6063铝合金均质化处理工艺的研究
6063铝合金均质化处理工艺的研究
本文研究6063铝合金在不同温度下均质处理的力学性能和组织结构。结果表明合金固溶后屈服强度，抗拉强度以及硬度随着热处理温度的升高而升高，同一热处理温度下，随着保温时间的增加而降低，延伸率则呈现出与之相反的趋势。XRD的结果表明合金主要由Mg2Si和AlFeSi相组成，均质处理后合金中的β-A15FeSi转变为α-A18Fe2Si相，且晶界处A1FeSi相随着均质时间的延长逐渐减少，然后趋于稳定，同样的保温时间，热处理温度越高，晶界未溶尺寸越小。
关键词 铝合金，均质，热处理
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 铝合金分类 1
1.3 铝合金概述 1
1.4 6xxx系铝合金均质化热处理 3
1.5 6063铝合金的均质化热处理 3
1.6 主要研究的内容与方法 6
1.7 选题的意义及目的 6
2 实验材料与研究方法 8
2.1 实验材料与设备 8
2.2 合金均质化热处理 9
2.3 试样力学性能实验 10
2.4 试样金相实验过程 11
2.5 X射线衍射(XRD) 12
3 实验结果与分析 12
3.1 X射线衍射分析（XRD） 12
3.2 力学性能分析 13
3.3 金相组织 15
3.4 组织能谱 19
3.5 讨论分析 20
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1研究
1.1 研究背景
因为6063铝合金拥有优良的性能，主要用于建筑，是一种高性合金，需要适度的强度以及良好的氧化特性[1]。同时在以下领域得到了广泛应用：交通运输、机械电子、建筑装饰、航天航空等。这种合金有优越的可挤压性，在依赖于其化学成分同时也依赖于连铸坯的最佳加工过程。在这方面，最关键的一步是均质化处理。均质坯具备优异的形状精度和表面质量以及高的力学性能。挤出物时效后，Mg、Si和坯完全在溶液中时是难以挤出的，这是由于高的流动应力损害。均质化冷却是和坯加热挤出过程紧密联系在一起的。控制沉淀在冷却过程中，降低挤出压力。控制湿坯冷却到室温，使Mg2Si沉淀，在固溶后，对形式和尺寸进行处理。在预热温度下缓慢冷却会产生粗大的Mg2Si颗粒，抗溶发生在高加热速率和挤压过程之中。在挤压过程中这种粒子导致初熔和表面撕裂，表面质量差，抗拉性能差。在具有很好的硬度水平时效后，发生容易被溶化沉淀挤出的过程。目前工作的目的是确定最佳的均质化处理对铝合金6063的影响，以确保有足够的硬化能力[2]。它一个重要的功能，就是用于低建筑成本，AlMgSi挤压合金和装饰应用。
1.2 铝合金分类
通过变形、铸造加工方法可将铝合金分为以下两类：变形铝合金、铸造铝合金[3]。
在力学性能方面变形铝合金要比铸造铝合金较高，且在加工方面能承受压力，具有以上特点变形铝合金可以被加工成各种规格铝合金型材，因而在建筑用门窗、生活用品、制造航空器材等方面得到了广泛的应用。
变形铝合金在分类上可分为以下两类：热处理可强化型铝合金、热处理不可强化型铝合金。为了提高热处理可强化型铝合金的机械性能，将变形铝合金进行时效处理和淬火等，可分为锻铝、硬铝、超硬铝和特殊铝合金等；为了热处理不可强化型铝合金机械性能，将变形铝合金进行变形加工来，主要有高纯铝、工业用高纯铝、工业用纯铝及防锈铝[4]。
硅元素含量比较大部分变形铝合金多的情况下，在铸态条件下使用铸造铝合金使用。因为存在强化机制的区别，为了在合金在铸造的过程中拥有好的流动性，并能充分填充铸模，除了要拥有强化元素，铸造铝合金还要具有含足够共晶元素。
1.3 铝合金的概述
1.3.1 铝合金的特点及性能
通常说的铝合金包含硅、锌、铜、镁、锰、钦、镍、铁、铬、铿等金属元素。
在生产加工中将合金元素加入纯铝中，从而产生铝锰合金、铝铜合金、铝铜镁硬铝合金、铝锌镁铜系超硬铝合金等常用铝合金。铝合金密度较低，保持纯铝质轻特点，而机械性能明显提高，其强度接近或者超过优质的钢材；此外，铝合金有优良的塑性，根据需要可加工成各种性能铝型材；铝合金因为具有良好的导电性、导热性、耐蚀性及可焊接性，被广泛应用于工业生产上[5]。
在铝合金的表面上有光泽，阳极氧化着色是非常容易的，在装饰效果方面也具有良好的优点，所有在装饰和建筑方面得到了广泛的应用。
1.3.2 6063铝合金成分、性能以及用途
6063铝合金属Al-Mg-Si系合金，在工业生产中，6063铝合金拥有耐蚀性，成形性，可焊性等优点，因而得到了比较广泛的应用。S.Zajac研究发现[6]，合金元素对6063铝合金的作用十分明显，使得6063铝合金成为中等强度的可热处理强化合金，在6063铝合金中Mg和Si是主要合金元素，为了使6063铝合金的化学成分得到很好的优化，首要任务就是确定Mg和Si在6063铝合金中的百分含量。
Mg在6063铝合金中所产生的作用和影响：由Mg和Si所组成的具有强化作用的Mg2Si，随Mg的含量的增加而增加，对热处理强化效果也随之增大，型材的抗拉强度就愈高。但Mg含量的增加同样导致变形抗力的增大，6063铝合金的塑性有所下降，在加工性能方面和耐蚀性方面都有了一定程度的变坏[7]。
Si在6063铝合金中所产生的作用和影响：Si的数量能够有效的保证6063铝合金中的Mg能以Mg2Si的形式存在，从而达到确保Mg的作用得到充分发挥。另一方面，Si在6063铝合金中的含量增加，使得合金的晶粒有所变细，使得合金的流动性能有所变大，同样使得合金有更好的铸造性能，在热处理强化方面也有效的增加了合金的热处理强化效果，6063铝合金型材在抗拉强度方面得到了有效的提高，但合金的塑性、耐蚀性分别有所下降和变差[8]。
因此在建筑铝门窗、幕墙的框架等领域6063铝合金也得到了非常广泛的应用，为了在市场中有用较高应用，用6063铝合金制作门窗、幕墙，不仅要有一般的性能，更要有较高抗风压性能、装配性能、耐蚀性能和装饰性能，因此6063铝合金所制成型材要高于工业型材标准型材的综合性能。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。
1.4 6xxx系铝合金均质化热处理
1.4.1 6xxx铸锭均质化工艺友参数对合金性能的影响
将未均质化铸锭和不同均质化态的铸锭进行挤压试验，未均质化铸锭比均质化铸锭有更高的挤压力，并导致机械性能的降低。挤压试验的结果表明，均质化过程中低的冷却速率导致的粗化Mg2Si相起了突出作用，因为在挤压期间合金靠这些沉淀相强化了固溶体，在这种冷却速率的条件下，发生了完全沉淀现象，导致挤压力的降低[9]。
1.4.2 6xxx铸锭均质化冷却制度对合金性能的影响
均质化冷却速率会影响到一些挤压参数，包括挤压临界压力及机械性能，冷却速率的影响效果需同随后的挤压预热一起考虑。
随着冷却速率增大，挤压铸锭的压力也随之增大，类似于型材的淬火、时效之后机械性能提高一样。6082铝合金显示均质化的冷却速率对挤压临界压力敏感性要比6061和6063大得多，但对机械性能影响不大[10]。
1.4.3 均质化设备对材料产品质量的影响
我国采用均质化热处理炉对工件进行处理已经可以进行生产，连续炉使用已成为铸锭制造业的最为普遍使用的处理方法，因此全部的铸件采用一样的连续燃烧区。但平批量炉却不是这样，在使用批量均质化热处理炉进行均质化热处理时，铸件在炉内位置、负荷结构及铸锭尺寸直接影响铸件处理时的温度[11]。采用连续均质化炉具有如下优势：
（1）能够准确的控制均质化热处理时的温度。
（2）能够有效的控制冷却速率，却控制的精确度非常高。
（3）因为具有较高的控制水平，均质化周期控制具有非常大的潜力。
1.5 6063铝合金的均质化热处理
1.5.1 均质化热处理基本原理
均质化热处理是将铸锭或铸件作为热处理的对象，为了使6063铝合使用性能和工艺性能都能在一定程度上得到改善，必须在高温和在实际结晶的的条件下使得扩散消除或减小铝合金的晶内成分的不均质性，从而达到偏离于平衡组织状态。
通常在工业生产中，在冷却的条件下，铸件组织具有明显的不平衡特征，这些不平衡性表现如下[12]：
（1）在基体固溶体的内部，其成分分布不均匀，并且存在晶内偏析，从外观上
本文研究6063铝合金在不同温度下均质处理的力学性能和组织结构。结果表明合金固溶后屈服强度，抗拉强度以及硬度随着热处理温度的升高而升高，同一热处理温度下，随着保温时间的增加而降低，延伸率则呈现出与之相反的趋势。XRD的结果表明合金主要由Mg2Si和AlFeSi相组成，均质处理后合金中的β-A15FeSi转变为α-A18Fe2Si相，且晶界处A1FeSi相随着均质时间的延长逐渐减少，然后趋于稳定，同样的保温时间，热处理温度越高，晶界未溶尺寸越小。
关键词 铝合金，均质，热处理
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 铝合金分类 1
1.3 铝合金概述 1
1.4 6xxx系铝合金均质化热处理 3
1.5 6063铝合金的均质化热处理 3
1.6 主要研究的内容与方法 6
1.7 选题的意义及目的 6
2 实验材料与研究方法 8
2.1 实验材料与设备 8
2.2 合金均质化热处理 9
2.3 试样力学性能实验 10
2.4 试样金相实验过程 11
2.5 X射线衍射(XRD) 12
3 实验结果与分析 12
3.1 X射线衍射分析（XRD） 12
3.2 力学性能分析 13
3.3 金相组织 15
3.4 组织能谱 19
3.5 讨论分析 20
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1研究
1.1 研究背景
因为6063铝合金拥有优良的性能，主要用于建筑，是一种高性合金，需要适度的强度以及良好的氧化特性[1]。同时在以下领域得到了广泛应用：交通运输、机械电子、建筑装饰、航天航空等。这种合金有优越的可挤压性，在依赖于其化学成分同时也依赖于连铸坯的最佳加工过程。在这方面，最关键的一步是均质化处理。均质坯具备优异的形状精度和表面质量以及高的力学性能。挤出物时效后，Mg、Si和坯完全在溶液中时是难以挤出的，这是由于高的流动应力损害。均质化冷却是和坯加热挤出过程紧密联系在一起的。控制沉淀在冷却过程中，降低挤出压力。控制湿坯冷却到室温，使Mg2Si沉淀，在固溶后，对形式和尺寸进行处理。在预热温度下缓慢冷却会产生粗大的Mg2Si颗粒，抗溶发生在高加热速率和挤压过程之中。在挤压过程中这种粒子导致初熔和表面撕裂，表面质量差，抗拉性能差。在具有很好的硬度水平时效后，发生容易被溶化沉淀挤出的过程。目前工作的目的是确定最佳的均质化处理对铝合金6063的影响，以确保有足够的硬化能力[2]。它一个重要的功能，就是用于低建筑成本，AlMgSi挤压合金和装饰应用。
1.2 铝合金分类
通过变形、铸造加工方法可将铝合金分为以下两类：变形铝合金、铸造铝合金[3]。
在力学性能方面变形铝合金要比铸造铝合金较高，且在加工方面能承受压力，具有以上特点变形铝合金可以被加工成各种规格铝合金型材，因而在建筑用门窗、生活用品、制造航空器材等方面得到了广泛的应用。
变形铝合金在分类上可分为以下两类：热处理可强化型铝合金、热处理不可强化型铝合金。为了提高热处理可强化型铝合金的机械性能，将变形铝合金进行时效处理和淬火等，可分为锻铝、硬铝、超硬铝和特殊铝合金等；为了热处理不可强化型铝合金机械性能，将变形铝合金进行变形加工来，主要有高纯铝、工业用高纯铝、工业用纯铝及防锈铝[4]。
硅元素含量比较大部分变形铝合金多的情况下，在铸态条件下使用铸造铝合金使用。因为存在强化机制的区别，为了在合金在铸造的过程中拥有好的流动性，并能充分填充铸模，除了要拥有强化元素，铸造铝合金还要具有含足够共晶元素。
1.3 铝合金的概述
1.3.1 铝合金的特点及性能
通常说的铝合金包含硅、锌、铜、镁、锰、钦、镍、铁、铬、铿等金属元素。
在生产加工中将合金元素加入纯铝中，从而产生铝锰合金、铝铜合金、铝铜镁硬铝合金、铝锌镁铜系超硬铝合金等常用铝合金。铝合金密度较低，保持纯铝质轻特点，而机械性能明显提高，其强度接近或者超过优质的钢材；此外，铝合金有优良的塑性，根据需要可加工成各种性能铝型材；铝合金因为具有良好的导电性、导热性、耐蚀性及可焊接性，被广泛应用于工业生产上[5]。
在铝合金的表面上有光泽，阳极氧化着色是非常容易的，在装饰效果方面也具有良好的优点，所有在装饰和建筑方面得到了广泛的应用。
1.3.2 6063铝合金成分、性能以及用途
6063铝合金属Al-Mg-Si系合金，在工业生产中，6063铝合金拥有耐蚀性，成形性，可焊性等优点，因而得到了比较广泛的应用。S.Zajac研究发现[6]，合金元素对6063铝合金的作用十分明显，使得6063铝合金成为中等强度的可热处理强化合金，在6063铝合金中Mg和Si是主要合金元素，为了使6063铝合金的化学成分得到很好的优化，首要任务就是确定Mg和Si在6063铝合金中的百分含量。
Mg在6063铝合金中所产生的作用和影响：由Mg和Si所组成的具有强化作用的Mg2Si，随Mg的含量的增加而增加，对热处理强化效果也随之增大，型材的抗拉强度就愈高。但Mg含量的增加同样导致变形抗力的增大，6063铝合金的塑性有所下降，在加工性能方面和耐蚀性方面都有了一定程度的变坏[7]。
Si在6063铝合金中所产生的作用和影响：Si的数量能够有效的保证6063铝合金中的Mg能以Mg2Si的形式存在，从而达到确保Mg的作用得到充分发挥。另一方面，Si在6063铝合金中的含量增加，使得合金的晶粒有所变细，使得合金的流动性能有所变大，同样使得合金有更好的铸造性能，在热处理强化方面也有效的增加了合金的热处理强化效果，6063铝合金型材在抗拉强度方面得到了有效的提高，但合金的塑性、耐蚀性分别有所下降和变差[8]。
因此在建筑铝门窗、幕墙的框架等领域6063铝合金也得到了非常广泛的应用，为了在市场中有用较高应用，用6063铝合金制作门窗、幕墙，不仅要有一般的性能，更要有较高抗风压性能、装配性能、耐蚀性能和装饰性能，因此6063铝合金所制成型材要高于工业型材标准型材的综合性能。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。
1.4 6xxx系铝合金均质化热处理
1.4.1 6xxx铸锭均质化工艺友参数对合金性能的影响
将未均质化铸锭和不同均质化态的铸锭进行挤压试验，未均质化铸锭比均质化铸锭有更高的挤压力，并导致机械性能的降低。挤压试验的结果表明，均质化过程中低的冷却速率导致的粗化Mg2Si相起了突出作用，因为在挤压期间合金靠这些沉淀相强化了固溶体，在这种冷却速率的条件下，发生了完全沉淀现象，导致挤压力的降低[9]。
1.4.2 6xxx铸锭均质化冷却制度对合金性能的影响
均质化冷却速率会影响到一些挤压参数，包括挤压临界压力及机械性能，冷却速率的影响效果需同随后的挤压预热一起考虑。
随着冷却速率增大，挤压铸锭的压力也随之增大，类似于型材的淬火、时效之后机械性能提高一样。6082铝合金显示均质化的冷却速率对挤压临界压力敏感性要比6061和6063大得多，但对机械性能影响不大[10]。
1.4.3 均质化设备对材料产品质量的影响
我国采用均质化热处理炉对工件进行处理已经可以进行生产，连续炉使用已成为铸锭制造业的最为普遍使用的处理方法，因此全部的铸件采用一样的连续燃烧区。但平批量炉却不是这样，在使用批量均质化热处理炉进行均质化热处理时，铸件在炉内位置、负荷结构及铸锭尺寸直接影响铸件处理时的温度[11]。采用连续均质化炉具有如下优势：
（1）能够准确的控制均质化热处理时的温度。
（2）能够有效的控制冷却速率，却控制的精确度非常高。
（3）因为具有较高的控制水平，均质化周期控制具有非常大的潜力。
1.5 6063铝合金的均质化热处理
1.5.1 均质化热处理基本原理
均质化热处理是将铸锭或铸件作为热处理的对象，为了使6063铝合使用性能和工艺性能都能在一定程度上得到改善，必须在高温和在实际结晶的的条件下使得扩散消除或减小铝合金的晶内成分的不均质性，从而达到偏离于平衡组织状态。
通常在工业生产中，在冷却的条件下，铸件组织具有明显的不平衡特征，这些不平衡性表现如下[12]：
（1）在基体固溶体的内部，其成分分布不均匀，并且存在晶内偏析，从外观上
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