人工时效制度对6063铝合金型材质量的影响文档格式.docx
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A
0.39
0.48
0.11
0.01
0.0047
1.23
68.9
B
0.40
0.53
0.17
0.02
0.00
0.0080
1.33
71.9
C
0.44
0.25
0.03
0.0043
1.1
75.5
从表2可以看出,杂质Fe和Zn对合金的力学性能也有较大的影响,这是因为在合金中生成αFe2SiAl8(以前报道为Fe3SiAl12),βFeSiAl5(以前报道为Fe2Si2Al9)及T-Al2MgZn3等杂质相的缘故。
这些杂质相都是硬的质点,位错不易切割,能够增强合金的力学性能,但却降低了合金的挤压性能(容易拉伤、划伤)、耐腐蚀性、电化学性能及着色材的颜色均匀性和光泽性。
6063合金型材的性能除了与化学成分有关之外,还与热处理条件即人工时效有关。
为了兼顾各种性能,本文结合合金的化学成分,着重研究了6063合金型材的人工时效机制及其对力学性能和电化学性能的影响。
1 6063挤压型材的时效过程中力学性能变化
6063合金在挤压变形出口处的温度一般是520~540℃,在变形程度较大或变形复杂的情况下,出口温度可达570~580℃。
在这样的温度下Mg2Si强化相多数被溶解,随后经风淬冷却,产生溶质原子和空位双重过饱和的固溶体,又经过自然时效(100℃以下停放2h)形成球状GP区,其大小为10~60×
10-10m。
在100℃以下,时效几年才能长大到100×
因此必须进行人工时效(100℃以上)使饱和固溶体进一步分解脱溶。
图1是在175℃、195℃、215℃下时效的型材力学性能与时效时间的变化曲线。
从图1可以看出,低温时效的6063合金型材力学性能提高最大,但是所需要的时间较长,生产效率较低。
另外还可以看出温度比时间的影响大得多。
因此在人工时效过程中应该重点严格控制温度。
图1 人工时效时间与强度的关系(B合金)
2 w(Mg)/w(Si)、Fe、Zn在合金时效
图2、3分别是6063合金中w(Mg)/w(Si)比值与杂质Fe对人工时效效果的影响。
从图中可以看出w(Mg)/w(Si)对时效硬度的影响曲线有一个低谷点;
而Fe则随其质量分数增加时效硬度也增加。
在w(Mg)/w(Si)<
1.73的情况下,6063合金的人工时效硬度应该随着w(Mg)/w(Si)增加而增加,而图2中的时效硬度低谷是由于这些合金中生成的杂质相α-Fe2SiAl8、β-FeSiAl5、T-Al2Mg3Zn较少的缘故。
低谷处合金中Fe的质量分数为0.11%,Zn的为0.01%;
低谷左边的Fe的为0.25%,Zn为0.03%,右边的Fe的质量分数为0.17%,Zn为0.02%,左、右边的一些合金晶界处生成较多的杂质相。
虽然6063合金人工时效中所生成的Fe、Zn杂质相能提高型材的硬度,但由于杂质相质点粗大,约0.5~10μm,在变形中易成为裂纹源,降低合金的断裂韧性,而且对后来的阳极氧化着色造成不利影响,因此,还是应尽量避免它的生成。
图2 合金中w(Mg)/w(Si)值对时效硬度的影响
图3 合金中Fe的质量分数对时效硬度的影响
3 人工时效对6063合金电化学性能的影响
3.1 对导电率的影响
合金的导电率一般为50%IACS左右。
随着时效温度和时效时间增加导电率增加,而杂质Fe的质量分数及w(Mg)/w(Si)对它的影响较小,见图4和表3。
6063合金的时效分解序列为:
α固溶体→球状GP区→β"
针状相→β’棒状相→β板状相(稳定相)。
在低温、短时人工时效时,主要生成GP区β"
相,由于它们微细、弥散分布,使自由电子运动的空隙较小,阻力大,电阻率增加。
随着时效温度和时效时间增加,过渡相逐渐向粗大的β’、β相转变,而自由电子运动的空隙增加,阻力减小,因而导电率增加。
而Fe、w(Mg)/w(Si)在时效过程中只影响相的组成,而不影响微细结构,因而对导电率影响甚微。
图4 导电率与人工时效温度和时间的关系
表3 6063合金w(Fe)和w(Mg)/w(Si)量对导电率的影响
序号
175℃
195℃
215℃
w(Fe)/%
w(Mg)/(Si)
2h
5h
1
50.2
51
51.8
52.9
53.1
54.3
2
49.8
51.7
52.7
5.3
54.4
3
50.7
51.6
52.5
54.1
3.2 对阳极氧化的影响
合金的导电率对阳极氧化膜的生长有影响。
随着导电率增加阳极氧化膜的重量减少,见图5。
6063合金在时效过程中导电率是随着时效温度和时效时间增加而增加的,也就是说导电率随着合金中的Mg2Si相及杂质相析出、长大而增加,而耐电化学溶解和耐酸溶解腐蚀性却降低,因而膜的生成效率降低。
过时效的型材不但力学性能降低,而且耐电化学和耐化学腐蚀性也降低。
图5 合金导电率对阳极氧化膜生长的影响
3.3 对阳极氧化膜和着色膜的光泽度的影响
图6是阳极氧化膜的重量对光的反射率的影响。
表4是人工时效温度和时效时间对阳极氧化膜和着色膜的光泽度的影响。
可以看出,氧化膜和着色膜的光泽度(光反射率)是随着时效温度、时效时间的增加而减小的;
也是随着合金中Fe的质量分数增加而减小的,并且其减小程度较温度和时间的大,而对着色膜的色调(L值)几乎没有影响。
L值小,色调越暗。
图6 阳极氧化膜重量对光的反射率的影响
表4 人工时效及合金成分对氧化和着色膜光泽度的影响
时效条件
12h
0.83h
氧化膜反射率/%
14.3
13.3
10.5
11.5
9.4
8.7
10.6
7.6
着色膜反射率/%
7.0
6.2
5.2
5.9
4.9
4.1
色调L值
27.0
27.8
25.9
28.4
29.8
28.1
26.7
26.4
30.1
10.1
7.9
6.7
8.2
6.0
5.0
4.5
3.1
3.4
3.6
3.7
3.2
25.5
26.5
27.5
29.6
30.3
29.3
29.4
38.4
7.2
6.5
5.5
9.7
4.0
3.0
3.5
26.1
30.4
28.0
32.8
27.4
29.9
一般认为阳极氧化膜越厚,对光的反射率越低,而图6中却是膜越重,对光的反射率越高,具有相反的结果。
这是因为随着时效温度、时效时间及合金中Fe的质量分数增加,阳极氧化膜的耐蚀性降低,氧化膜变得疏松,致密度降低,重量相对减少,因而对光的反射率减小。
另一方面,随着时效时间和时效温度增加,Mg2Si强化相由β"
→β'→β相转变,析出量增加并粗大。
在阳极氧化中阻挡层变薄,氧化膜增厚,电容增加,着色等当点(着色离子刚析出所需时间)上升,因而着色浓,但光泽度降低。
图7是Mg2Si析出形态与氧化膜的电容C及着色等当点tc的关系。
图7 Mg2Si析出形态与氧化膜的电容C及着色等当点tc的关系
4 结束语
综上所述,6063合金型材的质量和性能除与合金的化学成分有密切关系外,还与人工时效制度有较大关系。
低温长时间时效和高温短时间时效及合金中的杂质Fe、Zn等能提高型材的力学性能,但却降低其电化学性能。
为了兼顾两种性能及有较高的生产效率,需认真选择人工时效制度,而严格控制温度条件是至关重要的。
根据研究和生产实践,笔者认为选择自然时效2h后再在195~205℃人工时效2~3h较为适宜。
一、分类:
展伸材料分非热处理合金及热处理合金
1.1非热处理合金:
纯铝—1000系,铝锰系合金—3000系,铝矽系合金—4000系,铝镁系合金—5000系。
1.2热处理合金:
铝铜镁系合金—2000系,铝镁矽系合金—6000系,铝锌镁系合金—7000系。
二、合金编号:
我国目前通用的是美国铝业协会〈AluminiumAssociation〉的编号。
兹举
例说明如下:
1070-H14(纯铝)
2017-T4(热处理合金)
3004-H32(非热处理合金)
2.1第一位数:
表示主要添加合金元素。
1:
纯铝
2:
主要添加合金元素为铜
3:
主要添加合金元素为锰或锰与镁
4:
主要添加合金元素为矽
5:
主要添加合金元素为镁
6:
主要添加合金元素为矽与镁
7:
主要添加合金元素为锌与镁
8:
不属於上列合金系的新合金
2.2第二位数:
表示原合金中主要添加合金元素含量或杂质成分含量经修改的合金。
0:
表原合金
表原合金经第一次修改
表原合金经第二次修改
2.3第三及四位数:
纯铝:
表示原合金
合金:
表示个别合金的代号
”-〃:
后面的Hn或Tn表示加工硬化的状态或热处理状态的鍊度符号
-Hn:
表示非热处理合金的鍊度符号
-Tn:
表示热处理合金的鍊度符号
2铝及铝合金的热处理
一、鍊度符号:
若添加合金元素尚不足於完全符合要求,尚须藉冷加工、淬水、时效
处理及软烧等处理,以获取所需要的强度及性能。
这些处理的过程称
之为调质,调质的结果便是鍊度。
鍊度符号定义
F制造状态的鍊度
无特定鍊度下制造的成品,如挤压、热轧、锻造品等。
H112未刻意控制加工硬化程度的制造状态成品,但须保证机械性质。
O软烧鍊度
完全再结晶而且最软状态。
如系热处理合金,则须从软烧温度缓慢冷却,完全防止淬水效果。
H加工硬化的鍊度
H1n:
施以冷加工而加工硬化者
H2n:
经加工硬化后再施以适度的软烧处理
H3n:
经加工硬化后再施以安定化处理
n以1~9的数字表示加工硬化的程度
n=2表示1/4硬质
n=4表示1/2硬质
n=6表示3/4硬质
n=8表示硬质
n=9表示超硬质
TT1:
高温加工冷却后自然时效。
挤型从热加工后急速冷却,再经常温十效硬化处理。
亦可施以不影响强度的矫正加工,这种调质适合於热加工后冷却便有淬水效果的合金如:
6063。
T3:
溶体化处理后经冷加工的目的在提高强度、平整度及尺寸精度。
T36:
T3经6%冷加工者。
T361:
冷加工度较T3大者。
T4:
溶体化处理后经自然时效处理。
T5:
热加工后急冷再施以人工时效处理。
人工时效处理的目的在提高材料的机械性质及尺寸的安定性适用於热加工冷却便有淬水效果的合金如:
T6:
溶体化处理后施以人工时效处理。
此为热处理合金代表性的热处理,无须施以冷加工便能获得优越的强度。
於溶体化处理后为提高尺寸精度或矫正而施以冷加工,如不保证更高的强度时,亦可当作是T6鍊度。
T61:
溶体化处理后施以温水淬水再经人工时效处理,温水淬水的目的在防止发生变形。
T7:
溶体化处理后施以安定化处理(亦及人工时效处理的温度或时间较T6处理高或长)。
其目的在改善耐硬力腐蚀裂及防止淬水时发生变形。
T7352:
溶体化处理后除去残余应力再施以过时效处理(亦及人工时效处理的温度或时间较T6处理高或长)。
目的在改善耐硬力腐蚀裂。
於溶体化处理后施以1~5%永久变形的压缩加工,以消除残余应力。
T8:
溶体化处理后施以冷加工再施以人工时效处理,冷加工时断面减少率为3%及6%各为T83及T86。
T9:
溶体化处理后人工时效处理,最后施以冷加工,最后冷加工的目的在增加强度。
二、软烧处理:
2.1目的:
展伸用材料包括压延用材料,挤压用材料及锻造用材料,通常其制造程序为:
铸造→热加工→冷加工→材料成品
在热加工或冷加工的过程中,材料发生加工硬化的情况,使强度变大或导致加工硬化的情况,使强度变大或导致加工性减低。
为消除这些加工硬化,於冷加工前,中或后所施的热处理即为软烧处理,其目的在使材料具有使用上所需要的程度。
2.2分类:
由於软烧条件的不同而分:
2.2.1部分软烧:
仅消除部份加工硬化,处理温度在再结晶温度以下,实际温度则视强度而定,强度愈高则处理温度较低。
2.2.2完全软烧:
处理温度在材料的再结晶温度或稍高使材料发生再结晶而完全消除加工硬化,亦使强度达到最低的状态。
软烧处里就时机而分:
2.2.3中间软烧:
再冷加工开始之前或冷加工过程中,所加的软烧处理,通常为完全软烧,其目的在恢复其加工性,使接下去的加功能较顺利,及控制其组织状态,俾能适合於最终成品的要求。
2.2.4最终软烧:
主要目的再调整成品最后的强度水准亦即调整鍊度。
3加工常识
一、铝合金成型加工通常出现之缺陷:
缺陷原因改善对策
●胚料有瑕疵
1.空心壳壁或凸缘之龟裂1.滚动缺陷(摺叠)1.改善品质管制
2.起耳状物2.机械性质太过平均2.退火(如不致生晶粒生长)
工具有瑕疵
1.引伸一开始,空心壳之
底部即被撕裂。
1.冲头或模之圆角太小。
1.加大冲头或模之圆角。
2.引伸末了,空心壳之底
部方被撕裂。
2.引伸比太大,冲头未对准模孔中心。
2.增加中间引伸,选用品质较佳之材料;
若为方形空心壳则增加转角之冲模间隙。
3.引伸刮痕。
3.润滑不佳,工具表面之情况不佳(已磨耗)。
3.使用特殊引伸用黄油(材料必须经磷酸盐处理或镀铜),再光制工具表面(镀铬),选用不易产生刮痕之材料。
4.成品边缘有锯齿形,壳
表面有皱纹。
4.模圆角太大,冲模间隙太大。
4.再轮模或更换引伸模具
●工具或机器之调整不常瑕疵
1.凸缘上有皱纹。
1.胚料架压力太小。
1.增加胚料架之压力。
2.成品之一边有抓伤或其他痕迹,而工具表明面显之痕迹。
2.冲头未对准模孔中心,或倾斜一角度,而造成磨损。
2.再轮磨或重新校准模具
3.壳壁太粗,尤其是矩形深引伸成型成品为然。
3.胚料架压力太小,或模之圆角太大。
3.增加胚料架之压力,或於模与胚料架间制一加强之隆起。
4.壳线有压平之皱纹或龟裂。
4.胚料架压力太小,或冲模间隙太大。
4.更换模具。
二、硫酸阳极处理通常出现之缺陷:
工作物件局部位置电击烧伤或穿孔1.工作物和阴极接触发生
短路。
1.放置工作物於处理槽内
时,注意与阴极之距离
,避免发生接触。
2.工作物彼此之间接触发
生短路。
2.加大工作物间距离。
3.工作物件和夹具接触不
良。
3.夹具使用前须加以清洗
,与工作物间须夹紧。
氧化膜极疏松,用手就可擦掉1.电解液温度太高。
1.设法降低温度,例如进
行搅拌或开动冷却设备
,并控制温度差在±
2℃
内。
2.氧化处理时间太久。
2.缩短氧化时间。
3.工作电流密度太高。
3.降低电流密度。
氧化膜带红色斑点或整个表面或局部表面发红1.导电棒和夹具之间的接
触不好令铜沉积在铝表
面。
1.改善导电棒与夹具的接
触,材质改用铝材。
2.接触中断,如导电中断2.加强氧化过程的检验。
氧化膜暗淡不够光亮或烧焦现象1.工作物件在槽中长时间
无给电,或断电后又给
电。
1.经常检查纠正与电器维
修严格管制处理时程。
2.硫酸溶液内溶存的铝业
增加导致氧化膜的透明
性变差,最后发生烧焦
现象。
2.检验处理液中的铝量。
2.1硫酸液中含铝量以1gm/l
左右为宜。
2.2新液则添加12~13gm/l
的硫酸铝。
氧化膜有黑斑或黑条纹1.电解液中有悬浮的杂质1.清理表面悬浮杂质。
2.工作物件表面有油污渍
或其它污染物。
2.彻底纠正除油液成份;
确实执行前处理。
3.电解液中含铜和铁杂质
太多。
3.分析后除去并定期更新
部份电解液。
4.电解后工作物未洗乾净
就进行封孔。
4.电解后工作物要立即清
洗乾净,避免处理液或
杂质残留於氧化膜表面
氧化膜局部表面被腐蚀1.氧化后氧化膜上的电解
液未洗乾净。
1.加强氧化后的洗涤。
2.深凹处藏有电解无洗乾
净。
2.均加强氧化后的洗涤。
3.电解液无洗乾净就进行
封孔处理。
3.均加强氧化后的洗涤。
经重铬酸钾填充后氧化膜色淡而发白1.溶液温度低,填充时间
短。
1.改正不适宜条件。
2.SO4-2含量太高。
2.检查和校正SO4-2成份。
3.氧化膜太薄。
3.增加氧化处理时间。
氧化膜厚薄不均1.工作物表面附有污染物
未清理乾净。
1.前处理须彻底将表面洗
2.处理槽内溶液搅拌不够
2.加强搅拌作用。
3.电流密度过高。
3.一般硫酸液阳极处理的
电流密度以1~2A/dm2为
宜。
无色的工作物件经热水填充处理易沾上手印,水印,膜层发白1.封孔的温度和时间不够1.按适宜条件进行。
2.PH值不当2.调整PH值。
3.溶液氢氧化铝太多。
3.更换用水。
三、铬酸阳极处理通常出现之缺陷:
缺陷原因改善对策
工作物件被烧伤1.零件和夹具间的接触不良。
1.夹紧改进接触。
2.零件和阴极接触,零件之间彼此接触。
2.设法消除避免接触。
3.电压太高。
3.降低电压。
零件被腐蚀成深坑1.电解液中CrO3含量低。
1.调整增加之。
2.铝本身有缺陷,合金成份
不均匀。
2.更换材料。
氧化膜薄,具发白现象1.夹具和导电棒之接触不良。
1.改善接触条件。
2.氧化时间短。
2.加强氧化时间。
3.电流密度小。
3.调整电流密度。
氧化膜上有粉末1.电解液温度高。
1.调整之。
2.电流密度大。
2.调整之。
膜层发黑1.工作物件上的抛光膏无洗乾净。
1.加强氧化前的洗涤。
2.原铝材料本身有问题。
2.更换原材料。
氧化膜发红1.表面准备不好。
1.改善准备工作。
2.导电棒和零件夹具间接处不良。
2.改善接触条件。
四、硬质阳极处理通常出现之缺陷:
氧化膜的厚度不够1.氧化的时间太短。
1.增加氧化时间。
2.电流密度太低。
2.加大电流密度。
3.氧化的面积计算不正确3.正确计算零件面积。
氧化膜层硬度不够高1.溶液温度高。
1.降低电解液温度。
2.电流密度太大。
2.降低电流密度。
3.膜层厚度太厚。
3.缩小氧化时间。
氧化膜被击穿并烧坏工作物
件1.铝合金中含铜量高。
1.更换原材料。
2.工作物件散热不好。
2.加强电解液搅动和冷却
3.工作物件和挂具接触不良。
3.设法使接触良好。
4.氧化时给电太急。
4.注意改善作业过程。
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