高性能6063合金電機殼型材生產工藝研究

于金鳳，呂懷成，李 慶，初曉東，曲雙燕

（龍口市叢林鋁材有限公司，龍口 265705）

關鍵字：水冷電機殼；6063合金

0 前言

6063 鋁合金屬于中等強度的Al-Mg-Si 系合金，具有良好的擠壓性能、耐腐蝕性能、焊接性能和氧化著色性能等，已廣泛應用于導電型材、管材、棒材、陽極氧化型材以及汽車型材等領域[1]。導電類型材、管材、棒材要求在保證力學性能的前提下，達到導電率的要求，成衛兵[2]等人進行了導電率與力學性能的匹配研究。陽極氧化型材追求高表面質量要求，張鵬[3]等人研究了6063鋁合金表面質量提升方法。隨著新能源汽車的發展，汽車客戶對6063 合金型材的力學性能提出了更高的要求[4]。水冷電機殼型材缸體部分采用一體式擠壓成型，型材基體力學性能要求高于標準要求，為生產出滿足客戶要求的產品，開展了合金成分配比、在線淬火和擠壓試驗。

1 型材生產及試驗方法

1.1 鑄錠生產

采用半連續鑄造生產φ440 mm 規格的6063合金鑄錠，其合金成分范圍見表1。將6063合金設計成6063-1 和6063-2 兩組成分。6063-1 合金Mg2Si的含量為0.88%，過剩Si 的含量為0.08%；6063-2合金Mg2Si的含量為1.1%，過剩Si的含量為0.06%。

表1 6063化學成分（質量分數/%）

因水冷電機殼型材的力學性能指標高于國標要求，故開展兩種成分試驗。對鑄錠進行560 ℃保溫8 h 均勻化處理，均勻化溫度范圍控制在±5 ℃以內，鑄錠車皮至φ430 mm。

1.2 擠壓工藝

6063 合金的淬火敏感性較低，一般生產采用風冷淬火即可滿足要求。考慮到型材的高性能要求，在70 MN擠壓機上采用風冷和風霧冷卻兩種淬火方式進行生產，擠壓工藝參數見表2。擠壓后的型材在175 ℃下進行8 h的時效處理。

1.3 拉伸試驗

不同化學成分、不同淬火方式的型材按照GB/T 16865—2013《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗用試樣及方法》標準的要求進行試驗加工，力學性能要求見表3。

1.4 低倍脹裂

按照GB/T 3246.2 《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗方法第2 部分低倍組織檢驗方法》標準對型材的頭、尾兩端進行低倍檢測，按標準要求型材的擠壓焊縫不應存在焊合不良現象。且按照GB/T 32790 《鋁及鋁合金擠壓焊縫焊合性能檢驗方法》標準要求對水道位置進行擴口檢測，若焊縫斷口呈光滑平直狀形貌或呈光滑平直狀斷口與纖維狀斷口和（或）剪切唇狀斷口共存的形貌，則判定焊合性能不合格。

2 試驗結果

2.1 力學性能

首先針對6063-1 和6063-2 合金開展試驗，分別使用兩種合金鑄棒擠壓成電機殼，均采用在線風冷淬火方式，對水道內側進行力學性能檢測，各位置共12個試樣，結果見圖1。試樣力學性能平均結果見表4。

圖1 合金型材風冷淬火水道內側各位置力學性能

表4 6063-1和6063-2合金型材風冷淬火力學性能平均值

6063-1 合金生產的型材抗拉強度在221～258 MPa 之間，屈服強度在174～237 MPa 之間，斷后伸長率在8%～18%之間，平均抗拉強度為239.5 MPa，平均屈服強度為209 MPa，平均斷后伸長率為12%。6063-2合金生產的型材抗拉強度在245～269 MPa之間，屈服強度在211～247 MPa之間，斷后伸長率在6.5%～14.5%之間，平均抗拉強度為258 MPa，平均屈服強度為229 MPa，平均斷后伸長率為10%。工業生產情況下型材的不同位置隨著擠壓變形程度的不同、冷卻強度的不同以及檢測誤差，其力學性能會存在一定的差異。6063-1 合金的力學性能存在不滿足客戶要求的情況，6063-2的力學性能明顯優于6063-1。

下面針對6063-2 合金進行檢測，檢測其水道內側和實心典型位置分別在風冷和風霧冷卻下的力學性能。在5個典型位置選取試樣，風冷淬火條件下的力學性能見圖2 和圖3，風霧淬火條件下的力學性能見圖4和圖5。

圖2 6063-2合金型材風冷淬火水道內側典型位置力學性能

圖3 6063-2合金型材風冷淬火實心典型位置力學性能

圖4 6063-2合金型材風霧淬火水道內側典型位置力學性能

圖5 6063-2合金型材風霧淬火實心典型位置力學性能

圖6 兩種合金型材的顯微組織

風冷淬火條件下，水道內側抗拉強度在254～274 MPa之間，屈服強度在225～250 MPa之間，斷后伸長率在9%～12.5%之間，平均抗拉強度為266 MPa，平均屈服強度為241 MPa，平均斷后伸長率為11%；實心位置抗拉強度在252～267 MPa 之間，屈服強度在215～242 MPa 之間，斷后伸長率在7.5%～11%之間，平均抗拉強度為253 MPa，平均屈服強度為224 MPa，平均斷后伸長率為9%。

風霧淬火條件下，水道內側抗拉強度在261～267 MPa之間，屈服強度在243～251 MPa之間，斷后伸長率在12%～12.5%之間，平均抗拉強度為264 MPa，平均屈服強度為246 MPa，平均斷后伸長率為12%；實心位置抗拉強度在259～266 MPa之間，屈服強度在237～245 MPa 之間，斷后伸長率在9.5%～11%之間，平均抗拉強度為263 MPa，平均屈服強度為243 MPa，平均斷后伸長率為10%。

最后，針對6063-2 合金型材水冷和風霧冷卻進行性能對比，取5個平行試樣的平均值，結果見表5。風冷和風霧淬火條件下，水道內側的力學性能沒有明顯差異，實心位置風冷淬火條件下性能略低，但均滿足客戶的要求。

表5 6063-2合金型材風冷和風霧淬火性能結果

2.2 顯微組織

6063-1 和6063-2 合金型材的顯微組織見6，兩種型材的顯微組織均為完全再結晶組織，晶粒級別指數3～3.5級。

2.3 低倍脹裂

對水冷電機殼型材的頭、尾兩端進行低倍檢測，不存在焊合不良現象，且低倍脹裂合格，如圖7所示。若存在低倍不良或脹裂不合格情況，對型材進行返截。低倍、焊合質量的好壞主要取決于模具結構。另外，擠壓生產中高溫低速的擠壓方式有助于焊合。

圖7 型材低倍脹裂

3 分析與討論

6063 合金屬于Al-Mg-Si 系合金，主要強化相為Mg2Si 相，其強化能力與在固態鋁中的溶解度有關，而Mg2Si 的溶解度不僅與溫度有關，而且還與Mg 含量有關。當Mg、Si 元素的質量比大于1.73時，除形成Mg2Si 外，還存在過剩Mg。過剩Mg 的存在會顯著降低Mg2Si 在固態中的溶解度，造成粗大強化相從鋁基體中析出，嚴重減弱Mg2Si 對鋁合金材料強化的作用[5]；因此本實驗中的6063-1 和6063-2 合金均采用Si 過剩的方式，對比不同Mg2Si含量下的性能。

6063 合金擠壓型材的晶粒均為完全再結晶晶粒，且晶粒度相當，細晶強化的效果相當。力學性能的提高主要依靠固溶強化和時效強化。鑒于水冷電機殼型材的復雜性，擠壓速度慢，需要采用高棒溫保證型材的出口溫度，結合風冷或風霧淬火方式，保證型材的固溶強化效果[6-7]。在同樣風冷淬火的條件下，6063-2 合金型材的抗拉強度和屈服強度比6063-1 合金高20 MPa，斷后伸長率略低。對6063-2 合金型材采用在線風冷的淬火方式，水道內側和實心位置的力學性能均滿足客戶的要求，水道內側的強度明顯高于實心位置；開展風霧冷卻，風霧淬火條件下，水道內側和實心位置的力學性能沒有明顯差異，均滿足客戶的要求。考慮到工業生產情況下，氣溫的變化會對風冷淬火效率產生較大影響，在夏季生產建議采用風霧淬火方式。

4 結論

6063 合金含1.1%的Mg2Si，Si 稍微過剩，采用高溫低速的擠壓工藝，在線風冷或風霧冷卻的方式，可保證水冷電機殼型材的力學性能滿足客戶要求。考慮到工業生產中，氣溫的變化對淬火效果的影響，夏季建議采用風霧淬火方式。