高强度6063铝合金导电管的研制

2019-05-15李金龙顾维明金智澎

铝加工 2019年2期

李金龙，赵芳，顾维明，金智澎，于璐

（辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003）

0 前言

6063铝合金属于Al-Mg-Si系合金，具有中等强度、良好的焊接性、抗腐蚀性以及导电性和导热性等特点，广泛应用于汽车、建筑、电力等行业。6063铝合金导电管一般采用T6状态，行业上要求电导率≥29MS/m，同时Rm≥215MPa、Rp0.2≥170MPa、A≥10%。伴随工业产业的飞速发展，电力、电器装备制造对导电管提出了越来越高的要求[1-2]。

合金化学成分、挤压淬火条件、时效制度是影响铝合金导电性和力学性能的主要因素[3]。本课题根据市场急需的6063-T66状态高强度、高导电性能导电管，即电导率≥30.5MS/m、Rm≥245MPa、Rp0.2≥200MPa、A≥10%，在对合金化学成分、铸锭均匀化处理、挤压工艺、在线淬火工艺进行充分探讨基础之上，研究了不同时效制度对6063铝合金力学性能及电导率的影响，以期提高6063铝合金的综合性能，并使其能完全应用于产业化生产，为客户批量提供性能稳定的合格产品。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

由于6063铝合金中主要强化相为Mg2Si，当Mg、Si含量低时，电导率则提高。基于产品对力学性能的较高要求及后续时效机制，结合6063合金生产经验，试验所用材料为本公司生产的规格为φ446mm×1290mm的6063合金铸锭，其化学成分与欧洲6063合金化学成分标准对比见表1。

表1 6063铝合金的化学成分（质量分数/%）

采用75MN挤压机进行管材的挤压生产，其直径90mm，壁厚20mm，挤压比为37.8，管材截面图如图1所示。为保证淬火强度获得均匀的过饱和固溶体的同时又能提高生产效率，采用在线水槽穿水淬火方式生产，铸锭加热温度控制在500～460℃，挤压速度在7～9m/min范围，管材进水槽温度要求不低于500℃。

图1 管材截面图

1.2 试验方法

合金的电导率和力学性能是相互制约的两个物理量，导电性好时电导率高，但电导率高时力学性能又会降低很多。6063铝合金管材时效温度为175℃，保温时间分别为8h和10h；时效温度为200℃，保温时间分别为3、4和5h，进行正交试验。检测时效处理后型材力学性能、电导率。

试验样品选用实际生产工艺符合标准的挤压坯料，在其头尾分别取样时效处理。采用SMP-10涡流电导仪测试管材电导率、AG-X 100KN电子万能试验机测试样品室温拉伸性能。

2 试验结果及分析

2.1 时效制度对6063合金力学性能的影响

对不同时效制度下的挤压管材进行力学性能检测，其结果如图2所示。6063铝合金热处理可强化相是β（Mg2Si）相，其时效脱溶序列为：α过饱和固溶体→GP区→β"相→β'相→β相。时效初期Mg、Si原子在铝基体的晶面上聚集，形成溶质原子聚集区即GP区，与基体保持共格关系，边界上的原子为母相α和GP区所共有。为了同时适应两种不同原子排列形式，共格边界附近产生弹性应变，正是这种晶格的严重畸变阻碍了位错运动，从而提高了合金的硬度。随着时效温度的提高或时效时间的延长，Mg、Si原子进一步富集并趋向有序化，迅速长大成针状或棒状即为β"相，其C轴方向的弹性共格结合引起的应变场最大，它的弹性应力也最高。当β"相长大到一定尺寸，它的应力场遍布整个基体，应变区几乎相连，此时合金的硬度最高；随着时效过程的进一步发展，在β"相的基础上，Mg、Si原子进一步富集形成局部共格的β过渡相，其周围基体的弹性应变有所减轻，对位错运动的阻碍减少，此时强度达到最大值，硬度已有所下降。时效后期在β'相与基体界面上形成稳定的β相，失去了与基体之间的共格联系，完全从基体中脱离出来，共格应变消失，硬度下降。

从上述脱溶过程来看，GP区、β"相、β'相都能有效地提高6063铝合金的强度、硬度，但强化效果有所不同，以β"相的强化效果最大。而一旦出现β相，合金强度、硬度将下降。因而如何提高GP区和β"相的密度就成为提高6063铝合金性能的关键。

GP区数量的大小主要取决于时效温度，时效温度越高则空位和溶质原子的扩散加快，GP区易长大，因而GP区的尺寸较大而密度则减小。当时效温度在200℃以上，GP区由针状转变为棒状，长度也增加而密度减小。因而采用200℃的高温时效时，硬化速度很快，峰值时间短，但GP区和β"相的密度减低，故其峰值较低。低温时效因其GP区和β"相密度较高，其峰值也较高，但硬化速度慢，峰值时效时间长。

图2 不同时效制度下管材的力学性能

2.2 时效制度对6063合金电导率的影响

图3是不同时效制度处理后挤压管材的电导率。由图可知，时效过程中，随着时效温度的升高或时效时间的延长，沉淀相不断从基体中析出长大，弥散度不断减小，沉淀相与基体的共格关系不断减弱，从而使基体点阵内的晶格畸变程度不断降低。基体点阵中电子散射源的数量和密度不断减小，导电电子的自由程增加，从而使电导率增加。

图3 不同时效制度下管材的电导率

2.3 6063合金力学性能与电导率之间的关系

从试验结果可以看出，随时效制度不同，合金出现典型的峰值时效和过时效过程。在低温人工时效下，合金在175℃×8h人工时效下力学性能已达到峰值，随着时效时间延长至10h，力学性能未有明显变动，但电导率有大幅度提升；在高温人工时效下，合金在200℃×4h人工时效下力学性能已达到峰值，随着时效时间延长至5h，进入过时效阶段，力学性能明显下降，但电导率有大幅度提升。

对比高温时效和低温时效两种时效制度，可以看出6063合金在175℃低温时效其力学性能峰值较200℃高温时效的高，但对应的电导率不如高温时效的高。同种时效温度不同时效时间下的试验显示，电导率随时效时间的延长而升高。

对比试验目标：电导率≥30.5MS/m、Rm≥245MPa、Rp0.2≥200MPa、A≥10%，200℃×4h的峰值时效虽然电导率高达31.7MS/m以上，但抗拉强度仅在250 MPa左右，非常接近目标的下限值，实际生产较难控制，不是可行的时效制度；对于175℃×8h的试验结果，虽然力学性能都远高于目标值，但电导率仅为30.6MS/m左右，非常接近目标的下限值，实际生产较难控制，也不是可行的时效制度；而175℃×10h的试验结果表明合金的力学性能和电导率都表现优异，认为是安全可行的时效制度。