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铝及铝合金大中型型材挤压技术

铝及铝合金大中型型材挤压生产技术

刘静安

（西南铝业（集团）有限责任公司）

摘要：

全面系统地介绍了大中型挤压型材用铝合金的分类、化学成分、性能与用途。

介绍了大中型铝合金型材的特点、分类、应用与技术开发情况。

着重介绍了大中型铝合金挤压型材的工艺流程、主要工艺参数的确定原则，以及各种型材的工艺特点与生产技术关键问题，特别是对大中型工业用结构型材的生产关键技术与质量控制进行了较详细的论述，有较强的实用价值。

关键词：

大中型铝合金挤压型材；工业用结构型材；质量控制；技术开发；应用趋势

1常用挤压铝合金的性能与用途

1.1常用挤压铝合金的化学成分及牌号

变形铝合金可按照以下几个主要特征进行分类：

（1）按照抗拉强度的高低分为：

低强度（Rm＜300N／mm２）铝合金，中等强度（Rm=300N／mm２～450N／mm２）铝合金和高强度（Rm＞450N／mm２）铝合金；

（2）按照热处理强化程度分为：

热处理可强化铝合金和热处理不可强化铝合金；

（3）按照焊接性能分为：

可焊铝合金（在熔化焊接时，能够保持或者仅稍微改变其力学性能）和不可焊铝合金（在熔化焊接时，合金的强度等力学性能显著降低）。

（4）按照抗腐蚀性能分为：

高抗蚀性和低抗蚀性铝合金（在大气条件下和在海水中抗一般腐蚀性和抗应力腐蚀性能高），中等抗蚀性铝合金。

上述分类方法在很大程度上是有条件的，因为某些铝合金根据变形和热处理制度的不同可以划分为不同类型。

低强度铝合金（工业纯铝、3A21、4004、5005、5A02、5A03、5086等）热处理后不强化，其半成品在退火状态下或冷作硬化后使用。

有一些Al－Mg－Si系合金例如6063、6061，虽然也属于低强度铝合金，但由于是热处理可强化合金，故其型材一般经过淬火、人工时效或自然时效后使用。

中等强度的铝合金可分为两组：

热处理不可强化铝合金（如5A05、5A06、5B06）和热处理可强化铝合金（6A02、2A11、2A70、2A06等）。

前者的半成品只是在退火状态下使用，具有良好的可焊性和高抗蚀性。

第二组铝合金的半成品在淬火和自然时效或人工时效后使用，其抗蚀性和可焊性随化学成分的不同而不同。

铜含量限制在1%以下的6A02合金，属于高抗蚀性和可焊性合金，而2A11合金的抗蚀性和可焊性则较低。

高强度铝合金7A04和2A12经热处理可显著强化。

7A04合金的半成品经淬火和人工时效后使用，而2A12合金半成品通常在淬火和自然时效后使用。

这两种合金的抗蚀性不高，必须用专用的保护方法（包铝、阳极氧化、涂油漆层）。

7A04合金的抗蚀性一般比2A12合金的略高，但2A12合金具有很高的塑性和热强性。

当焊接热处理可强化铝合金时，其焊缝和靠近焊缝区的强度大大减弱，其抗蚀性能下降。

所以这些合金属于不可焊的，这些合金的结构装配采用铆接，而很少采用螺栓连接。

7A04、2A12以及2A06合金主要用于制造受力结构件。

7A04合金制造的结构可在不超过100℃温度下长期工作。

例如：

飞机的蒙皮、桁条、隔框、大梁、建筑上用的承力构架，载重汽车的框架、车身，铁路车厢的骨架和地板等。

2A06合金可用于制造在150℃～250℃温度下工作的型材结构件，可用于制造蒙皮、大梁、隔框，在使用时受剧烈加热的其他结构零件。

与2A12合金不同，2A06合金的大中型型材和壁板在淬火和自然时效状态下没有晶间腐蚀和腐蚀开裂现象。

6005A、6082、6061、7005、2A70、2A50、5A50、5A06合金主要用于制造承受中等负荷结构件。

其中，6005A、6082、6061、7005、2A70和2A50合金在淬火和人工时效后使用。

可用这些合金制造铁路车厢的框架和车身、焊接油箱、建筑上承受载荷的吊砰、隔板、船舶的甲板、上部建筑的隔板等。

采用淬火和自然时效状态下的6A02和6063合金制造装饰件和民用建筑结构件。

在这种状态下，上述合金具有高抗蚀性，能很好地抛光和阳极氧化处理。

此外，在某种情况下，也利用5A06和5A03合金制造民用建筑结构件。

在某些情况下，采用1035工业纯铝和3A21合金型材制造建筑结构的装饰部件。

表1列出了我国部分挤压型材用铝合金的牌号、化学成分与美国、日本和俄罗斯牌号对照。

表2为挤压型材用铝合金的可挤压性及典型力学性能。

表1我国常用挤压型材铝合金化学成分及与国外牌号对照表

合金

名称

化学成分/%

其他杂质

国外牌号

Fe+

Ｓi

单个

合计

美国

俄罗斯

日本

1070A

0.01

0.16

0.26

0.03

A00

1060

0.01

0.25

0.20

0.36

0.03

1050

0.015

0.30

0.45

0.03

1035

0.05

0.35

0.40

0.60

0.03

1200

0.05

0.5

0.90

0.05

1435

1200A

0.10

0.5

0.55

0.10

1.0

0.05

0.15

3A21

0.20

0.05

1.0-

1.6

0.7

0.6

0.10

0.15

0.05

0.10

3003

AMц

A3003

5A02

0.10

2.0-

2.8

0.15-

0.4

0.15

0.6

0.05

0.15

5052

AMг

A5052

5A03

0.10

3.2-

3.8

0.3-

0.6

0.5

0.5-

0.8

0.20

0.15

0.05

0.10

5154

AMг3

A5054

5A05

0.10

4.8-

5.5

0.3-

0.6

0.5

0.20

0.05

0.10

5056

AMг5

A5056

5A06

0.10

5.8-

6.8

0.5-

0.8

0.4

0.20

0.02-

0.1

0.001-

0.005

0.05

0.10

AΜг6

2A01

2.2-

3.0

0.2-

0.5

0.2

0.5

0.10

0.15

0.05

0.10

2217

Д18П

A2117

2A02

2.6-

3.2

2.0-

2.4

0.45-

0.7

0.30

0.10

0.15

0.05

0.10

BД17

2A06

3.8-

4.3

1.7-

2.3

0.5-

1.0

0.50

0.10

0.03-

0.15

0.0001-

0.005

0.05

0.10

Д19

2A11

3.8-

4.8

0.4-

0.8

0.4-

0.8

0.7

0.30

0.15

Nio.1

Fe+

Nio.7

0.05

0.10

2017

Д1

A2017

2A12

3.8-

4.9

1.2-

1.8

0.3-

0.9

或Cr

0.5

0.30

0.15

Nio.10

－

Fe＋Nio.5

0.05

0.10

2024

Д.16

A2024

续表1

合金

名称

化学成分/%

其他杂质

国外牌号

Fe+

Ｓi

单个

合计

美国

俄罗斯

日本

6A02

0.2-

0.6

0.45-

0.9

0.15-

0.35

0.5

0.5-

1.2

0.20

0.15

0.05

0.10

6151

A6151

2A14

3.9-

4.8

0.4-

0.8

0.4-

1.0

0.7

0.6-

1.2

0.30

0.15

Nio.1

0.05

0.10

2014

Д6

A2014

6063

0.1

0.45-

0.9

0.10

0.35

0.2-

0.6

0.10

0.05

0.15

6063

AД31

A6063

6061

0.15-

0.4

0.8-

1.2

0.15

0.7

0.4-

0.8

0.25

0.15

0.04-

0.35

0.05

0.15

6061

AД33

6061

6005A

0.30

0.4-

0.7

0.50

0.35

0.5-

0.9

0.20

0.10

0.30

0.12Mn＋Ｃr

0.05

0.15

6082

A6082

6082

0.10

0.6-

1.2

0.4-

1.0

0.50

0.7-

1.3

0.20

0.10

0.25

0.05

0.15

6005A

A6N01

6070

0.15-

0.40

0.5-

1.2

0.04-

1.0

0.50

1.0-

1.7

0.25

0.15

0.10

0.05

0.15

6070

A6070

6066

0.7-

1.2

0.8-

1.4

0.6-

1.1

0.50

0.9-

1.8

0.20

0.40

0.05

0.15

6066

A6066

6053

0.10

1.1-

1.4

0.35

0.5-

0.9

0.10

0.15-

0.35

0.05

6053

A6053

6N01

0.35

0.4-

0.8

0.5

0.35

0.4-

0.9

0.25

0.30

0-0.5

Mn＋

Ｃr

0.05

0.15

6005A

A6N01

7A03

1.8-

2.4

1.2-

1.6

0.10

0.20

6.0-

6.7

0.02-

0.08

0.05

0.10

7178

B94

A7178

7A04

1.4-

2.0

1.8-

2.8

0.2-

0.6

0.5

5.0-

7.0

0.10

0.05

0.10

B95

7A09

1.2-

2.0

2.0-

3.0

0.15

0.5

5.1-

6.1

0.10

0.16-

0.30

0.05

0.10

7075

B954

A7075

7005

0.10

1.0-

1.8

0.2-

0.7

0.4

0.35

4.0-

5.0

0.01-

0.06

0.06-

0.2

0.08-

0.2Zr

0.05

0.10

7005

1915

A7005

7N01

0.20

1.0-

2.0

0.2-

0.7

0.35

0.3

4.0-

5.0

0.20

0.3

0.10-

0.25Zr

0.05

0.15

1915

A7N01

7020

0.2

1.0-

1.4

0.05-

0.50

0.4

0.35

4.0-

5.0

0.1-

0.35

0.08-

0.2Zr

0.05

0.15

7020

A7020

6351

0.10

0.40-

0.80

0.4-

0.80

0.50

0.7-

1.3

0.2

0.20

0.05

0.15

6315

A6315

6005

0.10

0.40-

0.60

0.10

0.35

0.6-

0.9

0.10

0.05

0.15

6005

A6005

6061

0.15-

0.35

0.8-

1.2

0.15

0.70

0.40-

0.80

0.25

0.15

0.05

0.15

6061

A6061

5083

0.10

4.0-

4.9

0.4-

1.0

0.40

0.25

0.15

0.05-

0.25

0.05

0.15

5083

A5083

表2铝合金的可挤压性及典型力学性能

合金

可挤压

性指数

可否挤压

空心型材

典型状态

典型力学性能

抗拉强度/（N·mm-２）

屈服强度/（N·mm-２）

伸长率／%

1100

150

可

H112

1200

140

可

H112

2014

不可

440

310

2017

不可

430

290

2024

不可

490

340

3003

110

可

H112

110

3203

110

可

H112

110

5052

难～不可

H112

200

100

5454

不可

H112

260

130

5083

不可

H112

300

155

6061

可

320

280

6N01

可

280

240

6063

100

可

T5/T6

195／２６０

155

7003

可

320

260

7N01

可

350

300

7075

不可

T6511

590

520

1.2典型挤压铝合金的特性与用途

（1）1035合金。

它是含0.7%以下杂质的工业纯铝，其主要杂质是铁和硅。



1035合金的半成品在退火或热挤压状态下供应。

但是，不管什么样的供应状态，挤压型材最后加工工序是拉伸矫直，或在辊式矫直机上矫直。

矫直时，强度性能略有提高，但塑性显著降低。



此外，在冷变形时合金的电阻率稍有提高。

因此在型材性能要求严格时，则需要考虑矫直时上述性能的变化。



提高变形温度时，1035合金的强度性能下降，而塑性则急剧升高。

而当温度低于零度时，合金的强度和塑性性能都显著提高。



（2）3A21合金。

它是Al－Ｍn二元系中的变形合金，具有高抗蚀性，实际上与1035合金的抗蚀性没有差别。

3A21合金的半成品能够很好地进行气焊、氩弧焊和接触焊。

焊缝的抗蚀性与基体金属相同。

在冷状态和热状态下合金的变形性能均良好，热变形的温度范围很宽（320℃～470℃）。

该合金属于热处理不可强化型，型材在退火或热挤压状态下供应。



变形温度和变形速度对3A21合金变形抗力的影响要比对工业纯铝的小得多。



（3）6063合金。

它是Al－Ｍg－Ｓi系合金中的典型代表，具有优良的可挤压性和可焊接性，是建筑门窗型材的首选材料。

它的特点是在塑性加工的温度－速度条件下，塑性性能和抗蚀性高；没有应力腐蚀倾向。

在焊接时，其抗蚀性实际上不降低。



6063合金可显著热处理强化。

合金中的主要强化相是Mg2Si和AlSiFe。

如果6063合金挤压型材在退火状态下的抗拉强度为80N／mm２～100N／mm２，那么在淬火和人工时效后可提高到180N／mm２～300N／mm２，此时相对伸长率下降较小（由23%～25%下降到10%～15%）。

淬火与人工时效之间的间隔时间对6063合金的强化程度有显著的影响，随着间隔时间由15min增加到4h，抗拉强度和屈服强度降低30N／mm２～40N／mm２。

人工时效的保温时间对6063合金型材的力学性能没有显著影响。



（4）普通的6A02合金（不限制铜含量）。

它属于Al－Ｍg－Si－Cu系合金，在塑性加工的温度－速度条件下，以及在室温下具有很高的塑性。



虽然6A02的Mn含量比较少，但其挤压制品在热处理后却能保持着未再结晶的组织，因而可以显著提高合金的强度。

与6063合金一样，6A02合金在热处理时急剧强化，其主要强化相为Mg２Si和W（AlxMg５Si４Cu）。

淬火后进行自然时效可以提高抗拉强度，与退火状态下的强度相比可提高1倍；而淬火再人工时效，抗拉强度大约可提高两倍。

但是，在人工时效后塑性指标明显下降（相对伸长率大约降低1／２，而相对压缩率降低2／３以上）。



6A02合金在人工时效状态下的抗蚀性明显下降，并出现晶间腐蚀倾向。

合金中的铜含量越高，则抗蚀性下降越多。

因此，通常把合金中的铜含量控制在0.1%以下。



6A02合金可以点焊、滚焊和氩弧焊。

焊接接头的强度为基体金属强度的60%～70%。

焊接后淬火和时效可使焊接接头的强度达到基体金属强度的90%～95%。



（5）5A06合金属于Al－Ｍg－Mn系合金，无论在室温下，还是在高温下，它都具有很高的塑性。

在各种介质中，包括在海水中都具有很高的抗蚀性。

该合金的良好抗蚀性和可焊性使它在造船工业中得到广泛应用。

该合金的焊缝具有高的强度和塑性性能。

在室温下，焊接接头的强度可达到基体金属强度的90%～95%。



5A06合金和其他马格纳里型合金（5A02、5A03、5A05）一样，都属于热处理不可强化的铝合金，其半成品通常是在退火状态下供应。

通常在较低的温度下（310℃～335℃）退火，并在空气中冷却。

当退火温度较高或者在热挤压状态下供应半成品时，如果使用温度高于60℃，则过饱和固溶体将发生分解，沿晶粒边界析出β相（Al３Ｍg２）质点，因而急剧地提高了合金的应力腐蚀和晶间腐蚀倾向性。



（6）2A70合金属于复杂的Al－Ｃu－Mg－Ni－Fe系合金，是一种热强铝合金，近来在高温工作结构件中获得了十分广泛的应用。

合金在热状态下能够很好地变形，变形的温度范围为350℃～470℃。



2A70合金通过热处理可以剧烈强化，主要强化相是S相（Al２CuMg）。

热挤压型材经过淬火和人工时效后，合金的抗拉强度可达到420N／mm２～450N／mm２，屈服强度可达到300N／mm２～380N／mm２。

因此，该合金的力学性能接近于高强度铝合金的。



2A70合金挤压型材在淬火和人工时效状态下没有腐蚀开裂倾向，但合金的一般抗蚀性不高。

因此，该合金型材最好进行阳极化处理或涂漆处理，也可以进行点焊、滚焊和切削加工。

（7）2A12合金是应用最广泛的一种硬合金，属于Al－Cu－Mg－Mn系四元合金。



2A12合金可热处理显著强化，主要强化相是S相（Al２CuMg）和CuAl２。

合金在热状态和冷状态（无论退火状态还是淬火状态）下均能很好地变形。

热变形可以在很宽的温度范围（350℃～450℃）内进行。



淬火和自然时效后，半成品的力学性能在很大程度上取决于预加工的条件。

例如，用铸坯挤压的壁板和型材，保留未再结晶组织（挤压效应），热处理后的强度性能具有最大值，达

Rm=450N／mm２～490N／mm２。

用预变形坯料挤压的型材，经热处理后，其强度性能明显

下降，Rm=390N／mm２～420N／mm２，大致和轧制厚板的强度性能相同。



如果用含铜量和含锰量为上限（4.5%～4.85%Cu、0.65%～0.85%Mn）的2A12铝合金挤压生产半成品，并将挤压温度提高到430℃～460℃，则在塑性指标没有明显降低的情况下，其强度性能大约可提高10%。



2A12合金的抗拉强度和屈服强度也和自然时效时间有关。

强度的提高主要是在24h内，当继续时效时，强度性能的增长就不明显了。

因此，试样淬火后经过24h～48h即可进行力学性能试验。



对淬火和时效的半成品进行冷变形，可使其强度性能（特别是屈服强度）得到显著提高。

2A12合金半成品在淬火后进行自然时效状态下抗蚀性低，甚至在短时间加热到150℃以上时，抗晶间腐蚀性能急剧下降，将淬火的半成品进行人工时效（加热到190℃，保温6h～８h），可以提高抗蚀性和强度性能（特别是屈服强度），但塑性指标却大大降低，例如，相对伸长率可降低1／２～2／３。



因此，当必须采用人工时效时，所有工艺操作（弯曲、矫直）都应当在自然时效以后进行，只对最终产品进行人工时效。



2A12合金可以进行点焊和滚焊，但氩弧焊和气焊的效果不好。

尽管焊接接头的强度系数具有中等数值（60%～７０％），但该合金在熔焊时，在焊缝处经常出现结晶裂纹。

因此，一般不采用2A12合金制造密封结构。

该合金的半成品（其中包括型材和壁板）通常用铆接方法连接，很少采用点焊连接。



（8）2A06合金与2A12合金一样，是Al－Ｃu－Mg－Mn系四元合金。

该合金在热处理时的主要强化相与2A12合金的相同，也是S相（Al２ＣuMg）和CuAl２相。

但是，2A12合金中所没有的Al３Ti相，对2A06合金的强化作用具有一定影响。



2A06合金在热状态和冷状态下均能很好地变形，最适宜的热变形温度范围为400℃～470℃。

该合金挤压型材和壁板在室温下的力学性能与2A12合金的大致相等，在自然时效状态下比2A12合金具有更高的抗蚀性。

因此，2A06合金壁板在自然时效状态下使用。

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2A06合金在自然时效状态下的强化速度比2A12合金的低，这可使2A06合金壁板比2A12合金壁板放置更长的时间再进行冷加工（例如矫直、弯曲）。

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在可焊性方面，2A06合金优于2A12合金。

但是，在焊接时，靠近焊缝区合金的抗蚀性明显下降。

因此，与2A12合金一样，2A06合金不用于制造密封结构，其半成品主要用于铆接方法和点焊方法进行连接。

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（9）7A04合金属于Al－Ｚn－Mg－Ｃu四元系，是一种强度最高的铝合金，广泛应用于生产壁板和型材。

用热处理方法可使合金剧烈强化，主要强化相是MgZn２和Al２MgZn相。

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与2A12和2A06合金不同，7A04合金挤压半成品只能在淬火和人工时效状态下供应，因为7A04合金在自然时效状态下的抗蚀性能低。

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7A04合金的特点是淬火温度范围宽，可在460℃～480℃的范围内进行。

在上述温度范围内改变淬火加热温度，对合金的力学性能没有影响。

但是与其他合金相比，7A04合金对从炉内向冷却介质的转移时间具有更高的敏感性。

当转移时间由3s～5s增加到20s时，抗拉强度下降10N／mm２～11N／mm２，屈服强度降低30N／mm２～40N／mm２。

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在135℃～145℃温度下，保温16h进行人工时效处理，可得到强度性能最高的挤压产品。

淬火与人工时效之间的放置时间对7A04合金挤压产品的力

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