通信机箱加工中6061铝合金对2A12铝合金的可替代性

王 伟，李应红

(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西桂林541004)

随着我国铝加工业的迅速发展，各种新材料不断出现，既为设计师选择材料提供了广阔的余地，又因难以权衡而增加了新的困难，特别是对结构材料。然而，正确、合理地选择材料是保证产品最佳性能、可靠工作、安全使用和经济性的基础，必须全面考虑，科学论证，认真分析计算。

对于通信机箱，属于薄壁结构，工作条件恶劣，影响因素更多，因此选材更加困难。因此通信机箱选材时应考虑下列因素：

（1）使用环境下材料的比强度和比刚度；

（2）材料在使用条件下的断裂韧度和亚临界裂纹扩展速率；

（3）材料的生产工艺性；

（4）材料与环境的相容性；

（5）生产成本与资源；

（6）生产工艺水平和产品研制进度；

考虑这些因素铝合金中6061 与2A12 成为我司日常机箱设计的常用材料，但哪种材料更能满足产品需求而且节约资源和成本？

1 基本性能分析

1.1 化学成分及耐腐蚀性对比

1.1.1 化学成分对比

6061 铝合金材料与2A12 铝合金材料的化学成分对比见表1所示。

表1 2A12 与6061 化学成分及元素质量分数

由表1可以明显看出两种铝合金组成元素大体相同，但是元素质量分数差别甚大，从而决定了两种合金的化学性能有较大的差异。2A12 属于超硬铝，具有很高的硬度，适合做刚度要求高的结构。6061 铝合金的主要合金元素是镁与硅，并形成Mg2Si 相。含有一定量的锰与铬，可以中和铁的坏作用，当添加少量的铜或锌，可提高合金的强度，而又不使其抗蚀性有明显降低；当做导电材料时还有少量的铜，以抵消钛及铁对导电性的不良影响；锆或钛能细化晶粒与控制再结晶组织，为了改善可切削性能，可加入铅与铋。

1.1.2 耐腐蚀性分析

2A12、6061 均属于高强度铝合金，广泛用作飞机、通信设备等结构材料。工作性能的要求使它们大多暴露于大气环境中，它们表面一般有一层致密的氧化膜，具有较好的耐大气腐蚀性能，但随着现代工业的不断发展和大气环境的严酷性增强和热处理工艺的多样化，对铝合金的耐大气腐蚀性也有了更高的要求。通过室内模拟加速大气腐蚀实验对两种材料的抗腐蚀性能在短时间内较快地得到实验结果。在本次实验中，采用质量分数为0.5%的NaCl 溶液对两种材料试件进行全浸泡，采用扫描电镜和X 射线衍射仪观察腐蚀产物形貌和腐蚀产物结构，见图1、图2所示。

图1 2A12 模拟大气腐蚀微观形貌

图2 6061 模拟大气腐蚀微观形貌

图1、图2为两种材料分别在0.5%的NaCl 溶液中全浸泡460 h 后的微观腐蚀形貌，图中（b）、（d）为局部放大图。实验结果表明2A12 和6061 铝合金均发生了明显的局部腐蚀，主要是点蚀和轻微的晶间腐蚀。随时间的延长腐蚀产物形貌由局部活性点生成的圆胞状产物逐渐聚集长大，最后形成连续腐蚀产物膜，可以看出腐蚀产物膜疏松且厚度不均匀，上面有明显的龟裂纹，6061 腐蚀斑点更加明显，但是6061 热处理性能好，表面附着力大，容易进行喷涂或者导电氧化，常采用阳极氧化处理与涂漆方法或表面加包铝层以提高其抗腐蚀能力。

1.2 力学性能及加工性能比较

1.2.1 力学性能对比

由化学成分及含量决定了2A12 是一种高强度硬铝，可进行热处理强化，在退火和刚淬火状态下塑性中等，点焊焊接性良好，用气焊和氩弧焊时有形成晶间裂纹的倾向；在淬火和冷作硬化后其可切削性能尚好，退火后可切削性低。2A12 为Al－Cu－Mg 系中的典型硬铝合金，其成份比较合理，综合性能较好。很多国家都生产这个铝合金，是硬铝中用量最大的。该合金的力学性能是强度高，有一定的耐热性，可用作150℃以下的工作零件。温度高于125℃，2A12 合金的强度比7075 铝合金的还高,焊接时易产生裂纹，但采用特殊工艺可以焊接，也可以铆接。由于组织不够致密，加工时容易粘刀，形成积削瘤，降低工件表面光洁度，另外装夹和加工时容易引起变形切削性能低，加工中会发生“粘刀”、“崩刀”现象。其力学性能对比见表2。

表2 2A12 与6061 力学性能

而6061 属热处理可强化铝合金，具有良好的可成型性、可焊接性、可机加工性好，同时具有中等强度，在退火后仍能维持较好的操作性。6061是经热处理预拉伸工艺生产的高品质铝合金产品，其强度虽不能与2A12 比，但其镁、硅合金特性多，具有加工性能极佳、优良的焊接特点及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、材料致密无缺陷及易于抛光、上色膜容易、氧化效果极佳等优良特点。

1.2.2 焊接性能对比

通信机箱大多是镶拼焊接结构，6061 铝合金从物理性能上看，它的导热性强、热容量大、线膨胀系数大、熔点低且高温强度小，其氧化亲和力极大，在表面生成氧化铝，使表面熔点高，组织致密，密度增大，焊接性能优于2A12。图3、图4是在相同条件下用氩弧焊机对两种材料焊接的焊缝图。

图3 2A12 焊接焊缝

图4 6061 焊接焊缝

从上图可以看出在两组接近的焊接参数下，两种材料的焊缝首先在外观上有明显的差别，2A12 材料的焊缝周围有细小的裂纹，2A12 焊接接头强度低于6061 的焊缝强度。

1.2.3 抗冲击性能分析

通信设备不仅要在相对静止的室内环境正常使用，由于功能的要求很多时候是在环境恶劣的室外，甚至是在不断移动和运输过程中也要正常运作，这就要求在设备中起到固定保护作用的机箱要有足够的抗冲击性能。为验证2A12、6061 两种材料做成的机箱在运输和使用过程中的抗冲击性能，分别用2A12 铝合金和6061 铝合金加工制作且运行正常的某固化机箱设备进行模拟运输和振动实验，经相同条件和参数的实验之后检测两批设备发现均运行正常，内部元器件没有任何损伤或者脱落。除用2A12 制作的箱体四角焊缝处喷塑塑粉有细小的裂纹之外没有其他明显的破坏，分析其原因材料2A12 的强度高表面附着力弱，对油漆或塑粉的吸附力没有6061 强，也验证了2A12 用氩弧焊接时有形成晶间裂纹倾向的结论。

1.3 2A12 与6061 的应用领域

2A12 铝合金主要用于制作各种高负荷的零件和构件如飞机上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，铆钉等150℃以下工作零件。

6061 铝合金制造工艺成熟，2A12 与6061 均属于可热处理铝合金，两者经过热处理以后从外观上难以区别，由于两者的价格相差巨大，大概相差在10 000 元以上/ 吨，所以6061 铝合金产量大规格齐全，6061 板带广泛应用于装饰、包装、建筑、运输、电子、航空、航天、兵器、汽车、地铁车辆、铁路客车、高速客车的车体结构件材料，代表用途包括航天固定装置、电器固定装置、通讯领域，也广泛应用于自动化机械零件、精密加工、模具制造、电子及精密仪器、SMT、PC 板焊锡载具等。

2 结 论

6061 铝合金属于Al-Mg-Si 系，是具有很多比其他有色金属、钢铁、塑料和木材等更优良的特性，密度小，为2.7 g/cm3，大约为铜或钢铁的1/3 左右，它有良好的导热性和导电性，良好的塑性和加工性能，良好的耐低温性能，对光热电波的反射率高、表面性能好，耐酸性，比较小的弹性系数；铸造性能和焊接性良好。当暴露在氧气、水和其他氧化剂的新鲜铝表面上容易生成一薄层连续的氧化铝膜，稳定性很强。氧化铝的分子约是氧化反应消耗的铝体积的1.3 倍。此层氧化膜是处于压应力之下，一但局部受到损伤，马上能够弥补，特别适合通信机箱在户外工作时的抗腐蚀性要求。通过以上分析6061 铝合金表现出来的优越性能满足通信机箱加工中的各种性能要求，并在其生命周期过程中可有效节约能源和资源，而且有利于加工、焊接，同时可极大的降低成本。

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