6063-T5 建筑铝型材化学成分优化控制与力学性能研究

6063-T5建筑铝型材必须具备一定的力学性能，当其他条件相同时，其抗拉强度和屈服强度随含量的增加而提高。6063合金的强化相主要是Mg2Si相。那么Mg、Si、Mg2Si的含量应该是多少呢？Mg2Si相是由2个镁原子和1个硅原子组成的，镁的相对原子质量为24.31，硅的相对原子质量为28.09，因此，在Mg2Si化合物中，镁和硅的质量比为1.73:1。

因此根据上述分析结果可知，若镁硅含量比大于1.73，则表明合金中除形成Mg2Si相外，还存在过剩的镁；反之，若镁硅含量比小于1.73，则表明合金中除形成Mg2Si相外，还存在残留的硅。

过量的镁对合金的力学性能是有害的，镁一般控制在0.5%左右，Mg2Si总量控制在0.79%。硅过量0.01%时，合金的力学性能σb约为，已大大超过国家标准性能，而硅过量由0.01%提高到0.13%，σb可提高到，即提高了14.6%。要形成一定量的Mg2Si，首先要考虑Fe、Mn等杂质含量引起的硅损失，即要保证一定的过量硅。为使6063合金中的镁与硅充分匹配，实际配料时必须有意识地使Mg：Si<1.73。镁过量不仅削弱了强化作用，而且增加了产品成本。

因此6063合金成分一般控制为：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、优化钢锭均匀化退火工艺

在民用挤压型材生产中，6063合金的高温均匀化退火规范为：560±20℃，保温4-6h，冷却方式为出炉后强迫风冷或喷水快速冷却。

合金进行均匀化处理可以提高挤压速度，与未进行均匀化的铸锭相比，可降低挤压力约6%-10%。均匀化后的冷却速度对组织的析出行为有重要影响。对于均匀化后快速冷却的铸锭，Mg2Si几乎可以完全溶解在基体中，过剩的Si也会溶解或以弥散析出的细小颗粒形式存在。这样的铸锭可以在较低的温度下快速挤压，并获得良好的力学性能和表面光亮度。

在铝挤压生产中，用燃油或燃气加热炉代替电阻加热炉，可以取得明显的节能降耗效果。合理选择炉型、燃烧器及空气循环方式，可以使炉子获得均匀、稳定的加热性能，达到稳定工艺、提高产品质量的目的。

经过几年的运行和不断改进，燃烧式铸锭加热炉已投放市场，燃烧效率达40%以上。铸锭装入炉后，迅速加热到570℃以上6063铝棒，保温一段时间后，在出料区冷却到接近挤压温度时进行挤压。铸锭在加热炉内经过半均匀化过程，此过程称为半均匀化处理，基本满足6063合金热挤压工艺的要求，从而省去了单独的均匀化工序，可大大节省设备投资和能耗，是一种值得推广的工艺。

3.优化挤压和热处理工艺

3.1 铸锭加热

对于挤压生产来说，挤压温度是最基本、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、能耗等都有很大的影响。

挤压中最重要的问题是金属温度的控制，从铸锭的加热到挤压型材的淬火，都要保证可溶相组织不从固溶体中析出或以细小颗粒的形式析出。

6063合金锭的加热温度一般设定在Mg2Si析出的温度范围内，加热时间对Mg2Si的析出有重要的影响，快速加热可以大大减少可能的析出时间，一般来说，6063合金锭的加热温度可设定为：

未均匀化锭：460-520℃；均匀化锭：430-480℃。

操作时根据不同产品、单位压力调整挤压温度。挤压过程中，锭材在变形区的温度是变化的，随着挤压过程的完成，变形区温度逐渐升高，且随挤压速度的增加而升高。因此，为防止挤压裂纹的产生，应随着挤压过程的进行和变形区温度的升高，逐渐降低挤压速度。

3.2 挤出速度

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、再结晶与固溶过程、制品力学性能及制品表面质量都有重要的影响。

挤压速度过快，制品表面会出现点蚀、裂纹等现象。同时，挤压速度增大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、尺寸及表面状况。

6063合金型材挤压速度（金属流出速度）可选择为20～100m/min。

随着现代技术的进步，挤压速度已能用程序或模拟程序控制，还发展了等温挤压工艺、CADEX等新技术。通过自动调节挤压速度，使变形区温度保持在一定的恒定范围内，达到快速挤压而不开裂的目的。

为了提高生产效率，工艺上可采取许多措施。当采用感应加热时，沿锭长方向有40-60℃的温度梯度（梯度加热），挤压时高温端面向挤压模具，低温端面向挤压垫，以平衡部分变形热。还有水冷模具挤压，即用水强制冷却模具后端。实验表明，可提高挤压速度30%-50%。

近年来，国外已开始采用氮气或液氮来冷却模具（挤压模），以提高挤压速度，提高模具寿命，改善型材表面质量。在挤压过程中，将氮气通入挤压模出口并释放，可使冷却后的制品迅速收缩，冷却挤压模及变形区金属，带走变形热。同时模具出口采用氮气控制气氛，减少了铝的氧化，减少了氧化铝的粘附和堆积，所以氮气冷却提高了制品表面质量，并可大大提高挤压速度。CADEX是近来发展起来的一种新型挤压工艺，挤压过程中的挤压温度、挤压速度、挤压力组成闭环系统，在保证性能最佳的情况下，最大限度提高挤压速度和生产效率。

[下一个]

3.3 在机淬火

6063-T5淬火的目的是为了在离开模孔后迅速冷却至室温，保留高温下溶解在基体金属中的Mg2Si。冷却速度往往与强化相含量成正比。6063合金能强化的最小冷却速度为38℃/min，因此适合于风冷淬火。改变风扇和风扇转速可以改变冷却强度，使产品在拉伸矫直前的温度降至60℃以下。

3.4 张力矫直

型材出模孔后，一般采用牵引机牵引，牵引机工作时对挤出制品给予一定的牵引张力，并与制品流出速度同步移动。采用牵引机的目的是为了减少多线挤出时的长短不均、拖尾现象，也可防止型材出模孔后产生扭曲、弯曲，给张力矫直带来麻烦。

除了消除产品纵向形状的不规则性之外，张力矫直还可以减少残余应力，提高强度性能并保持良好的表面。

3.5 人工老化

时效处理要求温度均匀，温差不大于±3-5℃。6063合金人工时效温度一般为200℃，时效保温时间为1-2小时。为了提高力学性能，也有采用180-190℃时效3-4小时的，但此时生产效率会降低。

3.6 铸锭长度优化计算

铸锭长度计算方法有体积法和质量法两种，通过建立数学关系，很容易选取最佳铸锭规格，大大提高型材的几何成品率。

（1）容量法

电压源=电压1+电压n

AoLo=A1·L1+A·Ln

Lo/Ko=L1/λ+Ln

Lo = (L1/λ + Ln) K

式中：Vo——铸锭体积（mm3）；

V1——型材体积（mm3）；

Vn——压力残余体积（mm3）；

Ao——铸锭面积（mm2）；

Lo——铸锭长度（mm）；

A1——型材截面积（mm2）；

L1——型材长度（mm）；

A——挤压筒面积（mm2）；

Ln——压力过剩长度（mm）；

K=A/Ao填充系数；

λ=A/A1挤压系数。

根据体积不变原理，经过简化，可以整理成公式（1），K、Ln可视为常数，只需取λ，确定Lmax，便可轻松算出Lo，也就是硅锭长度。

（2）质量方法

摩根=摩根1+摩根n

ρLoLo=L1·ρL1+mn

Lo = (L1·ρL1+mn)·PLo

式中：Lo为铸锭长度；

L1型材挤出长度(m)；

ρL1型材线密度(Kg/m)；

mn剩余重量(Kg)；

钼锭重量 (kg)

m1挤压型材重量（kg）

ρLo铸锭线密度(Kg/m)；

（2）式可进一步修正，即：L1=n·Lding+L12

Lo = [·L固定+L12)·ρL1+mn]·ρLo-1

式中：n为固定长度个数；

L为尺寸长度（m）；

L12 切割长度（米）。

公式（3）可以直观方便地计算出，实际工作中，ρL1随着型材壁厚的不断变化而增大。为方便上道工序的锭材供应，大型设备锭材长度可设定为30mm为一个等级，小型设备锭材长度可设定为20mm为一个等级。我们可根据公式（3）制定ρL1、Lo、n、L1的对照表。民用建筑型材一般供应长度为6m。此对照表非常方便工艺技术人员和计划人员使用。

公式（3）可简化为：

洛=KnL1+C

Kn是与n相关的系数；

C是与模型相关的常数；

ρL1是Lo的函数，可以对其进行编程并输入计算机，以更准确地计算Lo。

[下一个]

3.7 提高挤压成品率的措施

影响挤压型材成品率的因素很多，我们可以计算一下几何废品。挤压生产中产生的废品一般分为几何废品和技术废品。几何废品是在生产过程中只与产品生产过程有关的废品，余料、切头、切尾等都属于几何废品。技术废品是在生产过程中，由于没有正确执行工艺操作规程，而由人为因素造成的废品（包括试模废品、铸造缺陷造成的废品等）。技术废品是可以避免和减少的，几何废品是不可避免的，但可以通过优化挤压工艺、准确计算锭长来减少。

挤压生产中几何废料的尺寸可以用下面的公式来表示：

N=Nn+N12

废料数量（%）

Nn 残留废弃物 (%)

N12切削废料(%)

Hn=K/Lo·Ln

N12=K/Lo·L12/λ

N=K/Lo·(Ln+L12/λ)

N=K/Lo·(Ln+L12/λ)

K填充系数；

Lo锭长度（mm）；

Ln：余长（mm，随挤压筒直径变化而变化）；

L12切割头和尾（mm，因产品规格不同而不同）；

λ 挤压系数。

从公式（6）可以明显看出，锭长Lo越长，挤压系数越大，几何废料N越小，即几何成品率越高。其中锭长影响较大。但Lo和λ不能无限增大，因为它们受到挤压机能力、挤压长度等因素的限制。

4 总结

综上所述，提高挤压型材成品率的主要途径有：

（1）制定科学合理的生产工艺（优化工艺）；

（2）提高员工技术理论水平，不断总结生产经验；

（3）先进合理的模具设计，加强模具管理，提高一次合格率；

（4）优化6063合金化学成分，提高铸锭质量并进行均匀化或半均匀化处理；

（5）采用先进技术，如长锭炉热剪切技术和CADEX等新技术。