固溶制度對6082合金組織性能的影響

鄧玉臻，劉文霞，呂慶玉，劉平禮，宋琳琳

（山東叢林集團，山東龍口265705）

固溶制度對6082合金組織性能的影響

鄧玉臻，劉文霞，呂慶玉，劉平禮，宋琳琳

（山東叢林集團，山東龍口265705）

針對6082型材混爐固溶處理后再結(jié)晶導(dǎo)致性能惡化的情況，通過金相、硬度及導(dǎo)電率檢測，對固溶溫度和保溫時間對合金的影響進行了研究。結(jié)果顯示：固溶溫度和保溫時間均會影響硬度和導(dǎo)電率，同時擠壓形成的亞晶組織也會發(fā)生不同程度的再結(jié)晶。本實驗型材的最佳固溶制度為520℃×3h。520℃固溶處理時，合金元素固溶度較低，導(dǎo)電率和硬度易受表層晶粒長大的影響而變化。

固溶處理；再結(jié)晶；晶粒長大；電導(dǎo)率

0 前言

6082合金屬于Al-Mg-Si系熱處理可強化的鋁合金，具有中等強度和良好的焊接性能和耐腐蝕性，主要用于交通運輸和結(jié)構(gòu)工程上，如橋梁、起重機、屋頂構(gòu)架、交通車和運輸船等[1]。

固溶處理是決定時效后顯微組織和合金最終力學(xué)性能的關(guān)鍵階段[2～3]。鋁合金的固溶處理一般安排在熱塑性成形工藝之后，經(jīng)均質(zhì)化處理的鑄錠在熱變形過程中受變形力作用發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)析出，這些析出相會優(yōu)先在晶界處形成，而且變形過程會使粗大的難溶相破碎并沿晶界排布，這都將造成合金塑性和強度降低。采用固溶處理，使合金元素盡可能多的溶入基體，不但能為析出強化做準備，還能保證有害的粗大第二相在晶界的聚集減少。

某6082型材在線水冷后，經(jīng)人工時效強度偏低，取部分型材混在其他型材中進行離線淬火改善性能，但性能反而惡化。經(jīng)金相檢測顯示，在線淬火后的型材表面粗晶較薄，混爐固溶處理后表面晶粒異常長大、變厚，拉伸斷口出現(xiàn)分層且分層位置與表面粗晶晶界重合，分析認為這是由于混裝爐導(dǎo)致固溶處理制度不當所致。為研究固溶處理的影響，在實驗室條件下對影響固溶效果的固溶溫度和保溫時間進行研究，通過對比金相組織、硬度及導(dǎo)電率變化，尋找一種晶粒組織未明顯長大、固溶效果較好的最佳固溶制度。

1 實驗方案

1.1 試樣制取

選取上述問題型材，斷面簡圖見圖1。圖中標注的金相觀察位置為觀察和測量位置。沿擠壓方向連續(xù)截取寬度30mm的試樣若干。實驗型材最大壁厚11mm。

圖1 試驗斷面

1.2 固溶制度

為驗證固溶制度對型材金相組織的影響，參考相關(guān)資料[4]，選取520℃和540℃兩個溫度作為試驗溫度，相關(guān)實驗參數(shù)設(shè)定如表1。固溶處理結(jié)束后，均按照175℃×8h時效制度進行時效。

表1 固溶實驗參數(shù)

1.3 檢測內(nèi)容

試樣時效后取金相樣，進行金相磨制，選用HCl∶HNO3∶H2O=1∶2∶22的腐蝕液進行金相腐蝕，使用蔡司Observer.A1m光學(xué)顯微鏡進行金相觀察和測量，觀察倍數(shù)50倍，觀察位置見圖1。

硬度檢測能較好地反應(yīng)材料力學(xué)性能。本實驗使用美國英斯特朗CLB3布氏硬度計進行硬度測量。試驗力為62.5kgf，壓頭直徑2.5mm，加載時間10s。

選用相同的時效制度，使用導(dǎo)電率值反映材料內(nèi)部微觀變化。使用德國FISHER便攜式導(dǎo)電率儀對固溶時效后的試樣進行導(dǎo)電率測量，測量位置為圖1中型材下表面。

2 實驗結(jié)果

2.1 金相檢測結(jié)果

對固溶時效后的試樣進行金相檢測（放大倍數(shù)50倍），檢測結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 520℃固溶不同時間后金相組織形貌

圖3 540℃固溶不同時間后金相組織形貌

對固溶試樣進行粗晶層測量發(fā)現(xiàn)，520℃固溶的試樣固溶時間在3h以內(nèi)時，粗晶層厚度在510～550μm之間，差別不大。但是當保溫時間為5h和6.5h時，粗晶層變厚，厚度在1000～1100μm之間。540℃固溶的試樣保溫時間在1.5h以內(nèi)時，粗晶層厚度基本不變（520μm左右）。但是當保溫時間超過1.5h時，粗晶層迅速增厚；至3h時，粗晶層厚度已達到3692μm，宏觀清晰可辨。這說明在實驗時間段內(nèi)隨時間延長，擠壓時形成的表面亞晶組織發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，表層晶粒長大，而且這種晶粒長大趨勢隨溫度升高增大，見圖4。

圖4 520℃和540℃固溶不同時間粗晶層厚度變化趨勢

2.2 硬度檢測結(jié)果

試樣固溶+時效處理后進行硬度測量。結(jié)果顯示，固溶時間和溫度均會對硬度產(chǎn)生影響。固溶保溫時間小于3h時，隨時間延長，硬度逐步上升，540℃固溶的試樣硬度曲線運行于520℃固溶的試樣上方。但是我們注意到520℃固溶的試樣在固溶時間大于3h時，硬度值出現(xiàn)下降，整體變化呈現(xiàn)“Λ”，與520℃固溶時的表面粗晶層增厚節(jié)點存在對應(yīng)。不同時效后的硬度變化見圖5。

圖5 520℃和540℃固溶不同時間時效后硬度變化趨勢

2.3 導(dǎo)電率檢測結(jié)果

導(dǎo)電率檢測結(jié)果見圖6顯示，固溶保溫時間小于3h時，隨時間延長，導(dǎo)電率逐步下降，540℃固溶的試樣硬度曲線運行于520℃固溶的試樣下方。但是520℃固溶保溫時間大于3h時，導(dǎo)電率出現(xiàn)上升，整體變化呈現(xiàn)“V”，與520℃固溶時的硬度變化趨勢剛好相反。

圖6 520℃和540℃固溶不同時間時效后導(dǎo)電率變化趨勢

3 分析與討論

3.1 固溶處理制度對金相組織的影響

對于固溶熱處理而言，固溶制度主要影響合金元素的固溶程度，進而影響型材性能。隨固溶溫度和時間的增加，提高了固溶體中溶質(zhì)原子與空位的過飽和度，合金中粗大第二相溶入基體的溶解度增加，淬火后形成的固溶體過飽和度相應(yīng)增加，直至達到該溫度下的最大固溶度，這有利于提高合金的固溶強化和時效強化效果。但固溶溫度和時間的增加，也加劇了擠壓形成的變形組織的再結(jié)晶行為，這是因為固溶處理時，熱擠壓時形成的亞晶組織和結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定程度回復(fù)和再結(jié)晶。當保溫時間較長時，已形成的再結(jié)晶晶粒會發(fā)生不同程度的長大，如圖7所示。這種回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大過程優(yōu)先發(fā)生在變形劇烈部位，如型材表面。當粗晶層厚度和晶粒過大時，會惡化型材的綜合性能。實踐證明，固溶淬火后型材表面形成粗大的再結(jié)晶組織，在進行力學(xué)檢測時，力學(xué)性能極差，拉伸斷口易形成沿再結(jié)晶晶界延伸的寬大二次裂紋，嚴重的可形成類似成層的情況。

從再結(jié)晶角度考慮，520℃×3h和540℃×1.5h是較佳的固溶制度，此時表層晶粒未出現(xiàn)明顯長大。

圖7 固溶組織演變

3.2 固溶處理制度對硬度的影響

過飽和固溶體時效過程中通過析出強化相，形成彌散和沉淀強化，加上基體的固溶強化、晶界強化等共同構(gòu)成鋁合金的主要強化方式。隨著過飽和度的增加，合金固溶強化和時效強化增強，進而使合金的強度和硬度升高，本實驗前3個小時的檢測結(jié)果符合此種趨勢。圖5硬度變化曲線顯示，520℃固溶的型材在固溶3h后，硬度出現(xiàn)拐點并向下變化，結(jié)合金相結(jié)果可判定此時合金固溶強化效果被晶粒長大的影響而極大削弱，性能受再結(jié)晶影響大。由Hall-Petch公式可知，合金強度與晶粒尺寸成反比，晶粒長大對合金強度不利。

從硬度和再結(jié)晶角度考慮，520℃×3h為較佳的固溶制度，此制度下既能獲得未明顯長大晶粒組織，硬度也比540℃×1.5h制度高，性能較好。

3.3固溶處理制度對導(dǎo)電率的影響

本實驗使用相同的時效制度，電導(dǎo)率的檢測一定程度上從側(cè)面反映了型材固溶程度[5]。資料顯示[6、7]，金屬的電阻率與電子的自由程有關(guān)，對導(dǎo)電率影響最大的是固溶體的固溶程度。溶質(zhì)原子在基體中的過飽和度越大，基體畸變程度也相應(yīng)增大，基體點陣中電子散射源的數(shù)量和密度增加。導(dǎo)電電子的平均自由程減小，使電子受散射的幾率增大，合金導(dǎo)電率降低。另一方面，固溶程度升高，基體中原有的位錯等缺陷減少，集體點陣中電子散射源數(shù)量和密度減小，導(dǎo)電率會升高?？傮w來說，隨固溶度升高，合金導(dǎo)電率降低，當平衡相溶解達到極限，合金導(dǎo)電率就不再變化。本實驗中，實驗前期隨著固溶度程度升高，導(dǎo)電率下降，但是隨著保溫時間延長，型材發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒發(fā)生長大?；貜?fù)可以減少材料的晶體缺陷，特別是點缺陷濃度，使點陣電場的不均勻程度降低，結(jié)果使鋁合金的導(dǎo)電率升高。再結(jié)晶可以消除鋁合金冷塑性變形時形成的晶體缺陷和晶格畸變，使鋁合金的組織恢復(fù)到冷塑性變形前的狀態(tài)，此時，導(dǎo)電率也恢復(fù)到冷塑性變形前的狀態(tài)[8]。這種情況在520℃固溶較為明顯，此時導(dǎo)電率受晶粒長大影響明顯。

綜合再結(jié)晶、硬度和導(dǎo)電率三方面的因素，判定520℃×3h為此型材最佳固溶制度，此時合金組織穩(wěn)定，固溶程度較高，綜合性能最好。按此固溶制度對性能樣進行固溶處理并時效，性能符合要求。

4 結(jié)論

通過實驗得出以下結(jié)論：

（1）本實驗型材的最佳固溶制度為520℃×3h。

（2）固溶溫度和保溫時間均會影響6082合金硬度和導(dǎo)電率，同時擠壓形成的亞晶組織也會發(fā)生不同程度的再結(jié)晶，固溶制度制定時應(yīng)綜合考慮，尤其是在混裝爐固溶時。

（3）520℃固溶處理時，合金元素固溶度較低，導(dǎo)電率和硬度易受表層晶粒長大的影響而變化。540℃固溶處理時，合金元素固溶度高，晶粒長大的影響不明顯，但是由于晶粒過大，不利于型材綜合性能提升。

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Effect of Solution System on Microstructure and Property of 6082 Alloy

DENG Yu-zhen，LIU Wen-xia，LV Qing-yu，LIU Ping-li，SONG Lin-lin
（Shandong Conglin Aluminum Co.,Ltd.,Longkou 265705,China）

Performance was deteriorative after solid solution due to recrystallization of the 6082 profiles,the effect of the solution tem?perature and holding time on alloys were investigated by aid of metallographic examination,hardness and electrical conductivity de?tection.The results showed that the solution temperature and holding time will affect the hardness and conductivity,sub-grain struc?ture formed during extrusion would cause recrystallization with various degree.

solution treatment;recrystallization;grain growth;electrical conductivity

TG146.21，TG166.3

A

1005-4898(2017)03-0012-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.03.03

鄧玉臻（1988-），男，山東省日照市人，工程碩士。

2017-03-08