn雜質相能提高型材的硬度，但由于雜質相質點粗大，約0.5～10μm，在變形中易成為裂紋源，降低合金的斷裂韌性，而且對后來的陽極氧化著色造成不利影響，因此，還是應盡量避免它的生成。
圖2 合金中w(Mg)/w(Si)值對時效硬度的影響
圖3 合金中Fe的質量分數(shù)對時效硬度的影響
3 人工時效對6063合金電化學性能的影響
3.1 對導電率的影響
合金的導電率一般為50%IACS左右。隨著時效溫度和時效時間增加導電率增加，而雜質Fe的質量分數(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：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、短時人工時效時，主要生成GP區(qū)β"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β’、β相轉變，而自由電子運動的空隙增加，阻力減小，因而導電率增加。而Fe、w(Mg)/w(Si)在時效過程中只影響相的組成，而不影響微細結構，因而對導電率影響甚微。
圖4 導電率與人工時效溫度和時間的關系
表3 6063合金w(Fe)和w(Mg)/w(Si)量對導電率的影響 |
| 序號 |
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 對陽極氧化的影響
合金的導電率對陽極氧化膜的生長有影響。隨著導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，也就是說導電率隨著合金中的Mg2Si相及雜質相析出、長大而增加，而耐電化學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性能降低，而且耐電化學和耐化學腐蝕性也降低。
圖5 合金導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（L值）幾乎沒有影響。L值小，色調越暗。
圖6 陽極氧化膜重量對光的反射率的影響
表4 人工時效及合金成分對氧化和著色膜光澤度的影響 |
| 時效條件 |
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L值 |
26.1 |
26.1 |
27.8 |
30.4 |
28.0 |
32.8 |
27.4 |
28.4 |
29.9 |
|
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，具有相反的結果。這是因為隨著時效溫度、時效時間及合金中Fe的質量分數(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β"→β＇→β相轉變，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tc的關系。
圖7 Mg2Si析出形態(tài)與氧化膜的電容C及著色等當點tc的關系
4 結束語
綜上所述，6063合金型材的質量和性能除與合金的化學成分有密切關系外，還與人工時效制度有較大關系。低溫長時間時效和高溫短時間時效及合金中的雜質Fe、Zn等能提高型材的力學性能，但卻降低其電化學性能。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195～205℃人工時效2～3h較為適宜。
作者簡介：李世平，男，1946年生，高級工程師。
作者單位：貴州鋁加工廠 貴州省貴陽市 550005 | |
