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摘要:分析了6063合金的化学成分,确定了合金的最佳化学成分、挤压工艺参数和提高挤压产品成品率的措施。达到优化挤压工艺、提高产品性能和成品率。
关键词: 6063合金;化学成分;淬火;人工时效;挤压工艺;力学性能
1、化学成分对6063合金性能的影响
1.1化学成分的分析
根据6063合金的化学成分、物理性能分析可知，6063合金的强化相主要是Mg2Si相。Mg2Si化合物中，Mg与Si的相对原子质量之比为1.73：1。如果Mg、Si含量比值大于1.73，则6063合金合金中Mg除形成Mg2Si相外，还有过剩Mg，Mg2Si在铝中的溶解度会显著减小，降低强化效果。反之比值小于1.73，则表明Si除形成Mg2Si相外，还有剩余Si，会降低合金的抗蚀性。Cr 为Al2Mg2Si 系合金中常见的添加元素，Cr 在铝中的溶解度660 ℃时为0. 8 % ，室温时基本不溶解，主要以(Cr、Fe)Al7 和(CrMn) Al12等化合物存在，阻碍再结晶和晶粒长大过程。故加入少量的Cr可以提高6063合金的强度和韧性。Mn固溶于铝及铝合金中可提高再结晶温度20 ℃～100 ℃；细化再结晶晶粒是通过MnAl6 弥散质点阻礙再结晶晶粒长大。可以提高6063合金的强度；Mn的另一个重要作用是与Fe形成(FeMn)Al6从而减小Fe的有害影响。在Al2Mg2Si 系合金中，如果Si过剩易于在晶界偏析引起合金脆化、降低塑性，特别是在挤压温度或淬火温度较高时这种现象更加明显，加入Cr 或Mn有助于减小过剩Si 的不良作用。因此，6063合金的成分一般控制为：Mg：0.45％-0.65％；Si：0.35％-0.50％；Mg：Si=1.25-1.30；杂质Fe控制在＜0.10％-0.25％；Mn＜0.10％。
2、挤压和热处理工艺
2.1铸锭均匀化退火
在民用挤压型材生产时，6063合金的高温均匀化退火规范为：560±10℃，保温4-6h，冷却方式为出炉强迫风冷或喷水急冷。
合金的均匀化处理能提高挤压速度，同未均匀化处理的铸锭相比，大约可使挤压力降低6％-10％。均匀化处理后冷却速度对组织的晶粒度有重要的影响。对均热后快冷的铸锭，Mg2Si几乎能全部固溶于基体，过剩的Si也将固溶或以弥散析出的细小质点存在。这样的铸锭可以在较低温度下快速挤压，并获得优良的力学性能和表面光亮度。
2.2 铸锭加热与温度控制
6063合金铸锭加热温度一般都设定在Mg2Si析出的温度范围内，加热的时间对Mg2Si的析出有重要的影响，采用快速加热可以大大减少可能析出的时间。故对6063合金铸锭的加热温度可设定为：未均匀化铸锭为460℃-520℃；均匀化铸锭为430℃-450℃。挤压温度在操作时视不同制品及单位压力大小来调整。感应炉温度梯度不大于10℃/100 mm。在挤压过程中,随着挤压过程的推进，变形区的温度逐渐升高，且随着挤压速度的提高而提高。因此为了防止出现挤压裂纹，随着挤压过程的进行和变形区温度的升高，挤压速度应逐渐降低。
挤压温度是6063合金挤压生产最基本的且最关键的工艺因素。挤压温度对产品质量、生产效率、模具寿命、能量消耗等都产生很大影响。挤压温度的控制，从铸锭开始加热到挤压型材的淬火都要保证可溶解的相组织不从固溶中析出或呈现小颗粒的弥散析出。
2.3 挤压速度
挤压过程中必须严格控制挤压速度。挤压速度对变形热效应、变形均匀性、再结晶和固溶过程、制品力学性能及制品表面质量均有重要影响。挤压速度过快，制品表面会出现麻点、裂纹等倾向，且增加了金属变形的不均匀性。挤压时的流出速度取决于合金种类和型材的几何形状、尺寸和表面状况。6063合金型材挤压速度，25 MN挤压机的速度为2.0 mm/s～2.2 mm/s ,45 MN 挤压机的速度为6.0 mm/s ～ 6.4 mm/s 。随着技术的进步，挤压速度可以实现程序控制或模拟程序控制，同时也发展了等温挤压工艺和CADEX等新技术。通过自动调节挤压速度来使变形区的温度保持在某一恒定范围内，可达到快速挤压而不产生裂纹的目的。
近年来在国外用氮气或液氮冷却模具(挤压模)以增加挤压速度，提高模具寿命和改善型材表面质量。在挤压过程中将氮气引到挤压模出口处放出，可以使被冷却的制品急速收缩，冷却挤压模和变形区金属，使变形热被带走，同时模子出口处被氮的气氛所控制，减少了铝的氧化，减少了氧化铝粘接和堆积，所以氮气的冷却提高了制品的表面质量，可大大的提高挤压速度。CADEX是最近发展的一种挤压新工艺，在挤压过程中的挤压温度、挤压速度和挤压力形成一个闭环系统，以最大限度地提高挤压速度和生产效率，同时保证最优良的性能。
2.4淬火
6063-T5淬火是在高温下固溶于基体金属中的Mg2Si经快速冷却到室温而被保留下来。冷却速度常和强化相含量成正比。6063合金可强化的最小的冷却速度为38℃/分，因此适合于风冷淬火。改变风机和风扇转数可以改变冷却强度，使制品在张力矫直前的温度降至60℃以下。
2.5 张力矫直
型材出模孔后，一般皆用牵引机牵引。牵引机工作时在给挤压制品以一定的牵引张力，同时与制品流出速度同步移动。使用牵引机的目的在于减轻多线挤压时长短不齐和抹伤，同时也可防止型材出模孔后扭拧、弯曲，给张力矫直带来麻烦。张力矫直除了可以使制品消除纵向形状不整外，还可以减少其残余应力，提高强度特性并能保持其良好的表面。
2.6人工时效
时效处理要求温度均匀，温差不超过±3-5℃。6063合金人工时效温度一般为200℃。时效保温时间为2-3小时。为了提高力学性能，也有采用175-180℃时效3-4小时，但此时生产效率会有所降低，成本有所提高。
2.7 铸锭长度的计算
铸锭长度的计算方法有体积法和质量法。通过建立数学关系式，就很容易地选取出最佳的铸锭规格，大大提高型材的几何成品率。
2.8 提高挤压成品率的措施
影响挤压型材成品率的因素很多,我们能计算得出几何废料，在挤压生产中产生的废料一般分为几何废料和技术废料，几何废料是生产过程中仅与制品生产工艺有关的废料。压余、切头、切尾等均属几何废料。技术废料是在生产过程中，由于不正确执行工艺操作规程，人为造成废品(包括试模废料、铸造缺陷带来的废品等)。技术废品是可以避免和减少的，几何废品是不可避免的，但可通过优化挤压工艺和精确计算铸锭长度等措施来减少。
挤压生产中几何废料的大小可用下式表示：
N=Nn十N12 ……… (5)
N 几伺废料(％) Nn 压余废料(％)N12 切头废料(％)
Hn=K/Lo·LnN12=K/Lo·L12/λ
N =K/Lo·(Ln+L12/λ) ……… (6)
N=K/Lo·(Ln+L12/λ)
K 充填系数；
Lo 铸锭长度(mm)；
Ln 压余长度(mm，随挤压筒直径而变)；
L12 切头尾(mm，随制品规格而变)；
λ 挤压系数。
从(6)式中可以明显看出，铸锭长度Lo越长，挤压系数越大，则几何废料N越小，即几何成品率越高。其中铸锭长度影响较大些。但是，不能无限制地增加Lo和λ，因为它们受挤压机能力、压出长度等因素限制。
参考文献:
[1]王祝堂,田荣璋主编. 铝合金及其加工手册(第一版) [M] . 长沙:中南工业大学出版社,1989.
关键词: 6063合金;化学成分;淬火;人工时效;挤压工艺;力学性能
1、化学成分对6063合金性能的影响
1.1化学成分的分析
根据6063合金的化学成分、物理性能分析可知，6063合金的强化相主要是Mg2Si相。Mg2Si化合物中，Mg与Si的相对原子质量之比为1.73：1。如果Mg、Si含量比值大于1.73，则6063合金合金中Mg除形成Mg2Si相外，还有过剩Mg，Mg2Si在铝中的溶解度会显著减小，降低强化效果。反之比值小于1.73，则表明Si除形成Mg2Si相外，还有剩余Si，会降低合金的抗蚀性。Cr 为Al2Mg2Si 系合金中常见的添加元素，Cr 在铝中的溶解度660 ℃时为0. 8 % ，室温时基本不溶解，主要以(Cr、Fe)Al7 和(CrMn) Al12等化合物存在，阻碍再结晶和晶粒长大过程。故加入少量的Cr可以提高6063合金的强度和韧性。Mn固溶于铝及铝合金中可提高再结晶温度20 ℃～100 ℃；细化再结晶晶粒是通过MnAl6 弥散质点阻礙再结晶晶粒长大。可以提高6063合金的强度；Mn的另一个重要作用是与Fe形成(FeMn)Al6从而减小Fe的有害影响。在Al2Mg2Si 系合金中，如果Si过剩易于在晶界偏析引起合金脆化、降低塑性，特别是在挤压温度或淬火温度较高时这种现象更加明显，加入Cr 或Mn有助于减小过剩Si 的不良作用。因此，6063合金的成分一般控制为：Mg：0.45％-0.65％；Si：0.35％-0.50％；Mg：Si=1.25-1.30；杂质Fe控制在＜0.10％-0.25％；Mn＜0.10％。
2、挤压和热处理工艺
2.1铸锭均匀化退火
在民用挤压型材生产时，6063合金的高温均匀化退火规范为：560±10℃，保温4-6h，冷却方式为出炉强迫风冷或喷水急冷。
合金的均匀化处理能提高挤压速度，同未均匀化处理的铸锭相比，大约可使挤压力降低6％-10％。均匀化处理后冷却速度对组织的晶粒度有重要的影响。对均热后快冷的铸锭，Mg2Si几乎能全部固溶于基体，过剩的Si也将固溶或以弥散析出的细小质点存在。这样的铸锭可以在较低温度下快速挤压，并获得优良的力学性能和表面光亮度。
2.2 铸锭加热与温度控制
6063合金铸锭加热温度一般都设定在Mg2Si析出的温度范围内，加热的时间对Mg2Si的析出有重要的影响，采用快速加热可以大大减少可能析出的时间。故对6063合金铸锭的加热温度可设定为：未均匀化铸锭为460℃-520℃；均匀化铸锭为430℃-450℃。挤压温度在操作时视不同制品及单位压力大小来调整。感应炉温度梯度不大于10℃/100 mm。在挤压过程中,随着挤压过程的推进，变形区的温度逐渐升高，且随着挤压速度的提高而提高。因此为了防止出现挤压裂纹，随着挤压过程的进行和变形区温度的升高，挤压速度应逐渐降低。
挤压温度是6063合金挤压生产最基本的且最关键的工艺因素。挤压温度对产品质量、生产效率、模具寿命、能量消耗等都产生很大影响。挤压温度的控制，从铸锭开始加热到挤压型材的淬火都要保证可溶解的相组织不从固溶中析出或呈现小颗粒的弥散析出。
2.3 挤压速度
挤压过程中必须严格控制挤压速度。挤压速度对变形热效应、变形均匀性、再结晶和固溶过程、制品力学性能及制品表面质量均有重要影响。挤压速度过快，制品表面会出现麻点、裂纹等倾向，且增加了金属变形的不均匀性。挤压时的流出速度取决于合金种类和型材的几何形状、尺寸和表面状况。6063合金型材挤压速度，25 MN挤压机的速度为2.0 mm/s～2.2 mm/s ,45 MN 挤压机的速度为6.0 mm/s ～ 6.4 mm/s 。随着技术的进步，挤压速度可以实现程序控制或模拟程序控制，同时也发展了等温挤压工艺和CADEX等新技术。通过自动调节挤压速度来使变形区的温度保持在某一恒定范围内，可达到快速挤压而不产生裂纹的目的。
近年来在国外用氮气或液氮冷却模具(挤压模)以增加挤压速度，提高模具寿命和改善型材表面质量。在挤压过程中将氮气引到挤压模出口处放出，可以使被冷却的制品急速收缩，冷却挤压模和变形区金属，使变形热被带走，同时模子出口处被氮的气氛所控制，减少了铝的氧化，减少了氧化铝粘接和堆积，所以氮气的冷却提高了制品的表面质量，可大大的提高挤压速度。CADEX是最近发展的一种挤压新工艺，在挤压过程中的挤压温度、挤压速度和挤压力形成一个闭环系统，以最大限度地提高挤压速度和生产效率，同时保证最优良的性能。
2.4淬火
6063-T5淬火是在高温下固溶于基体金属中的Mg2Si经快速冷却到室温而被保留下来。冷却速度常和强化相含量成正比。6063合金可强化的最小的冷却速度为38℃/分，因此适合于风冷淬火。改变风机和风扇转数可以改变冷却强度，使制品在张力矫直前的温度降至60℃以下。
2.5 张力矫直
型材出模孔后，一般皆用牵引机牵引。牵引机工作时在给挤压制品以一定的牵引张力，同时与制品流出速度同步移动。使用牵引机的目的在于减轻多线挤压时长短不齐和抹伤，同时也可防止型材出模孔后扭拧、弯曲，给张力矫直带来麻烦。张力矫直除了可以使制品消除纵向形状不整外，还可以减少其残余应力，提高强度特性并能保持其良好的表面。
2.6人工时效
时效处理要求温度均匀，温差不超过±3-5℃。6063合金人工时效温度一般为200℃。时效保温时间为2-3小时。为了提高力学性能，也有采用175-180℃时效3-4小时，但此时生产效率会有所降低，成本有所提高。
2.7 铸锭长度的计算
铸锭长度的计算方法有体积法和质量法。通过建立数学关系式，就很容易地选取出最佳的铸锭规格，大大提高型材的几何成品率。
2.8 提高挤压成品率的措施
影响挤压型材成品率的因素很多,我们能计算得出几何废料，在挤压生产中产生的废料一般分为几何废料和技术废料，几何废料是生产过程中仅与制品生产工艺有关的废料。压余、切头、切尾等均属几何废料。技术废料是在生产过程中，由于不正确执行工艺操作规程，人为造成废品(包括试模废料、铸造缺陷带来的废品等)。技术废品是可以避免和减少的，几何废品是不可避免的，但可通过优化挤压工艺和精确计算铸锭长度等措施来减少。
挤压生产中几何废料的大小可用下式表示：
N=Nn十N12 ……… (5)
N 几伺废料(％) Nn 压余废料(％)N12 切头废料(％)
Hn=K/Lo·LnN12=K/Lo·L12/λ
N =K/Lo·(Ln+L12/λ) ……… (6)
N=K/Lo·(Ln+L12/λ)
K 充填系数；
Lo 铸锭长度(mm)；
Ln 压余长度(mm，随挤压筒直径而变)；
L12 切头尾(mm，随制品规格而变)；
λ 挤压系数。
从(6)式中可以明显看出，铸锭长度Lo越长，挤压系数越大，则几何废料N越小，即几何成品率越高。其中铸锭长度影响较大些。但是，不能无限制地增加Lo和λ，因为它们受挤压机能力、压出长度等因素限制。
参考文献:
[1]王祝堂,田荣璋主编. 铝合金及其加工手册(第一版) [M] . 长沙:中南工业大学出版社,1989.