熱處理工藝對(duì)6082鋁合金性能的影響

馮呈庠 朱德瓏 張 梅 孫 燦

(1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.上海匯眾汽車(chē)制造有限公司, 上海 200122)

熱處理工藝對(duì)6082鋁合金性能的影響

馮呈庠1朱德瓏1張 梅1孫 燦2

(1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.上海匯眾汽車(chē)制造有限公司, 上海 200122)

研究了熱處理工藝對(duì)6082鋁合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著固溶溫度的升高，合金的抗拉強(qiáng)度、硬度也隨之升高，然后趨于平緩；斷后伸長(zhǎng)率先下降，隨后升高。固溶時(shí)間對(duì)合金的抗拉強(qiáng)度、硬度以及斷后伸長(zhǎng)率影響較小。此外，隨著時(shí)效溫度的上升，合金的抗拉強(qiáng)度、硬度先上升至峰值，再略微下降；斷后伸長(zhǎng)率先下降至較低值，然后略微上升。合金在170 ℃時(shí)效后，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高，為368 MPa，硬度達(dá)到115 HB。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，合金的抗拉強(qiáng)度、硬度以及斷后伸長(zhǎng)率變化較小。最后得出，6082鋁合金在530～570 ℃固溶處理2～4 h，冷水冷卻后，在170～190 ℃時(shí)效6～8 h，可獲得最佳的綜合力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)360 MPa以上，斷后伸長(zhǎng)率大于12%。

6082鋁合金 固溶處理 時(shí)效 Mg2Si相

為應(yīng)對(duì)交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)p重和節(jié)能減排的要求，輕量化汽車(chē)車(chē)身的應(yīng)用越來(lái)越多。鋁合金因其密度低，已成為一種理想的輕質(zhì)材料[1]。在汽車(chē)結(jié)構(gòu)中大量采用鋁合金是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的重要途徑。Al- Mg- Si系鋁合金具有強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕以及沖壓性能好等特點(diǎn)，一直是汽車(chē)輕量化研究的熱點(diǎn)[2]。Al- Mg- Si系鋁合金是一種可熱處理強(qiáng)化的合金，其主要合金元素是Mg和Si。Mg和Si原子在Al基體中的固溶度會(huì)隨著溫度而變化，一般需要對(duì)其進(jìn)行固溶處理，得到Mg、Si的過(guò)飽和固溶體，隨后進(jìn)行時(shí)效，使Mg、Si原子從基體中脫溶，形成強(qiáng)化相。6082合金是Al- Mg- Si系鋁合金的一種，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域。6082合金擠壓件的最終性能決定于熱處理工藝。

6082合金的常規(guī)熱處理強(qiáng)化主要為固溶處理和時(shí)效析出強(qiáng)化。β"相是Al- Mg- Si系鋁合金的主要析出相，其數(shù)量、大小是影響6082合金性能的主要因素[3]。一般認(rèn)為，Al- Mg- Si合金的時(shí)效析出過(guò)程為[4]：α過(guò)飽和固溶體→G.P.(Ⅰ)區(qū)→G.P.(Ⅱ)區(qū)(β″針) →β′桿→β片(穩(wěn)態(tài)Mg2Si相)。6082合金的強(qiáng)度、硬度決定于析出相的大小和分布。極細(xì)的G.P. Ι 區(qū)和β″共格析出可使Al- Mg- Si合金獲得最高的強(qiáng)度[5]。G.P.區(qū)是用Mg和Si原子取代Al原子而得到的一種鋁晶格，通常認(rèn)為G.P.區(qū)是β″相的預(yù)析出相。β″相與基體呈共格關(guān)系，可使基體產(chǎn)生很大的畸變能。而β′相是由β″相轉(zhuǎn)變而來(lái)的，與基體呈半共格關(guān)系，使基體產(chǎn)生的畸變程度較低。因此，β′相產(chǎn)生的強(qiáng)化效果不如β″相。β相即Mg2Si，由β′相轉(zhuǎn)變而來(lái)，與基體非共格，其強(qiáng)化效果最差。

本文通過(guò)力學(xué)性能和硬度試驗(yàn)研究熱處理工藝對(duì)6082鋁合金性能的影響，以使其獲得最佳的綜合力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 熱處理

6082鋁合金熱處理工藝主要為固溶處理和時(shí)效。本文研究用6082鋁合金為進(jìn)口工業(yè)用原料，其成分如表1所示。在4個(gè)熱處理工藝參數(shù)中，3個(gè)保持不變，僅改變一個(gè)，從而得到合金在相應(yīng)熱處理狀態(tài)下的力學(xué)性能。熱處理試驗(yàn)方案如表2所示。

表1 6082鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the 6082 aluminum alloy (mass fraction) %

表2 熱處理工藝試驗(yàn)方案Table 2 Trial heat treatment processes

1.2 性能檢測(cè)

力學(xué)性能檢測(cè)項(xiàng)目主要為常溫靜態(tài)拉伸性能和布氏硬度。布氏硬度試驗(yàn)壓頭為直徑5 mm的淬火鋼球，壓入時(shí)間30 s。

常溫靜態(tài)拉伸試樣按GB/T 228.1—2010金屬材料拉伸試驗(yàn)的規(guī)定加工，試樣標(biāo)距部分寬度12.5 mm，標(biāo)距50 mm。拉伸速率3 mm/min。

2 固溶工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

2.1 固溶溫度

6082鋁合金在不同溫度固溶2 h，冷水冷卻，然后在170 ℃時(shí)效6 h。固溶溫度對(duì)合金的強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率及硬度的影響如圖1所示。

圖1(a)表明，隨著固溶溫度的升高，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先增加后趨于平緩，最終略有降低。合金在550 ℃固溶，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值，為380 MPa，屈服強(qiáng)度為320 MPa。此外，在520～570 ℃固溶的合金，抗拉強(qiáng)度總體上都保持在320 MPa以上，說(shuō)明合金在此溫度范圍固溶可以保證具有較高的強(qiáng)度。

如圖1(b)所示，隨著固溶溫度的升高，合金的斷后伸長(zhǎng)率變化明顯。在470 ℃以上溫度固溶的合金，斷后伸長(zhǎng)率下降明顯，并保持較低值。而當(dāng)固溶溫度達(dá)到550 ℃以上時(shí)，合金的斷后伸長(zhǎng)率略微升高。固溶溫度進(jìn)一步升高，合金的斷后伸長(zhǎng)率再次下降。

固溶溫度對(duì)合金硬度的影響如圖1(c)所示。合金的硬度隨著固溶溫度的升高而增加。在470～520 ℃固溶的合金，其硬度快速增加，在530 ℃以上趨于平緩，保持在110 HB以上。

圖1 固溶溫度對(duì)6082合金時(shí)效后性能的影響Fig.1 Effect of solution temperatures on properties of the 6082 alloy after aging

2.2 固溶時(shí)間

固溶時(shí)間對(duì)6082鋁合金的強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率以及硬度的影響如圖2所示。合金在530 ℃固溶、冷水冷卻后，在170 ℃時(shí)效6 h。如圖2(a)所示，合金的抗拉強(qiáng)度隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)變化不明顯，始終為350～370 MPa；而屈服強(qiáng)度隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)變化則較明顯，在530 ℃固溶2～6 h的合金，屈服強(qiáng)度從330 MPa下降至290 MPa后又上升。

固溶時(shí)間對(duì)合金斷后伸長(zhǎng)率的影響如圖2(b)所示。固溶處理1 h的合金斷后伸長(zhǎng)率最低，隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，其斷后伸長(zhǎng)率逐漸上升。此外，在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，合金的斷后伸長(zhǎng)率保持在14%以上。

圖2(c)表示固溶時(shí)間對(duì)6082合金硬度的影響。隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的硬度在105～115 HB之間波動(dòng)，但總體上均高于105 HB，說(shuō)明固溶時(shí)間對(duì)合金硬度的影響較小。

圖2 固溶時(shí)間對(duì)6082合金時(shí)效后性能的影響Fig.2 Effect of solution time on properties of the 6082 alloy after aging

3 時(shí)效工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

3.1 時(shí)效溫度

時(shí)效溫度對(duì)6082鋁合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度的影響如圖3(a)和3(b)所示。由圖可知，530 ℃固溶2 h冷水冷卻后，隨著時(shí)效溫度從90 ℃升高至170 ℃，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也逐漸上升。當(dāng)時(shí)效溫度升高至190 ℃時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度開(kāi)始下降，而屈服強(qiáng)度則趨于平緩。

由圖3(c)可見(jiàn)，合金的斷后伸長(zhǎng)率隨著時(shí)效溫度的升高而逐漸降低。當(dāng)時(shí)效溫度為170～190 ℃時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到最低值。時(shí)效溫度升高至210 ℃，合金的斷后伸長(zhǎng)率增大。

如圖3(d)所示，合金的硬度隨時(shí)效溫度的升高而升高，在170 ℃時(shí)效的合金硬度達(dá)到峰值。時(shí)效溫度繼續(xù)升高，合金的硬度變化不大，保持在100 HB左右。

圖3 時(shí)效溫度對(duì)6082合金固溶后合金性能的影響Fig.3 Effect of aging temperatures on properties of the 6082 alloy after solution treating

3.2 時(shí)效時(shí)間

6082鋁合金在530 ℃固溶2 h冷水冷卻后時(shí)效，時(shí)效時(shí)間對(duì)合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響如圖4(a)和4(b)所示。分別在170、190和210 ℃時(shí)效，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，時(shí)效后合金的抗拉強(qiáng)度變化不大，均保持較高的強(qiáng)度。在530 ℃固溶2 h，隨后在140 ℃時(shí)效，合金的抗拉強(qiáng)度隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，且增幅較大，從250 MPa升高至360 MPa。在90 ℃時(shí)效時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度也隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，從240 MPa增加至260 MPa。

時(shí)效時(shí)間對(duì)6082合金斷后伸長(zhǎng)率的影響如圖4(c)所示。合金在90 和140 ℃時(shí)效時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，時(shí)效6 h的合金的斷后伸長(zhǎng)率最小，進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間，斷后伸長(zhǎng)率略有上升。合金在90 ℃時(shí)效后的斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到24%以上，在140 ℃時(shí)效后的斷后伸長(zhǎng)率為18%～24%。合金分別在170、190和210 ℃時(shí)效后的斷后伸長(zhǎng)率為10%～16%，總體上保持平穩(wěn)。

時(shí)效時(shí)間對(duì)合金硬度的影響如圖4(d)所示。合金在170、190和210 ℃時(shí)效后，其硬度隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，保持在100～115 HB。合金在140 ℃時(shí)效后，其硬度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著提高，即從65 HB升高至115 HB。合金在90 ℃時(shí)效后，硬度也隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，但變化幅度不大，僅從62 HB升高至70 HB。

4 分析與討論

在6082鋁合金的熱處理強(qiáng)化中，過(guò)飽和度和析出相的大小和分布會(huì)影響其力學(xué)性能。固溶強(qiáng)化是提高金屬?gòu)?qiáng)度的一種途徑，6082合金在時(shí)效前須進(jìn)行固溶處理，得到過(guò)飽和Mg和Si的固溶體，在時(shí)效階段產(chǎn)生析出強(qiáng)化效應(yīng)[6]。

圖4 固溶后時(shí)效時(shí)間對(duì)6082合金性能的影響Fig.4 Effect of aging time on properties of the 6082 alloy after solution treating

由于固溶處理后，合金的狀態(tài)在熱力學(xué)上很不穩(wěn)定，時(shí)效處理后，固溶原子從晶格中脫溶，以穩(wěn)定的析出相存在于基體中。析出的β"相能產(chǎn)生較大的強(qiáng)化效果。為得到更多析出相而獲得更高的強(qiáng)度，合金要在固溶階段獲得高的固溶度。固溶溫度和時(shí)間決定了合金的固溶度[7]。溫度越高，溶質(zhì)原子的活性越大，固溶度越高。時(shí)效時(shí)析出的相越多，合金的強(qiáng)度越高。因此，如圖1(a)所示，合金的強(qiáng)度隨著固溶溫度的升高而升高。而固溶時(shí)間越長(zhǎng)，也能使合金的固溶度增大，時(shí)效后達(dá)到更好的強(qiáng)化效果[8]。但固溶時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，晶粒易長(zhǎng)大，將降低合金的強(qiáng)度。本文的固溶試驗(yàn)結(jié)果表明，合金在530～570 ℃固溶處理，可獲得較好的固溶效果，固溶時(shí)間對(duì)強(qiáng)度和硬度的影響較小。因此，對(duì)于6082鋁合金，合理的固溶處理時(shí)間為2～4 h。

時(shí)效處理使Mg、Si原子從過(guò)飽和固溶體中析出，形成原子富集區(qū)，使強(qiáng)化相形核長(zhǎng)大[9]。提高時(shí)效溫度，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，更易脫溶形成強(qiáng)化相。控制時(shí)效工藝是一個(gè)控制6082鋁合金析出相長(zhǎng)大的過(guò)程。亞穩(wěn)態(tài)的β"相與Al基體保持共格，其產(chǎn)生的畸變應(yīng)變能最大，可使合金獲得最好的強(qiáng)化效果[10]。β′相與基體半共格，其產(chǎn)生的畸變應(yīng)變能較小，β″相向β′相轉(zhuǎn)變時(shí)，合金強(qiáng)度略微降低。由于強(qiáng)化相使基體產(chǎn)生畸變，在合金變形時(shí)，這種畸變會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，降低合金的塑性[11]，所以時(shí)效后的合金斷后伸長(zhǎng)率降低。從時(shí)效試驗(yàn)結(jié)果看，合金在170～190 ℃時(shí)效能達(dá)到較高的強(qiáng)度，而且斷后伸長(zhǎng)率依然能保持在10%以上，具有良好的綜合力學(xué)性能。時(shí)效時(shí)間以6～8 h為宜。

5 結(jié)論

(1)隨著固溶溫度的升高，6082鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先增加，然后趨于平穩(wěn)，最終略有降低。在530～570 ℃固溶處理的合金強(qiáng)度較高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到360 MPa以上，屈服強(qiáng)度達(dá)到320 MPa以上，在550 ℃固溶的合金抗拉強(qiáng)度最高。同時(shí)合金的斷后伸長(zhǎng)率A50均能達(dá)到12%以上。

(2)固溶處理時(shí)間對(duì)該合金強(qiáng)度、硬度的影響較小， 經(jīng)2～4 h固溶處理后合金即可達(dá)到高的強(qiáng)度和硬度。

(3)在530 ℃固溶處理2 h冷水冷卻后，在170 ℃時(shí)效，合金可以達(dá)到最佳的強(qiáng)化效果，抗拉強(qiáng)度達(dá)360 MPa以上。

(4)時(shí)效時(shí)間對(duì)合金強(qiáng)度和硬度的影響較小，在530 ℃固溶2 h后，在170 ℃時(shí)效6～8 h的合金具有良好的綜合力學(xué)性能。

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收修改稿日期：2017- 01- 14

EffectofHeatTreatmentonPropertiesof6082AluminumAlloy

Feng Chengxiang1Zhu Delong1Zhang Mei1Sun Can2
(1. State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072,China; 2. Technical Center, Shanghai Huizhong Automotive manufacturing Co.,Ltd. ,Shanghai 200122, China)

The influence of heat treatment processes on mechanical properties of 6082 aluminum alloy has been studied. The results showed that with the increase of solution temperature, the tensile strength and hardness increased, and then tended to stability, and the elongation firstly decreased, then increased for the alloy. The effect of solution treatment time on the tensile strength, hardness and elongation of the 6082 alloy was less. In addition, with the increase of aging temperature, the tensile strength and hardness of the alloy increased up to the peak value, and then slightly decreased, and the elongation decreased to a relatively low value, subsequently rose slightly. The alloy aged at 170 ℃ exhibited as maximum tensile strength as 368 MPa and as high hardness as 115 HB. Finally, it was determined that the 6082 aluminum alloy should be solution treated by heating at 530 ℃ to 570 ℃ for 2 h to 4 h and then cooling in cold water, and aged at 170 ℃ to 190 ℃ for 6 h to 8 h, so that it exhibited the best mechanical properties, i.e., tensile strength as high as 360 MPa or higher and elongation higher than 12% .

6082 aluminum alloy，solution treatment，aging，Mg2Si phase

馮呈庠，男，主要從事鋁合金在汽車(chē)底盤(pán)中應(yīng)用方面的研究，Email: ryansampson@163.com

張梅，女，博士，高級(jí)工程師，主要從事輕量化金屬材料開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究，Email：zhangmei3721@i.shu.edu.cn