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摘要：随着工业技术的不断发展，铝合金因其质轻、强度高、耐腐蚀及良好的加工性能，在航空航天、汽车制造、建筑及电子通讯等领域得到了广泛应用。其中，6063铝合金作为代表性的变形铝合金之一，以其优良的加工成型性和表面处理效果，成为制造结构件和装饰件的优选材料。文章深入剖析挤压过程中的动态表现、表面光洁度特性、微观结构演变以及力学性能指标，并发现经由精细调控合金配方、优化铝坯预热温度、改良模具的几何设计与冷却淬火策略，成功实现了6063铝合金在低温条件下的高效快速挤压成型。
关键词：铝合金；低温；快速挤压
6063系列铝合金，作为变形铝合金中的佼佼者，其应用范围广泛，且消耗量大，在建筑与工业型材的挤压成型领域内，6063系列铝合金的应用效果尤为突出。伴随材料加工技术的持续创新与优化，业界正逐步迈向更高效、环保且连续化的生产模式［1］。在此背景下，低温高速挤压技术作为一种新兴的、前沿的铝型材成型技术应运而生。该技术的主要追求在于提升铝合金在挤压过程中的最大流变速度，致力于优化生产效率与企业经济效益。相较于传统挤压工艺，低温高速挤压技术展现出诸多显著优势，主要包括较低的挤压温度显著缩短了坯料预热时间，高速变形特性使得坯料在极短时间内完成形变，因此，被视为一种极具潜力的材料加工创新方法，预示着材料加工行业向更高效、更环保的未来迈进。
1低温快速挤压成型的现状
当前，行业内普遍面临挤压速度难以提升、生产效率低下的问题，进而导致了加工成本的攀升。深入剖析后，识别出制约提速的关键因素主要包括：其一，Mg/Si比例偏高，导致合金流动性不足；其二，提速过程中出料口温度急剧上升，超出模具钢安全阈值（530℃),对模具寿命构成威胁；其三，模具设计未能充分适配高速挤压需求，不仅影响产品几何精度，还因过度温升易引发模具退火现象；其四，现有风冷淬火机制未能有效满足快速冷却要求，促使强化相过早析出，从而降低了材料的硬度特性［2］。
2 6063铝合金低温快速挤压成型分析
2.1改进模具结构设计
在推进6063铝合金低温快速挤压成型技术的过程中，聚焦于采用新型模具材料，如H11（4Cr5MoSiV）与H13（5Cr2NiMoVSi）钢，相较于传统H21（3Cr2W8V）钢，这些新材料在综合性能上实现了显著提升，有效降低了模具与金属间的摩擦系数，对加速挤压过程产生了积极的影响［3］。
模具设计的优化同样关键，特别是工作带的宽度与光洁度。较宽的工作带虽能增强对制品表面的摩擦，但也会增大附加拉应力，增加裂纹产生的风险，进而限制挤压速度的提升。相反，通过确保工作带的光滑度与入口处的良好尖锐度，可以显著降低裂纹倾向，维持较高的挤压速度。在深入探索模具设计时，进料孔倒角的精细设计不容忽视。通过合理增大倒角尺寸，可以有效缓解桥位挤压区域所承受的压力峰值，实质上降低了金属流入时的阻碍，进而加速了挤压作业的效率。此外，在确保模具整体结构承受力不受影响的前提下，扩大进料口的倒角设计还带来了一个关键优势—提升分流比。这一参数的优化对于减少挤压过程中的阻力、提升制品的几何精度与一致性，以及增强焊合部位的强度与美观性，均起到了至关重要的作用。分流比的优化促进了金属流动的顺畅与焊合的牢固，进一步降低了所需的挤压力，为高速挤压提供了有力支持。
2.2降低铝棒温度，提高挤压工序速度
随着挤压速率的加速，热累积效应变得尤为突出，加剧了金属与模具之间的粘附倾向，这不仅导致金属流动的不均匀性，还会在产品表面造成划痕，极端条件下甚至诱发挤压裂纹的产生。为解决这一难题，采取了调整锭坯预热策略的方法，即在提升挤压速度的同时，适度降低其初始加热温度，以确保6063铝合金型材在后续热处理过程中仍能达到理想的组织性能。具体而言，将铝棒的预热温度下调了30℃,至430℃（相较于传统工艺的460℃),这一调整显著提高了挤压效率，使出料速度从原有的15m/min大幅提升至25m/min［4］。此调整的核心在于，通过降低铝棒的初始温度，结合加速挤压过程所带来的型材温升效应，实现低温环境下的快速挤压。
2.3改进淬火方式
淬火处理的核心在于对高温下溶入基体金属的Mg2Si相进行迅速冷却，确保其通过模具后能即刻降至室温，并保持稳定的组织结构。然而，在铝型材生产领域引入低温快速成型技术后，由于成型速度的大幅提升，传统的风冷散热方法已显得力不从心，难以满足淬火过程中对于高效散热的迫切需求。这就要求必须探索更为先进的冷却技术，以确保Mg2Si相的快速固化与组织的稳定性。这导致挤压出的型材易发生强化相的早期析出，进而引起材料硬度不足的问题，具体表现为韦氏硬度值低于标准要求的7HW。为解决这一技术瓶颈，文章创新性地设计并集成了一套水雾喷淋冷却系统。该系统通过精确控制水雾的喷洒，实现了对高温型材表面的高效且均匀的快速冷却，有效抑制了强化相的过早析出，进而满足高性能材料的应用需求。
2.4调整合金成分
在优化6063铝合金流变特性的探索中，通过精细调整合金成分，即适度增加Si含量并相应减少Mg含量，同时确保Mg/Si比例维持在1~1.73的范围内，以促使在Mg2Si强化相形成过程中产生过剩的Si元素，从而显著增强合金在挤压过程中的流动性。为实现这一目标，文章设计并实施了一系列实验，采用优化后的模具配置，在铝棒预热至430℃的条件下，以25m/min的高速进行挤压。本实验聚焦于探究Mg含量恒定在0.5%条件下，Si元素添加量对6063铝合金性能的影响。为此，设计了3个Si含量梯度（0.40%、0.45%、0.50%），并采用先进的参数优化手段精确控制Si的掺入比例，以期找到最佳组合［5］。
在实验准备阶段，选取高质量的纯铝锭、工业级纯硅以及纯镁锭作为原料，严格按照预设比例进行配比，混合熔炼成6063合金，并浇注成统一规格的Φ110mm圆形铸锭。随后，这些铸锭被送入800吨级高性能挤压机中，经过精密加工，转化为铝型材产品。为了全面而深入地评估不同Si含量对合金性能的综合影响，观察挤压作业的流畅程度及型材表面的光滑度，还在挤压完成后，对所有批次的型材实施了标准化的时效处理，以进一步比较它们在力学性能上的表现差异。
实验数据清晰地揭示了Si含量增加对合金流动性的正面效应，如表1所示。随着Si含量的逐步上升，挤压过程中所需的挤压力呈现出下降趋势，这直接反映了合金流动性的显著提升。值得注意的是，由于实际生产中合金成分的均匀性控制难度，实验中所观测到的挤压力数据存在一定的微小波动，但这并不影响整体趋势的判断。
图1所展示的是不同Si含量下挤压成型后产品的表面质量对比。从宏观视角审视，所有样品均展现出清晰、无雾面的外观，锯切截面未见裂纹，边缘平滑且规整。挤压过程中，型材展现出优异的直线度与稳定性，未发生弯曲或扭曲现象，确保了装配后的顺畅操作与低阻力滑动。触感上，各型材表面均呈现良好的质感，挤压纹理均匀细腻，无白边或黑线瑕疵。然而，值得注意的是，当Si含量达到0.50%时，型材表面相较于Si含量为0.45%的样品，呈现出更为显著的暗哑色泽。
进一步观察图1（d）、图1（e）、图1（f），这些是通过碱洗处理暴露出的型材砂面细节。在此视角下，Si含量增加对型材微观结构的影响一目了然。晶粒尺寸随Si含量提升而显著增大，这一现象预示着型材力学性能可能受到的不利影响，需引起高度重视。
图2所示的观察结果明确指出了适量硅（Si）对合料力学性能的优化。然而，当Si含量超过某一临界水平时，铸态组织反而呈现粗化趋势，导致力学性能的改善效果逐渐减弱并转向负面。依据文献［6］的详尽探讨，当Si含量保持在特定阈值以下时，其对TiAl3相的稳定性影响可忽略不计，此时TiAl3的形核过程主要由Ti元素主导。然而，一旦Si含量跨越此阈值，过量的Si将显著干预TiAl3的稳定性，促使Si成为TiAl3结晶过程的主导因素，形成Si主导的TiAl3结晶核心。此外，部分过剩的Si还会与Ti、Al结合，生成AlSiTi三元相，这一过程减少了TiAl3质点的数量，进而降低了结晶组织的形核速率，对材料的整体性能产生不利影响。
图3分析了同批次合金在恒定Si含量下，挤压后样品抗拉强度。Si含量0.40%时，低温流变响应受限，难适高效挤压。随Si含量增加，合金适应低温快挤，加速生产且提升抗拉强度。但Si至0.5%时，力学性能较0.45%Si合金衰退。优化合金配方需精细调控Si与Mg含量，特别是在Mg恒定0.50%时，调整Si至0.45%可优化力学性能，平衡材料性能与生产效率。此策略致力于最大化合金在低温快速挤压工艺中的综合表现，确保高效生产同时维持优异材料特性。
3结语
为优化6063铝合金低温快速挤压工艺，需精准调整合金成分，增Si减Mg以增强流动性。模具设计需优化，如增大进料口倒角、调整工作带宽度，减少阻力，确保顺畅流动与精确成型，同时控制模具温升。增设水雾喷淋系统，抑制强化相早析，保障硬度。预热阶段，铝棒预热温度下调至430℃,配合出料速度提升至25m/min，显著提升生产效率与产品质量。通过这一系列改进措施，实现6063铝合金低温快速挤压成型工艺的全面优化，既提升了生产效率，又保证了产品的优异性能。
参考文献
［1］高爽，崔家铭，李洪林，等.电池包用6061铝合金型材成分与挤压成型性关系［J］.有色金属材料与工程，2023，44（5）：47-52.
［2］曹耿华，余珠华，张大童，等.挤压比对6063铝合金棒材组织性能的影响［J］.轻合金加工技术，2022，50（7）：37-41.
［3］张广和，胡全达，江海斌.汽车底盘铝合金化轻量化的成型工艺研究［J］.时代汽车，2021（21）：129-130.
［4］白云鹏，刘瑞萍，孔雪，等.空心铝合金型材挤压成型模拟分析和实验验证［J］.有色金属加工，2018，47（5）：44-46+28.
［5］董奔.铝合金轮状零件挤压铸造成型新技术［J］.世界有色金属，2018（10）：53+55.
［6］赵宇龙.铝合金齿轮挤压铸造成型—契辂汽车零部件（南通）有限公司举行开业典礼［J］.汽车工艺师，2018（6）：41.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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6063铝合金在低温条件下的快速挤压成型工艺研究论文
人参与 2025-01-23 14:44:17 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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