6063铝合金

1 试验方法
1.1 试验方案的思考和分析
以往对铝合金型材着黑色的研究表明：采用普遍的硫酸阳极氧化工艺，将阳极氧化膜厚度控制在10μm左右，选取适当的着色、封孔工艺，就不难生产出满足GB/T5237-93标准的6063铝合金型材。但是要生产出能同时满足膜更厚、纯黑色、封孔度和光亮度要求很高的产品，却没有现成的生产工艺可借鉴。
在生产中常常出现以下现象：当变化工艺参数使膜厚增加时，纯黑色则较易得到，但是封孔度却达不到要求的指标；而变化工艺参数来保证厚膜和封孔度指标时，黑色程度却下降，并且色调不正。我们根据上述情况结合氧化着色理论来分析，认为要使各项指标均符合要求，应把研究的重点放在形成氧化膜的阳极氧化工序上，在已确定的着色和封孔工艺基础上，寻找一种氧化工艺使其达到合格膜厚、黑色度、封孔度的要求。
在生产中我们还发现，不经抛光的氧化膜，其黑色度、光亮度（光反射能力）与6063合金的化学成分、挤压工艺、型材的表面质量有一定关系。平滑的型材表面与粗糙的表面相比较，其氧化着色后，前者更容易同时满足四项指标的要求。为此，我们也安排了合金成分和挤压工艺的试验。
1.2 试验方法
（1）考察Fe的质量分数分别为0.12%和0.29%,而其它成分相同的两种6063合金制品的黑色度和光亮度的差异。
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’’弥散相状态的时候，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。
Wang JurongQi Zhongdong
(Northeast Light AlloyCo.,Ltd.,Harbin,150060,China)
AbstractThe surface treatment process of the 6063 aluminium alloy profiles with black thick film was instituted,through test and research.It was applied to batch production.The profile met requirements of consumer were produced.
摘要 通过试验研究，制订了生产厚膜纯黑色的6063铝合金型材的表面处理工艺制度，将其应用于大批量生产实践中，生产出符合用户要求的制品。
关键词6063铝合金 黑色 厚膜型材
Black Thick Film Surface Treatment Technology for 6063 Aluminium Alloy Profiles
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6063铝合金型材厚膜纯黑色表面处理技术
来源：中国铝材信息网，更新时间：2007-7-20 11:08:47，阅读：890次
（2）考察挤压温度分别为470～480℃和500～520℃的制品的黑色度和光亮度的差异。
（3）采用正交试验法选择最佳氧化工艺，因素水平列于表1。
表1试验工艺因素水平
水平
氧化温度/℃
氧化时间/min
电流密度/A.dm-2
1
24
45
1.5
2
20
40
1.3
3
16
35
1.0源自文库
试验过程中硫酸质量浓度控制在（155±5）g/L。
以上两种趋势中温度一项互相抵触，与生产中的实际情况基本相符，为了兼顾起见，将氧化温度定为（21±1）℃，电流密度定为1.3A/dm2,时间定为（38±2）min。按此工艺进行大批量生产，取样近4个，其膜厚、黑色度、封孔度指标均符合用户要求。
3 结果分析
（1）合金中杂质Fe的质量分数高则易形成针状或棒状FeAl3化合物，并与Si生成β相（Al5FeSi）。这两种化合物比较硬，在挤压过程中易使模具工作带受到破坏，型材表面变得粗糙，因而不可能得到光亮的黑色表面。此外，这两种化合物的电极电位较低，在氧化过程中首先溶解，破坏了氧化膜的连续性和均匀性[1]，影响型材的外观，表面变得粗糙，也不可能得到又黑又亮的表面。如果对铸块进行充分的均匀化处理，可使Fe的危害降到最小程度。
表面蚀洗时氢氧化钠质量浓度（55±5）g/L,温度(55±5)℃，时间4～5min。
着色工艺采取镍锡混合盐交流电解着色法，其中硫酸镍质量浓度（45±5）g/L,硫酸亚锡质量浓度（17±3）g/L,硫酸质量浓度（25±5）g/L,硫酸亚锡稳定剂适量，pH值控制在1.0～1.3之间，温度25～27℃，通电方法如图1所示。
Keywords6063 aluminium alloy;black;thickfilm prfiles
1995年我公司承接了北京西客站工程的部分铝门窗型材生产任务，用户要求提供氧化膜厚度17μm以上，封孔质量符合ISO国际标准，即磷铬酸失重小于30mg/dm2、纯黑色并具有很高光亮度的6063铝合金型材。但是在生产中要完全满足上述产品的技术指标要求有许多困难，产品成品率很低，各项指标往往顾此失彼，不能同时满足。为此，我们立项研究，经多次试验，找到了最佳生产工艺，将其用于实际生产中，能够同时满足用户各项要求，并且氧化成品率达到了99.5%。
（3）根据正交试验结果绘制的工艺参数对黑色度和封孔度影响的趋势图见图2,3。
图2氧化各参数对黑色度的影响
图3氧化各参数对封孔度的影响
从图2可以看出，影响型材黑色度的氧化参数依次为：温度、电流密度、时间;温度的影响较明显。从图3可以看出影响封孔度的氧化参数依次为：温度、时间、电流密度；温度的影响趋势最大，氧化时间次之。
图1着色时的通电方法
封孔工艺采取冷封法，Ni2+质量浓度（1.0～1.3）g/L，F-质量浓度（0.3～1.0）g/L,pH值5.5～6.5,封孔时间20min,温度25～30℃。
试验过程中，对黑色度的评价采用目测打分法，超过标样要求且颜色最深的记为5分，最浅的记为1分，由浅至深划分为5个档次。
封孔度采用GB/T5237-93规定的磷铬酸重量损失法测量。试样封孔后均陈化24h后再测量封孔度。
2 试验结果
（1)第一项试验中，在挤压、时效、表面处理工艺条件相同的情况下，Fe的质量分数低的合金型材与Fe质量分数高的相比较，前者的黑色度和光亮度均超过后者，前者型材的表面质量也好于后者。
（2）第二项试验中，挤压温度为500～520℃的型材的黑色度比挤压温度为470～480℃的好一些；光亮度二者的差异不大；但后者经空气炉淬火并人工时效后，再进行着色试验，其着色性能有所改善。