Алюминий 6063: состав, свойства, марки прочности и области применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Общий обзор
Сплав 6063 относится к серии алюминиевых сплавов 6xxx, которые являются термообрабатываемыми магний-кремниевыми (Mg-Si) сплавами, предназначенными преимущественно для экструзии и архитектурных применений. Магний и кремний образуют осадки Mg2Si в процессе старения, что обеспечивает основной механизм упрочнения, делая 6063 термообрабатываемым сплавом, а не упрочняемым холодной деформацией. Типичные коммерческие состояния включают O (отожжённое), T5 (охлаждённое от экструзии и искусственно выдержанное) и T6 (термически упрочнённое и искусственно выдержанное), что позволяет регулировать баланс между формовкой и прочностью для последующей обработки.
Сплав 6063 демонстрирует умеренную прочность, очень хорошую коррозионную стойкость, отличную способность к экструзии и качество поверхности, а также в целом хорошие сварочные характеристики по сравнению с другими термообрабатываемыми сплавами. Его хорошая пластичность в мягких состояниях и возможность производства тонкостенных, сложных экструдированных профилей с однородными механическими свойствами делают его востребованным для архитектурного оформления, оконных рам и конструкционных профилей. Отрасли, в которых часто используется 6063, включают строительство и архитектурные системы, общие экструдированные изделия, легкие конструкционные компоненты и некоторые изделия для теплового управления.
Инженеры выбирают 6063 вместо других сплавов, когда требуется оптимальный баланс экструзии, качества поверхности, коррозионной стойкости и адекватных механических характеристик, а не максимальная прочность. По сравнению с 6061, 6063 обычно обеспечивает более острые углы и чистое качество поверхности при аналогичной технологичности, но с несколько меньшей максимальной прочностью. Этот сплав предпочтителен, когда важны строгие допуски размеров, качество анодирования и стабильность качества экструзии.
Варианты состояний
| Состояние | Уровень прочности | Относительное удлинение | Пластичность | Свариваемость | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Низкий | Высокое (≈18–28%) | Отличная | Отличная | Полностью отожжённое состояние для формовки и гибки |
| H14 | Низко-средний | Среднее (≈12–18%) | Хорошая | Отличная | Частично упрочнённое холодной деформацией для промежуточной жёсткости |
| T5 | Средний | Среднее (≈10–15%) | Хорошая | Очень хорошая | Охлаждённое от экструзии и искусственно выдержанное; часто применяется для экструдированных изделий |
| T6 | Средне-высокий | Низкое (≈8–12%) | Удовлетворительная | Очень хорошая | Решетковано и искусственно выдержано для повышения прочности |
| T651 | Средне-высокий | Низкое (≈8–12%) | Удовлетворительная | Очень хорошая | T6 с снятием остаточных напряжений растяжением |
Состояние оказывает первостепенное влияние на микроструктуру и макроскопические характеристики, поскольку осадки в процессе старения контролируют предел текучести и временное сопротивление разрыву. Мягкие состояния, такие как O, обеспечивают максимальную пластичность и формуемость для холодной гибки и сложного штамповочного формоизменения, в то время как состояния T5/T6 дают более высокие значения прочности, подходящие для конструкций.
Химический состав
| Элемент | Диапазон % | Примечания |
|---|---|---|
| Si | 0.2 – 0.6 | Ключевой легирующий элемент, образующий осадки Mg2Si при старении |
| Fe | 0 – 0.35 | Примесь; незначительно увеличивает прочность, ухудшая качество поверхности |
| Mn | 0 – 0.1 | Незначительное содержание; обычно низкое, чтобы избежать крупных интерметаллических фаз |
| Mg | 0.45 – 0.9 | Основной упрочняющий элемент вместе с Si за счёт образования Mg2Si |
| Cu | 0 – 0.1 | Низкое содержание; увеличение Cu повысит прочность, но снизит коррозионную стойкость |
| Zn | 0 – 0.1 | Поддерживается на низком уровне для сохранения коррозионной стойкости и качества экструзии |
| Cr | 0 – 0.1 | Трассовые количества для контроля зеренной структуры в некоторых спецификациях |
| Ti | 0 – 0.1 | Раствор-зёрнообразователь в малых добавках; улучшает литьё и запуск экструзии |
| Прочие | Каждый ≤0.05, суммарно ≤0.15 | Остаточные и следовые элементы контролируются для поддержания предсказуемых свойств |
Содержание Mg и Si сбалансировано для формирования осадков Mg2Si при растворении и старении, что определяет прочность и кинетику упрочнения. Низкий уровень железа и прочих примесей сохраняет внешний вид поверхности и качество анодирования, что важно для архитектурных и декоративных применений.
Механические свойства
Поведение на растяжение сплава 6063 сильно зависит от состояния. В отожженном состоянии (O) сплав показывает низкие предел текучести и временное сопротивление разрыву с высоким равномерным удлинением, что способствует штамповке, гибке и глубокой вытяжке. В состояниях T5/T6 сплав достигает более высоких значений прочности за счёт тонких, равномерно распределённых осадков Mg2Si; эти осадки также меняют реакцию на упрочнение при деформации и снижают пластичность по сравнению с состоянием O.
Значения прочности и предела текучести также зависят от толщины сечения и условий экструзии, поскольку скорость охлаждения после термообработки и закалки влияет на распределение осадков. Усталостные характеристики умеренные; дефекты поверхности и дефекты экструзии часто являются точками инициирования усталостного разрушения, поэтому анодированная или полированная поверхность может повысить усталостную долговечность. Твёрдость коррелирует с состоянием и обычно значительно увеличивается от O до T6 по мере формирования осадков при старении.
| Свойство | О/Отожжённое | Ключевое состояние (например, T6) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву | 70–110 MPa | 170–215 MPa | T6 примерно удваивает UTS по сравнению с отожжённым; значения зависят от сечения |
| Предел текучести | 35–55 MPa | 120–160 MPa | Предел текучести значительно повышается при искусственном старении и термообработке |
| Относительное удлинение | 18–28% | 8–12% | Пластичность снижается в состоянии T6 из-за упрочнения осадками |
| Твёрдость | 20–35 HB | 60–75 HB | Твёрдость по Бринеллю возрастает с упрочнением; зависит от параметров старения |
Физические свойства
| Свойство | Значение | Примечания |
|---|---|---|
| Плотность | 2.70 г/см³ | Типичная для коммерческих алюминиевых сплавов |
| Температуры плавления | ~582–652 °C | Температуры солидуса и ликвидуса немного зависят от легирования и примесей |
| Теплопроводность | ~170–220 Вт/м·К | Хороший теплопроводник; слегка снижается при холодной обработке и легировании |
| Электропроводность | ~34–47 % IACS | Ниже, чем у алюминия высокой чистоты, из-за рассеяния на растворённых элементах и осадках |
| Удельная теплоёмкость | ~900 Дж/кг·К | Типичное значение вблизи комнатной температуры для алюминиевых сплавов |
| Коэффициент теплового расширения | ~23.0–24.0 ×10⁻⁶ /K | Умеренный коэффициент; важен при проектировании для термоупрочнения |
Сплав 6063 сохраняет преимущества низкой плотности и высокой теплопроводности алюминия, что делает его привлекательным для конструкций, где важны вес и теплопередача. Коэффициент теплового расширения и теплопроводность нужно учитывать при сборке с разнородными материалами, чтобы избежать напряжений из-за разного теплового расширения.
Формы выпуска продукции
| Форма | Типичная толщина/размер | Поведение прочности | Распространённые состояния | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Лист | 0.3–6 мм | Прочность снижается в тонких листах из-за скоростей охлаждения | O, T5 | Используется для тонкостенных панелей и отделки; хорошо поддаётся анодированию |
| Плита | >6 мм | Чуть ниже максимальная прочность в толстых сечениях | O, T6 | Толстые сечения требуют контролируемого охлаждения для получения свойств T6 |
| Экструзия | Сложные поперечные сечения, толщина стенок 0.7–10 мм | Однородная прочность по длине профиля; прочность зависит от охлаждения | T5, T6, T651 | Основная коммерческая форма; отличное качество поверхности и точность размеров |
| Труба | Диаметры до 200+ мм | Поведение подобно экструзии; тонкие стенки быстро охлаждаются | O, T6 | Распространены конструкционные трубы и архитектурные перила |
| Пруток/штанга | Φ3–100 мм | Чем больше толщина сечения, тем ниже кажущаяся прочность | O, T6 | Используются мелкие прутки для машиностроительных деталей и фитингов |
Различия в процессах производства определяют выбор формы продукта: экструзия позволяет создавать сложные тонкостенные профили с жёсткими допусками, в то время как плиты и прутки поставляют массовый материал для последующей обработки. Скорость охлаждения и толщина сечения значительно влияют на конечные механические свойства для термообрабатываемых состояний, поэтому проектировщикам необходимо точно указывать состояние и операции после термообработки для обеспечения стабильности параметров.
Эквивалентные марки
| Стандарт | Марка | Регион | Примечания |
|---|---|---|---|
| AA | 6063 | США | Обозначение Aluminum Association, широко используемое в Северной Америке |
| EN AW | AlMgSi0.5 / EN AW-6063 | Европа | Европейское наименование EN AW связано с номинальным химическим составом и состоянием обработки |
| JIS | A6063 | Япония | Японский промышленный стандарт с аналогичным соотношением Mg-Si и механическими характеристиками |
| GB/T | 6063 | Китай | Китайский стандарт, в целом эквивалентный, но с некоторыми отличиями по допускам |
Хотя универсальное обозначение 6063 сохраняется во всех стандартах, национальные спецификации различаются по допустимым пределам содержания примесей и методам испытаний. Эти небольшие различия могут влиять на гарантируемые свойства, такие как минимальное удлинение или максимальное содержание железа, и поэтому имеют значение при жёстких требованиях к анодированию или механическому контролю качества.
Коррозионная стойкость
В атмосферных условиях 6063 обеспечивает хорошую общую коррозионную стойкость благодаря формированию защитной плёнки оксида алюминия. Низкое содержание меди и цинка повышает устойчивость к локальной коррозии по сравнению с некоторыми более прочными сплавами, а анодирование дополнительно улучшает как внешний вид, так и стойкость к воздействию окружающей среды. В архитектурных приложениях часто используется это сочетание для длительного срока службы при минимальном обслуживании.
В морской среде или в условиях, богатых хлоридами, 6063 показывает достаточно хорошую стойкость, но уступает некоторым кованым сплавам Al-Mg (например, серия 5xxx), специально разработанным для контакта с морской водой. Инициирование питтинговой коррозии возможно в щелях или на шероховатых поверхностях, где концентрация хлоридов выше, поэтому важно проектировать конструкции с обеспечением дренажа и по возможности избегать гальванических пар из разнородных металлов. Склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением относительно невысока по сравнению с высокопрочными алюминиевыми сплавами, но может усиливаться при растягивающих напряжениях, повышенных температурах и агрессивных условиях.
Гальванические взаимодействия необходимо контролировать в сборках из разнородных металлов: 6063 является анодным по отношению к нержавеющей стали и меди, но катодным по отношению к магнию. Защитные покрытия, герметики и изолирующие материалы снижают гальванические токи в сборках. По сравнению со сплавами серий 2xxx или 7xxx, 6063 жертвует максимальной прочностью в пользу лучшей коррозионной устойчивости и более высокого качества анодирования.
Свойства при обработке
Свариваемость
6063 хорошо сваривается распространёнными способами дуговой сварки плавлением, такими как GTAW (TIG) и GMAW (MIG), обеспечивая чистые швы и хорошую форму сварного шва в большинстве случаев. Предпочтительные присадочные материалы — 4043 (Al-Si) и 5356 (Al-Mg), выбор зависит от исходного термического состояния и требований эксплуатации; 4043 снижает риск трещин и обеспечивает лучшее соответствие цвета при анодировании. Зоны термического влияния могут подвергаться размягчению в термообработанном состоянии T6, поэтому для восстановления свойств возможно требуется искусственное старение или повторный термический цикл.
Обрабатываемость
Обрабатываемость 6063 умеренная и обычно лучше, чем у более мягкого чистого алюминия, но уступает некоторым сплавам с добавками свинца или висмута, специально предназначенным для лёгкой обработки резанием. Для оптимального качества поверхности рекомендуется использовать твердосплавные инструменты с положительным углом резания, эффективным удалением стружки и жёсткими установками станка; режимы резания должны быть консервативными, чтобы избежать нарастания задиров на инструменте. Стружка обычно длинная и пластичная; рекомендуется применение струйного охлаждения и мер по контролю стружки для точной обработки с малыми допусками.
Формуемость
Холодная обработка отлично выполняется в состояниях O и H14, где высокая пластичность позволяет выполнять гибку и рулонную формовку с малыми радиусами изгиба. Гибка в состоянии T6 требует больших радиусов и может приводить к образованию трещин на острых кромках; проектировщикам рекомендуется указывать состояние O или T4/T5 для сложной обработки с последующим старением при необходимости повышения прочности. Для экструзии профилей важно контролировать толщину стенок и радиусы закруглений, чтобы предотвратить растрескивание и обеспечить стабильность размеров.
Поведение при термообработке
6063 подвергается термообработке методом растворения с последующим закаливанием и искусственным старением. Растворяющая обработка обычно проводится при температурах около 535–565 °C для растворения фазы Mg2Si в твёрдом растворе, после чего выполняется быстрое охлаждение для сохранения пересыщенного твёрдого раствора. Искусственное старение (состояние T6) проводится при температурах примерно от 160 до 220 °C с длительностями, зависящими от размера сечения, для осаждения мелкодисперсных частиц Mg2Si и достижения максимальной прочности.
Состояние T5 возникает, когда материал охлаждается после горячей обработки (например, экструзии) и затем подвергается искусственному старению без предварительной растворяющей обработки. Обозначение T651 соответствует T6 с контролируемой пластической деформацией для снятия остаточных напряжений. Перестаривание или длительное воздействие повышенных температур приводит к коалесценции выделений, снижению предела текучести и временного сопротивления разрыву, а также увеличению пластичности, поэтому циклы старения необходимо оптимизировать в зависимости от геометрии детали и требований к эксплуатации.
Работа при повышенных температурах
Повышение температуры снижает прочность 6063 из-за коалесценции выделений и уменьшения укрепляющего эффекта твёрдого раствора. Полезные структурные свойства обычно сохраняются при температурах эксплуатации ниже примерно 150 °C; при более высоких температурах происходит значительное размягчение и возрастает риск длительной ползучести. Скорость окисления умеренная, так как алюминий формирует стабильный оксидный слой, но для сохранения целостности поверхности в окисляющей высокотемпературной среде рекомендуется использовать защитные покрытия или анодирование.
Зоны термического влияния рядом со сварными швами могут испытывать укрупнение зерна и остаточное размягчение, что снижает усталостную и статическую прочность в эксплуатации. Для длительной работы при высоких температурах или циклических термических нагрузках следует рассмотреть сплавы с более высокой термической стабильностью или использовать специальные режимы термообработки. При эксплуатации 6063 близко к верхнему пределу температуры важно использовать инженерные запасы прочности и стратегии теплового управления.
Области применения
| Отрасль | Пример компонента | Причина использования 6063 |
|---|---|---|
| Строительство и архитектура | Оконные рамы, профили стеклянных фасадов | Отличная экструзируемость, качество поверхности и восприятие анодирования |
| Автомобилестроение | Декоративные и отделочные профили | Хороший баланс формуемости и достаточной прочности для неструктурных деталей |
| Судостроение | Некритичные конструктивные элементы, перила | Коррозионная устойчивость и высокое качество поверхности для открытых условий |
| Электроника | Радиаторы, корпуса | Хорошая теплопроводность, легкость обработки и экструзии |
| Потребительские товары | Мебель, спортивный инвентарь | Низкий вес, эстетическая отделка и простота обработки |
Сочетание высокой экструзируемости, качества поверхности и умеренных механических свойств делает 6063 стандартом для архитектурных и универсальных профилей. Проектировщики часто используют анодирование и простое механическое соединение для создания экономичных и визуально привлекательных конструкций.
Рекомендации по выбору
Для применений, где ключевыми являются формуемость, экструзируемость и качество анодирования, 6063 является отличным выбором, так как сочетает разумную прочность с возможностью изготовления сложных тонкостенных профилей. По сравнению с коммерчески чистым алюминием (например, 1100) 6063 уступает по электропроводности и предельной пластичности, но значительно выигрывает по пределам текучести и временного сопротивления за счёт упрочнения продуктами старения.
В сравнении с широко используемыми упрочняемыми пластической деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 6063 обеспечивает более высокий уровень прочности в термообработанном состоянии и сопоставимую коррозионную устойчивость во многих атмосферных средах; однако 3003 и 5052 чаще превосходят 6063 в агрессивных морских условиях с высоким содержанием хлоридов и там, где упрочнение холодной деформацией предпочтительнее. В сравнении с 6061, 6063 обычно лучше экструдируется, обеспечивает более высокое качество поверхности и позволяет получать более сложные профили, поэтому он предпочтителен для архитектурных приложений, хотя 6061 обладает более высокой пиковой прочностью для конструкционных задач.
Заключительное резюме
Сплав 6063 остаётся широко используемым алюминиевым материалом благодаря уникальному балансу экструзируемости, качества поверхности, коррозионной стойкости и адекватных механических свойств для большого числа архитектурных и лёгких конструкционных применений. Его термообрабатываемость обеспечивает гибкость производственных процессов, позволяя проектировщикам и изготовителям оптимизировать формуемость или прочность через выбор состояния и последующую обработку.