電導率與鋁合金擠壓制程穩定性的研究

丁小理，高森田

（廣東和勝工業鋁材股份有限公司，廣東 中山 528400）

電導率與鋁合金擠壓制程穩定性的研究

丁小理，高森田

（廣東和勝工業鋁材股份有限公司，廣東 中山 528400）

鋁合金的化學成分、加工及熱處理狀態等與其電導率有一定的關聯。一般而言，合金元素愈多，電導率愈低或電阻愈高。鋁的合金元素在固溶狀態和析出狀態下，電導率不同，同屬析出狀態下，析出顆粒越大，電導率越高。相同鋁合金的化學成分通過電導率的測定，可以初步推測熱處理加工狀態以及某些力學性能，達到檢測快速便捷的目的，從而可以判斷制程的穩定性。本研究結果顯示：電導率的檢測是目前判定鋁合金擠壓制程及生產設備穩定性的最簡單最實用的方法之一，半成品及成品的電導率是產品質量與制程穩定性的指標。

鋁合金；電導率； 熱處理；析出物；擠壓制程；時效

0　前言

鋁及鋁合金的化學成分、加工及熱處理狀態直接決定材料的性能，如何以簡單快捷的方式檢測合金的加工狀況，判定制程穩定性已成為新的研究方向。許多單位或人員也使用電導率儀來做鋁合金產品的測量或研究，1964年費城航天材料實驗室就使用電導率的測量來預測7000系列合金在高溫環境下的機械性質變化。劉東雨等也用電導率儀來研究中強度AlMgSi鋁合金導體材料的合金設計及其對應的電導率[1]。

熱處理過程中6000系列合金的電導率與合金成分、固溶或析出的化合物顆粒狀態有很大的關系。一般而言，合金元素愈多電導率愈低或電阻愈高，此外，鋁的合金元素固溶狀態和析出狀態對電導率的影響也不大相同。基本上，合金元素固溶狀態對電阻率平均的增值比析出狀態的增值大許多。鋁合金熱處理過程中如均勻化處理、固溶及時效處理，析出物顆粒會有不同變化。一般析出物的顆粒越大，電子通過材料的過程變得容易，電阻愈低而電導率愈高，析出物固溶狀態的原子聚集狀態電阻最高而電導率最低。

本文選擇6000系的6061及6063合金鑄錠，在不同擠壓生產線進行擠壓及時效，研究在鑄造狀態/均質態/擠壓淬火態/擠壓時效狀態下的電導率。分析發現，制程的變量會影響電導率，根據坯料、半成品及成品的電導率值可以了解各制程、生產設備及質量的穩定性并加以控制。

1　實驗方法

選取6000系合金中的常用合金6063及6061，使用同一熱頂鑄造系統鑄造6063-A、6063-B、6061-C及6061-D鑄棒。使用光譜儀分析其主要元素的化學成分，并用渦流導電儀測量鑄棒中心部位的電導率。將上述鑄棒進行均質處理（570℃/保溫6h），均質熱處理目的之一是要使高溫析出元素從鑄造的固溶狀態變成析出狀態。6061及6063合金的高溫析出元素主要是鉻及錳。鉻及錳由固溶狀態變成析出狀態，對電導率有明顯影響。使用渦流導電儀測量均質后鑄棒中心部位電導率。將鋁棒于不同生產線不同的加溫爐內進行加熱，加溫設置亦不盡相同，但都將取樣用的圓棒加熱后拔出并進行水淬，測量水淬后的電導率。將均質態鑄棒進行離線固溶淬火（550℃/保溫1h，加熱后水淬），測量其電導率。在一定擠出條件及冷卻系統的冷卻下，在擠出產品的頭、中、尾部及擠出產品工件上下面分別測量其電導率（擠出1h內及室溫測量）。將擠壓冷卻的半成品進入不同的生產線大型時效爐進行人工時效處理，分別測量長方時效爐體兩端共8個角及爐體中心位置的實驗試樣的電導率。

2　實驗結果及討論

2.1電導率

各種狀態下的電導率如表1所示

表1　各種狀態下電導率/%IACS

2.2化學成分

本實驗用合金6063及6061的4爐次的主要元素化學成分如表2所示。除Cu以外6063-A比6063-B設計較多的合金元素。6061-C比6061-D設計較多的合金元素。

表2　實驗用4爐次的主要元素化學成分（質量分數/%）

2.3鑄態電導率

使用FIRST渦流導電儀，分別測量這4批鑄棒中心部位的電導率如表1所示。表1及表2顯示6063-A的合金元素Mn、Cr、Fe、Mg及Si的重量百分比較6063-B大，相對應其電導率較低。雖然6063-B的Cu添加較多，但從表3可知Cu的添加對電導率的降低比起Cr、Mn、Si及Fe而言不是很明顯。6061-C因添加較多的Cr、Mn及Si，故與6061-D的電導率比較，兩者有明顯的差異。6061-C鑄棒因鑄造凝固的Cr及Mn主要以固溶狀態存在，因此使鑄棒的電導率明顯下降。6061與6063合金相比，6061的電導率低于6063合金約10%IACS。同屬6000系合金，強化相均為硅化鎂，但4爐次的鑄棒電導率有明顯差異，電導率從大至小依次排列為6063-B＞6063-A＞6061-D＞6061-C，以上排列順序和合金元素含量的高低正好成反比關系。

表3　在鋁中添加每1%元素在固溶狀態及非固溶狀態對電阻平均增值的影響/10-8Ω·m

2.4均質態電導率

6063-B、6063-A及6061-C均質后電導率如表1所示。均質熱處理目的之一是要使高溫析出元素從鑄造的固溶狀態變成析出狀態。6000系列合金的高溫析出元素主要是鉻、錳及少量的Fe由固溶狀態變成析出狀態。這些元素的析出對電導率有相當明顯影響，如表3所示[1、2]。表1實驗結果顯示，6063-A鑄棒經均質處理后電導率從50.1%增加到51.3%IACS，提高1.2%IACS的量，但6063-B爐次的鑄棒經均質處理后只增加0.5%IACS的量，主要是6063-B爐次的鑄棒Mn及Cr的含量較微量。從表3可預知含量較高的Cr/Mn鑄棒若能從固溶狀態變成析出狀態則將有較大的電導率增加。6063-A爐次的鑄棒Mn及Cr的含量較6063-B高，故經均質處理后電導率增加較明顯。

相同的道理，一般6061較6063合金含有較高的Cr/Mn元素，從表3也可預知含量較高Cr/Mn元素的6061鑄棒若能從固溶狀態變成析出狀態，則將有大量的電導率變化。6061-C爐次，加入總量約0.3%Mn及Cr等，若能通過均質處理產生高溫析出相，則均質態的電導率將明顯高出未經均質處理的鑄棒。6061-C經均質處理后，增加較高（約8%IACS）的電導率。實驗結果顯示，對于含Mn、Cr等高溫析出相的合金似乎可以通過電導率的變化來判定高溫析出相的析出效果。若如此的話，電導率的值將影響合金材料的后續的晶粒結構及性能，故不得不加以控制。

2.5鑄棒固溶后淬火狀態電導率

取以上4個爐號鑄錠，在試驗爐采用550℃/1h進行固溶加熱后水淬，測量其淬火狀態電導率。均質態的6063-A、6063-B、6061-C及無均質的6061-D等鑄棒淬火狀態電導率如表1所示。這些電導率值將是本實驗的擠壓鋁鑄棒加熱條件的參考值。均質態的6063-A及6063-B鑄棒經固溶及水淬后電導率下降約1.8%IACS值，推測可能是此兩種合金在均質冷卻的過程中有部分的硅化鎂析出，也就是6063-A及6063-B鑄棒經本試驗的均質冷卻處理后并非完全的固溶狀態。

均質態的6061-C鑄棒的電導率為45.53%IACS，均質態鋁棒經試驗爐固溶及水淬后電導率為41.25%IACS，下降約4.3%IACS，意為在均質冷卻處理的過程中有更多的硅化鎂析出。在本研究中，采用相同的均質處理6063-A、6063-B及6061-C的鑄棒，但電導率下降的IACS值不一樣。此說明相同的均質冷卻下，Si及Mg愈高則冷卻過程中可能愈容易析出硅化鎂。無均質的6061-D等鑄棒固溶淬火狀態電導率下降約4.1%IACS，意為鑄造凝固的硅化鎂顆粒溶解后而固溶，因此而降低材料導電率。

2.6鋁棒擠壓前加熱的電導率

將上述鋁棒在不同生產線進行加熱，鋁棒加熱爐爐型及加溫設置因不同生產線而異。將加熱后拔出的測試鋁棒水淬，測量其電導率如表1所示。通過表1中試驗爐固溶后淬火狀態與鋁棒加熱爐加熱后的淬水態電導率的比較，6063-A、6063-B及6061-C所用的產線鋁棒爐加溫設定工藝，可以實現鋁棒的固溶效果，可以把均質冷卻析出的部分硅化鎂重新固溶。而非均質的6061-D鑄棒，在現有產線的鋁棒爐加溫工藝設定未能實現完全的固溶效果。

2.7擠壓半成品導電率測量

在一定擠出條件及冷卻系統的冷卻下，取擠出產品的頭、中、尾部及擠壓品上下面分別測量其電導率，本試驗測量時機為擠出1h內及室溫狀態，結果如表4所示。從測量結果看，最大最小偏差值在2以內，相對而言擠壓品的淬火冷卻速度在不同位置的偏差不是很大。

從鋁棒加熱爐加熱后拔出水淬與擠壓半成品冷卻態的電導率對比看，6063-A所在的生產線淬火冷卻速度不夠，因擠壓半成品的電導率在擠出后及冷卻后有增加，增加的幅度有2%IACS。6061-C生產線淬火冷卻效果最好，因擠壓半成品的電導率增加很微量。而6061-D、6063-B淬火冷卻效果尚可接受，電導率增幅只有約0.8%、1.3%IACS。AlMgSi合金的擠壓冷卻目的是不讓擠壓品的硅化鎂析出，若硅化鎂析出的話則擠壓品的電導率會有變化。也就是沒有硅化鎂析出的電導率較低，有硅化鎂析出的電導率會比前者高。擠壓冷卻不佳狀況下可能擠出品的硅化鎂析出愈多或愈大，相對地擠壓品的電導率增加愈多。

表4　擠壓半成品冷卻態的電導率

2.8時效后擠壓成品（T6或T5）電導率

上述擠壓冷卻的半成品進入生產線的大型時效爐進行人工時效處理，分別測量長方時效爐體兩端共8個角及爐體中心位置的成品電導率，結果如表5所示。從電導率測量結果可知，6061-C所用的時效爐偏差稍大，偏差為2.06%IACS，分析為時效爐控溫能力不佳，溫度分布不均造成合金元素SiMg的析出顆粒大小不同所致。6063-A及6063-B所用的時效爐偏差為1%～1.5%IACS，其時效爐控溫能力尚可接受。

表5　不同擠壓品在不同時效爐電導率測量結果/%IACS

6061-C時效后產品電導率從40.85%IACS增加到43.6%IACS，時效后只增加約2.8%IACS，而6061-C合金含Mg0.902%，而含Si0.6%。6063-B時效后產品電導率從50.89%IACS增加到54.36%IACS，時效后增加約3.5%IACS，而Mg成分只有0.505%，Si只有0.34%。從電導度的測量可知6061-C爐次產品所使用的時效爐溫度可能出現問題，因時效后的電導率增加太少，時效尚未發揮應有的硅化鎂析出強化效果。

3　結論

（1）綜合上述試驗，6000系列AlMgSi合金各種材質的熱處理或制程狀態下有相對應的電導率。電導率與合金元素成分重量百分比有關系，也與各種熱處理如均質、固溶淬火、冷卻及時效等有關系。

（2）從研究可看出，6061-C爐次均質后電導率大幅提高，分析與其成分中含有較多的Mn、Cr，在均質過程中形成高溫析出有關。而6063-A/B爐次均質態與鑄態差別不明顯，因為其高溫析出相含Mn、Cr化合物很少。

（3）經過鋁棒加溫爐加熱后，各合金的電導率均有一定程度的下降，說明鋁棒加溫爐的加熱過程可以促進部分細小析出物的再溶解，實現合金元素的固溶。從試驗爐脫機固溶水淬及產線鋁棒加溫爐加熱后水淬所得的電導率資料看，6063-A/B，6061-C爐次，其離線固溶水淬電導率與鋁棒爐加熱后水淬電導率相當，說明在相對應的鋁棒加溫爐中可實現充分固溶硅化鎂顆粒的作用。

（4）無均質6061-D鋁棒經加熱爐加熱水淬后的電導率與離線固溶水淬的電導率相差大，說明此相對應的鋁棒加熱爐或加熱工藝未能實現完全的固溶。

（5）6063-A/B的淬火或冷卻后擠壓材的電導率較鋁棒爐加熱后水淬后有升高，說明有硅化鎂的析出，推測其相對應的淬火系統的冷卻速度不足。

（6）6061-C的淬火擠壓材與離線固溶水淬的電導率相當，說明其過飽和固溶體程度一致，其相對應的淬火系統的淬火冷卻速度可滿足要求。

（7）從電導率的測量可知6061-C爐次產品使用的時效爐的設定溫度與實際溫度可能出現問題。6061-C所用的時效爐時效結果的電導率偏差大，偏差為2.06%IACS，分析為時效爐控溫能力不佳。

（8）鋁合金的擠壓制程會影響溶質或化合物的固溶或析出物狀態及其對應的電導率。電導率測量可作為擠壓生產在線非破壞性的簡易檢測手段，評估設備能力，半成品質量、產品質量及制程穩定性的指標。

[1]劉東雨，李文杰，等. 熱處理型中強度鋁合金導體材料的組織與性能[J]. 中國有色金屬學報，2014（24），8

[2]王祝堂，田榮璋. 鋁合金及其加工手冊[M]. 長沙: 中南大學出版社，2005: 937

（編輯：楊毅）

Research on Stability of Electrical Conductivity and Aluminum Alloy Extrusion Process

DING Xiao-li, GAO Sen-tian
（Guangdong Hesheng Aluminum Co.,Ltd., Zhongshan 528400,China）

The research results show that detection of electrical conductivity is one of the simplest and practical method which can judge the stability of aluminum alloy extrusion process and production equipment, the conductivity of semi-finished products and finished products is the index of product quality and process stability.

aluminum alloy；conductivity；6063；6061；cast rod；homogeneity；solution；quenching；precipitation；extrusion；aging

TG146.21，TG379

A

1005-4898（2016）02-0045-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.02.09

丁小理（1978-），女，廣西桂林人，工程師。

2015-10-20