6061鋁合金擠壓型材性能影響因素分析

趙芳 胡皓 榮偉 陸宏韜 劉旭東

摘要：針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中T6狀態(tài)下6061鋁合金擠壓型材性能不合格的現(xiàn)象，研究了成分、組織與固溶制度對(duì)真性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，影響6061鋁合金擠壓型材性能的因素主要是元素配比及合金固溶程度。當(dāng)合金中Mg過剩時(shí)，雖能提高型材抗蝕性，但強(qiáng)度及墊性也隨之下降。當(dāng)固溶溫度為510℃，隨著固溶時(shí)間的延長，第二相在基體中的溶解度升高;

當(dāng)固溶時(shí)間為45min時(shí)，隨著固溶體溫度的升高，力學(xué)性能呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)固溶溫度達(dá)到480℃時(shí)，合金強(qiáng)度明顯提高。當(dāng)固溶時(shí)間為45min，隨著固溶溫度的提高，T6狀態(tài)下6061鋁合金擠壓型材的強(qiáng)度總體呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢，而伸長率和電導(dǎo)率變化不明顯.

關(guān)鍵詞：6061鋁合金;性能;電導(dǎo)率;固溶溫度

中圖分類號(hào)：TG 146文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

汽車作為現(xiàn)代交通行業(yè)的一種重要交通工具，其使用范圍愈來愈廣。鋁合金作為汽車輕量化材料的重要基材，其用于汽車制造業(yè)中的比重也逐漸增加，用鋁合金制造的汽車車身板，要求材料具有一定的強(qiáng)度、良好的沖壓成形性能和抗凹性能，A1-Mg-Si系合金成形后既有良好的烘烤硬化性能，同時(shí)還具有優(yōu)良的表面質(zhì)量，是汽車產(chǎn)品覆蓋件的最佳鋁合金材料。

6061鋁合金屬于典型的6xxx系A(chǔ)1-Mg-Si系鋁合金，其具有良好的中等強(qiáng)度、塑性和可焊性能，可用于生產(chǎn)建筑業(yè)大型材料、對(duì)強(qiáng)度和腐蝕要求較高的結(jié)構(gòu)件及汽車車體結(jié)構(gòu)等。在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要該合金達(dá)到一定的強(qiáng)度，但在實(shí)際擠壓過程中，往往出現(xiàn)硬度低、自然時(shí)效或人工時(shí)效后力學(xué)性能不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象，因此，本文選取一種6061鋁合金擠壓型材，分別從化學(xué)成分和固溶制度兩方面分析造成該合金性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)的原因。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選取材料為6061鋁合金擠壓型材，其壁厚為3mm，型材截面圖如圖1所示。本型材為6061鋁合金鑄錠通過擠壓工藝制備。擠壓工藝參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)過程及方法

6061鋁合金擠壓型材屬于一種常見汽車零部件材料，性能標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T6892-2015執(zhí)行，具體力學(xué)性能要求見表2。通過以往的實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，部分型材性能低于該標(biāo)準(zhǔn)，因此通過本試驗(yàn)研究影響6061鋁合金擠壓型材性能的因素。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際擠壓生產(chǎn)情況可知，影響6061鋁合金擠壓型材性能的因素主要有合金成分、擠壓型材中組織過燒、強(qiáng)化相的尺寸和淬火充分性等。本文主要從影響6061鋁合金擠壓型材性能的因素進(jìn)行分析，得到影響其性能的主要因素。

常溫力學(xué)性能在AG-X 100kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試，所有拉伸試樣均平行于擠壓方向截取;電導(dǎo)率測試采用SMP-10渦流電導(dǎo)率儀。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1合金成分對(duì)6061鋁合金擠壓型材性能的影響

試驗(yàn)選取力學(xué)性能檢測分別為合格與不合格的兩種6061鋁合金擠壓型材產(chǎn)品，分別進(jìn)行成分檢測，檢測結(jié)果如表3所示。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，無論型材力學(xué)性能是否合格，其化學(xué)成分均符合國標(biāo)，但不合格型材中Mg與Si的比值大于合格型材中Mg與Si的比值，這說明不合格產(chǎn)品中存在較多的Mg，當(dāng)Mg過剩時(shí)，合金的抗蝕性提高，但強(qiáng)度與成形性能降低。因此，Mg過剩的6061鋁合金擠壓型材，通常會(huì)出現(xiàn)力學(xué)性能不合格的現(xiàn)象。

2.2 6061鋁合金擠壓型材顯微組織與力學(xué)性能的關(guān)系

為了探究6061鋁合金擠壓型材顯微組織與性能的關(guān)系，分別對(duì)力學(xué)性能合格和不合格的兩種型材進(jìn)行顯微組織觀察，如圖2所示。對(duì)比圖2（a）和2（b）可以發(fā)現(xiàn)，性能合格型材第二相細(xì)小均勻，而不合格型材組織中含有大尺寸第二相。對(duì)不合格型材進(jìn)行掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）及能譜分析（energy dispersive X-ray analysis，EDS），結(jié)果如圖3所示。圖3（a）中l(wèi)#位置為基體，主要元素為A41，并含有少量的Mg和Si，這與6xxx系鋁合金基體為A1相符，基體中固溶少量的Mg和Si。圖3（a）中2#位置為基體上的黑色相，通過EDS分析發(fā)現(xiàn)，主要含有A1，Mg和Si。結(jié)合表3中不合格型材的Mg與Si的質(zhì)量比1.39可以推斷，該型材中含有過量Mg，判斷該相為Mg₂Si相。對(duì)比圖2中合格型材與不合格型材高倍組織發(fā)現(xiàn)，粗大的Mg₂Si相的存在往往會(huì)造成型材力學(xué)性能的不合格。

由圖2中合格型材與不合格型材顯微組織對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不合格型材中往往含有粗大第二相組織，組織形狀尖銳，分布不均勻，造成擠壓型材力學(xué)性能不符合標(biāo)準(zhǔn)。為探究影響型材固溶程度的因素，分析粗大第二相對(duì)合金固溶程度的影響，對(duì)型材進(jìn)行不同制度的固溶處理，分析固溶溫度及保溫時(shí)間對(duì)型材力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示，其中序號(hào)1為不合格型材，序號(hào)2為合格型材。

表4為不同固溶制度下T4狀態(tài)下的6061鋁合金擠壓型材的力學(xué)性能。由表4可知，固溶溫度為510℃，隨著固溶時(shí)間的延長，T4狀態(tài)下型材的強(qiáng)度均逐漸提高，而伸長率和電導(dǎo)率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。當(dāng)固溶時(shí)間為45min，隨著固溶溫度的升高，型材的強(qiáng)度均呈現(xiàn)先降低后提高的趨勢（固溶溫度≦450℃時(shí)，變化趨勢不大，固溶溫度>450℃時(shí)，明顯提高），而伸長率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，電導(dǎo)率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但變化趨勢不明顯。這是因?yàn)樵?50℃以下，型材未達(dá)到再結(jié)晶溫度，相當(dāng)于高溫退火，力學(xué)性能明顯降低。對(duì)于6xxx系鋁合金而言，固溶處理的目的是在保證型材不過燒的前提下，使合金中的粗大第二相溶入基體中，提高溶質(zhì)原子在基體中的固溶度，便于后續(xù)時(shí)效過程中盡可能地析出細(xì)小均勻第二相，從而達(dá)到強(qiáng)化的目的。金屬的電阻率與電子的平均自由程有關(guān)，對(duì)電導(dǎo)率影響最大的是固溶體的固溶度。當(dāng)固溶溫度為510℃時(shí)，隨著固溶時(shí)間的延長，第二相在基體中的溶解度升高;當(dāng)固溶時(shí)間為45mim隨著固溶體溫度的升高，合金強(qiáng)度雖呈現(xiàn)波動(dòng)，但當(dāng)固溶溫度達(dá)到480℃時(shí)，合金強(qiáng)度明顯提高，這是由于合金中的粗大第二相也盡可能地溶入到基體中，減少對(duì)基體的割裂，從而使強(qiáng)度逐漸增加;另一方面，隨著固溶溫度的升高和固溶時(shí)間的延長，溶質(zhì)原子的過飽和程度增大，基體畸變程度也逐漸增大，基體點(diǎn)陣中電子散射源的數(shù)量和密度也隨之增加，使電子受散射的幾率增大，電子的平均自由程減小，合金的電導(dǎo)率降低。

表5為不同固溶制度下6061鋁合金擠壓型材經(jīng)175℃x8h峰值時(shí)效后T6狀態(tài)下的力學(xué)性能。由表5可知，固溶溫度為510℃時(shí)，固溶時(shí)間由0延長至20min時(shí)，屈服強(qiáng)度變化不明顯，當(dāng)固溶時(shí)間延長至40min時(shí)，不合格型材抗拉強(qiáng)度提高較為明顯;當(dāng)固溶時(shí)間為0min時(shí)，合格型材的抗拉強(qiáng)度明顯高于不合格型材，隨著固溶時(shí)間的延長，型材的抗拉強(qiáng)度逐漸接近;伸長率和電導(dǎo)率的變化都不明顯。當(dāng)固溶時(shí)間為45min，隨著固溶溫度的升高，T6狀態(tài)下6061鋁合金擠壓型材的抗拉強(qiáng)度總體呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢，而伸長率和電導(dǎo)率則呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢。A1-Mg-Si合金是典型的時(shí)效硬化合金，目前主要的觀點(diǎn)認(rèn)為過渡相β″或β′使合金達(dá)到最大強(qiáng)化階段;但也有研究表明，6061鋁合金時(shí)效過程中的GP區(qū)使鋁合金的強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)固溶溫度為510℃，隨著固溶時(shí)間的延長，第二相在基體中的溶解度升高，較短時(shí)間內(nèi)粗大第二相并沒有過多溶入基體中，當(dāng)時(shí)間為40min時(shí)，較多的第二相溶入基體中，在隨后的時(shí)效過程中，析出第二相粒子，在晶面上偏聚，形成GP區(qū)，與基體保持共格關(guān)系，強(qiáng)度顯著提高;當(dāng)固溶時(shí)間為45min時(shí)，隨著固溶溫度的升高，合金中的粗大第二相也盡可能地溶入到基體中，減少對(duì)基體的割裂，在隨后的時(shí)效過程中，析出細(xì)小均勻的第二相，從而使強(qiáng)度逐漸提高;另一方面，無論是固溶時(shí)間的延長，還是固溶溫度的升高，當(dāng)峰值時(shí)效結(jié)束后，固溶體的分解基本完成，合金的電導(dǎo)率也相對(duì)穩(wěn)定，變化趨勢不大。

3結(jié)論

本文通過對(duì)6061鋁合金擠壓型材性能不合格的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：

（1）影響6061鋁合金擠壓型材性能不合格的原因包括合金成分配比的不合理性及固溶程度不足。

（2）選擇合理的固溶溫度及時(shí)間，可以使粗大第二相盡可能地溶入到基體中，在隨后的時(shí)效過程中析出細(xì)小均勻第二相，提高型材強(qiáng)度。