熱處理制度對6060鋁合金拉伸性能的影響

李恩波

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁合金材料通常被制作成各種結(jié)構(gòu)件和零部件后，都是受一定外力形式下服役的，所以力學(xué)拉伸性能是檢驗(yàn)合金性能的重要指標(biāo)之一，而合金成分和熱處理制度是影響其拉伸性能的兩個重要因素[1，2]。6060鋁合金屬于Al-Mg-Si系鋁合金，具有較好的抗沖擊性，優(yōu)異的抗腐蝕性能，中等強(qiáng)度的力學(xué)性能和優(yōu)良的冷加工性，且擠壓制品能夠獲得較高的表面光潔度，被廣泛應(yīng)用在汽車領(lǐng)域、建筑工業(yè)和交通行業(yè)中[3-5]。

浦儉英[6]等研究了不同擠壓工藝和熱處理工藝對汽車用6060吸能盒型材壓潰性能的影響;佟明明[7]等研究了在擠壓工藝不變的條件下，通過調(diào)整時效制度可以改變6060鋁合金管材的折彎性能，但專門針對6060鋁合金拉伸性能的研究較少。因此本文以汽車連接板用6060鋁合金型材為研究對象，通過適當(dāng)?shù)臄D壓工藝來保證擠壓出口溫度后，采取不同的停放時間和時效制度來研究合金力學(xué)性能的變化規(guī)律，以期為汽車用鋁合金型材的工藝研究提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 合金鑄錠

試驗(yàn)材料選用本公司采用半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)的6060鋁合金鑄棒，直徑為254 mm，其化學(xué)成分見表1。經(jīng)560℃×8h均勻化處理，采用2750 T臥式擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，擠壓工藝流程為，鑄棒加熱、擠壓筒加熱、模具加熱—擠壓—在線淬火—拉伸矯直—定尺鋸切—人工時效—驗(yàn)收—交貨。6060鋁合金連接板擠壓制品的斷面如圖1所示。

表1 6060鋁合金鑄棒的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.1 Chemical composition of 6060 aluminum alloy casting rod (wt.%)

圖1 6060合金連接板擠壓斷面圖Fig.1 Extrusion section of 6060 alloy connecting plate

1.2 擠壓工藝

在線淬火時，鑄錠的加熱溫度和淬火冷卻速度是控制淬火效果的主要因素。一般在保證組織不發(fā)生過燒的前提下，應(yīng)盡量提高淬火溫度。變形溫度越高，強(qiáng)化元素溶解的越充分，淬火時效后合金的力學(xué)性能就越高。但實(shí)際生產(chǎn)中，鑄錠加熱溫度過高后，對擠壓后產(chǎn)品表面質(zhì)量的影響較大，且擠壓過程中鑄錠變形所產(chǎn)生的熱量也會使鑄錠溫度升高，因此合理選擇鑄錠加熱溫度和擠壓速度對于鋁合金擠壓型材尤為重要。對于該6060合金連接板，其在擠壓出口溫度保證≥510℃時，即可滿足固溶效果；具體擠壓參數(shù)為，模具加熱溫度500℃±10℃，鑄錠加熱溫度490℃±10℃，擠壓筒溫度450℃±10℃，擠壓系數(shù)41.9，擠壓速度5.5m/min ～6.0m/min，殘料厚度30mm，在線風(fēng)冷，拉伸變形率0.5%～1.5%。

淬火必須確保過飽和固溶體不分解，防止固溶度程度的減小，降低淬火時效后的合金力學(xué)性能。淬火冷卻速度過低，難以抑制過飽和固溶體的脫溶過程，降低淬火時效后的合金力學(xué)性能；淬火冷卻速度過快，又會導(dǎo)致淬火應(yīng)力，使得擠壓型材變形。6060合金的淬火對冷卻速度敏感性較低，最小冷卻速度為38℃/min，可使用在線風(fēng)淬，降低生產(chǎn)成本。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分的控制是比較復(fù)雜的，合金成分配比決定了合金的最終性能。該6060合金擠壓型材使用的圓鑄錠中，添加的核心元素為Mg和Si元素，在實(shí)際生產(chǎn)中，通常使Mg和Si元素質(zhì)量比小于1.73，Si含量過剩的。合金中的Si通常先生成AlFeSi化合物，余下的Si再生成Mg2Si化合物，過剩的Si由于在鋁基中的溶解度非常低，易在晶界發(fā)生偏聚而粗大硬脆相，常控制過量Si不多于0.2%。Mg2Si的Mg和Si質(zhì)量比為Mg∶Si=(2×24.3)/28.1=1.73，(24.3為鎂的原子量；28.1為硅的原子量)，故合金中Mg2Si的含量為0.68%，過剩的Si量約為0.18%。研究[8]表明，Mg含量比Si含量小于1.73時，隨Si含量的增加，時效析出的第二相密度增大，強(qiáng)化相數(shù)量多且細(xì)小均勻的分布在鋁基里，提高合金的力學(xué)拉伸強(qiáng)度性能。生產(chǎn)中可以適當(dāng)降低Mg的含量，提高過剩Si的含量，以補(bǔ)充Mg含量降低造成的強(qiáng)度降低。

2.2 停放時間對力學(xué)性能的影響

擠壓型材在淬火后，還要進(jìn)行牽引、中斷、拉伸校直、定尺鋸切等一系列生產(chǎn)流程，所以型材不可避免的要經(jīng)過一段停放時間，才在時效爐內(nèi)進(jìn)行人工時效。這段時間對合金綜合力學(xué)性能、耐腐蝕性能等的影響稱為“停放效應(yīng)”[9]。

為研究停放效應(yīng)對6060合金連接板力學(xué)性能的影響，將同一批次的型材分別在室溫下停放2h、4h、6h、12h、1d、2d、4d、7d和10d，然后在時效爐內(nèi)進(jìn)行人工時效175℃×8h，在型材頭尾兩端200mm處切取力學(xué)拉伸試樣，采用日本島津公司的AG-X 100 KN電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測得的平均屈服強(qiáng)度合抗拉強(qiáng)度結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同停放時間對6060合金的強(qiáng)度影響Fig.2 Effect of different parking time on the strength of 6060 alloy

從圖2中可知，6060合金型材在停放2h后，測得的合金抗拉強(qiáng)度約為238MPa，屈服強(qiáng)度約為210MPa；但當(dāng)型材停放時間為2h～12h時，6060合金的力學(xué)性能出現(xiàn)了緩慢下降，約在12h時達(dá)到了性能的最低值，合金抗拉強(qiáng)度約為226MPa，屈服強(qiáng)度約為203MPa，此時強(qiáng)度比停放2h時下降了約4%～5%；停放時間為12h～10d時，合金強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的提升趨勢，然后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，約在4d時，合金的強(qiáng)度達(dá)到了最大值，抗拉強(qiáng)度約為248MPa，屈服強(qiáng)度約為221MPa，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均比停放2h時的性能提高了10MPa多。

普遍認(rèn)為，停放效應(yīng)對合金拉伸性的影響與停放時產(chǎn)生的GP區(qū)溶解有關(guān)。研究[10-12]表明，合金經(jīng)在線淬火后，形成了溶質(zhì)原子和空位的雙重過飽和固溶體，停放期間發(fā)生了自然時效作用。停放時間較短(2h～12h)時，形成GP區(qū)核心的尺寸較小，在人工時效時，核心尺寸小于臨界尺寸時將重新溶入固溶體中，形核率降低，導(dǎo)致時效后強(qiáng)化相組織也較粗大，同時也破壞了強(qiáng)化相在基體中均勻分布降低了人工時效強(qiáng)化的效果。而停放時間12h～4d時，隨著大于臨界尺寸的核心增多，從而提高合金晶內(nèi)強(qiáng)化相的數(shù)量，因此合適的室溫停放時間可以有效提高合金的拉伸性能。當(dāng)室溫停放時間超過4d后，溶質(zhì)原子偏聚已基本完成，延長停放時間對拉伸性能并無太大影響。

2.3 時效制度對力學(xué)性能的影響

對于Al-Mg-Si系合金來說，人工時效強(qiáng)化效果要比自然時效強(qiáng)化效果好，所以一般都采用人工時效。由于擠壓制品的化學(xué)成分不同，制品外形尺寸的差異，使得不同型材有著不同的最佳時效制度。下面來研究不同時效制度下6060鋁合金連接板的力學(xué)性能變化。合金在停放96h(4d)后，在時效爐內(nèi)進(jìn)行人工時效，時效溫度選取了160℃、175℃、190℃三個溫度，不同的時效溫度對應(yīng)著不同的時效時間。然后切取拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究了不同時效制度對6060合金連接板拉伸性能的影響，其具體的時效制度和對應(yīng)的試驗(yàn)拉伸結(jié)果見表3。

由表3可以看出，6060合金連接板在時效溫度為160℃、175℃時，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著時效時間(4h～8h)的延長而逐漸增加，后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在時效制度為160℃×7h時，合金的強(qiáng)度達(dá)到了最高值，抗拉強(qiáng)度為255MPa，屈服強(qiáng)度為228MPa，相比與時效制度為175℃×8h時的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都提高了3%左右，而在時效溫度為190℃時，合金的強(qiáng)度隨著時效時間的增加而緩慢下降。

表3 6060鋁合金不同時效制度對應(yīng)的試驗(yàn)拉伸結(jié)果Tab.3 Tensile results of 6060 aluminum alloy under different aging systems

一般認(rèn)為Al-Mg-Si系合金的人工時效脫溶序列為，Si原子團(tuán)聚—GP區(qū)—針狀Mg2Si非平衡相(β″相)—棒狀Mg2Si非平衡相(β′相)—片狀平衡Mg2Si平衡相(β相)。時效初期，Mg和Si原子在鋁基聚集，形成GP區(qū)，GP區(qū)與基體保持共格關(guān)系，在共格邊界附近產(chǎn)生彈性應(yīng)變，使鋁晶格產(chǎn)生畸變阻礙了位錯的運(yùn)動，從而提高了合金的強(qiáng)度[13]。隨著時效時間的延長，Mg和Si原子進(jìn)一步富集，并趨于有序化，迅速長成針狀即為β″相，β″相同樣與基體保持著共格關(guān)系，由于β″相的尺寸比GP區(qū)的大，產(chǎn)生的畸變程度也增加了，此時合金的強(qiáng)度也提高了。隨著時效過程的進(jìn)一步發(fā)展，Mg和Si原子繼續(xù)富集，形成半共格的β′過渡相，其周圍基體的彈性應(yīng)變有所減輕，但此時強(qiáng)化相的尺寸也相應(yīng)有所增加，強(qiáng)化相與基體保持共格關(guān)系或半共格關(guān)系，此時合金獲得最大的強(qiáng)度。隨著時效時間的進(jìn)一步延長，強(qiáng)化相也逐漸從基體中分離出來，失去了共格關(guān)系或半共格關(guān)系時產(chǎn)生的大量晶格畸變，雖然單個強(qiáng)化相尺寸增大，形成質(zhì)地堅(jiān)硬的β相質(zhì)點(diǎn)，但由于數(shù)量少，基體中分布的密度減少，對位錯運(yùn)動的阻礙作用同時也降低，合金強(qiáng)度相應(yīng)的出現(xiàn)下降的趨勢。

3 結(jié)論

(1)一定的擠壓工藝條件下，隨著停放時間的增加，6060鋁合金連接板的拉伸強(qiáng)度先呈緩慢下降趨勢，在停放12h時，合金的性能最低，12h后合金強(qiáng)度明顯提升，約在4d時合金強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨后性能趨于穩(wěn)定。

(2)時效制度為160℃×7h，合金的性能最佳，抗拉強(qiáng)度為255MPa，屈服強(qiáng)度為228MPa，斷后伸長率為15.0%，相比于時效制度175℃×8h時性能提高了約3%左右。

綜上所述，在批量擠壓生產(chǎn)汽車用6060鋁合金連接板時，建議淬火后合金停放時間大于96h后再進(jìn)行人工時效，時效制度為160℃×7h。