1前言

6061铝合金属于Al-Mg-Si系合金，中等强度，具有良好的塑性、抗蚀性和优良的可焊性，且无应力腐蚀开裂倾向，广泛应用于汽车制造业、车体、集装箱、船舶、建筑等行业。6061铝合金起主要强化作用的元素是Si和Mg，Cu也有一定的强化效果，但其主要作用是改善了合金在热加工时的塑性，而且增加了热处理强化效果，还能抑制挤压效应，降低合金因加锰后所出现的各向异性。合金中加锰和铬可以提高强度，改善耐蚀性、冲击韧性和弯曲性能。铬可抑制Mg2Si相在晶界的析出，延缓自然时效过程，提高人工时效后的强度。铬可细化晶粒，使再结晶后的晶粒呈细长状，因而可提高合金的耐蚀性。本文将就高性能6061铝合金铝排的生产工艺进行研究，通过模具设计、合金设计和生产工艺优化，得到公差尺寸合格、力学性能优越的产品[1-3]。

2试验材料

试验材料为6061铝合金，经均匀化处理后在 4000T 卧式挤压机采用正挤压生产的截面为151.5*52mm的型材，型材截面如图1所示。

图1 挤压型材截面图 

3生产工艺研究

3.1熔铸工艺研究

考虑到该产品力学性能要求较高，硬度范围控制严格，在合金设计时，需严格控制各元素的成份，合金成分如表 1 所示。提高铝合金成份的均匀性和纯净度，是保障型材力学性能和硬度稳定性的基础，本文先是通过铝液合金化技术，通过电磁搅拌工艺加强成份搅拌；然后通过向熔体吹入带有环保精炼剂的氮气，对熔体进行混合除渣除气；再将熔体流过孔隙度为60ppi的泡沫陶瓷过滤板，对熔体进行深度杂质过滤，减少气孔和杂质对铝合金力学性能的影响；同时，采用一级Al-5Ti-B合金丝加入铝合金熔体中进行在线晶粒细化处理；最后对铝合金圆铸锭进行充分的均匀化热处理，改善合金内部的元素平偏析提高成份均匀性和挤压性，对合金最终的力学性能有一定的提高作用。

表1 合金成分（质量分数/%） 

合金名称 Si Mg Fe Cu Mn Cr Ti Zn 单个 合计

6061 0.68-0.71 0.88-0.91 0.2 0.25-0.27 0.05-0.007 0.06-0.09 0.015-0.025 0.2 0.05 0.15

3.2模具设计开发研究

考虑到铝排是实心型材，米重达到21.4kg，型材头尾存在缩尾缺陷，尺寸公差为0.5mm，平面间隙公差为0.15mm，需做好模具供水设计和缩水设计。本文采用两种模具设计方案进行研究：第一种采用平流模设计，铝材是通过直冲方式挤压至模具工作带成型，该模具设计没有导流坑，模具腔体余留残铝较少，型材头尾缩尾可控制在2.5米以内，但由于压力不均匀导致四角压力过低，型材实体尺寸和平面间隙无法控制；第二种采用导流模设计，铝材是通过导流方式挤压至模具工作带成型，该模具设计有导流坑，模具腔体余留残铝较多，型材缩尾可控制在4米以内，但该设计压力均匀，型材实体尺寸和平面间隙能够合理控制。由于产品为新能源汽车精密原件，型材缩尾缺陷不允许，故选用第二种模具设计。

3.3挤压工艺研究

6061铝合金型材的淬火敏感度较高，对挤压模具温度、铸锭温度、挤压机盛锭筒温度、挤压速度等工艺参数要求较高，后期只能通过离线淬火的方式保证其获得过饱和固溶体，满足时效工艺的要求[4]。不同的淬火方式和淬火工艺对6061铝合金型材的力学性能和硬度有不同影响，本文通过研究不同淬火方式和淬火工艺对力学性能、硬度的影响，确定6061铝合金铝排的生产工艺参数。

（1）不同淬火方式对产品力学性能影响

热挤压在线淬火方式有强风冷、风雾混合冷却和高压喷射水冷、过水槽水冷却四种方式。强制风冷和风雾混合冷却是通过大型风机和水雾喷头对挤压出型材进行直接冷却。由于空气比热小，强风的对流传热系数不大，冷却缓慢，产生的热应力虽不会使型材产生纵向弯曲、扭拧和截面变形，但由于其冷却缓慢，不适用与大截面、壁厚型材的淬火，也不适用于淬火敏感性较高的合金。喷射式冷却是通过机械方式形成喷射水流，使水直接与型材表面接触，可以迅速破坏蒸气膜，以获得均匀的冷却效果，减少形成的弯曲、扭拧。过水槽浸入式冷却是将挤压出型材直接进入水槽进行冷却，冷却效率高，但冷却方式过激，且在型材截面上各部分冷却恨不均匀，尤其在高温型材进入水槽的初期阶段，会引起较大的热应力，导致型材纵向弯曲、扭拧和截面变形。

不同淬火方式下对铝合金性能影响较为明显，主要原因与不同冷却方式带来的冷却速率和强度有关系。其中铝型材的强度（抗拉强度、屈服强度和硬度）均随着冷却强度的上升而上升，断后延伸率却随着冷却强度的上升而有所波动，使用水浴冷却其强度和塑性达到最佳，具体试验数据如图2不同淬火方式下的力学性能趋势图所示。

图2  不同淬火方式下的力学性能趋势图

（2）不同挤压工艺对产品力学性能影响

工业铝型材挤压各项工艺参数的变化，对铝合金的变形过程、变形后的组织性能，特别是对后续热处理后的组织和性能有着极其重要的影响。挤压工艺参数主要有模具温度、铝棒温度、盛锭筒温度和挤压速度四个参数，由于在工业铝型材挤压生产过程中，金属与挤压筒内衬、模具、垫片的摩擦和金属本身的变形会使金属温度升高，往往会突破预选的挤压温度范围，从而影响出料口温度，进一步影响热挤压后型材进入极速冷却范围后尺寸变形和组织性能。因此针对不同的材质和截面型材，选用合适范围的出料口温度是至关重要的。

使用相同合金成份棒材，固定模具温度、盛锭筒温度和挤压速度，通过调节棒温控制出料口温度，力学性能（硬度抗拉强度、屈服强度和断后延伸率）随着出料口温度上升而上升，为避免高温造成型材组织过烧，选用520-540℃的出料口温度为宜，具体试验数据如图3不同挤压工艺下的力学性能趋势图所示。

图3  不同挤压工艺下的力学性能趋势图

4结论

综上所述，6061铝合金铝排生产工艺可归纳为:

(1)通过现场试验数据和测试结果分析，结合产品验收标准，模具设计采用导流模设计，可以有效控制型材缩尾缺陷，保证型材实体尺寸和平面间隙；

(2)通过试验数据分析，选用水浴方式进行离线淬火，在保证型材入水时淬火温度的前提下，其型材强度和塑性达到最佳；

(3)通过试验数据分析，选用选用520-540℃的出料口温度，作为进入水浴离线淬火温度，其型材强度和塑性达到最佳；

(4)通过模具设计、合金成份设计，使用合理的熔铸工艺和挤压工艺，获得了高精度型材尺寸和高强高韧的6061铝合金铝排，其平面间隙尺寸可达0.1mm，超出国标超高精级85.71%；其抗拉强度和屈服强度分别为345MPa和320MPa，延伸率为16%，分别超出国际的32.69%、33.33%和100%。

参考文献：

[1] 丁向群，何国球，陈成澎等。6000系汽车车用铝合金的研究进展[J]．材料科学与工程学报，2005，23(2)：302-305.

[2] 田荣璋，王祝堂。铝合金及其加工手册(2版)[M]．长沙：中南大学出版社，2000.

[3]肖亚庆，谢水生，刘静安等。铝加工技术实用手册[M].北京，冶金工业出版社，2005.

[4]于传浩，石大立，章涤峰。挤压温度对7075超高强铝合金组织和硬度的影响[J].热加工工艺，2022,51（15）：84-86.