6063鋁合金化學成分的選擇


黎伯豪 言淑純
6063鋁合金廣泛用于建筑鋁門窗、幕墻的框架，為了保證門窗、幕墻具有高的抗風壓性能、裝配性能、耐蝕性能和裝飾性能，對鋁合金型材綜合性能的要求遠遠高于工業型材標準。
在國家標準GB/T3190中規定的6063鋁合金成分范圍內，對化學成分的取值不同，會得到不同的材質特性，當化學成分的范圍很大時，其性能差異會在很大范圍內波動，以致型材的綜合性能會無法控制。因此，優選6063鋁合金的化學成分成為生產優質鋁合金建筑型材的最重要的一環。

1 合金元素的作用及其對性能的影響
6063鋁合金是AL-Mg-Si系中具有中等強度的可熱處理強化合金，Mg和Si是主要合金元素，優選化學成分的主要工作是確定Mg和Si的百分含量(質量分數，下同)。
1．1 Mg的作用和影響
Mg和Si組成強化相Mg2Si，Mg的含量愈高，Mg2Si的數量就愈多，熱處理強化效果就愈大，型材的抗拉強度就愈高，但變形抗力也隨之增大，合金的塑性下降，加工性能變壞，耐蝕性變壞。
1．2 Si的作用和影響
Si的數量應使合金中所有的Mg都能以Mg2Si相的形式存在，以確保Mg的作用得到充分的發揮。隨著Si含量增加，合金的晶粒變細，金屬流動性增大，鑄造性能變好，熱處理強化效果增加，型材的抗拉強度提高而塑性降低，耐蝕性變壞。

2 Mg和Si含量的選擇
2．1 Mg2Si量的確定
2．1．1 Mg2Si相在合金中的作用
Mg2Si在合金中能隨著溫度的變化而溶解或析出，并以不同的形態存在于合金中：
(1)彌散相β’’固溶體中析出的Mg2Si相彌散質點，是一種不穩定相，會隨溫度的升高而長大。
(2)過渡相β’ 是β’’由長大而成的中間亞穩定相，也會隨溫度的升高而長大。
(3)沉淀相β是由β’ 相長大而成的穩定相，多聚集于晶界和枝晶界。
能起強化作用Mg2Si相是當其處于β’’彌散相狀態的時侯，將β相變成β’’相的過程就是強化過程，反之則是軟化過程。
2．1．2 Mg2Si量的選擇
6063鋁合金的熱處理強化效果是隨著Mg2Si量的增加而增大。參見圖1[1]。當Mg2Si的量在0．71%～1．03%范圍內時，其抗拉強度隨Mg2Si量的增加近似線性地提高，但變形抗力也跟著提高，加工變得困難。但Mg2Si量小于0．72%時，對于擠壓系數偏小(小于或等于30)的制品，抗拉強度值有達不到標準要求的危險。當Mg2Si量超過0.9%時，合金的塑性有降低趨勢。
GB/T5237．1—2000標準中要求6063鋁合金T5狀態型材的σb≥160MPa，T6狀態型材σb≥205MPa，實踐證明．該合金的 最高可達到260MPa。但大批量生產的影響因素很多，不可能確保都達到這么高。綜合的考慮，型材既要強度高，能確保產品符合標準要求，又要使合金易于擠壓，有利于提高生產效率。我們設計合金強度時，對于T5狀態交貨的型材，取200MPa為設計值。從圖1可知，抗拉強度在200MPa左右時，Mg2Si量大約為0．8%，而對于T6狀態的型材，我們取抗拉強度設計值為230 MPa，此時Mg2Si量就提高到0．95%。

2．1．3 Mg含量的確定
Mg2Si的量一經確定，Mg含量可按下式計算：
Mg%=（1.73×Mg2Si%）/2.73
2．1．4 Si含量的確定
Si的含量必須滿足所有Mg都形成Mg2Si的要求。
由于Mg2Si中Mg和Si的相對原子質量之比為Mg/Si=1．73 ，所以基本Si量為Si基=Mg/1．73[2]。
但是實踐證明，若按Si基進行配料時，生產出來的合金其抗拉強度往往偏低而不合格。顯然是合金中Mg2Si數量不足所致。原因是合金中的Fe、Mn等雜質元素搶奪了Si，例如Fe可以與Si形成ALFeSi化合物。所以，合金中必須要有過剩的Si以補充Si的損失。合金中有過剩的Si還會對提高抗拉強度起補充作用。合金抗拉強度的提高是Mg2Si和過剩Si貢獻之和。當合金中Fe含量偏高時，Si還能降低Fe的不利影響。但是由于Si會降低合金的塑性和耐蝕性，所以Si過應有合理的控制。我廠根據實際經驗認為過剩Si量選擇在0．09% ～0．13%范圍內是比較好的。
合金中Si含量應是：Si%=(Si基+Si過)%

3 合金元素控制范圍的確定
3．1 Mg的控制范圍
Mg是易燃金屬，熔煉操作時會有燒損。在確定Mg的控制范圍時要考慮燒損所帶來的誤差，但不能放得太寬，以免合金性能失控。我們根據經驗和本廠配料、熔煉和化驗水平，將Mg的波動范圍控制在0．04%之內，T5型材取0．47%～0．50%，T6型材取0．57%～0．60%。
3．2 Si的控制范圍
當Mg的范圍確定后，Si的控制范圍可用Mg/Si比來確定。因為我廠控制Si過為0．09%～0．13%，所以Mg/Si應控制在1．18～1．32之間。
圖2示出了我廠6063鋁合金T5和T6狀態型材化學成分的選擇范圍。圖中示出了過Si上限線和下限線。若要變更合金成分時，比如想將Mg2Si量增加到0．95%，以便有利于生產T6型材時，可沿過Si上下限區間將Mg上移至0．6%左右的位置即可。此時Si約為0．46%，Si過為0．11%，Mg/Si為1．3。

4 結束語
根據我廠的經驗，在6063鋁合金型材中Mg2Si量控制在0．75%～0．80%范圍內，已完全能夠滿足力學性能的要求。在正常擠壓系數(大于或等于30)的情況下，型材的抗拉強度都處在200～240 MPa范圍內。而這樣控制合金，不僅材料塑性好，易于擠壓，耐蝕性高和表面處理性能好，而且可節約合金元素。但是還應特別注意對雜質Fe進行嚴格控制。若Fe含量過高，會使擠壓力增大，擠壓材表面質量變差，陽極氧化色差增大，顏色灰暗而無光澤，Fe還降低合金的塑性和耐蝕性。實踐證明，將Fe含量控制在0．15%～0．25%范圍內是比較理想的。