6063铝厚板挤压工艺时粗晶环缺陷的研究

6XXX系合金的主要合金元素是镁和硅，组织也相当简单，主要组织组成物为Mg₂Si相，在热处理状态下，Mg₂Si固溶于铝中，使得合金有人工时效强化能力。6063属Al-Mg-Si系铝合金中对应力腐蚀不敏感的合金,具有中等强度、优良的挤压性能、良好的耐蚀性、可焊性及良好的加工性能,因而得以广泛应用^[1]。随着科学技术的发展及应用市场的拓宽，有的客户对制品的要求越来越高，对晶粒度也提出了要求。

很多的铝合金挤压制品经热处理（淬火、退火）后，在制品的周边形成一层很深的粗大的再结晶晶粒环，且粗晶区和细晶区有着明显的界限，而且粗晶环的深度从挤压制品的前端到尾端是增加的。粗晶环是铝合金挤压制品中的主要缺陷之一，当断面形成相当大部分的粗晶环区域时，材料的力学性能、疲劳强度显著降低。而在对制品进行一些表面处理（氧化银白等）时，制品表面会出现线纹和花斑，影响装饰效果。而6063铝合金在生产较厚的板材时，极易出现粗晶环。本文将研究减少和控制6063铝合金在挤压厚板出现粗晶环的方法。

1.试验

1.1试验材料

选择40MN的正向挤压机，Φ305 mm×1000 mm规格的6063铝合金铸锭。其化学成分见表1。

表1  6063铝合金化学成分(质量分数，下同)％

1.2试验目标

粗晶环深度小于或等于1mm，晶粒度小于或等于三级，抗拉强度δ_b≥205Mpa，屈服强度δ_0.2≥180Mpa，延伸率大于或等于8％。

1.3试验内容

（1）熔铸圆铸锭对6063铝合金挤压厚板在线淬火状态下制品晶粒度的影响，采用均质和不均质两种不同热处理方式的圆铸锭来试验。

（2）挤压工艺参数对6063铝合金挤压厚板在线淬火状态下制品晶粒度的影响,包括挤压温度、挤压速度等的影响。

1.4试验过程

（1）生产方案

1、熔炼铸造—均质—锯切—挤压—人工时效

2、熔炼铸造—锯切—挤压—人工时效

（2）熔炼铸造工艺参数

熔炼温度控制在710℃～750℃，铸造工艺参数见表2，圆铸锭均质化温度为560℃～580℃保温6h。

表2 铸造工艺参数

（3）挤压工艺参数（见表3）

表3 挤压工艺参数

2.试验结果和分析

2.1化学成分的影响

6063铝合金属于Al-Ｍg-Si系合金，主要组成为α（Al）＋Mg₂Si二相共晶物。Mg₂Si相是该系合金的主要强化相，Mg₂Si的镁、硅比为1.73:1^[1]。若Mg过剩，会减小Mg₂Si在铝中的溶解度，降低强化效果；若Si过剩，会降低合金的抗蚀性。由于合金中还有很多其他的元素（铜、铁和锰等），过剩的镁和硅会与之形成其他的多元复杂化合物。

Mn固溶于铝合金中可提高再结晶温度，阻止铝合金的再结晶过程，并能细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化是通过MnAl₆弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用^[2]。Mn的另一个重要作用是与Fe形成(Fe、Mn)Al₆相，从而减小Fe的有害影响。

Cr为Al-Mg-Si系合金中常见的添加元素，在铝中主要以(Cr、Fe)Al₇和(CrMn)Al₁₂等化合物存在，阻碍再结晶和晶粒长大过程，对合金有一定的强化作用。

Ti也是铝合金中常用的添加元素，一般都是以Al-Ti或Al-Ti-B中间合金的形式加入。钛与铝形成TiAl₂相，结晶时作为非自发核心，起到细化铸造组织的作用。现在一般都采用铸造时在线加入Al-Ti-B丝。

本次试验合金成分选用的镁硅比接近于1.73，主要是利用Mn、Cr元素提高了再结晶温度，并阻碍再结晶和再结晶晶粒的长大。

2.2铝铸锭的影响

在铝合金成分一定时，变形前的原始晶粒对再结晶后晶粒的尺寸也有影响。一般情况下，原始晶粒越细，由于原有大角度界面越多，因而增加了形核率，使再结晶后晶粒尺寸小一些^[1]。本次试验采用铸造时在线加入Al-Ti-B丝来细化铸锭的晶粒，铸锭的晶粒度达到一级标准。

在工业生产条件下，合金凝固后的组织通常偏离平衡状态，在晶界上除了有不溶的少量金属间化合物外，还有很多的非平衡共晶体。铸锭经过均质，非平衡相会发生溶解，而且不溶的过剩相也会发生聚集、球化。铸锭均质化导致第二相粒子减少，从而对晶粒长大的阻碍作用减弱。本次试验结果也证明了用经过了均质化热处理的铸锭生产的制品比没有均质化热处理的铸锭生产出来的制品更容易产生粗晶环。

2.3挤压工艺参数的影响

（1）挤压温度的影响

晶粒的长大是通过晶界的迁移来实现的，而晶界的迁移是个热激活过程，所以温度越高晶粒长大的速度就越快。随着挤压温度的提高，晶粒度也会变大。采用无润滑的正挤压，在挤压过程中铝合金与挤压筒内壁及模具工作带直接接触，铸锭表面层金属与挤压筒内壁由于发生粘结而不能正常流动从而在锭坯的次表层发生剪切变形。挤压时的一次变形量很大，而且在三向压应力状态下，会产生很大的变形抗力。摩擦产生的热量和变形产生的热量是挤压时的附加热值，它可以使铸锭的温度升高几十度，对制品的组织和性能有很大的影响。

（2）挤压速度的影响

挤压速度对挤压制品晶粒度的影响一般是通过影响金属的热平衡来实现的。一般情况下，挤压速度越快，金属的温度会升高越多。挤压速度快，挤压过程中产生的附加热来不及散失，使得金属的温度不断升高；挤压速度慢，挤压过程中产生的附加热得以及时往外散失。同时，挤压速度快时，一方面由于金属与模孔工作带之间的摩擦力,使内外层金属流速差加大,边部金属形成强烈的切变形区,在切变形区内强烈的剪切变形使得这部分金属畸变能大大提高，从而聚集了大量的位错，有利于再结晶的生成；另一方面切变形区金属剧烈的剪切变形同时也加剧了变形热效应，由此提高了金属局部温度，更有利于这部分金属的再结晶。

（3）在线淬火方式

现在的在线淬火方式一般有风冷、雾冷、水冷等，冷却的强度是依次递增的。一般情况下，采用最快的淬火速度可以得到最高的强度以及强度和韧性的最佳组合。制品的厚度增加，冷却速度会降低，所以选用最大的冷却强度，在线过水冷却。

2.4制品金相组织

本试验所得的制品横截面的低倍结果见表4。

表4 试验制品横截面低倍结果

3.结束语

本文研究了6063合金挤压厚板的晶粒度，确定了在线淬火状态下的挤压工艺参数，达到减小制品晶粒度和粗晶环的目的，使得产品的性能达到客户的要求。
       
       （1）严格控制6063铝合金化学成分，使用纯度较高的原材料。

（2）使用不均质的铸锭；铸锭挤压温度430~470℃；挤压筒温度420~450℃；40MN挤压机的挤压速度为4~5 mm·s^-1。

（3）在线淬火时采用过水冷却。