人工时效制度对6063铝型材力学性能和电化学性能的影响

　　按GB/T3190-1996规定,6063（LD31）合金的化学成分如表1。为了兼顾力学性能和挤压性能，Mg2Si质量分数一般控制在0.7%左右。应控制w(Mg)/w(Si)=1.73。但是由于合金中存在杂质Fe,要消耗一部分Si,在生产实践中一般控制w(Mg)/w(Si)=1.1～1.3。表2是日本6063合金的化学成分（%）及合金硬度与w(Mg)/w(Si)的关系（195℃，时效2h）。

　　表1　6063合金化学成分　%

　　主成分 杂质 其它杂质 Al
Mg Si Fe Cu Mn Zn Cr Ti 单个 合计
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合金化学成分及Mg/Si(w(Mg)/w(Si)）与型材硬度的关系

　　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

　　从表2可以看出，杂质Fe和Zn对合金的力学性能也有较大的影响，这是因为在合金中生成αFe2SiAl8(以前报道为Fe3SiAl12),βFeSiAl5(以前报道为Fe2Si2Al9)及T-Al2MgZn3等杂质相的缘故。这些杂质相都是硬的质点，位错不易切割，能够增强合金的力学性能，但却降低了合金的挤压性能（容易拉伤、划伤）、耐腐蚀性、电化学性能及着色材的颜色均匀性和光泽性。

6063合金型材的性能除了与化学成分有关之外，还与热处理条件即人工时效有关。为了兼顾各种性能，本文结合合金的化学成分，着重研究了6063合金型材的人工时效机制及其对力学性能和电化学性能的影响。

　　1　6063挤压型材的时效过程中力学性能变化

　　6063合金在挤压变形出口处的温度一般是520～540℃，在变形程度较大或变形复杂的情况下，出口温度可达570～580℃。在这样的温度下Mg2Si强化相多数被溶解，随后经风淬冷却，产生溶质原子和空位双重过饱和的固溶体，又经过自然时效（100℃以下停放2h）形成球状GP区，其大小为10～60×10-10m。在100℃以下，时效几年才能长大到100×10-10m。因此必须进行人工时效（100℃以上）使饱和固溶体进一步分解脱溶。图1是在175℃、195℃、215℃下时效的型材力学性能与时效时间的变化曲线。从图1可以看出，低温时效的6063合金型材力学性能提高最大，但是所需要的时间较长，生产效率较低。另外还可以看出温度比时间的影响大得多。因此在人工时效过程中应该重点严格控制温度。

图1　人工时效时间与强度的关系(B铝合金)

　　2　w(Mg)/w(Si)、Fe、Zn在合金时效

　　图2、3分别是6063合金中w(Mg)/w(Si)比值与杂质Fe对人工时效效果的影响。从图中可以看出w(Mg)/w(Si)对时效硬度的影响曲线有一个低谷点；而Fe则随其质量分数增加时效硬度也增加。在w(Mg)/w(Si)<1.73的情况下，6063合金的人工时效硬度应该随着w(Mg)/w(Si)增加而增加，而图2中的时效硬度低谷是由于这些合金中生成的杂质相α-Fe2SiAl8、β-FeSiAl5、T-Al2Mg3Zn较少的缘故。低谷处合金中Fe的质量分数为0.11%,Zn的为0.01%；低谷左边的Fe的为0.25%,Zn为0.03%,右边的Fe的质量分数为0.17%,Zn为0.02%,左、右边的一些合金晶界处生成较多的杂质相。虽然6063合金人工时效中所生成的Fe、Zn杂质相能提高型材的硬度，但由于杂质相质点粗大，约0.5～10μm，在变形中易成为裂纹源，降低合金的断裂韧性，而且对后来的阳极氧化着色造成不利影响，因此，还是应尽量避免它的生成。

图2　铝合金中w(Mg)/w(Si)值对时效硬度的影响

图3　铝合金中Fe的质量分数对时效硬度的影响

　　3　人工时效对6063合金电化学性能的影响

　　3.1　对导电率的影响

合金的导电率一般为50%IACS左右。随着时效温度和时效时间增加导电率增加，而杂质Fe的质量分数及w(Mg)/w(Si)对它的影响较小，见图4和表3。6063合金的时效分解序列为：α固溶体→球状GP区→β"针状相→β’棒状相→β板状相（稳定相）。在低温、短时人工时效时，主要生成GP区β"相，由于它们微细、弥散分布，使自由电子运动的空隙较小，阻力大，电阻率增加。随着时效温度和时效时间增加，过渡相逐渐向粗大的β’、β相转变，而自由电子运动的空隙增加，阻力减小，因而导电率增加。而Fe、w(Mg)/w(Si)在时效过程中只影响相的组成，而不影响微细结构，因而对导电率影响甚微。

图4　6063铝材导电率与人工时效温度和时间的关系

 表3　6063合金w(Fe)和w(Mg)/w(Si)量对导电率的影响
 

　　3.2　对阳极氧化的影响

合金的导电率对阳极氧化膜的生长有影响。随着导电率增加阳极氧化膜的重量减少，见图5。6063合金在时效过程中导电率是随着时效温度和时效时间增加而增加的，也就是说导电率随着合金中的Mg2Si相及杂质相析出、长大而增加，而耐电化学溶解和耐酸溶解腐蚀性却降低，因而膜的生成效率降低。过时效的型材不但力学性能降低，而且耐电化学和耐化学腐蚀性也降低。

图5　铝合金导电率对阳极氧化膜生长的影响

　　3.3　对阳极氧化膜和着色膜的光泽度的影响

图6是阳极氧化膜的重量对光的反射率的影响。表4是人工时效温度和时效时间对阳极氧化膜和着色膜的光泽度的影响。可以看出，氧化膜和着色膜的光泽度（光反射率）是随着时效温度、时效时间的增加而减小的；也是随着合金中Fe的质量分数增加而减小的，并且其减小程度较温度和时间的大，而对着色膜的色调（L值）几乎没有影响。L值小，色调越暗。

图6　铝合金阳极氧化膜重量对光的反射率的影响

表4　人工时效及合金成分对氧化和着色膜光泽度的影响

　　一般认为阳极氧化膜越厚，对光的反射率越低，而图6中却是膜越重，对光的反射率越高，具有相反的结果。这是因为随着时效温度、时效时间及合金中Fe的质量分数增加，阳极氧化膜的耐蚀性降低，氧化膜变得疏松，致密度降低，重量相对减少，因而对光的反射率减小。

另一方面，随着时效时间和时效温度增加，Mg2Si强化相由β"→β＇→β相转变，析出量增加并粗大。在阳极氧化中阻挡层变薄，氧化膜增厚，电容增加，着色等当点（着色离子刚析出所需时间）上升，因而着色浓，但光泽度降低。图7是Mg2Si析出形态与氧化膜的电容C及着色等当点tc的关系。

图7　Mg2Si析出形态与氧化膜的电容C及着色等当点tc的关系

　　4　结束语

6063合金挤压型材的力学性能和电化学性能除了与合金的化学成分有密切关系外，还与人工时效制度有较大关系。低温长时间时效和高温短时间时效使力学性能有较大提高，但却降低了合金的电化学性能。为了兼顾两种性能及确保生产效率，采用室温自然时效（停放）2h,再在195～205℃人工时效2h的时效制度是适宜的。综上所述，6063合金型材的质量和性能除与合金的化学成分有密切关系外，还与人工时效制度有较大关系。低温长时间时效和高温短时间时效及合金中的杂质Fe、Zn等能提高型材的力学性能，但却降低其电化学性能。为了兼顾两种性能及有较高的生产效率，需认真选择人工时效制度，而严格控制温度条件是至关重要的。根据研究和生产实践，笔者认为选择自然时效2h后再在195～205℃人工时效2～3h较为适宜。