高性能超流6×××系铝合金的进展

王海彬，王祝堂

(1.东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150060； 2.中国有色金属加工工业协会，北京 100814)

6×××系铝合金又称Al-Mg-Si合金或Al-Mg2Si合金，Mg及Si是其主要合金化元素，往往还含有少量的Mn或Cr，作为杂质元素Fe的中和剂，有时还添加少量Cu或Zn，以提高合金的强度，而又不使其抗蚀性能明显下降；导电材料中有少量Cu、以抵消Ti及V对导电性的不良影响； Zr或Ti能控制晶粒尺寸；为了改善切削加工性，有时还加入Pb与Bi，但它们在此类合金中的作用比在无Mg合金中的小。

现行的6×××系铝合金的化学成分(质量分数/%)：Mg 0.2～1.5，Cr 0～0.5，B、Ti、Zr 0～0.3，Si 0.2～2，Cu 0～2.0，Pb、B 0～0.1，Mn 0～1.5，Zn 0～2.5。

Mg2Si中w(Mg)/w(Si)为1.73，但是在生产中不可能保持此比例，所以大部分合金不是含有过剩量的Mg，就是Si含量过剩。Mg含量过剩时，合金的抗蚀性能好，但强度与成形性能较低； Si含量过剩时，合金的强度高，成形性能及可焊性能较低，且稍有晶间腐蚀倾向。

Al-Mg-Si合金的组织比较简单，主要强化相是Mg2Si，热处理时Mg2Si溶于固溶体中，使合金在人工时效时有强化能力。如果合金含有相当量的Cu和Si，则除了Mg2Si外，还会形成Cu2Mg8Si6Al5，即至少有一部分Mg2Si被Cu2Mg8Si6Al5取代，后者也有一定的时效硬化能力。在无Mn、Cr的合金中，Fe以Al3Fe、Al6Fe、Fe2SiAl6或FeMg3Si6Al8的形式存在；在有Mn及Cr的合金中，Fe与它们形成化合物。Zn溶于固溶体中，B、Ti、Zr的含量很小，一般不会形成可见的化合物。加入P、S、Te、I或MgCl2可使Mg2Si球化。

2018年在美国铝业协会公司(The Aluminum Association，Inc.)注册的706个变形铝合金中(常用的550个，非常用的156)，6×××系铝合金126个，占17.85%，居第二位，仅比5×××铝合金的141个少15个。但是6×××系铝合金半成品的产量却居前位，因为建筑-结构铝材的85%以上是用6063型及6061型铝合金生产的。

1 6×××系铝合金的发展历程

回顾近70年来6×××系铝合金的发展[1]，该系的6063铝合金于20世纪80年代在北美和欧洲获得了广泛的应用，是一种软合金，用于挤压建筑-结构铝材，美国铝业公司(Alcoa)1944年发明，与7075铝合金同时诞生，含w(Mg)=0.45%的Mg。Mg、Si的含量不完全符合Mg2Si的原子比，Si过剩一些(图1)。如要制备强度稍低些的T5状态材料，可降低Si含量，现在仍有不少这样的合金在使用。6063型铝合金现有6个常用合金： 6063 (美国)、6063A(1979年英国)、6463(1957年美国)、6463A(1973年澳大利亚)、6763(1972年美国)、 6963(1994年美国)；非常用合金(inactive alloy)6个： X6163、 6263、6363、6563、6663、6863。

图1 6×××系铝合金Mg、Si的含量范围Fig.1 Content range of Mg and Si in 6××× series Al alloys

虽然6060铝合金1972年就已注册，但在那个时候并没有获得广泛应用，主要原因是它的成分设计原理是其平衡相Mg2Si量与6063铝合金的相同， 因此其抗拉强度很难达到6063-T6铝合金的水平。尔后发现，增大过剩Si的量可以提升强度，而可挤压性能的下降很小,不过过剩Si的量也是有一定限度的。20世纪90年代欧洲开始用6060铝合金取代6063铝合金，研究发现，减少Mg含量，加大Si含量，合金的强度不会降低，而挤压性能却明显上升。那时Si在合金中的作用尚未彻底明白，只知道它能细化沉淀相质点，加大合金的人工时效能力。2018年，6060铝合金已发展到常用合金8个： 6060(1972年，欧洲铝业协会EAA)、 6160(1993年美国)、6260(1996年美国)、6360(2001年美国)、 6460(2001年美国)、6460B(2010年巴西)、6560(2001年美国)、6660(2011年美国)；非常用合金1个，6460A。

20世纪90年代后期，力拓公司(Rio Tinto)开发出 6360铝合全，成分设计原理：充分利用过剩Si与较低的Mg含量，从而提供较低的流动应力与仍可以达到6063-T6铝合金的强度。6360铝合金2001年注册，同时在北美进行商业化生产。在20世纪90年代后期，欧洲和澳大利亚的一些大学的科学工作者采用原子探针(atom probe)和高倍显微镜发现[2]：纳米级时效硬化沉淀相β′的x(Mg)/x(Si)≈1∶1，而不是过去认为2∶1。

由图1可清晰地看出在美国铝业协会公司注册的6×××系铝合金的成分范园，6060及6063铝合金的Mg、Si含量相近1∶1，而它们的总含量又使合金的力学性能满足标准要求，这两个合金在北美和欧洲都获得广泛应用，不过北美对6063铝合金更喜欢些，太平洋地区及国家都广泛应用它们。6360铝合金是根据实践经验开发的，它综合了6×××系铝合金的全部优点。

中等强度的6×××铝合金的发展在北美和欧洲各走各的路，自20世纪50年代以来，北美的结构挤压铝材市场主要是6061铝合金，它的成分范围是按Mg2Si的原理设计的，6061-T6铝合金有最高的强度性能。力拓公司利用Mg含量的下限，开发成功T6状态的挤压机淬火工艺[3]，于20世纪90年代后期面世的68234铝合金有优秀的挤压性能，很易达到6061铝合金的性能，它的x(Mg)/x(Si)=1∶1，也就是在标准规定范围内Si含量尽量高些，而Mg含量尽量低些。68234是力拓公司的铝合金牌号。

与6061铝合金对应的，在欧洲则用6082铝合金，一直延续了四五十年，它的x(Mg)/x(Si)接近1∶1，并含有少量的Mn和Cr，它的挤压速度比6061铝合金的约快10%，在北美多用它挤压汽车结构型材。

20世纪70年代，欧洲开发出可中间空气淬火合金(intermediate air quenchable)6005A铝合金，它的性能介于6082与6063铝合金之间，其w(Mg)/w(Si)符合1∶1。力拓公司研制的65300铝合金是6005A铝合金的改型，于20世纪90年代初期进入北美市场，用以取代6005铝合金。该合金适于空气淬火，现已纳入美国铝业协会2015年版铝设计手册，在工业生产中，它的性能很容易满足6061-T6铝合金的最低要求，而其挤压速度比6061铝合金的快30%，在生产结构挤压材时可用它取代6061铝合金。6005A及6082铝合金都已纳入美国焊接协会(AWS)的有关手册与资料汇编。

2 高性能6360铝合金

21世纪以来，为了减小流动应力与增大挤压性能，力拓公司研究中心实验室和中间试验厂对一些合金进行了谨慎的筛选与评估。图2[1]示出挤压突破力与成分的关系。由图2可见，在w(Mg)由0.48%减小到0.24%时，每减小0.1%，挤压力下降约3%。相反，w(Si)每上升0.1%，挤压力仅下降约1%。合金在时效(185 ℃5 h)后的抗压强度与成分的关系见图3[1]。由图3可见，若w(Mg)<0.25%，合金的性能就很难满足标准要求。若w(Mg)为0.30%～0.35%，w(Si)为0.5%～0.6%，合金的力学性能就与6063-T5及T6的相当。

N.C.帕森(Parson)等研究了挤压材的表面质量与Si含量及挤压速度的关系，发现形成表面凹痕(pickup)的最低速度随着Si含量的增加而下降，这与均匀化铸锭组织形成β-FeSiAl5相的稳定性相吻合。

图4表示凹痕的形成倾向与Si含量、出口挤压速度的关系，合金w(Mn)=0.03%与w(Fe)=0.17%。加大Mn含量可有效使β相转变为α-Al12(FeMn)5Si，同时可以提升挤压速度，材料表面质量好，没有任何缺陷，由此可知β相对材料表面品质的不良影响。这种情景也清晰地指出，β相可促进合金化程度低的Al-Mg-Si合金挤压材表面出现凹痕。

图4 凹痕形成倾向与出口速度、Si含量的关系Fig.4 Relationship of denting tendency and exit speed and Si content

力拓公司北美研究中心对Al-0.33Mg-0.50Si合金进行了更为深入的研究，并与常规6060铝合金作了对比试验(表1)。两种合金的w(Mg)+w(Sieff)含量相近，前者的为0.77%，后者的为0.79%，其中的w(Sieff)为w(Si)-[w(Mn)+w(Fe)]/4。对这两种合金进行了一系列的成对试验(back-to-back trials)， 入口速度25 m/min～100 m/min，锭坯温度450 ℃。6360铝合金的挤压力约比6060铝合金低4%，这相当于6360铝合金的挤压温度可比6060铝合金的低20 ℃，或者说它的挤压速度可比6060铝合金的约大12%。

表1 力拓公司试验的合金化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical compositions of the specimen tested by Rio Tinto(wt%)

在试验时，在型材端面钻有孔，便于插入热电偶测量温度，型材温度变化如图5所示。在给定的柱塞速度时，6360铝合金型材的温度低4 ℃～5 ℃，这是因为6360铝合金的流动应力较小，也就是说，表面缺陷凹印未出现前，6360铝合金的挤压速度可比6060铝合金的约快10%，即6360铝合金锭坯的挤压温度可比6060铝合金的低。试生产型材的表面粗糙度见图6。由图6可见，6360铝合金型材的表面比6060铝合合的光滑，挤压柱塞速度相等。

图5 温度与锭坯频率的关系Fig.5 Relationship between temperatures and billet sequence

图6 对比试验时型材的表面粗糙度Fig.6 Profile surface roughnesses in the contrast test

根据力拓公司的试验，6360铝合金的优势很明显，生产率有较大提高，在埃罗里特挤压厂(Aerolite Extrusions)试验了13种模，有些模的使用次数超过13次，6360铝合金的生产率平均比6063铝合金的高9.5%，有些模的甚至高达24%，模的寿命也大为延长，有些模挤压的锭坯数已达50块、100块，甚至有达200块的，所挤材料的表面品质也令人满意(见图7)。

图7 挤压锭坯的型材的表面粗糙度Fig.7 Profile surface roughnesses during extrusion of the billet

6360铝合金挤压型材在185 ℃5 h时效后的力学性能与6063铝合金的相当(表2)，并有很好的时效能力。不过这两种合金在实际生产中往往在车间内停放一段时间才能时效，这对材料的力学性能有一定的影响，但是现代化的生产线可以做到无停放时间，下挤压线后可及时时效，或停放很短时间。图8示出了6360及6060铝合金的时效(185 ℃)曲线，为了比较还绘有6063铝合金的时效曲线。6063铝合金在时效保温5 h后即达到峰值，而6360及6060铝合金达到峰值则需8 h，这么长的时效时间在实际生产中是不可接受的。他们的研究发现，向合金添加w(Cu)≈0.05%，就可以大大加速6360铝合金的时效动力学，从而引出了63081铝合金，它是6063铝合金的变型，时效后的力学性能与6063-T6铝合金的相当。同时，含微量Cu的6360铝合金有很好的表面处理性能，氧化后表面甚为亮丽，与6060及6063铝合金阳极氧化一模一样。当前，6360-T5、 T6铝合金已获得广泛应用，特别适合于挤压截面复杂的型材。6360-T5、T6铝合金型材的性能已纳入美国铝业协会标准。

表2 6360型合金的状态及力学性能(标准规定)Table 2 Tempers and mechanical properties of 6063 Al alloy(specified)

图8 Cu对6360铝合金时效的影响Fig.8 Influence of Cu on the ageing of 6360 Al alloy

3 高性能超流6063铝合金[4]

与6360铝合金的发展相反，力拓公司最初为澳大利亚/太平洋地区市场研制出一种强化效率高的合金，它的Mg、Si含量原子比为1∶1，即在标准的规定的范围内，尽量减少Mg含量，加大Si含量(参见图1)。与发展6360铝合金相似，添加了微量的Mn，以促进α相向含Fe的β相转变，这就是力拓公司的65496铝合金，2010年进入北美市场，虽然它的w(Mg+Si)含量 约达1.0%，比6063铝合金的约0.85%高一些，而熔点有所下降，在实际生产中，它的挤压效率与SF 6063铝合金的非常接近。

生产实践很快就证明，超流合金(superflow 6063)在北美市场上的一个主要优点就是有突出的时效能力，成为6063铝合金与传统结构合金如6005A、6061铝合金之间的新型实用合金。力拓公司技术中心进行了约4个月的生产性试验，挤压了5种型材，试验结果见表3。在充分时效状态下，SF6063铝合金的抗拉强度实际上能满足6005A-T61铝合金的最低要求，虽然其平均值比标准6005A铝合金的低。在此基础上，力拓公司在美国协会公司注册了一个新的合金状态6063-T65。其最低力学性能完全与6063-T6、6005A-T61、6061-T6铝合金的相当，见表4。

表3 SF6063铝合金与6005A铝合金的性能比较Table 3 Property comparison between SF6063 alloy and 6005A alloy

表4 6063-T65铝合金的力学性能*与标准合金性能*的比较Table 4 Contrast of mechanical properties between6063-T65* and standard Al alloys

注：*注册性能值。

SF 6063铝合金可以经欠时效处理(underage)后就能达到6063-T6铝合金的性能，从而可以缩短时效处理周期。现在北美的许多用户都已欣然接受了这个合金。SF6063铝合金在165 ℃及185 ℃时效后的性能见图9，保温前的加热升温为1.5 h～2 h，图中的水平线代表对6063-T6铝合金的最低要求抗拉强度。由图可以清晰看出，SF6063铝合金时效后的力学性能完全能达到6063-T6铝合金的水平，还绰绰有余。

图9 SF6063铝合金的抗拉强度与时效时间的关系Fig.9 Relationship between the tensile strength and ageing time of SF6063 Al alloy

4 高性能超流6060铝合金

超流6060铝合金的研发历程与高性能超流SF6063轻合金的相似，即尽量降低6060铝合金的Mg含量，使Mg、Si含量的原子比接近1∶1平衡线，同时与6063铝合金相比，6060铝合金对地板时效(floor age)与加热速度更为敏感，时效动力学也比6063铝合金的慢。“地板时效”即通常说的“停放效应”。不过，即使在最坏情况下，利用现代化的自动设备处理，6060铝合金的力学性能也能满足标准要求。图10为6060铝合金的时效曲线，地板时效时间很短，时效时的加热速度也快。试验表明，此合金在200 ℃3 h时效后的性能就能达到欧洲AA6060-T66铝合金的标准。它在欧洲的牌号为606007，欧洲的一批生产企业已接受了此合金，它同SF6063铝合金一样，此合金的强度还有较大的提升潜力，同时有相当强的吸收冲击能的性能，欧洲一些汽车构件厂已用它制造直齿轮变速器(crashbox)/防撞构件(crash)。

图10 SF6060铝合金的时效曲线Fig.10 Ageing curves of SF6060 Al alloy

5 结束语

在变形铝合金中，6×××系铝合金是产量最大与应用最广的，建筑-结构铝材都是用它们挤压的。1934年6061铝合金成型、1944年6063铝合金成型，前者中等强度，后者的强度中等偏下，它们是6×××系的主要合金，建筑-结构铝材大多数是用它们生产的，都是美国铝业公司研发的，自20世纪40年代中期至21世纪10年代中期6×××系铝合金处于稳健的发展期。2005年以来，加拿大铝业公司及以后的力拓-加铝公司对6063、6060铝合金的发展做了许多工作，先后推出高成形性(high performance)6360铝合金、高成形性超流(high performance superflow)6063铝合金、高成形性超流(high performance Superflow)6060铝合金，并冠以SF6063、606007等新牌号，它们已在欧洲、北美获得商业生产与应用，不但性能有所提高，而且由于挤压速度(流速)的提高，生产效率普遍提高20%以上。

笔者编撰此文是希望中国的铝挤压生产者关注国外的最新技术成就。