高性能超流6×××系鋁合金的進(jìn)展

王海彬，王祝堂

(1.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060； 2.中國(guó)有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100814)

6×××系鋁合金又稱Al-Mg-Si合金或Al-Mg2Si合金，Mg及Si是其主要合金化元素，往往還含有少量的Mn或Cr，作為雜質(zhì)元素Fe的中和劑，有時(shí)還添加少量Cu或Zn，以提高合金的強(qiáng)度，而又不使其抗蝕性能明顯下降；導(dǎo)電材料中有少量Cu、以抵消Ti及V對(duì)導(dǎo)電性的不良影響； Zr或Ti能控制晶粒尺寸；為了改善切削加工性，有時(shí)還加入Pb與Bi，但它們?cè)诖祟惡辖鹬械淖饔帽仍跓oMg合金中的小。

現(xiàn)行的6×××系鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)：Mg 0.2～1.5，Cr 0～0.5，B、Ti、Zr 0～0.3，Si 0.2～2，Cu 0～2.0，Pb、B 0～0.1，Mn 0～1.5，Zn 0～2.5。

Mg2Si中w(Mg)/w(Si)為1.73，但是在生產(chǎn)中不可能保持此比例，所以大部分合金不是含有過剩量的Mg，就是Si含量過剩。Mg含量過剩時(shí)，合金的抗蝕性能好，但強(qiáng)度與成形性能較低； Si含量過剩時(shí)，合金的強(qiáng)度高，成形性能及可焊性能較低，且稍有晶間腐蝕傾向。

Al-Mg-Si合金的組織比較簡(jiǎn)單，主要強(qiáng)化相是Mg2Si，熱處理時(shí)Mg2Si溶于固溶體中，使合金在人工時(shí)效時(shí)有強(qiáng)化能力。如果合金含有相當(dāng)量的Cu和Si，則除了Mg2Si外，還會(huì)形成Cu2Mg8Si6Al5，即至少有一部分Mg2Si被Cu2Mg8Si6Al5取代，后者也有一定的時(shí)效硬化能力。在無Mn、Cr的合金中，F(xiàn)e以Al3Fe、Al6Fe、Fe2SiAl6或FeMg3Si6Al8的形式存在；在有Mn及Cr的合金中，F(xiàn)e與它們形成化合物。Zn溶于固溶體中，B、Ti、Zr的含量很小，一般不會(huì)形成可見的化合物。加入P、S、Te、I或MgCl2可使Mg2Si球化。

2018年在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司(The Aluminum Association，Inc.)注冊(cè)的706個(gè)變形鋁合金中(常用的550個(gè)，非常用的156)，6×××系鋁合金126個(gè)，占17.85%，居第二位，僅比5×××鋁合金的141個(gè)少15個(gè)。但是6×××系鋁合金半成品的產(chǎn)量卻居前位，因?yàn)榻ㄖ?結(jié)構(gòu)鋁材的85%以上是用6063型及6061型鋁合金生產(chǎn)的。

1 6×××系鋁合金的發(fā)展歷程

回顧近70年來6×××系鋁合金的發(fā)展[1]，該系的6063鋁合金于20世紀(jì)80年代在北美和歐洲獲得了廣泛的應(yīng)用，是一種軟合金，用于擠壓建筑-結(jié)構(gòu)鋁材，美國(guó)鋁業(yè)公司(Alcoa)1944年發(fā)明，與7075鋁合金同時(shí)誕生，含w(Mg)=0.45%的Mg。Mg、Si的含量不完全符合Mg2Si的原子比，Si過剩一些(圖1)。如要制備強(qiáng)度稍低些的T5狀態(tài)材料，可降低Si含量，現(xiàn)在仍有不少這樣的合金在使用。6063型鋁合金現(xiàn)有6個(gè)常用合金： 6063 (美國(guó))、6063A(1979年英國(guó))、6463(1957年美國(guó))、6463A(1973年澳大利亞)、6763(1972年美國(guó))、 6963(1994年美國(guó))；非常用合金(inactive alloy)6個(gè)： X6163、 6263、6363、6563、6663、6863。

圖1 6×××系鋁合金Mg、Si的含量范圍Fig.1 Content range of Mg and Si in 6××× series Al alloys

雖然6060鋁合金1972年就已注冊(cè)，但在那個(gè)時(shí)候并沒有獲得廣泛應(yīng)用，主要原因是它的成分設(shè)計(jì)原理是其平衡相Mg2Si量與6063鋁合金的相同， 因此其抗拉強(qiáng)度很難達(dá)到6063-T6鋁合金的水平。爾后發(fā)現(xiàn)，增大過剩Si的量可以提升強(qiáng)度，而可擠壓性能的下降很小,不過過剩Si的量也是有一定限度的。20世紀(jì)90年代歐洲開始用6060鋁合金取代6063鋁合金，研究發(fā)現(xiàn)，減少M(fèi)g含量，加大Si含量，合金的強(qiáng)度不會(huì)降低，而擠壓性能卻明顯上升。那時(shí)Si在合金中的作用尚未徹底明白，只知道它能細(xì)化沉淀相質(zhì)點(diǎn)，加大合金的人工時(shí)效能力。2018年，6060鋁合金已發(fā)展到常用合金8個(gè)： 6060(1972年，歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)EAA)、 6160(1993年美國(guó))、6260(1996年美國(guó))、6360(2001年美國(guó))、 6460(2001年美國(guó))、6460B(2010年巴西)、6560(2001年美國(guó))、6660(2011年美國(guó))；非常用合金1個(gè)，6460A。

20世紀(jì)90年代后期，力拓公司(Rio Tinto)開發(fā)出 6360鋁合全，成分設(shè)計(jì)原理：充分利用過剩Si與較低的Mg含量，從而提供較低的流動(dòng)應(yīng)力與仍可以達(dá)到6063-T6鋁合金的強(qiáng)度。6360鋁合金2001年注冊(cè)，同時(shí)在北美進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。在20世紀(jì)90年代后期，歐洲和澳大利亞的一些大學(xué)的科學(xué)工作者采用原子探針(atom probe)和高倍顯微鏡發(fā)現(xiàn)[2]：納米級(jí)時(shí)效硬化沉淀相β′的x(Mg)/x(Si)≈1∶1，而不是過去認(rèn)為2∶1。

由圖1可清晰地看出在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司注冊(cè)的6×××系鋁合金的成分范園，6060及6063鋁合金的Mg、Si含量相近1∶1，而它們的總含量又使合金的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，這兩個(gè)合金在北美和歐洲都獲得廣泛應(yīng)用，不過北美對(duì)6063鋁合金更喜歡些，太平洋地區(qū)及國(guó)家都廣泛應(yīng)用它們。6360鋁合金是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)開發(fā)的，它綜合了6×××系鋁合金的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。

中等強(qiáng)度的6×××鋁合金的發(fā)展在北美和歐洲各走各的路，自20世紀(jì)50年代以來，北美的結(jié)構(gòu)擠壓鋁材市場(chǎng)主要是6061鋁合金，它的成分范圍是按Mg2Si的原理設(shè)計(jì)的，6061-T6鋁合金有最高的強(qiáng)度性能。力拓公司利用Mg含量的下限，開發(fā)成功T6狀態(tài)的擠壓機(jī)淬火工藝[3]，于20世紀(jì)90年代后期面世的68234鋁合金有優(yōu)秀的擠壓性能，很易達(dá)到6061鋁合金的性能，它的x(Mg)/x(Si)=1∶1，也就是在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)Si含量盡量高些，而Mg含量盡量低些。68234是力拓公司的鋁合金牌號(hào)。

與6061鋁合金對(duì)應(yīng)的，在歐洲則用6082鋁合金，一直延續(xù)了四五十年，它的x(Mg)/x(Si)接近1∶1，并含有少量的Mn和Cr，它的擠壓速度比6061鋁合金的約快10%，在北美多用它擠壓汽車結(jié)構(gòu)型材。

20世紀(jì)70年代，歐洲開發(fā)出可中間空氣淬火合金(intermediate air quenchable)6005A鋁合金，它的性能介于6082與6063鋁合金之間，其w(Mg)/w(Si)符合1∶1。力拓公司研制的65300鋁合金是6005A鋁合金的改型，于20世紀(jì)90年代初期進(jìn)入北美市場(chǎng)，用以取代6005鋁合金。該合金適于空氣淬火，現(xiàn)已納入美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)2015年版鋁設(shè)計(jì)手冊(cè)，在工業(yè)生產(chǎn)中，它的性能很容易滿足6061-T6鋁合金的最低要求，而其擠壓速度比6061鋁合金的快30%，在生產(chǎn)結(jié)構(gòu)擠壓材時(shí)可用它取代6061鋁合金。6005A及6082鋁合金都已納入美國(guó)焊接協(xié)會(huì)(AWS)的有關(guān)手冊(cè)與資料匯編。

2 高性能6360鋁合金

21世紀(jì)以來，為了減小流動(dòng)應(yīng)力與增大擠壓性能，力拓公司研究中心實(shí)驗(yàn)室和中間試驗(yàn)廠對(duì)一些合金進(jìn)行了謹(jǐn)慎的篩選與評(píng)估。圖2[1]示出擠壓突破力與成分的關(guān)系。由圖2可見，在w(Mg)由0.48%減小到0.24%時(shí)，每減小0.1%，擠壓力下降約3%。相反，w(Si)每上升0.1%，擠壓力僅下降約1%。合金在時(shí)效(185 ℃5 h)后的抗壓強(qiáng)度與成分的關(guān)系見圖3[1]。由圖3可見，若w(Mg)<0.25%，合金的性能就很難滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。若w(Mg)為0.30%～0.35%，w(Si)為0.5%～0.6%，合金的力學(xué)性能就與6063-T5及T6的相當(dāng)。

N.C.帕森(Parson)等研究了擠壓材的表面質(zhì)量與Si含量及擠壓速度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)形成表面凹痕(pickup)的最低速度隨著Si含量的增加而下降，這與均勻化鑄錠組織形成β-FeSiAl5相的穩(wěn)定性相吻合。

圖4表示凹痕的形成傾向與Si含量、出口擠壓速度的關(guān)系，合金w(Mn)=0.03%與w(Fe)=0.17%。加大Mn含量可有效使β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al12(FeMn)5Si，同時(shí)可以提升擠壓速度，材料表面質(zhì)量好，沒有任何缺陷，由此可知β相對(duì)材料表面品質(zhì)的不良影響。這種情景也清晰地指出，β相可促進(jìn)合金化程度低的Al-Mg-Si合金擠壓材表面出現(xiàn)凹痕。

圖4 凹痕形成傾向與出口速度、Si含量的關(guān)系Fig.4 Relationship of denting tendency and exit speed and Si content

力拓公司北美研究中心對(duì)Al-0.33Mg-0.50Si合金進(jìn)行了更為深入的研究，并與常規(guī)6060鋁合金作了對(duì)比試驗(yàn)(表1)。兩種合金的w(Mg)+w(Sieff)含量相近，前者的為0.77%，后者的為0.79%，其中的w(Sieff)為w(Si)-[w(Mn)+w(Fe)]/4。對(duì)這兩種合金進(jìn)行了一系列的成對(duì)試驗(yàn)(back-to-back trials)， 入口速度25 m/min～100 m/min，錠坯溫度450 ℃。6360鋁合金的擠壓力約比6060鋁合金低4%，這相當(dāng)于6360鋁合金的擠壓溫度可比6060鋁合金的低20 ℃，或者說它的擠壓速度可比6060鋁合金的約大12%。

表1 力拓公司試驗(yàn)的合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of the specimen tested by Rio Tinto(wt%)

在試驗(yàn)時(shí)，在型材端面鉆有孔，便于插入熱電偶測(cè)量溫度，型材溫度變化如圖5所示。在給定的柱塞速度時(shí)，6360鋁合金型材的溫度低4 ℃～5 ℃，這是因?yàn)?360鋁合金的流動(dòng)應(yīng)力較小，也就是說，表面缺陷凹印未出現(xiàn)前，6360鋁合金的擠壓速度可比6060鋁合金的約快10%，即6360鋁合金錠坯的擠壓溫度可比6060鋁合金的低。試生產(chǎn)型材的表面粗糙度見圖6。由圖6可見，6360鋁合金型材的表面比6060鋁合合的光滑，擠壓柱塞速度相等。

圖5 溫度與錠坯頻率的關(guān)系Fig.5 Relationship between temperatures and billet sequence

圖6 對(duì)比試驗(yàn)時(shí)型材的表面粗糙度Fig.6 Profile surface roughnesses in the contrast test

根據(jù)力拓公司的試驗(yàn)，6360鋁合金的優(yōu)勢(shì)很明顯，生產(chǎn)率有較大提高，在埃羅里特?cái)D壓廠(Aerolite Extrusions)試驗(yàn)了13種模，有些模的使用次數(shù)超過13次，6360鋁合金的生產(chǎn)率平均比6063鋁合金的高9.5%，有些模的甚至高達(dá)24%，模的壽命也大為延長(zhǎng)，有些模擠壓的錠坯數(shù)已達(dá)50塊、100塊，甚至有達(dá)200塊的，所擠材料的表面品質(zhì)也令人滿意(見圖7)。

圖7 擠壓錠坯的型材的表面粗糙度Fig.7 Profile surface roughnesses during extrusion of the billet

6360鋁合金擠壓型材在185 ℃5 h時(shí)效后的力學(xué)性能與6063鋁合金的相當(dāng)(表2)，并有很好的時(shí)效能力。不過這兩種合金在實(shí)際生產(chǎn)中往往在車間內(nèi)停放一段時(shí)間才能時(shí)效，這對(duì)材料的力學(xué)性能有一定的影響，但是現(xiàn)代化的生產(chǎn)線可以做到無停放時(shí)間，下擠壓線后可及時(shí)時(shí)效，或停放很短時(shí)間。圖8示出了6360及6060鋁合金的時(shí)效(185 ℃)曲線，為了比較還繪有6063鋁合金的時(shí)效曲線。6063鋁合金在時(shí)效保溫5 h后即達(dá)到峰值，而6360及6060鋁合金達(dá)到峰值則需8 h，這么長(zhǎng)的時(shí)效時(shí)間在實(shí)際生產(chǎn)中是不可接受的。他們的研究發(fā)現(xiàn)，向合金添加w(Cu)≈0.05%，就可以大大加速6360鋁合金的時(shí)效動(dòng)力學(xué)，從而引出了63081鋁合金，它是6063鋁合金的變型，時(shí)效后的力學(xué)性能與6063-T6鋁合金的相當(dāng)。同時(shí)，含微量Cu的6360鋁合金有很好的表面處理性能，氧化后表面甚為亮麗，與6060及6063鋁合金陽(yáng)極氧化一模一樣。當(dāng)前，6360-T5、 T6鋁合金已獲得廣泛應(yīng)用，特別適合于擠壓截面復(fù)雜的型材。6360-T5、T6鋁合金型材的性能已納入美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 6360型合金的狀態(tài)及力學(xué)性能(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定)Table 2 Tempers and mechanical properties of 6063 Al alloy(specified)

圖8 Cu對(duì)6360鋁合金時(shí)效的影響Fig.8 Influence of Cu on the ageing of 6360 Al alloy

3 高性能超流6063鋁合金[4]

與6360鋁合金的發(fā)展相反，力拓公司最初為澳大利亞/太平洋地區(qū)市場(chǎng)研制出一種強(qiáng)化效率高的合金，它的Mg、Si含量原子比為1∶1，即在標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定的范圍內(nèi)，盡量減少M(fèi)g含量，加大Si含量(參見圖1)。與發(fā)展6360鋁合金相似，添加了微量的Mn，以促進(jìn)α相向含F(xiàn)e的β相轉(zhuǎn)變，這就是力拓公司的65496鋁合金，2010年進(jìn)入北美市場(chǎng)，雖然它的w(Mg+Si)含量 約達(dá)1.0%，比6063鋁合金的約0.85%高一些，而熔點(diǎn)有所下降，在實(shí)際生產(chǎn)中，它的擠壓效率與SF 6063鋁合金的非常接近。

生產(chǎn)實(shí)踐很快就證明，超流合金(superflow 6063)在北美市場(chǎng)上的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是有突出的時(shí)效能力，成為6063鋁合金與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)合金如6005A、6061鋁合金之間的新型實(shí)用合金。力拓公司技術(shù)中心進(jìn)行了約4個(gè)月的生產(chǎn)性試驗(yàn)，擠壓了5種型材，試驗(yàn)結(jié)果見表3。在充分時(shí)效狀態(tài)下，SF6063鋁合金的抗拉強(qiáng)度實(shí)際上能滿足6005A-T61鋁合金的最低要求，雖然其平均值比標(biāo)準(zhǔn)6005A鋁合金的低。在此基礎(chǔ)上，力拓公司在美國(guó)協(xié)會(huì)公司注冊(cè)了一個(gè)新的合金狀態(tài)6063-T65。其最低力學(xué)性能完全與6063-T6、6005A-T61、6061-T6鋁合金的相當(dāng)，見表4。

表3 SF6063鋁合金與6005A鋁合金的性能比較Table 3 Property comparison between SF6063 alloy and 6005A alloy

表4 6063-T65鋁合金的力學(xué)性能*與標(biāo)準(zhǔn)合金性能*的比較Table 4 Contrast of mechanical properties between6063-T65* and standard Al alloys

注：*注冊(cè)性能值。

SF 6063鋁合金可以經(jīng)欠時(shí)效處理(underage)后就能達(dá)到6063-T6鋁合金的性能，從而可以縮短時(shí)效處理周期?，F(xiàn)在北美的許多用戶都已欣然接受了這個(gè)合金。SF6063鋁合金在165 ℃及185 ℃時(shí)效后的性能見圖9，保溫前的加熱升溫為1.5 h～2 h，圖中的水平線代表對(duì)6063-T6鋁合金的最低要求抗拉強(qiáng)度。由圖可以清晰看出，SF6063鋁合金時(shí)效后的力學(xué)性能完全能達(dá)到6063-T6鋁合金的水平，還綽綽有余。

圖9 SF6063鋁合金的抗拉強(qiáng)度與時(shí)效時(shí)間的關(guān)系Fig.9 Relationship between the tensile strength and ageing time of SF6063 Al alloy

4 高性能超流6060鋁合金

超流6060鋁合金的研發(fā)歷程與高性能超流SF6063輕合金的相似，即盡量降低6060鋁合金的Mg含量，使Mg、Si含量的原子比接近1∶1平衡線，同時(shí)與6063鋁合金相比，6060鋁合金對(duì)地板時(shí)效(floor age)與加熱速度更為敏感，時(shí)效動(dòng)力學(xué)也比6063鋁合金的慢?！暗匕鍟r(shí)效”即通常說的“停放效應(yīng)”。不過，即使在最壞情況下，利用現(xiàn)代化的自動(dòng)設(shè)備處理，6060鋁合金的力學(xué)性能也能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。圖10為6060鋁合金的時(shí)效曲線，地板時(shí)效時(shí)間很短，時(shí)效時(shí)的加熱速度也快。試驗(yàn)表明，此合金在200 ℃3 h時(shí)效后的性能就能達(dá)到歐洲AA6060-T66鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)。它在歐洲的牌號(hào)為606007，歐洲的一批生產(chǎn)企業(yè)已接受了此合金，它同SF6063鋁合金一樣，此合金的強(qiáng)度還有較大的提升潛力，同時(shí)有相當(dāng)強(qiáng)的吸收沖擊能的性能，歐洲一些汽車構(gòu)件廠已用它制造直齒輪變速器(crashbox)/防撞構(gòu)件(crash)。

圖10 SF6060鋁合金的時(shí)效曲線Fig.10 Ageing curves of SF6060 Al alloy

5 結(jié)束語(yǔ)

在變形鋁合金中，6×××系鋁合金是產(chǎn)量最大與應(yīng)用最廣的，建筑-結(jié)構(gòu)鋁材都是用它們擠壓的。1934年6061鋁合金成型、1944年6063鋁合金成型，前者中等強(qiáng)度，后者的強(qiáng)度中等偏下，它們是6×××系的主要合金，建筑-結(jié)構(gòu)鋁材大多數(shù)是用它們生產(chǎn)的，都是美國(guó)鋁業(yè)公司研發(fā)的，自20世紀(jì)40年代中期至21世紀(jì)10年代中期6×××系鋁合金處于穩(wěn)健的發(fā)展期。2005年以來，加拿大鋁業(yè)公司及以后的力拓-加鋁公司對(duì)6063、6060鋁合金的發(fā)展做了許多工作，先后推出高成形性(high performance)6360鋁合金、高成形性超流(high performance superflow)6063鋁合金、高成形性超流(high performance Superflow)6060鋁合金，并冠以SF6063、606007等新牌號(hào)，它們已在歐洲、北美獲得商業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用，不但性能有所提高，而且由于擠壓速度(流速)的提高，生產(chǎn)效率普遍提高20%以上。

筆者編撰此文是希望中國(guó)的鋁擠壓生產(chǎn)者關(guān)注國(guó)外的最新技術(shù)成就。