崔家銘，周三忠，汪文進，陳曉文

(明達鋁業(yè)科技(太倉)有限公司，江蘇 太倉 215412)

隨著汽車輕量化的發(fā)展，更多的鋁擠壓型材被應(yīng)用到汽車的各種部位，面對能源緊缺、污染嚴重的嚴峻形勢，6系合金作為一種輕質(zhì)材料在汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。同時汽車型材對安全性的要求也極高，因此型材不僅要具有很高的強度還需兼顧良好的韌性指標。6063-T4鋁合金材料隨著T4停放時間的延長，其力學(xué)強度增加而斷后伸長率下降。考慮到材料的穩(wěn)定性及塑性等性能指標，很多國外客戶將最大力塑性伸長率Ag作為衡量鋁合金材料塑性的重要指標，對鋁合金擠壓型材T4態(tài)提出了更高要求。

目前國內(nèi)很少對鋁擠壓材料T4態(tài)最大力塑性伸長率Ag值進行研究，特別是2.5 mm以下薄壁型材的Ag值很難達到≥20%要求，且薄壁型材擠型尺寸一直是困擾模具及擠壓生產(chǎn)工藝的難題。目前的工藝水平，對壁厚2.5 mm以下擠壓型材6063-T4最大力塑性伸長率Ag僅能達到15%～19%。本文通過改善合金成分、優(yōu)化擠壓工藝、模具采用阻流式結(jié)構(gòu)設(shè)計等方法，最終擠壓型材可滿足6063-T4要求：Rp0.2≥70 MPa，Rm≥150 MPa，Ag≥20%；時效后最終產(chǎn)品6063-T7性能為：Rp0.2為220～260 MPa，Rm≥240 MPa，A50≥8%。并通過實際驗證表明產(chǎn)品的性能滿足各項標準的要求。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗選用6063鋁合金薄壁型材，全截面壁厚均為2.0 mm，該斷面為汽車防撞梁系統(tǒng)吸能盒型材，最終型材產(chǎn)品要求具有一定強度還需兼顧韌性指標，同時具有良好壓縮吸能效果，斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。擠壓鑄錠無明顯偏析、表面無油污、裂紋等缺陷，尺寸規(guī)格為30 mm×600 mm。

圖1 型材斷面圖Fig.1 Section diagram of profile

1.2 試驗方法

擠壓設(shè)備采用臥式3000T鋁合金擠壓機，擠壓系數(shù)為35，淬火方式為在線水冷。按GB/T 7999鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法進行化學(xué)成分的檢測，試驗設(shè)備為德國SPECTRO直讀光譜儀。按標準GB/T 228.1的要求進行力學(xué)拉伸試驗，試驗設(shè)備為美國MTS電子萬能試驗機。壓潰試樣原始長度300 mm，下壓速度為100 mm/min，下壓量為200 mm，試驗設(shè)備為萬能試驗機。壓潰合格判定：型材壓潰后形成規(guī)律褶皺，褶皺表面可出現(xiàn)未貫穿裂紋，不允許出現(xiàn)貫穿裂紋，拐角和T角位置允許出現(xiàn)≤10 mm貫穿裂紋。

2 試驗過程及分析

2.1 擠壓工藝參數(shù)分析

通過對現(xiàn)有成分6063A合金的擠壓工藝進行分析，確定最佳的擠壓工藝參數(shù)。鑄錠溫度分別采用高、中、低三種棒溫，擠壓速度采用高、中、低三種速度，將鑄錠溫度與擠壓速度相匹配進行對比驗證，具體擠壓工藝試驗參數(shù)見表1，6063A-T4/T7力學(xué)性能結(jié)果如圖2所示。

擠壓鋁合金型材具有自然時效過程，T4態(tài)力學(xué)強度會隨著停放時間的延長逐漸升高，故上述T4態(tài)力學(xué)性能均在擠壓后停放3 d后進行拉伸測量。從圖2可以看出：鑄錠溫度越高、擠壓速度越快，T4/T7態(tài)擠壓型材狀力學(xué)強度越高。T4態(tài)Ag隨著棒溫和擠壓速度升高呈上升趨勢，但整體改善并不明顯；而T7態(tài)A50卻沒有明顯的變化規(guī)律，且型材速度過快產(chǎn)品淬火冷卻后型材變形嚴重，尺寸難以控制。

(a)T4態(tài)力學(xué)強度；(b)T4態(tài)Ag；(c)T7態(tài)力學(xué)強度；(d)T7態(tài)A50圖2 6063A-T4/T7力學(xué)性能(a) mechanical strength of T4 state; (b)Ag of T4 state; (c) mechanical strength of T7 state; (d) A50 of T7 stateFig.2 Mechanical properties of 6063A-T4/T7

研究表明隨著擠壓速度的逐漸增加，基材硬度也隨之上升。由于擠壓速度增加，使得應(yīng)變速率加快，而金屬變形所吸收的能量轉(zhuǎn)化為變形熱后無法迅速散發(fā)，致使型材溫度上升，即固溶度提高，合金硬度和力學(xué)性能隨之上升[2]。

綜合考慮擠壓鋁合金型材T4/T7態(tài)性能的要求，確定最佳擠壓工藝為：鑄錠溫度460～480 ℃，擠壓速度9 m/min，淬火冷卻方式為水冷。較低鑄棒溫度、高擠壓速度與水冷淬火工藝，可以在保證擠壓性的同時防止再結(jié)晶晶粒長大，在擠壓過程中獲得更多的過飽和固溶體，在自然時效過程中析出相變多且晶粒細小，從而提高材料韌性指標；而且高擠壓速度可使晶粒破碎得更加均勻，多且細小的晶粒組織能提高材料的塑性。

2.2 鑄錠均勻化處理

均勻化處理可消除內(nèi)應(yīng)力，減少鑄錠的晶粒偏析，改善化學(xué)成分和組織的不均勻性，提高合金塑性，降低變形抗力，改善鑄錠加工性能，提高擠壓速度，以改善材料的工藝和使用性能[3]。

本試驗鑄錠均勻化處理制度為550 ℃×8 h，保溫時間不宜過長，研究表明保溫時間超過12 h后合金內(nèi)部的晶粒就會發(fā)生長大，對合金的性能產(chǎn)生不利影響[4]。

冷卻方式為水冷，采用高溫長時水冷的均質(zhì)化制度，避免出現(xiàn)粗大的Mg2Si相析出物，使Mg2Si相充分溶入到固溶體內(nèi)高度細化且彌散分布，提高晶內(nèi)成分的均勻性，同時高的冷卻強度，可有效地防止晶粒長大。

2.3 合金成分調(diào)整

通過擠壓工藝的驗證，可知本試驗6063A-T4/T7的性能較低，無法滿足客戶的要求，故對合金成分進行調(diào)整。6xxx系合金主要強化相為Mg2Si和過剩Si，決定型材力學(xué)性能的關(guān)鍵因素是Mg和Si含量，通過調(diào)整Mg和Si含量設(shè)計了三種合金成分6063B、6063C、6063D，分別進行擠壓取樣，測試力學(xué)性能及壓潰性能。具體化學(xué)成分見表2，T4/T7態(tài)力學(xué)性能結(jié)果見表3。

表2 鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表3 不同成分合金的力學(xué)性能

從表3可以看出，在一定成分范圍內(nèi)，Mg、Si含量對合金T4態(tài)Ag無明顯影響，但是對T4/T7態(tài)力學(xué)強度影響較大，6063D合金綜合性能優(yōu)于6063A、6063B和6063C合金。

1)6063A合金：T4態(tài)力學(xué)強度不滿足要求，T7態(tài)力學(xué)性能及壓潰性能合格。

2)6063B合金：T4態(tài)力學(xué)強度合格，T7態(tài)性能超出標準要求，壓潰性能不合格。

3)6063C合金：T4態(tài)抗拉強度偏低，T7態(tài)力學(xué)性能及壓潰性能合格。

4)6063D合金：T4態(tài)力學(xué)強度合格，T7力學(xué)性能及壓潰性能合格。

2.4 模具設(shè)計調(diào)整

通過對模具結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，采用阻流式結(jié)構(gòu)設(shè)計。通常認為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計主要影響型材尺寸，并不會對擠壓鋁合金性能產(chǎn)生影響。本試驗將有、無阻流作為變量，擠壓工藝及鑄錠成分均未改變，結(jié)果見表4。模具增加阻流結(jié)構(gòu)設(shè)計會提升6063D-T4力學(xué)性能，對模具設(shè)計及調(diào)修具有重大意義。

表4 模具狀態(tài)對6063D-T4態(tài)Ag影響

3 結(jié)果分析

通過對6063合金成分進行調(diào)整，確定最優(yōu)合金成分為6063D合金(質(zhì)量分數(shù)，%)：0.40～0.50Si，≤0.17Fe，0.01～0.06Cu，≤0.1Mn，0.50～0.60Mg，≤0.05Cr，≤0.05Zn，≤0.05Ti，單個≤0.05，合計≤0.15，余量Al，H含量≤0.20 ml/100 g，嚴格限定雜質(zhì)Fe的含量，既考慮了經(jīng)濟成本，又可防止雜質(zhì)Fe形成粗大的脆性相β-AlFeSi分布在晶界上，進而阻礙原子擴散。將過剩硅控制在0.10%～0.25%之間，當Mg、Si元素質(zhì)量比小于1.73時就會有過剩Si的存在，少量過剩Si的存在能顯著提高強化相Mg2Si的強化效果，而細化彌散相會改善材料的綜合力學(xué)性能[5]。

擠壓模具采用阻流式結(jié)構(gòu)設(shè)計，使鋁合金在擠壓過程中經(jīng)過多次預(yù)變形，可提高擠壓時金屬在模具焊中的室內(nèi)壓力，使金屬在模具內(nèi)充分流動變形。高壓力以及大變形量可加重鋁合金在擠壓過程中大晶粒的破碎重組，而靜水壓力越大，形成三相壓應(yīng)力越大，擴散速度越小就越能抑制晶粒的長大[6]。型材產(chǎn)品獲得更多的細小晶粒、良好的表面質(zhì)量和致密的內(nèi)部組織，有益于提高T4態(tài)材料力學(xué)性能指標，使其在拉伸過程中不容易在塑性階段斷裂，從而提高最大力塑性伸長率Ag。

T7態(tài)材料時效制度為(190±3) ℃×6 h，圖3為四種成分6063型材T7時效后壓潰圖片?？梢?063A、6063C和6063D三種成分型材壓潰形成規(guī)律褶皺，表面無貫穿裂紋，拐角與T角位置裂紋未超標準，測試樣段吸能效果良好，符合防撞系統(tǒng)吸能盒的相關(guān)要求；而6063B成分型材部分位置壓潰褶皺處出現(xiàn)貫穿裂紋，壓潰結(jié)果不符合測試標準要求。這是因為6063B合金成分Mg、Si含量較高，時效后析出強化相Mg2Si和過剩Si較多，過剩Si會提高Mg2Si的強化效果，使產(chǎn)品力學(xué)強度提高，而較高的力學(xué)強度必然導(dǎo)致材料塑性有所下降。同時過剩Si易在晶界處聚集偏析，使晶界脆化，降低合金的塑性和韌性[7]。在淬火冷卻及時效過程中更容易獲得粗大脆性相β-AlFeSi，從而導(dǎo)致壓潰出現(xiàn)局部開裂現(xiàn)象。

(a,e)6063A;(b,f)6063B;(c,g)6063C;(d,h)6063D圖3 不同成分的6063合金T7時效壓潰圖片F(xiàn)ig.3 Crushing pictures of different components 6063-T7 after aging

4 結(jié)論

1)6063合金隨著Mg、Si元素質(zhì)量分數(shù)增加，T4/T7態(tài)力學(xué)強度逐漸增大；同一成分合金在鑄錠溫度420～510 ℃、擠壓速度4～12 m/min和淬火冷卻強度不變的條件下，隨著擠壓鑄錠溫度的升高和擠壓速度的提高，T4/T7態(tài)力學(xué)強度呈增加趨勢。

2)合金成分Mg、Si比例對6063-T4最大力塑性伸長率沒有直接影響，采用較低鑄錠溫度、較高型材擠壓速度和強淬火工藝，配合模具阻流式結(jié)構(gòu)設(shè)計可顯著增加6063-T4態(tài)最大力塑性伸長率。