6082铝型材的熔铸与挤压工艺优化实战

 

    6082合金属于Al-Mg-Si系热处理可强化的铝合金，具有中等强度和良好的焊接性能、耐腐蚀性，主要用于交通运输和结构工程工业，如桥梁、起重机、屋顶构架和冷藏集装箱等。 近年来，随着国内外冷藏集装箱突飞猛进的发展，减轻箱体自重，寻求代替钢铁部件的铝合金材料，已成为铝加工业和冷藏箱业的重要课题。6082铝合金具有中等强度和良好的耐蚀性，重量又轻，是制造冷藏集装箱部件的理想材料。本文对6082铝合金应用于挤压生产进行试验研究，以确定合理的熔铸、挤压工艺制度。 

 

 

 

6082铝合金型材的力学性能要求很高，要求其抗拉强度σb≥310MPa。当Mg2Si含量从0.5%增加到1.0%时，合金的抗拉强度能提高一倍，继续提高Mg2Si含量可使抗拉强度进一步提高，但是合金的淬火敏感性和挤压变形抗力也随之增加，故Mg2Si含量宜控制在1.2%~1.5%，另过剩Si对合金的强度提高有很大帮助，但同时也会增加脆性，降低合金的挤压塑性，一般过剩Si含量控制在0.2%~0.4%为宜。6082合金还需添加一定量的Mn元素，以提高合金的再结晶温度，阻碍挤压时发生再结晶或再结晶晶粒长大，细化晶粒。但Mn含量过高会增加合金的淬火敏感性，同时会形成粗大的含Mn第二相，降低其对再结晶过程的抑制作用，还会影响到合金铸造性能，随着Mn含量增加其粘度增大，流动性下降，因此Mn含量应控制在0.4%~0.6%的范围内。6082铝合金的实际成分控制范围见表1。

 

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Al
国标	0.7~1.3	0.50	0.10	0.4~1.0	0.6~1.2	0.25	0.20	0.10	余量
内控	0.9~1.1	0.1	0.06	0.49	0.8-1.0	0.04	0.01	0.08	余量

 

 

    由于 6082合金的特点是含难熔金属Mn，Mn的存在易引起晶内偏析及固液区塑性降低，导致抗裂能力不足，故熔铸工艺主要注意以下两点：第一，选择合适铸造温度，温度过高会使液穴加深，温度梯度加大，导致铸造应力增加，产生铸造裂纹；温度过低将降低金属流动性，易产生冷隔、夹渣、不易于气体逸出。因此熔炼温度应控制在730~750℃范围内，且要搅拌均匀保证金属完全熔化、成分均匀；第二，控制铸造速度，铸造速度较高时，会使液穴加深，延伸到结晶槽之外，易形成中心裂纹，同时铸造凝壳层变薄，偏析瘤加大；当铸造速度较低时，同液穴在结晶槽之内，易产生表面裂纹及冷隔等缺陷。6082合金含有Mn元素，增大了合金的粘度，其流动性降低，铸造速度也要适当降低，控制在80~100mm/min范围内。

 

 

 

 

图1所示为合金铸态金相显微组织，由图可知合金的铸态组织主要由树枝状α(Al)固溶体、骨骼状非平衡共晶相β(AlMnFeSi)和晶界组成。树枝状晶晶内偏析严重，成分不均匀，晶界处的骨骼状非平衡共晶对合金的塑性有不利影响，铸态合金必须进行均匀化处理才有良好的挤压性能。

 

 

6082合金通过均匀化处理，铸造时快速凝固产生的晶内偏析减少或消除，共晶态Mg2Si完全固溶到α(Al)中，快速冷却后析出相Mg2Si以细小颗粒状高度弥散分布于基体中，片状非平衡共晶β(AlMnFeSi)转变为颗粒状的α(AlMnFeSi)，如图2、b)所示。

 

    通过上述变化，6082合金挤压性能将得到很大改善。晶内偏析消失将降低挤压时金属流动的不均匀性，提高挤压型材的表面光洁度；组织中片状粗大Al-Fe-Si相的转变、细化将减轻型材表面裂纹倾向，改善合金的可挤压性，提高挤压速度。

 

 

由上图可以看出，经均匀化后，冷却速度不仅对铸锭的组织产生影响，也对挤压在线热处理后型材的组织产生重要影响。当冷却速度≤100℃/h时，随着铸棒温度的降低，高温均匀化时固溶于α(Al)基体中的Mg2Si有足够的时间析出并粗化长大，如图2、a)所示；当冷却速度≥250℃/h时，由于冷却速度快、时间短，Mg2Si没有充足的时间析出长大，而是呈细小颗粒状弥散分布于基体中，如图2、b)所示。当铸棒经过挤压在线热处理时，由于挤压变形热的作用，合金温度可以上升到强化相的固溶温度，但是时间持续地很短，一般只有短暂的几十秒，铸棒缓慢冷却产生的粗大析出相来不及充分固溶，型材冷却后固溶体的过饱和度不足，甚至还有粗大析出相在基体中分布，如图3、a)所示，严重消弱时效处理后型材的力学性能；而铸棒快速冷却产生的细小颗粒状弥散分布的Mg2Si则可以快速充分固溶，型材冷却后得到过饱和固溶体，如图3、b)所示，对强化合金起到主要作用。

 

综上所述，为保证挤压型材有足够高的力学性能，合理的均质工艺为：2.5小时升温到580℃，保温1小时，然后降温至570℃，保温8小时，均匀化后冷却速度≥250℃/h。

 

 

 

6082合金变形抗力大，强化相Mg2Si的含量较高，铝棒温度要求尽量高一些，但是温度过高则型材侧边出现裂纹的倾向增加，不利于提高挤压速度，生产效率较低。所以铝棒温度一般控制在470℃~500℃为宜。

 

 

6082合金中Si含量较高，除与Mg元素以1:1.73的比例形成强化相Mg2Si以外，还含有大概0.3%的过剩Si，导致合金的脆性明显增加。挤压速度提高以后，很容易在型材的侧边出现裂纹现象，所以挤压速度一般选择在10~15m/min，宽展挤压取下限。

 

 

    6082合金强化相Mg2Si的含量较高，一般在1.2%~1.5%，要使其完全固溶，须保证淬火温度在520℃以上，固此型材挤压出口温度应控制在520-540℃；由于合金中含有Mn元素，促进晶内金属间化合物形成，对淬火性能有不利影响，导致6082合金淬火敏感性增加，要求淬火冷却强度大、冷却速度快，冷却速度≥300℃/min。  

 

 

合金经过挤压在线热处理后，只是得到溶质为Mg2Si的过饱和固溶体，此时的力学性能远不达标，必须进行时效处理，使过饱和固溶体分解，在基体中沉淀析出细小弥散分布的强化相，以此显著提高合金的力学性能。

 

合理的时效工艺既要保证产品性能，又要考虑生产效率及生产成本，本文经过反复试验证明：时效温度175~185℃，保温时间6~7小时，为6082型材最佳时效工艺，时效后抗拉强度σ b≥310MPa，延伸率δ≥10％。

 

 

结合6082铝合金型材的生产实践，从合金成分设计、铝棒均匀化、挤压工艺和淬火方式等方面进行了分析研究，从而优化了6082铝型材的熔铸工艺和挤压工艺，使产品的抗拉强度σ b≥310MPa，延伸率δ≥10％，达到了较高的综合性能要求。根据6082合金铝型材的特点和性能要求，上述工艺是比较合理的。熔铸工艺中，Mg2Si含量控制在1.2%~1.5%，过剩Si含量控制在0.2%~0.4%，铸棒均匀化处理，冷却速度≥250℃/h；挤压工艺中，型材出口温度保证在520℃以上，淬火冷却速度≥300℃/min，这些工艺参数都是保证产品性能的关键。按本工艺生产的产品，抗拉强度σb≥310MPa，延伸率δ≥10％，满足了用户的需求。