6063铝合金化学成分的选择

上一篇 / 下一篇  2010-07-14 13:57:05

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  6063铝合金广泛用于建筑铝门窗、幕墙的框架,为了保证门窗、幕墙具有高的抗风压性能、装配性能、耐蚀性能和装饰性能,对铝合金型材综合性能的要求远远高于工业型材标准。 在国家标准GB/T3190中规定的6063铝合金成分范围内,对化学成分的取值不同,会得到不同的材质特性,当化学成分的范围很大时,其性能差异会在很大范围内波动,以致型材的综合性能会无法控制。

  因此,优选6063铝合金的化学成分成为生产优质铝合金建筑型材的最重要的一环。

  1 合金元素的作用及其对性能的影响 6063铝合金是AL-Mg-Si系中具有中等强度的可热处理强化合金,Mg和Si是主要合金元素,优选化学成分的主要工作是确定Mg和Si的百分含量 (质量分数,下同)。 1.1 Mg的作用和影响 Mg和Si组成强化相Mg2Si,Mg的含量愈高,Mg2Si的数量就愈多,热处理强化效果就愈大,型材的抗拉强度就愈高,但变形抗力也随之增大,合金的塑性下降,加工性能变坏,耐蚀性变坏。 1.2 Si的作用和影响 Si的数量应使合金中所有的Mg都能以Mg2Si相的形式存在,以确保Mg的作用得到充分的发挥。随着Si含量增加,合金的晶粒变细,金属流动性增大,铸造性能变好,热处理强化效果增加,型材的抗拉强度提高而塑性降低,耐蚀性变坏。

  2 Mg和Si含量的选择 2.1 Mg2Si量的确定 2.1.1 Mg2Si相在合金中的作用 Mg2Si在合金中能随着温度的变化而溶解或析出,并以不同的形态存在于合金中: (1)弥散相β’’固溶体中析出的Mg2Si相弥散质点,是一种不稳定相,会随温度的升高而长大。 (2)过渡相β’ 是β’’由长大而成的中间亚稳定相,也会随温度的升高而长大。

  (3)沉淀相β是由β’ 相长大而成的稳定相,多聚集于晶界和枝晶界。 能起强化作用Mg2Si相是当其处于β’’弥散相状态的时侯,将β相变成β’’相的过程就是强化过程,反之则是软化过程。 2.1.2 Mg2Si量的选择 6063铝合金的热处理强化效果是随着Mg2Si量的增加而增大。

  参见图1[1]。当Mg2Si的量在0.71%~1.03%范围内时,其抗拉强度随 Mg2Si量的增加近似线性地提高,但变形抗力也跟着提高,加工变得困难。但Mg2Si量小于0.72%时,对于挤压系数偏小(小于或等于30)的制品,抗拉强度值有达不到标准要求的危险。当Mg2Si量超过0.9%时,合金的塑性有降低趋势。 GB/T5237.1—2000标准中要求6063铝合金T5状态型材的σb≥160MPa,T6状态型材σb≥205MPa,实践证明.该合金的 最高可达到260MPa。但大批量生产的影响因素很多,不可能确保都达到这么高。综合的考虑,型材既要强度高,能确保产品符合标准要求,又要使合金易于挤压,有利于提高生产效率。

  我们设计合金强度时,对于T5状态交货的型材,取200MPa为设计值。从图1可知,抗拉强度在200MPa左右时,Mg2Si 量大约为0.8%,而对于T6状态的型材,我们取抗拉强度设计值为230 MPa,此时Mg2Si量就提高到0.95%。 2.1.3 Mg含量的确定 Mg2Si的量一经确定,Mg含量可按下式计算: Mg%=(1.73×Mg2Si%)/2.73 2.1.4 Si含量的确定 Si的含量必须满足所有Mg都形成Mg2Si的要求。由于Mg2Si中Mg和Si的相对原子质量之比为Mg/Si=1.73 ,所以基本Si量为Si基=Mg/1.73[2]。 但是实践证明,若按Si基进行配料时,生产出来的合金其抗拉强度往往偏低而不合格。显然是合金中Mg2Si数量不足所致。原因是合金中的Fe、Mn等杂质元素抢夺了Si,例如Fe可以与Si形成ALFeSi化合物。所以,合金中必须要有过剩的Si以补充Si的损失。合金中有过剩的Si还会对提高抗拉强度起补充作用。合金抗拉强度的提高是Mg2Si和过剩Si贡献之和。当合金中Fe含量偏高时,Si还能降低Fe的不利影响。但是由于Si会降低合金的塑性和耐蚀性,所以Si过应有合理的控制。我厂根据实际经验认为过剩Si量选择在0.09% ~0.13%范围内是比较好的。

  合金中Si含量应是:Si%=(Si基+Si过)% 3 合金元素控制范围的确定 3.1 Mg的控制范围 Mg是易燃金属,熔炼操作时会有烧损。在确定Mg的控制范围时要考虑烧损所带来的误差,但不能放得太宽,以免合金性能失控。我们根据经验和本厂配料、熔炼和化验水平,将Mg的波动范围控制在0.04%之内,T5型材取0.47%~0.50%,T6型材取0.57%~0.60%。 3.2 Si的控制范围 当Mg的范围确定后,Si的控制范围可用Mg/Si比来确定。因为我厂控制Si过为0.09%~0.13%,所以Mg/Si应控制在1.18~1.32之间。

  图2示出了我厂6063铝合金T5和T6状态型材化学成分的选择范围。图中示出了过Si上限线和下限线。若要变更合金成分时,比如想将Mg2Si量增加到 0.95%,以便有利于生产T6型材时,可沿过Si上下限区间将Mg上移至0.6%左右的位置即可。此时Si约为0.46%,Si过为 0.11%,Mg/Si为1.3。

  4 结束语 根据我厂的经验,在6063铝合金型材中Mg2Si量控制在0.75%~0.80%范围内,已完全能够满足力学性能的要求。在正常挤压系数(大于或等于 30)的情况下,型材的抗拉强度都处在200~240 MPa范围内。而这样控制合金,不仅材料塑性好,易于挤压,耐蚀性高和表面处理性能好,而且可节约合金元素。但是还应特别注意对杂质Fe进行严格控制。若 Fe含量过高,会使挤压力增大,挤压材表面质量变差,阳极氧化色差增大,颜色灰暗而无光泽,Fe还降低合金的塑性和耐蚀性。实践证明,将Fe含量控制在 0.15%~0.25%范围内是比较理想的。

 

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