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.中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會，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，有時還添加少量Cu或Zn，以提高合金的強度，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，有時還加入Pb與Bi，但它們在此類合金中的作用比在無Mg合金中的小。

現(xiàn)行的6×××系鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(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，合金的抗蝕性能好，但強度與成形性能較低； Si含量過剩時，合金的強度高，成形性能及可焊性能較低，且稍有晶間腐蝕傾向。

Al-Mg-Si合金的組織比較簡單，主要強化相是Mg2Si，熱處理時Mg2Si溶于固溶體中，使合金在人工時效時有強化能力。如果合金含有相當(dāng)量的Cu和Si，則除了Mg2Si外，還會形成Cu2Mg8Si6Al5，即至少有一部分Mg2Si被Cu2Mg8Si6Al5取代，后者也有一定的時效硬化能力。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年在美國鋁業(yè)協(xié)會公司(The Aluminum Association，Inc.)注冊的706個變形鋁合金中(常用的550個，非常用的156)，6×××系鋁合金126個，占17.85%，居第二位，僅比5×××鋁合金的141個少15個。但是6×××系鋁合金半成品的產(chǎn)量卻居前位，因為建筑-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，美國鋁業(yè)公司(Alcoa)1944年發(fā)明，與7075鋁合金同時誕生，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個常用合金： 6063 (美國)、6063A(1979年英國)、6463(1957年美國)、6463A(1973年澳大利亞)、6763(1972年美國)、 6963(1994年美國)；非常用合金(inactive alloy)6個： 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，但在那個時候并沒有獲得廣泛應(yīng)用，主要原因是它的成分設(shè)計原理是其平衡相Mg2Si量與6063鋁合金的相同， 因此其抗拉強度很難達到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Mg含量，加大Si含量，合金的強度不會降低，而擠壓性能卻明顯上升。那時Si在合金中的作用尚未徹底明白，只知道它能細化沉淀相質(zhì)點，加大合金的人工時效能力。2018年，6060鋁合金已發(fā)展到常用合金8個： 6060(1972年，歐洲鋁業(yè)協(xié)會EAA)、 6160(1993年美國)、6260(1996年美國)、6360(2001年美國)、 6460(2001年美國)、6460B(2010年巴西)、6560(2001年美國)、6660(2011年美國)；非常用合金1個，6460A。

20世紀90年代后期，力拓公司(Rio Tinto)開發(fā)出 6360鋁合全，成分設(shè)計原理：充分利用過剩Si與較低的Mg含量，從而提供較低的流動應(yīng)力與仍可以達到6063-T6鋁合金的強度。6360鋁合金2001年注冊，同時在北美進行商業(yè)化生產(chǎn)。在20世紀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]：納米級時效硬化沉淀相β′的x(Mg)/x(Si)≈1∶1，而不是過去認為2∶1。

由圖1可清晰地看出在美國鋁業(yè)協(xié)會公司注冊的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)性能滿足標準要求，這兩個合金在北美和歐洲都獲得廣泛應(yīng)用，不過北美對6063鋁合金更喜歡些，太平洋地區(qū)及國家都廣泛應(yīng)用它們。6360鋁合金是根據(jù)實踐經(jīng)驗開發(fā)的，它綜合了6×××系鋁合金的全部優(yōu)點。

中等強度的6×××鋁合金的發(fā)展在北美和歐洲各走各的路，自20世紀50年代以來，北美的結(jié)構(gòu)擠壓鋁材市場主要是6061鋁合金，它的成分范圍是按Mg2Si的原理設(shè)計的，6061-T6鋁合金有最高的強度性能。力拓公司利用Mg含量的下限，開發(fā)成功T6狀態(tài)的擠壓機淬火工藝[3]，于20世紀90年代后期面世的68234鋁合金有優(yōu)秀的擠壓性能，很易達到6061鋁合金的性能，它的x(Mg)/x(Si)=1∶1，也就是在標準規(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。

與6061鋁合金對應(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90年代初期進入北美市場，用以取代6005鋁合金。該合金適于空氣淬火，現(xiàn)已納入美國鋁業(yè)協(xié)會2015年版鋁設(shè)計手冊，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)擠壓材時可用它取代6061鋁合金。6005A及6082鋁合金都已納入美國焊接協(xié)會(AWS)的有關(guān)手冊與資料匯編。

2 高性能6360鋁合金

21世紀以來，為了減小流動應(yīng)力與增大擠壓性能，力拓公司研究中心實驗室和中間試驗廠對一些合金進行了謹慎的篩選與評估。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，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%。合金在時效(185 ℃5 h)后的抗壓強度與成分的關(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準要求。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Al-0.33Mg-0.50Si合金進行了更為深入的研究，并與常規(guī)6060鋁合金作了對比試驗(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。對這兩種合金進行了一系列的成對試驗(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 力拓公司試驗的合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical compositions of the specimen tested by Rio Tinto(wt%)

在試驗時，在型材端面鉆有孔，便于插入熱電偶測量溫度，型材溫度變化如圖5所示。在給定的柱塞速度時，6360鋁合金型材的溫度低4 ℃～5 ℃，這是因為6360鋁合金的流動應(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 對比試驗時型材的表面粗糙度Fig.6 Profile surface roughnesses in the contrast test

根據(jù)力拓公司的試驗，6360鋁合金的優(yōu)勢很明顯，生產(chǎn)率有較大提高，在埃羅里特擠壓廠(Aerolite Extrusions)試驗了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24%，模的壽命也大為延長，有些模擠壓的錠坯數(shù)已達50塊、100塊，甚至有達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)，并有很好的時效能力。不過這兩種合金在實際生產(chǎn)中往往在車間內(nèi)停放一段時間才能時效，這對材料的力學(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間，下擠壓線后可及時時效，或停放很短時間。圖8示出了6360及6060鋁合金的時效(185 ℃)曲線，為了比較還繪有6063鋁合金的時效曲線。6063鋁合金在時效保溫5 h后即達到峰值，而6360及6060鋁合金達到峰值則需8 h，這么長的時效時間在實際生產(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鋁合金的時效動力學(xué)，從而引出了63081鋁合金，它是6063鋁合金的變型，時效后的力學(xué)性能與6063-T6鋁合金的相當(dāng)。同時，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鋁業(yè)協(xié)會標準。

表2 6360型合金的狀態(tài)及力學(xué)性能(標準規(guī)定)Table 2 Tempers and mechanical properties of 6063 Al alloy(specified)

圖8 Cu對6360鋁合金時效的影響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)市場研制出一種強化效率高的合金，它的Mg、Si含量原子比為1∶1，即在標準的規(guī)定的范圍內(nèi)，盡量減少Mg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年進入北美市場，雖然它的w(Mg+Si)含量 約達1.0%，比6063鋁合金的約0.85%高一些，而熔點有所下降，在實際生產(chǎn)中，它的擠壓效率與SF 6063鋁合金的非常接近。

生產(chǎn)實踐很快就證明，超流合金(superflow 6063)在北美市場上的一個主要優(yōu)點就是有突出的時效能力，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用合金。力拓公司技術(shù)中心進行了約4個月的生產(chǎn)性試驗，擠壓了5種型材，試驗結(jié)果見表3。在充分時效狀態(tài)下，SF6063鋁合金的抗拉強度實際上能滿足6005A-T61鋁合金的最低要求，雖然其平均值比標準6005A鋁合金的低。在此基礎(chǔ)上，力拓公司在美國協(xié)會公司注冊了一個新的合金狀態(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*與標準合金性能*的比較Table 4 Contrast of mechanical properties between6063-T65* and standard Al alloys

注：*注冊性能值。

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

圖9 SF6063鋁合金的抗拉強度與時效時間的關(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，同時與6063鋁合金相比，6060鋁合金對地板時效(floor age)與加熱速度更為敏感，時效動力學(xué)也比6063鋁合金的慢。“地板時效”即通常說的“停放效應(yīng)”。不過，即使在最壞情況下，利用現(xiàn)代化的自動設(shè)備處理，6060鋁合金的力學(xué)性能也能滿足標準要求。圖10為6060鋁合金的時效曲線，地板時效時間很短，時效時的加熱速度也快。試驗表明，此合金在200 ℃3 h時效后的性能就能達到歐洲AA6060-T66鋁合金的標準。它在歐洲的牌號為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，此合金的強度還有較大的提升潛力，同時有相當(dāng)強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鋁合金的時效曲線Fig.10 Ageing curves of SF6060 Al alloy

5 結(jié)束語

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，前者中等強度，后者的強度中等偏下，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，都是美國鋁業(yè)公司研發(fā)的，自20世紀40年代中期至21世紀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，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的鋁擠壓生產(chǎn)者關(guān)注國外的最新技術(shù)成就。