6XXX系合金的主要合金元素是鎂和硅，組織也相當簡單，主要組織組成物為Mg₂Si相，在熱處理狀態下，Mg₂Si固溶于鋁中，使得合金有人工時效強化能力。6063屬Al-Mg-Si系鋁合金中對應力腐蝕不敏感的合金,具有中等強度、優良的擠壓性能、良好的耐蝕性、可焊性及良好的加工性能,因而得以廣泛應用^[1]。隨著科學技術的發展及應用市場的拓寬，有的客戶對制品的要求越來越高，對晶粒度也提出了要求。

很多的鋁合金擠壓制品經熱處理（淬火、退火）后，在制品的周邊形成一層很深的粗大的再結晶晶粒環，且粗晶區和細晶區有著明顯的界限，而且粗晶環的深度從擠壓制品的前端到尾端是增加的。粗晶環是鋁合金擠壓制品中的主要缺陷之一，當斷面形成相當大部分的粗晶環區域時，材料的力學性能、疲勞強度顯著降低。而在對制品進行一些表面處理（氧化銀白等）時，制品表面會出現線紋和花斑，影響裝飾效果。而6063鋁合金在生產較厚的板材時，極易出現粗晶環。本文將研究減少和控制6063鋁合金在擠壓厚板出現粗晶環的方法。

1.試驗

1.1試驗材料

選擇40MN的正向擠壓機，Φ305 mm×1000 mm規格的6063鋁合金鑄錠。其化學成分見表1。

表1  6063鋁合金化學成分(質量分數，下同)％

1.2試驗目標

粗晶環深度小于或等于1mm，晶粒度小于或等于三級，抗拉強度δ_b≥205Mpa，屈服強度δ_0.2≥180Mpa，延伸率大于或等于8％。

1.3試驗內容

（1）熔鑄圓鑄錠對6063鋁合金擠壓厚板在線淬火狀態下制品晶粒度的影響，采用均質和不均質兩種不同熱處理方式的圓鑄錠來試驗。

（2）擠壓工藝參數對6063鋁合金擠壓厚板在線淬火狀態下制品晶粒度的影響,包括擠壓溫度、擠壓速度等的影響。

1.4試驗過程

（1）生產方案

1、熔煉鑄造—均質—鋸切—擠壓—人工時效

2、熔煉鑄造—鋸切—擠壓—人工時效

（2）熔煉鑄造工藝參數

熔煉溫度控制在710℃～750℃，鑄造工藝參數見表2，圓鑄錠均質化溫度為560℃～580℃保溫6h。

表2 鑄造工藝參數

（3）擠壓工藝參數（見表3）

表3 擠壓工藝參數

2.試驗結果和分析

2.1化學成分的影響

6063鋁合金屬于Al-Ｍg-Si系合金，主要組成為α（Al）＋Mg₂Si二相共晶物。Mg₂Si相是該系合金的主要強化相，Mg₂Si的鎂、硅比為1.73:1^[1]。若Mg過剩，會減小Mg₂Si在鋁中的溶解度，降低強化效果；若Si過剩，會降低合金的抗蝕性。由于合金中還有很多其他的元素（銅、鐵和錳等），過剩的鎂和硅會與之形成其他的多元復雜化合物。

Mn固溶于鋁合金中可提高再結晶溫度，阻止鋁合金的再結晶過程，并能細化再結晶晶粒。再結晶晶粒的細化是通過MnAl₆彌散質點對再結晶晶粒長大起阻礙作用^[2]。Mn的另一個重要作用是與Fe形成(Fe、Mn)Al₆相，從而減小Fe的有害影響。

Cr為Al-Mg-Si系合金中常見的添加元素，在鋁中主要以(Cr、Fe)Al₇和(CrMn)Al₁₂等化合物存在，阻礙再結晶和晶粒長大過程，對合金有一定的強化作用。

Ti也是鋁合金中常用的添加元素，一般都是以Al-Ti或Al-Ti-B中間合金的形式加入。鈦與鋁形成TiAl₂相，結晶時作為非自發核心，起到細化鑄造組織的作用。現在一般都采用鑄造時在線加入Al-Ti-B絲。

本次試驗合金成分選用的鎂硅比接近于1.73，主要是利用Mn、Cr元素提高了再結晶溫度，并阻礙再結晶和再結晶晶粒的長大。

2.2鋁鑄錠的影響

在鋁合金成分一定時，變形前的原始晶粒對再結晶后晶粒的尺寸也有影響。一般情況下，原始晶粒越細，由于原有大角度界面越多，因而增加了形核率，使再結晶后晶粒尺寸小一些^[1]。本次試驗采用鑄造時在線加入Al-Ti-B絲來細化鑄錠的晶粒，鑄錠的晶粒度達到一級標準。

在工業生產條件下，合金凝固后的組織通常偏離平衡狀態，在晶界上除了有不溶的少量金屬間化合物外，還有很多的非平衡共晶體。鑄錠經過均質，非平衡相會發生溶解，而且不溶的過剩相也會發生聚集、球化。鑄錠均質化導致第二相粒子減少，從而對晶粒長大的阻礙作用減弱。本次試驗結果也證明了用經過了均質化熱處理的鑄錠生產的制品比沒有均質化熱處理的鑄錠生產出來的制品更容易產生粗晶環。

2.3擠壓工藝參數的影響

（1）擠壓溫度的影響

晶粒的長大是通過晶界的遷移來實現的，而晶界的遷移是個熱激活過程，所以溫度越高晶粒長大的速度就越快。隨著擠壓溫度的提高，晶粒度也會變大。采用無潤滑的正擠壓，在擠壓過程中鋁合金與擠壓筒內壁及模具工作帶直接接觸，鑄錠表面層金屬與擠壓筒內壁由于發生粘結而不能正常流動從而在錠坯的次表層發生剪切變形。擠壓時的一次變形量很大，而且在三向壓應力狀態下，會產生很大的變形抗力。摩擦產生的熱量和變形產生的熱量是擠壓時的附加熱值，它可以使鑄錠的溫度升高幾十度，對制品的組織和性能有很大的影響。

（2）擠壓速度的影響

擠壓速度對擠壓制品晶粒度的影響一般是通過影響金屬的熱平衡來實現的。一般情況下，擠壓速度越快，金屬的溫度會升高越多。擠壓速度快，擠壓過程中產生的附加熱來不及散失，使得金屬的溫度不斷升高；擠壓速度慢，擠壓過程中產生的附加熱得以及時往外散失。同時，擠壓速度快時，一方面由于金屬與模孔工作帶之間的摩擦力,使內外層金屬流速差加大,邊部金屬形成強烈的切變形區,在切變形區內強烈的剪切變形使得這部分金屬畸變能大大提高，從而聚集了大量的位錯，有利于再結晶的生成；另一方面切變形區金屬劇烈的剪切變形同時也加劇了變形熱效應，由此提高了金屬局部溫度，更有利于這部分金屬的再結晶。

（3）在線淬火方式

現在的在線淬火方式一般有風冷、霧冷、水冷等，冷卻的強度是依次遞增的。一般情況下，采用最快的淬火速度可以得到最高的強度以及強度和韌性的最佳組合。制品的厚度增加，冷卻速度會降低，所以選用最大的冷卻強度，在線過水冷卻。

2.4制品金相組織

本試驗所得的制品橫截面的低倍結果見表4。

表4 試驗制品橫截面低倍結果

3.結束語

本文研究了6063合金擠壓厚板的晶粒度，確定了在線淬火狀態下的擠壓工藝參數，達到減小制品晶粒度和粗晶環的目的，使得產品的性能達到客戶的要求。
       
       （1）嚴格控制6063鋁合金化學成分，使用純度較高的原材料。

（2）使用不均質的鑄錠；鑄錠擠壓溫度430~470℃；擠壓筒溫度420~450℃；40MN擠壓機的擠壓速度為4~5 mm·s^-1。

（3）在線淬火時采用過水冷卻。