6061-T6鋁合金擠壓棒材導電率研究

周江平，朱世安，2，劉 歡，蔡月華，羅濤濤

（1.廣東豪美技術創新研究院有限公司，清遠 511540；2.廣東豪美新材股份有限公司，清遠 511540）

0 前言

6×××系鋁合金具有比強度高、成形性好、耐蝕性強、耐高溫等優良性能，在所有可擠壓鋁合金產量中占比70%以上[1-2]。6061 鋁合金具有中等強度、優良的焊接性能和良好的加工性能，廣泛地應用于汽車零部件。隨著新能源汽車零部件應用市場的拓展，用戶普遍對材料的綜合性能提出了更高的要求，同時提出了高強度和高導電率的技術要求。按照常規工藝生產的6061-T6鋁合金擠壓棒材電導率在35.5%IACS～39.5%IACS，不能滿足導電率≥45%IACS的需求。本文通過探索鋁棒成分、均質工藝、時效工藝對6061 棒材力學性能和導電性能的影響，批量生產出符合用戶技術要求的棒材，為工業化生產提供參考。

1 試驗研究

1.1 技術要求

6061 棒材的生產工藝流程：熔鑄→擠壓→時效。客戶的技術要求見表1，可以看出，客戶提出的力學性能和導電率要求遠超國標。

表1 6061-T6棒材技術要求

1.2 試驗材料

設計了如表2所示的3種不同化學成分的6061合金，鑄成φ320 mm×1 250 mm的鑄錠。

表2 試驗合金的化學成分（質量分數/%）

2 試驗結果及分析

2.1 化學成分

具體鑄造工藝參數見表3。熔煉溫度710～750 ℃。共鑄造3 個熔次的鑄棒，實測化學成分見表4。導電率與金屬內部自由電子運動有關，鋁合金熔煉固溶時，原鋁錠中存在的Fe、Cr、Ti、Mn等過渡族雜質元素固溶進基體或形成金屬化合物，引起基體固溶度增加、晶格畸變等進而導致金屬的導電率降低。過剩Si部分以游離Si的形式固溶在基體中，造成晶格畸變，導致導電性能下降，因此需要盡量減少過剩Si的含量，可將Si的含量盡量往下限控制。Cu 含量增加有利于力學性能和導電率提升，所以Cu按照中上限控制[4]。

表3 鑄造工藝參數

表4 實測化學成分（質量分數/%）

2.2 均質化處理

研究不同均質工藝對6061 鋁合金擠壓棒材T6狀態下制品導電率的影響，具體均質工藝參數見表5，均質后合金硬度、電導率及晶粒度等級見表6。合金鑄態的組織主要由枝晶狀的α（Al）過飽和固溶體及枝晶間的非平衡共晶相所組成。合金在鑄造冷卻條件下，其組織主要為過飽和固溶體，由于過飽和程度較高，合金的硬度也相應較大，此時合金的導電率降低。均勻化退火后，加入的Mn、Cr 等形成高溫彌散相MnAl6、CrAl7等。與此同時，部分Mn、Cr 進入AlFeSi 相形成Al（FeMnCr）Si，過飽和固溶體逐漸分解，使基體過飽和程度下降，進而導致合金硬度降低，導電率升高[5]。

表5 6061合金均質工藝參數

表6 6061合金均質后硬度、電導率及晶粒度等級

6061 合金均勻化過程中隨著溫度的提高，枝晶偏析消除越徹底。通過表5 和表6 的數據得知：均勻化溫度越高，導電率越高。6061 合金使用575 ℃×8 h 工藝均勻化后相比520 ℃×12 h 工藝均勻化而言，前者硬度相對更低、導電率更高。

2.3 時效工藝

研究不同時效工藝對6061-T6鋁合金擠壓棒材制品導電率的影響。6061 合金擠壓棒材選定φ80 mm 規格，鑄錠規格采用φ320 mm×1 250 mm，擠壓筒徑為330 mm，筒溫為400～430 ℃，擠壓殘料厚度為50 mm，冷卻采用水浴冷卻，可以滿足產品的冷卻需求。實驗過程按照表7的擠壓工藝參數進行試驗。

表7 6061合金擠壓工藝參數

不同化學成分和均質工藝采用同一擠壓工藝的φ80 mm圓棒，分別按照175 ℃×8 h、195 ℃×6 h、205 ℃×3.5 h 和220 ℃×1.5 h 時效工藝進行時效，并測試其力學性能及導電率，結果見表8。

表8 不同時效工藝參數下棒材力學性能及導電率

對于Al-Mg-Si 這種熱處理可強化合金，其第二相的析出狀態對合金性能具有顯著影響。鋁合金的導電性能主要是通過自由電子的定向運動而實現，因此，對鋁合金導電率影響最為強烈的因素是基體的固溶度。固溶度越高，自由電子的散射越嚴重，對自由電子的定向運動阻礙越大，所以導電率越低[6-7]。此類合金的強度增量主要是通過強化相阻礙位錯運動而實現，從固溶狀態開始進行時效處理，隨著強化相的析出，合金強度與導電率值是負相關[8-9]。

在過時效狀態下，合金組織和性能更為穩定，但此時因強化相的粗化長大，降低了對位錯的阻礙運動，因此強度會有所降低。而隨著過時效程度的增加，更多溶質原子從基體中脫溶，合金基體固溶度繼續降低，導電率得到明顯提高。

通過表8 的數據分析得知，同一批次的合金，在擠壓工藝相同的情況下，棒材經195 ℃×6 h、205 ℃×3 h和220 ℃×1.5 h工藝時效后都處于過時效狀態，相比175 ℃×8 h工藝時效其性能降低，但導電率有所上升。綜合力學性能和導電率指標，最優的時效工藝是195 ℃×6 h。

3 結論

（1）6061 合金擠壓棒材，其雜質含量越低鑄棒的導電率越高；通過實驗研究最優的化學成分是2#成分，可以滿足擠壓棒材性能和導電率的要求。

（2）用于6061合金擠壓棒材的鑄棒采用不同溫度均質，相比低溫均質工藝，采用高溫均質工藝的鑄棒導電率有較大提升，性能有較小的提升。

（3）6061 合金擠壓棒材采用高溫時效時，導電率更高，性能更低。

（4）最優的工藝組合是：均質工藝575 ℃×8 h和時效工藝195 ℃×6 h，擠壓出來的6061 合金棒材可以滿足用戶要求。