值得研發(fā)的高速擠壓MaxiFlow鋁合金

聶 穎，王祝堂

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000；2.中國(guó)有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100814)

俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司(UC Rual )賴亞博夫(D.Ryabov)等新近研發(fā)出一批新型可高速擠壓的(MaxiFlow)6×××鋁合金，它們并沒(méi)有向傳統(tǒng)的6060、6063型鋁合金中添加新的合金化元素，也沒(méi)有對(duì)原生產(chǎn)工藝進(jìn)行重大調(diào)整，僅僅是對(duì)它們的成分與生產(chǎn)工藝作了一些調(diào)整，這些合金被稱為“MaxiFIow (最大流速合金)”，它們的擠壓速度比傳統(tǒng)6×××鋁合金的提高10%～30%，這在提高鋁合金擠壓速度方面是一件大事。

1 6×××系鋁合金

6×××系鋁合金即Al-Mg-Si系合金，是熱處理強(qiáng)化型鋁合金中唯一沒(méi)有發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)現(xiàn)象的一個(gè)合金系，有中等強(qiáng)度和優(yōu)秀的可焊性、抗蝕性，故又稱抗蝕可焊鋁合金。該系鋁合金是世界銷量最大、應(yīng)用最廣的變形鋁合金，因?yàn)榻ㄖ敖Y(jié)構(gòu)鋁材的85%以上是用該系鋁合金擠壓的。據(jù)筆者匡算，在2019年全世界生產(chǎn)的約28 000 kt鋁擠壓材中，有近17 500 kt是用該系鋁合金生產(chǎn)的。

Al-Mg-Si系合金的組織可用Al-Mg2Si系偽二元相圖來(lái)說(shuō)明，由相圖可見(jiàn)，Mg2Si相(β)在鋁中有明顯的溶解度變化，共晶溫度595 ℃時(shí)它的極限溶解度為1.85%，500 ℃時(shí)降到1.05%，200 ℃時(shí)僅為0.27%。因此，Al-Mg2Si系合金有明顯的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)。

Al-Mg2Si合金過(guò)飽和固溶體α′的分解過(guò)程：

α′→針狀GP區(qū)→有序針狀GP區(qū)→β′→β(Mg2Si)

GP區(qū)是在時(shí)效溫度T<204 ℃時(shí)沿〈100〉方向沉淀和長(zhǎng)大，直徑約為6 nm，長(zhǎng)20 nm～100 nm的針狀沉淀相。進(jìn)一步時(shí)效則形成棒狀β′相，面心立方晶格，取向關(guān)系:<100>β′//<100>α或<011>β′//<100>α。平衡相β(Mg2Si)也是面心立方晶格，a=0.639 nm。

Al-Mg2Si合金[ω(Mg2Si)>1.2%]的臨界形核溫度Tc較高、190 ℃，在150 ℃～160 ℃的時(shí)效組織由針狀GP區(qū)或棒狀β′組成，很少出現(xiàn)PFZ (無(wú)沉淀相區(qū))，也不在位錯(cuò)形核或沉淀。Mg2Si中的w(Mg)/w(Si)=1.73，所以合金的Mg、Si含量比值有正好等于Mg2Si中的，有的Si含量則高一些，因而性能和用途也不同。根據(jù)Mg2Si含量和Cu、Mn、Cr元素的加入情況，Al-Mg-Si合金可分為三大類。近年來(lái)由于俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司新近的MaxiFlow合金問(wèn)世，也可以把該系合金分為四大類。

第一類是應(yīng)用最廣的 6063型鋁合金，w(Mg2Si)=0.8%～1.2%，有優(yōu)秀的擠壓性能和低的淬火敏感性，擠壓或鍛造脫模后，只要溫度T>淬火溫度，即可用噴水或穿水在線工藝淬火，薄壁件(壁厚δ<3 mm)還可以空冷淬火，不必采用離線固溶處理。這類合金的突出優(yōu)點(diǎn)是有光潔的表面，易陽(yáng)極氧化與著色處理，適于生產(chǎn)建筑型材、結(jié)構(gòu)型材和裝潢材料。6463鋁合金的w(Fe)<0.15%，是一種高純鍛造合金，極易化學(xué)拋光和陽(yáng)極氧化，適于生產(chǎn)汽車裝潢板材和型材，現(xiàn)在常用的6063型鋁合金有6種牌號(hào)：6063、6063A、6463、6463A、6763、6963。

第二類是w(Mg2Si)≥1.4% 的6061鋁合金(Al-1Mg-0.6Si)，為了提高強(qiáng)度而加入w(Cu)=0.25%的Cu，為了抵消Cu對(duì)抗蝕性的不良影響還添加w(Cr)=0.2%的Cr。這種合金時(shí)效后有較高的強(qiáng)度，但因淬火敏感性高，擠壓后須重新固溶處理和在水中淬火，才能得到高的強(qiáng)度，適于生產(chǎn)一般結(jié)構(gòu)材料。

第三類是Si含量超過(guò)了Mg2Si化合比的鋁合金，這類合金有過(guò)剩Si存在，因?yàn)榧扔屑?xì)化的Mg2Si質(zhì)點(diǎn)又有過(guò)剩Si相存在，故使強(qiáng)度進(jìn)一步提高。但過(guò)剩Si易于沿晶偏析，降低塑性，引起晶界脆性，故須加入微量Cr(6151鋁合金)或Mn(6351鋁合金)以進(jìn)一步細(xì)化晶粒，抑制固溶處理時(shí)發(fā)生再結(jié)晶，以抵消其不利影響。

第四類為MaxiFlow鋁合金，Al-Mg-Si合金淬火(515 ℃～525 ℃)后宜立即進(jìn)行人工時(shí)效(160 ℃～170 ℃、8 h～12 h，T6)，方可得到高的強(qiáng)度，淬火后如在室溫停放一段時(shí)間再進(jìn)行時(shí)效，則對(duì)強(qiáng)度不利。w(Mg2Si)≥1%的合金在室溫停放24 h，強(qiáng)度比淬火后立即時(shí)效的合金的低10%。此現(xiàn)象叫“停放效應(yīng)”或“時(shí)效滯后現(xiàn)象”。但w(Mg2Si)≤0.9%的合金，停放對(duì)強(qiáng)度反而有益。這種效應(yīng)與在室溫停放期間形成的空位-溶質(zhì)原子集團(tuán)的形核能力和臨界形核溫度有關(guān)，高濃度Al-Mg2Si 的臨界形核溫度T>170 ℃，在室溫形成的空位-溶質(zhì)集團(tuán)較小，達(dá)不到臨界尺寸，還引起了過(guò)飽和度的降低，在人工時(shí)效時(shí)只有少數(shù)尺寸較大的集團(tuán)能轉(zhuǎn)變?yōu)槌恋硐?，又因形團(tuán)后基體濃度降低，不能獨(dú)立形成新的晶核，所以只能獲得粗大的沉淀相和低的強(qiáng)度。反之，停放后的低濃度合金人工時(shí)效時(shí)，卻會(huì)形成彌散度高的沉淀相，對(duì)強(qiáng)度反而有利，這可能與低濃度合金形核條件不同有關(guān)。加入w(Cu)≤0.4%的Cu可減輕停放效應(yīng)的不良影響，因?yàn)镃u能降低Al-Mg-Si合金的自然時(shí)效速度。Fe是Al-Mg-Si系合金的有害雜質(zhì)，對(duì)強(qiáng)度不利。w(Zn)≤0.25%的Zn雜質(zhì)對(duì)合金強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。

微量稀士元素(RE)能顯著改變電工Al-Mg-Si合金的鑄造、加工和熱處理工藝性能。向Al-0.6Mg-0.6Si合金加入w(RE)=0.1%的RE，不僅提高了鑄錠質(zhì)量，改善了拉拔工藝，提高成品率，熱軋后可以直接淬火，省去固溶處理，節(jié)約能源，減少排放，于165 ℃4 h人工時(shí)效后，還能提高抗拉強(qiáng)度約15 N/mm2，并且比電阻可下降2%以上。

2 新型高速擠壓鋁合金MaxiFlow

6×××系鋁合金是一類主要用于擠壓各種半成品的合金，在建筑-結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)、汽車工業(yè)等獲得了廣泛的應(yīng)用。它們有優(yōu)異的擠壓性能：材料表面品質(zhì)優(yōu)秀、易擠壓，以及特優(yōu)的強(qiáng)度/質(zhì)量比(strength-to-weight ratio)與高的抗蝕性。這就是為什么在全世界生產(chǎn)的鋁材中，擠壓材占30%以上的原因。

鋁擠壓材生產(chǎn)用的合金主要是Al-Mg-Si(6×××)系的，其Mg、Si的質(zhì)量含量比接近1，在人工時(shí)效時(shí)形成準(zhǔn)穩(wěn)定的沉淀相，使材料的抗拉強(qiáng)度比工業(yè)純鋁的大4倍。另外，低合金化的6×60或6×63鋁合金材料還可以進(jìn)行擠壓在線淬火，形成穩(wěn)定過(guò)飽和固溶體，從而縮短了生產(chǎn)周期，仍保有優(yōu)異的表面品質(zhì)。有單位的分析表明，擠壓鋁材在有些關(guān)鍵部門(mén)的用量呈較強(qiáng)的上升趨勢(shì)，擠壓企業(yè)必須提升產(chǎn)量以滿足這種需求。然而對(duì)一些擠壓企業(yè)來(lái)說(shuō)，目前提高產(chǎn)量的瓶頸仍在擠壓機(jī)本身?？墒菙D壓速度與鋁錠坯的可擠壓性直接關(guān)聯(lián)，如果錠坯的可擠壓性好，對(duì)同一種合金來(lái)說(shuō)，就可以較大地提高擠壓速度，從而提高生產(chǎn)效率、增加產(chǎn)量。

在一定意義上來(lái)說(shuō)，可擠壓性與擠壓速度有著同等含義。6×××系鋁合金的可擠壓性能在很大程度上取決于化學(xué)成分與錠坯組織，例如合金化元素Mg對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響比Si的大得多。時(shí)效時(shí)，溶解于鋁中的Mg、Si原子又湊合在一起形成沉淀相Mg2Si， Mg2Si的形成沉淀使合金的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能隨即上升。Mg2Si是1個(gè)Si原子與2個(gè)Mg原子組成，6×××系鋁合金的成分設(shè)計(jì)就是基于這樣的假設(shè)，然而最近的研究顯示，沉淀相的化學(xué)成分非常接近于MgSi，也就是說(shuō)由1個(gè)Mg原子與1個(gè)Si原子組成。

基于這樣新的理念，俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司研發(fā)成功幾個(gè)新的Al-Mg-Si合金，既有最大的可擠壓速度，又有高的力學(xué)性能，特別是對(duì)Mg含量作了較大的變動(dòng)，它對(duì)擠壓速度的影響比Si的大得多。鋁中總存在雜質(zhì)Fe，它可與Si形成對(duì)材料表面性能有決定性影響的金屬間相β-AlFeSi，因此，研制出特定的均勻化退火工藝，使β-AlFeSi相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al(FeMn)Si，以有利于錠坯的可擠壓性能改善。另外，對(duì)常規(guī)錠坯的顯微組織也作了考慮，例如粗大晶粒與厚向的逆偏析(inverse segregation zone)也對(duì)擠壓性能有影響。

俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司的新MaxiFlow鋁合金錠坯共有5種：2種6063型鋁合金的，2種6060型鋁合金的，1種6360鋁合金的。設(shè)計(jì)的這些新合金錠坯，不但可用高的速度擠壓，而且其化學(xué)成分、顯微組織、尺寸偏差等能完全滿足型材生產(chǎn)企業(yè)的要求。新的圓錠鑄造生產(chǎn)線已在西伯利亞與瑞典的一些企業(yè)投產(chǎn)。MaxiFlow鋁合金的優(yōu)秀獨(dú)特化學(xué)成分與均勻化退火工藝參數(shù)，使生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)鑄坯得到擠壓企業(yè)的高度認(rèn)可與稱贊。

3 工業(yè)試驗(yàn)

MaxiFlow鋁合金錠坯在俄羅斯與其他國(guó)家的一些擠壓企業(yè)進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，并與原來(lái)的6063、6060鋁合金錠坯作為對(duì)比擠壓，除在俄羅斯幾個(gè)工廠進(jìn)行試擠外，還在幾個(gè)外國(guó)工廠與中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，試擠結(jié)果取得了圓滿成功，新的合金錠坯可以進(jìn)行高速擠壓，證明MaxiFlow鋁合金的成分設(shè)計(jì)理念是對(duì)的，均勻化處理工藝的制定也是合理的。工業(yè)試驗(yàn)情況見(jiàn)表1。

表1 MaxiFlow鋁合金錠坯擠壓試驗(yàn)情況Table 1 Extrusion tests of MaxiFlow aluminum alloy billets

3.1 MaxiFlow 6063鋁合金錠坯

共試驗(yàn)了2種型號(hào)鋁合金，它們的區(qū)別在于時(shí)效效果不一樣，1型合金的設(shè)計(jì)目標(biāo)是具有最大的擠壓速度，而2型合金的目標(biāo)是其強(qiáng)度應(yīng)比常規(guī)6063鋁合金的高10%。試驗(yàn)用的MaxiFlow 6063鋁合金圓錠是新庫(kù)茲涅茨克(Novokuznetsk)鋁廠和伏爾加格勒(Volgograd)鋁廠生產(chǎn)的，其圓錠均勻化后的典型顯微組織如圖1所示。

MaxiFlow 6063 1型及2型鋁合金圓錠直徑為178 mm，在俄羅斯、歐洲和亞洲的擠壓廠進(jìn)行了工業(yè)性擠壓試驗(yàn)。俄羅斯工廠用的是西馬克公司(SMS)的19.5 MN臥式液壓機(jī)，其他工廠用的是等同噸位的擠壓機(jī)。

圖1 MaxiFlow 6063鋁合金圓錠均勻化處理后的典型顯微組織Fig.1 Typical microstructure of MaxiFlow 6063 Al alloy billet after homogenizing treatment

為便于擠壓在線淬火，錠坯進(jìn)入擠壓筒時(shí)的溫度應(yīng)高于520 ℃，而為了預(yù)防材料表面撕裂，錠坯溫度應(yīng)低于590 ℃；為了進(jìn)行高速擠壓，錠坯的預(yù)加熱溫度應(yīng)比常規(guī)鋁合金錠坯的加熱溫度低20 ℃。對(duì)比試驗(yàn)的開(kāi)始擠壓速度比常規(guī)的速度高2%～3%，隨后提升速度，最大擠壓速度以型材表面不出現(xiàn)可見(jiàn)的缺陷為準(zhǔn)，一旦這個(gè)最大擠壓速度確定了，其他錠坯均以此速度擠壓。

3.2 MaxiFlow 6060鋁合金錠坯

研發(fā)出2種MaxiFIow 6060鋁合金用于試生產(chǎn)實(shí)心及空心型材。1型合金用于生產(chǎn)高強(qiáng)度型材，所有試生產(chǎn)的型材，不管是擠壓狀態(tài)的(as-extruded)，還是陽(yáng)極氧化的，都有優(yōu)秀的表面品質(zhì)。合金的化學(xué)成分設(shè)計(jì)成可以快速時(shí)效，同時(shí)有高的抗蝕性，可以在海洋環(huán)境中使用。

2型合金是為高速擠壓實(shí)心及空心型材研發(fā)的，同時(shí)各項(xiàng)性能必須滿足當(dāng)前最嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)如EN755-2 T66狀態(tài)材料要求。6060的1型及2型合金圓錠直徑127 mm，伏爾加格勒鋁廠鑄造。在俄羅斯圣彼得堡(Saint Petersburg)鋁業(yè)公司的11 MN臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，錠坯在燃?xì)鉅t內(nèi)預(yù)加熱。試擠的型材壁厚1.1 mm。在其他工廠的試驗(yàn)也是如此。

4 MaxiFlow鋁合金擠壓材的時(shí)效熱處理

如前所述，6×××系鋁合金強(qiáng)化相對(duì)時(shí)效處理甚為敏感，為了降低它們的敏感性，俄羅斯的專家直接從合金化學(xué)成分入手，調(diào)整Mg及Si含量解決此問(wèn)題。因?yàn)镸axiFlow鋁合金的可擠壓性雖然大為提高，但強(qiáng)度卻有所下降，專家們很巧妙地調(diào)整化學(xué)成分圓滿地解決了此問(wèn)題，使合金既可以高速擠壓，又保證材料的力學(xué)性能完全能滿足標(biāo)準(zhǔn)與用戶的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司于2019年研制成功的MaxiFlow 6063型及6060型高速擠壓鋁合金的擠壓速度比原型合金的提高10%～30%，而其他性能均與原型合金的等同，專家們是通過(guò)精細(xì)調(diào)整合金的Mg、Si含量達(dá)到此目標(biāo)的，但合金的成分仍處在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。新的MaxiFlow合金除在俄羅斯進(jìn)行了廣泛的試擠壓外，還在希臘、波蘭、保加利亞、泰國(guó)、土耳其、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的擠壓企業(yè)進(jìn)行了試生產(chǎn),均取得了很好的效果?，F(xiàn)在俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司正準(zhǔn)備研究含Cu的6×××高強(qiáng)度MaxiFlow鋁合金如6005A、6082及6061型鋁合金。

中國(guó)是全球最大的擠壓鋁材生產(chǎn)國(guó)與消費(fèi)國(guó)，2020年估計(jì)擠壓鋁材生產(chǎn)能力約31 000 kt/a，產(chǎn)量約20 780 kt，其中約75%為6063型鋁合金產(chǎn)品，即有約15 000 kt是用6060型與6063型鋁合金擠壓的，如果能有30%的產(chǎn)品改用俄羅斯的MaxiFlow合金生產(chǎn)，平均擠壓速度按提高20%匡算，就可以少開(kāi)動(dòng)15 MN擠壓生產(chǎn)線約200條。這種匡算方法可能不確切，但是將一部分建筑-結(jié)構(gòu)材料擠壓速度提高約20%可以產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益，卻是毋容置疑的。建議有條件的企業(yè)與研究單位對(duì)俄羅斯的MaxiFlow鋁合金進(jìn)行一些研究，開(kāi)發(fā)出更先進(jìn)的擠壓鋁合金也是一項(xiàng)有意義的與有經(jīng)濟(jì)效益的工作。

筆者還認(rèn)為中國(guó)擠壓生產(chǎn)能力已經(jīng)足夠大了，2035年以前最好不再增大產(chǎn)能，如果有需求可以通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整。