淬火冷卻速率對(duì)6N01合金性能的影響研究

于金鳳，徐群峰

（叢林集團(tuán)有限公司，山東 龍口 265705）

關(guān)鍵字：6N01合金；斷口掃描；淬火冷卻速率。

6N01合金因其具有良好的綜合性能，成為軌道交通用車(chē)體材常用選材之一。工業(yè)生產(chǎn)中，為提高生產(chǎn)效率，企業(yè)大都采用擠壓+在線淬火+人工時(shí)效的方式來(lái)獲得6N01合金所需求的性能，這種工藝被實(shí)踐證明是高效的。但是在生產(chǎn)時(shí)，此工藝也面臨挑戰(zhàn)，季節(jié)變化、設(shè)備因素等導(dǎo)致的溫度變化會(huì)導(dǎo)致6N01合金性能產(chǎn)生不同程度的波動(dòng)。在前期停放對(duì)型材的性能影響的基礎(chǔ)上，本文單獨(dú)對(duì)固溶淬火冷卻速進(jìn)行了探討，對(duì)比了不同冷卻強(qiáng)度型材的組織和力學(xué)性能變化，簡(jiǎn)要闡述了淬火冷卻速率對(duì)型材性能的影響，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)方案

本文固溶淬火實(shí)驗(yàn)材料截取自6N01合金的車(chē)體型材，壁厚3mm，合金成分符合GB/T3190-2008要求。取樣沿?cái)D壓方向同一位置取樣。試樣采用530℃Х1.5h的固溶制度，固溶淬火完成后在不同環(huán)境下進(jìn)行冷卻（見(jiàn)表1），待冷卻溫度低于50℃后，直接入爐進(jìn)行165℃Х8h的人工時(shí)效。

金相試樣經(jīng)磨制，使用HCl：HNO3：H2O=1:2:22的腐蝕液進(jìn)行金相腐蝕，使用蔡司Observer.A1m光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察和測(cè)量，觀察倍數(shù)50×。硬度檢測(cè)使用美國(guó)英斯特朗CLB3布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量。試驗(yàn)力為62.5Kgf，壓頭直徑2.5mm，加載時(shí)間10s。使用日本島津產(chǎn)UHF300微機(jī)數(shù)顯式液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行硬度和力學(xué)性能試驗(yàn)。使用德國(guó)蔡司產(chǎn)EVO18掃描電鏡進(jìn)行金相觀察。

表1 實(shí)驗(yàn)采用的冷卻方式

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固溶淬火型材金相

固溶完成后取樣進(jìn)行金相檢測(cè)顯示，型材晶粒度差別不大，均在4級(jí)左右。取淬火時(shí)效后的試樣進(jìn)行高倍金相觀察（500Х），見(jiàn)圖1。

資料[1]顯示，Al-Mg-Si合金中，Mg2Si的電極電位比其邊緣的Al基體負(fù)易腐蝕，在進(jìn)行腐蝕時(shí)，Mg2Si相中的Mg會(huì)優(yōu)先腐蝕使強(qiáng)化相表面出現(xiàn)蝕坑，金相觀察時(shí)出現(xiàn)光的散射呈現(xiàn)黑色。通過(guò)觀察黑色質(zhì)點(diǎn)分布可一定程度反應(yīng)強(qiáng)化相的析出和分布情況。觀察照片可見(jiàn)，不同冷卻強(qiáng)度的金相組織存在一定差異。水冷型材基體黑色質(zhì)點(diǎn)密且最多，晶界部位出現(xiàn)異于基體的白色區(qū)域，并有斷續(xù)存在的黑色析出物；兩種空冷型材金相大體一致，存在細(xì)小致密析出質(zhì)點(diǎn)，晶界較為明顯且連續(xù)，存在類(lèi)似水冷的白色區(qū)域；爐冷型材金相可觀察到存在尺寸較大的彌散析黑色質(zhì)點(diǎn)，晶界清晰并有黑色質(zhì)點(diǎn)連續(xù)分布。

圖1 固溶淬火時(shí)效后金相照片

根據(jù)第二相和彌散相強(qiáng)化理論，析出的強(qiáng)化相數(shù)量、尺寸和分布會(huì)對(duì)合金形成不同程度的強(qiáng)化，依此判斷，水冷型材應(yīng)具有最高的強(qiáng)度，空冷次之，爐冷最差，同時(shí)水冷型材中斷續(xù)分布的強(qiáng)化相有助于提高晶界延展性，提高整體塑性。

2.2 固溶淬火對(duì)性能的影響

試樣固溶完成后，進(jìn)行不同形式的淬火，淬火強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖2。試樣完成淬火后進(jìn)行人工時(shí)效，檢測(cè)最終力學(xué)性能，繪制形成冷卻方式和強(qiáng)度/延伸率的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。

圖2 淬火冷卻曲線

圖3 不同冷卻方式下的未拉伸試樣性能變化

由淬火冷卻曲線可見(jiàn)，水冷的冷卻速率最高，室外空冷次之，室內(nèi)空冷再次，爐冷最慢。在淬火敏感區(qū)內(nèi)，水冷冷卻速率最快，冷卻速率大于100℃/s；室外的冷卻速率約為1.3℃/s；室內(nèi)的冷卻速率約為0.78℃/s；爐冷的冷卻速率小于0.3℃/s。

未拉伸實(shí)驗(yàn)試樣的強(qiáng)度與淬火冷卻速率對(duì)應(yīng)（圖2），隨著冷卻速率的下降而呈下降趨勢(shì)，水冷時(shí)強(qiáng)度最高，爐冷時(shí)最低。但延伸率未與冷卻速率對(duì)應(yīng)，呈現(xiàn)先下降后微升的情況。其中，水冷比室外冷卻的型材強(qiáng)度高約20MPa左右；室外比室內(nèi)冷卻的型材強(qiáng)度高約10MPa左右；爐冷處理的型材性能最差，屈服強(qiáng)度僅為水冷的一半。取相同處理的試樣加以5%的拉伸變形，性能見(jiàn)表2，型材整體強(qiáng)度升高，但是延伸率降低，強(qiáng)度升高趨勢(shì)的大小與未拉伸試樣基本一致，說(shuō)明冷卻速率的升高對(duì)試樣強(qiáng)度提升有利。

表2 不同冷卻速率下型材的力學(xué)性能

整體而言，采用水冷淬火的試樣綜合力學(xué)性能最好。

2.3 固溶淬火型材斷口觀察

取拉伸后的試樣一側(cè)斷口，經(jīng)處理后，進(jìn)行斷口掃描，見(jiàn)圖4。

圖4 不同冷卻方式下的未拉伸試樣斷口形貌

斷口掃描照片顯示，四種不同處理的試樣斷口均呈現(xiàn)出一種微孔聚合韌性斷裂的形貌，即斷口均出現(xiàn)大量韌窩，但形態(tài)存在一定差異。1#試樣存在大而深的韌窩，斷口局部存在撕裂棱，塑性良好；2#試樣呈現(xiàn)明顯的晶界斷裂特征，斷裂界面存在小而淺的韌窩；3#試樣也呈現(xiàn)一定的沿晶斷裂情況，但不如2#端口那么明顯，韌窩更多且深度增加，塑性相對(duì)2#要好；4#試樣韌窩小而深，遍布整個(gè)斷口，呈現(xiàn)出較好的塑性形態(tài)。斷口形貌與力學(xué)檢測(cè)結(jié)果一致。

3 討論

6xxx合金是以Mg2Si相為主要強(qiáng)化相的鋁合金，時(shí)效析出β'相的尺寸、形態(tài)和分布對(duì)合金的最終性能起著決定作用。但是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中影響最終析出相形態(tài)的因素很眾多，如合金成分、鑄棒均質(zhì)、擠壓工藝、淬火工藝、拉伸以及時(shí)效等。其中，鋁合金淬火冷卻效果直接影響了后續(xù)時(shí)效，進(jìn)而影響合金最終性能。

根據(jù)空位理論[2]，當(dāng)晶體溫度升高時(shí)，原子的平均熱能加大，導(dǎo)致全局平均振幅加大，此時(shí)由于振動(dòng)而能脫離金屬鍵結(jié)合的原子數(shù)量增大，空位濃度增大。根據(jù)等溫脫溶轉(zhuǎn)變?cè)砜芍瘴皇荊P區(qū)等時(shí)效前驅(qū)相的有效形核位置，提高時(shí)效前合金的空位濃度有助于形成更多細(xì)小彌散的強(qiáng)化相，提升合金的綜合性能，因此，提高冷卻速率進(jìn)而“凍結(jié)”固溶時(shí)形成的空位成為提高合金性能的重要手段之一[3]。以本實(shí)驗(yàn)型材為例，采用冷卻速率最快的水冷淬火型材取得了最好的綜合效果。

目前，擠壓生產(chǎn)企業(yè)使用的淬火方式中以在線水冷、風(fēng)霧冷、風(fēng)冷為主[4]，其中風(fēng)冷成本低，易于實(shí)施進(jìn)而使用廣泛。這些冷卻方式均不可避免的是冷卻介質(zhì)溫度難以做到恒定控制，水溫或者空氣溫度會(huì)隨著季節(jié)呈現(xiàn)起伏波動(dòng)，這就會(huì)造成淬火速率的增減，進(jìn)而對(duì)型材性能產(chǎn)生影響，這也從一方面解釋了合金性能隨季節(jié)變化的原因，為此可通過(guò)冷卻介質(zhì)的溫度控制和強(qiáng)度控制來(lái)確保型材性能穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展淬火冷卻速度對(duì)型材的影響實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)型材性能影響明顯，是造成6N01合金性能季節(jié)變化的原因之一，并得出：

（1）水冷型材強(qiáng)化彌散析出最好，晶界強(qiáng)化相斷續(xù)分布，斷口呈現(xiàn)大而深的韌窩和撕裂棱，具有最好的綜合力學(xué)性能；

（2）空冷型材析出相彌散，晶界強(qiáng)化相連續(xù)析出，斷口呈現(xiàn)明顯的晶界斷裂特征；

（3）爐冷型材析出相粗大，晶界連續(xù)且明顯，斷口呈現(xiàn)小而深的韌窩，綜合性能最差。