高強(qiáng)度6063鋁合金導(dǎo)電管的研制

李金龍，趙 芳，顧維明，金智澎，于 璐

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽(yáng) 111003）

0 前言

6063鋁合金屬于Al-Mg-Si系合金，具有中等強(qiáng)度、良好的焊接性、抗腐蝕性以及導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、建筑、電力等行業(yè)。6063鋁合金導(dǎo)電管一般采用T6狀態(tài)，行業(yè)上要求電導(dǎo)率≥29MS/m，同時(shí)Rm≥215MPa、Rp0.2≥170MPa、A≥10%。伴隨工業(yè)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電力、電器裝備制造對(duì)導(dǎo)電管提出了越來(lái)越高的要求[1-2]。

合金化學(xué)成分、擠壓淬火條件、時(shí)效制度是影響鋁合金導(dǎo)電性和力學(xué)性能的主要因素[3]。本課題根據(jù)市場(chǎng)急需的6063-T66狀態(tài)高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性能導(dǎo)電管，即電導(dǎo)率≥30.5MS/m、Rm≥245MPa、Rp0.2≥200MPa、A≥10%，在對(duì)合金化學(xué)成分、鑄錠均勻化處理、擠壓工藝、在線(xiàn)淬火工藝進(jìn)行充分探討基礎(chǔ)之上，研究了不同時(shí)效制度對(duì)6063鋁合金力學(xué)性能及電導(dǎo)率的影響，以期提高6063鋁合金的綜合性能，并使其能完全應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，為客戶(hù)批量提供性能穩(wěn)定的合格產(chǎn)品。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

由于6063鋁合金中主要強(qiáng)化相為Mg2Si，當(dāng)Mg、Si含量低時(shí)，電導(dǎo)率則提高。基于產(chǎn)品對(duì)力學(xué)性能的較高要求及后續(xù)時(shí)效機(jī)制，結(jié)合6063合金生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)所用材料為本公司生產(chǎn)的規(guī)格為φ446mm×1290mm的6063合金鑄錠，其化學(xué)成分與歐洲6063合金化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 6063鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

采用75MN擠壓機(jī)進(jìn)行管材的擠壓生產(chǎn)，其直徑90mm，壁厚20mm，擠壓比為37.8，管材截面圖如圖1所示。為保證淬火強(qiáng)度獲得均勻的過(guò)飽和固溶體的同時(shí)又能提高生產(chǎn)效率，采用在線(xiàn)水槽穿水淬火方式生產(chǎn)，鑄錠加熱溫度控制在500～460℃，擠壓速度在7～9m/min范圍，管材進(jìn)水槽溫度要求不低于500℃。

圖1 管材截面圖

1.2 試驗(yàn)方法

合金的電導(dǎo)率和力學(xué)性能是相互制約的兩個(gè)物理量，導(dǎo)電性好時(shí)電導(dǎo)率高，但電導(dǎo)率高時(shí)力學(xué)性能又會(huì)降低很多。6063鋁合金管材時(shí)效溫度為175℃，保溫時(shí)間分別為8h和10h；時(shí)效溫度為200℃，保溫時(shí)間分別為3、4和5h，進(jìn)行正交試驗(yàn)。檢測(cè)時(shí)效處理后型材力學(xué)性能、電導(dǎo)率。

試驗(yàn)樣品選用實(shí)際生產(chǎn)工藝符合標(biāo)準(zhǔn)的擠壓坯料，在其頭尾分別取樣時(shí)效處理。采用SMP-10渦流電導(dǎo)儀測(cè)試管材電導(dǎo)率、AG-X 100KN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品室溫拉伸性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 時(shí)效制度對(duì)6063合金力學(xué)性能的影響

對(duì)不同時(shí)效制度下的擠壓管材進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，其結(jié)果如圖2所示。6063鋁合金熱處理可強(qiáng)化相是β（Mg2Si）相，其時(shí)效脫溶序列為：α過(guò)飽和固溶體→GP區(qū)→β"相→β'相→β相。時(shí)效初期Mg、Si原子在鋁基體的晶面上聚集，形成溶質(zhì)原子聚集區(qū)即GP區(qū)，與基體保持共格關(guān)系，邊界上的原子為母相α和GP區(qū)所共有。為了同時(shí)適應(yīng)兩種不同原子排列形式，共格邊界附近產(chǎn)生彈性應(yīng)變，正是這種晶格的嚴(yán)重畸變阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金的硬度。隨著時(shí)效溫度的提高或時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，Mg、Si原子進(jìn)一步富集并趨向有序化，迅速長(zhǎng)大成針狀或棒狀即為β"相，其C軸方向的彈性共格結(jié)合引起的應(yīng)變場(chǎng)最大，它的彈性應(yīng)力也最高。當(dāng)β"相長(zhǎng)大到一定尺寸，它的應(yīng)力場(chǎng)遍布整個(gè)基體，應(yīng)變區(qū)幾乎相連，此時(shí)合金的硬度最高；隨著時(shí)效過(guò)程的進(jìn)一步發(fā)展，在β"相的基礎(chǔ)上，Mg、Si原子進(jìn)一步富集形成局部共格的β過(guò)渡相，其周?chē)w的彈性應(yīng)變有所減輕，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙減少，此時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值，硬度已有所下降。時(shí)效后期在β'相與基體界面上形成穩(wěn)定的β相，失去了與基體之間的共格聯(lián)系，完全從基體中脫離出來(lái)，共格應(yīng)變消失，硬度下降。

從上述脫溶過(guò)程來(lái)看，GP區(qū)、β"相、β'相都能有效地提高6063鋁合金的強(qiáng)度、硬度，但強(qiáng)化效果有所不同，以β"相的強(qiáng)化效果最大。而一旦出現(xiàn)β相，合金強(qiáng)度、硬度將下降。因而如何提高GP區(qū)和β"相的密度就成為提高6063鋁合金性能的關(guān)鍵。

GP區(qū)數(shù)量的大小主要取決于時(shí)效溫度，時(shí)效溫度越高則空位和溶質(zhì)原子的擴(kuò)散加快，GP區(qū)易長(zhǎng)大，因而GP區(qū)的尺寸較大而密度則減小。當(dāng)時(shí)效溫度在200℃以上，GP區(qū)由針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻睿L(zhǎng)度也增加而密度減小。因而采用200℃的高溫時(shí)效時(shí)，硬化速度很快，峰值時(shí)間短，但GP區(qū)和β"相的密度減低，故其峰值較低。低溫時(shí)效因其GP區(qū)和β"相密度較高，其峰值也較高，但硬化速度慢，峰值時(shí)效時(shí)間長(zhǎng)。

圖2 不同時(shí)效制度下管材的力學(xué)性能

2.2 時(shí)效制度對(duì)6063合金電導(dǎo)率的影響

圖3是不同時(shí)效制度處理后擠壓管材的電導(dǎo)率。由圖可知，時(shí)效過(guò)程中，隨著時(shí)效溫度的升高或時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，沉淀相不斷從基體中析出長(zhǎng)大，彌散度不斷減小，沉淀相與基體的共格關(guān)系不斷減弱，從而使基體點(diǎn)陣內(nèi)的晶格畸變程度不斷降低。基體點(diǎn)陣中電子散射源的數(shù)量和密度不斷減小，導(dǎo)電電子的自由程增加，從而使電導(dǎo)率增加。

圖3 不同時(shí)效制度下管材的電導(dǎo)率

2.3 6063合金力學(xué)性能與電導(dǎo)率之間的關(guān)系

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨時(shí)效制度不同，合金出現(xiàn)典型的峰值時(shí)效和過(guò)時(shí)效過(guò)程。在低溫人工時(shí)效下，合金在175℃×8h人工時(shí)效下力學(xué)性能已達(dá)到峰值，隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)至10h，力學(xué)性能未有明顯變動(dòng)，但電導(dǎo)率有大幅度提升；在高溫人工時(shí)效下，合金在200℃×4h人工時(shí)效下力學(xué)性能已達(dá)到峰值，隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)至5h，進(jìn)入過(guò)時(shí)效階段，力學(xué)性能明顯下降，但電導(dǎo)率有大幅度提升。

對(duì)比高溫時(shí)效和低溫時(shí)效兩種時(shí)效制度，可以看出6063合金在175℃低溫時(shí)效其力學(xué)性能峰值較200℃高溫時(shí)效的高，但對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率不如高溫時(shí)效的高。同種時(shí)效溫度不同時(shí)效時(shí)間下的試驗(yàn)顯示，電導(dǎo)率隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而升高。

對(duì)比試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：電導(dǎo)率≥30.5MS/m、Rm≥245MPa、Rp0.2≥200MPa、A≥10%，200℃×4h的峰值時(shí)效雖然電導(dǎo)率高達(dá)31.7MS/m以上，但抗拉強(qiáng)度僅在250 MPa左右，非常接近目標(biāo)的下限值，實(shí)際生產(chǎn)較難控制，不是可行的時(shí)效制度；對(duì)于175℃×8h的試驗(yàn)結(jié)果，雖然力學(xué)性能都遠(yuǎn)高于目標(biāo)值，但電導(dǎo)率僅為30.6MS/m左右，非常接近目標(biāo)的下限值，實(shí)際生產(chǎn)較難控制，也不是可行的時(shí)效制度；而175℃×10h的試驗(yàn)結(jié)果表明合金的力學(xué)性能和電導(dǎo)率都表現(xiàn)優(yōu)異，認(rèn)為是安全可行的時(shí)效制度。

3 結(jié)論

（1）時(shí)效工藝對(duì)6063鋁合金的力學(xué)性能和電導(dǎo)率的影響很大。隨著時(shí)效溫度的升高或時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)電導(dǎo)率均會(huì)提高，但合金強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)。

（2）當(dāng)時(shí)效加熱溫度175℃、保溫時(shí)間10h時(shí)，6063鋁合金導(dǎo)電管電導(dǎo)率≥30.5MS/m、Rm≥245MPa、Rp0.2≥200MPa、A≥10%，產(chǎn)品綜合性能穩(wěn)定，適用于批量生產(chǎn)。