時(shí)效制度對(duì)6063鋁合金品字形型材力學(xué)性能的影響

王 克，賈永強(qiáng)，馮艷飛，楊 路，張 宇

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁及鋁合金具有良好的耐蝕性、較高的比強(qiáng)度和導(dǎo)熱性等特點(diǎn)[1-2]，6063鋁合金屬于Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化型合金，具有良好的機(jī)械加工性、熱塑性、可擠壓性和陽極氧化性，在門窗、家具、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和汽車等生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3-6]。時(shí)效強(qiáng)化作為6063鋁合金的一種十分常見且有效的強(qiáng)化方式已被廣泛研究，周向等[7]在研究時(shí)效工藝對(duì)6063鋁合金力學(xué)性能影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過545 ℃×50 min固溶處理+水淬+180 ℃×8 h時(shí)效處理后，6063鋁合金擠壓棒材抗拉強(qiáng)度為230 MPa，斷后延伸率為13.3%。陳宜釗等[8]通過550 ℃×50 min固溶處理+175 ℃×8 h時(shí)效處理后，6063鋁合金軋板獲得了221 MPa的抗拉強(qiáng)度和18%的斷后延伸率。孫瑜等[9]通過170 ℃×2 h+200 ℃×1.5 h的雙級(jí)時(shí)效處理工藝，6063鋁合金棒材的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了222 MPa，斷后延伸率達(dá)到了15.92%。

現(xiàn)有客戶提出由三腔體構(gòu)成的品字形型材，要求材料的屈服強(qiáng)度220 MPa≤Rp0.2≤240 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm≥230 MPa，斷后延長(zhǎng)率A≥10%。對(duì)此，選擇6063鋁合金作為型材的擠壓鑄棒原料，通過調(diào)整型材時(shí)效工藝，來實(shí)現(xiàn)客戶對(duì)產(chǎn)品性能的要求。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選用的φ254 mm×600 mm的6063鋁合金鑄錠采用半連續(xù)鑄造成型，其化學(xué)成分見表1。為了均勻鑄錠內(nèi)組織并且消除鑄錠的內(nèi)應(yīng)力，設(shè)置鑄錠的均質(zhì)制度為560 ℃×8 h。

表1 6063合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

型材擠壓采用3150T擠壓機(jī)，型材形狀為由三腔體構(gòu)成的品字形，三腔體壁厚分別為1.5 mm(A面)、2.5 mm(B面)以及3.5 mm(C面)，型材截面圖見圖1。均質(zhì)后鑄錠加熱溫度為470～490 ℃，擠壓速度為3.5～4.0 m/min,淬火前溫度>480 ℃，采用水罐淬火的方式。根據(jù)客戶對(duì)6063鋁合金品字形型材的性能要求，制定的時(shí)效方案分別為：時(shí)效溫度165 ℃，保溫時(shí)間為6、8、10 h；時(shí)效溫度180 ℃，保溫時(shí)間為7、8、9 h；時(shí)效溫度為200 ℃，保溫時(shí)間為2.5、3、4.5 h。

圖1 6063合金品字形型材截面圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為研究不同時(shí)效工藝對(duì)6063鋁合金品字形型材力學(xué)性能的影響，對(duì)時(shí)效處理后6063鋁合金品字形型材不同截面分別進(jìn)行拉伸測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，當(dāng)時(shí)效溫度為165 ℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，6063鋁合金型材各面的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì)。當(dāng)時(shí)效溫度為180 ℃時(shí)，型材各面的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的增加而呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，并且在180 ℃時(shí)效工藝下型材各面的強(qiáng)度要高于165 ℃時(shí)效工藝下型材各面的強(qiáng)度。其中，在180 ℃×8 h的時(shí)效工藝下型材各面的強(qiáng)度達(dá)到峰值，A、B、C面的抗拉強(qiáng)度分別為230.1、227.1和225.1 MPa，A、B、C面的屈服強(qiáng)度分別為256.3、252.4和 249.9 MPa。但當(dāng)時(shí)效溫度較高(200 ℃)，保溫時(shí)間較短(2.5/3/4.5 h)時(shí)，型材各面的強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。由此可知，6063鋁合金品字形型材選擇低溫長(zhǎng)時(shí)的時(shí)效工藝效果要優(yōu)于高溫短時(shí)的時(shí)效工藝。

表2 不同時(shí)效制度下品字形型材的力學(xué)性能

在時(shí)效過程中，Al-Mg-Si系合金中沉淀相的基本析出順序?yàn)椋哼^飽和固溶體(SSS)→團(tuán)簇→GP區(qū)→亞穩(wěn)β″相→亞穩(wěn)β′相→穩(wěn)定β相[5]，在時(shí)效初期，大量的Mg、Si原子形成與基體共格的單獨(dú)Mg、Si原子團(tuán)簇和Mg-Si復(fù)合原子團(tuán)簇，隨著溶質(zhì)原子的不斷析出，團(tuán)簇長(zhǎng)大形成與基體完全共格的GP區(qū)，可以作為β″相的形核核心，沿基體<100>方向析出大量與基體共格的納米級(jí)的針狀或棒狀的β″強(qiáng)化相。當(dāng)β″相進(jìn)一步長(zhǎng)大到一定尺寸后，其應(yīng)力場(chǎng)遍布于整個(gè)基體之上，應(yīng)變區(qū)整體相連，合金強(qiáng)度較高。此外，β″相與基體為共格關(guān)系，共格邊界原子為兩相所共有，基體需發(fā)生彈性形變來適應(yīng)兩相原子的不同排列，這種彈性畸變對(duì)會(huì)嚴(yán)重阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度，此時(shí)合金的強(qiáng)度達(dá)到峰值。而隨著時(shí)效過程的進(jìn)一步發(fā)展，在β″相的基礎(chǔ)上會(huì)形成局部共格的β′相，彈性應(yīng)變程度下降，合金強(qiáng)度也隨之降低。在時(shí)效后期，非共格的β相析出，與基體共格的關(guān)系消失，合金強(qiáng)度進(jìn)一步下降[10]。

根據(jù)以上分析，6063鋁合金在165 ℃進(jìn)行時(shí)效處理過程中，在時(shí)效前期，保溫時(shí)間較短時(shí)，會(huì)先逐漸形成溶質(zhì)原子團(tuán)簇，然后隨著時(shí)效過程的進(jìn)行，原子團(tuán)簇長(zhǎng)大成為具有一定尺寸的GP區(qū)，此時(shí)會(huì)在一定程度上提高合金的強(qiáng)度，然后隨著保溫時(shí)間的增加，共格的GP區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變成共格的β″強(qiáng)化相，合金強(qiáng)度大幅提高，并達(dá)到峰值。而當(dāng)溫度提升到180 ℃，共格GP區(qū)及β″相析出速度較165 ℃時(shí)更快，且析出相的數(shù)量更多，故在180 ℃進(jìn)行時(shí)效處理時(shí)，其強(qiáng)化效果明顯高于在165 ℃進(jìn)行時(shí)效處理的強(qiáng)化效果，并且隨著在180 ℃下保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，析出相開始變得粗大，導(dǎo)致合金強(qiáng)度開始下降。當(dāng)時(shí)效溫度進(jìn)一步提升到200 ℃時(shí)，大部分強(qiáng)化相會(huì)以更快的速度析出，合金強(qiáng)度會(huì)快速達(dá)到峰值，但隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，共格析出相逐漸長(zhǎng)大，并開始向局部共格的β′相及非共格的β相開始轉(zhuǎn)變，強(qiáng)化效果下降，導(dǎo)致合金強(qiáng)度降低。

另外，對(duì)比同一時(shí)效工藝下型材各面的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)型材各面的強(qiáng)度隨型材各面壁厚的增加而提高，這說明在同一時(shí)效工藝下，6063鋁合金品字形型材腔體強(qiáng)度與型材腔體壁厚成正比。而同一時(shí)效工藝下型材各面的斷后延伸率卻隨型材各面壁厚的增加而降低，這說明6063鋁合金品字形型材腔體的斷后延伸率與型材腔體壁厚成反比。

根據(jù)客戶對(duì)鋁型材屈服強(qiáng)度(220 MPa≤Rp0.2≤240 MPa)、抗拉強(qiáng)度(Rm≥240 MPa)、斷后延長(zhǎng)率(A≥10%)等性能的要求，以及生產(chǎn)成本等考慮，選擇180 ℃×7 h作為6063鋁合金品字形型材的時(shí)效工藝。

3 結(jié)論

1)對(duì)于6063鋁合金品字形型材，當(dāng)時(shí)效溫度為165 ℃，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，型材各面的強(qiáng)度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；當(dāng)時(shí)效溫度為180 ℃，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，型材各面的強(qiáng)度先升后降，并且在180 ℃進(jìn)行時(shí)效處理的強(qiáng)化效果要優(yōu)于165 ℃的時(shí)效處理。

2)當(dāng)時(shí)效溫度為200 ℃時(shí)，型材各面的強(qiáng)度隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，而且在200 ℃進(jìn)行短時(shí)時(shí)效處理的強(qiáng)化效果要低于180 ℃長(zhǎng)時(shí)時(shí)效處理。

3)客戶要求材料性能：220 MPa≤Rp0.2≤240 MPa、Rm≥230 MPa、A≥10%，180 ℃×7/8 h時(shí)效處理后性能均符合要求，但考慮到成本因素，6063鋁合金品字形型材選擇180 ℃×7 h時(shí)效工藝為宜。