時效工藝對6008鋁合金型材組織與性能影響

韓啟強，董軍賀，何 強，王 爽，付學丹

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6000系鋁合金具有良好的比強度及加工特性，還有良好的熱塑性、優(yōu)良的耐蝕性及理想的綜合力學性能，而且很易氧化著色，因此在汽車、建筑等行業(yè)得到了廣泛的應用[1-3]。據(jù)研究表明，以鋁合金來代替鋼板至少可以減輕汽車重量的47%[4]，汽車重量每降低10%就可以減少5.5%的燃油消耗，當今對低碳節(jié)能環(huán)保越來越重視，減重是汽車行業(yè)至關重要的發(fā)展方向[5-6]。但是在輕量化的同時，如何確保材料力學性能滿足汽車行業(yè)的要求，對鋁合金而言，熱處理強化是有效手段之一。

6008鋁合金具有良好的擠壓加工性能，對于結(jié)構(gòu)復雜、薄壁且中空的各種型材都有良好的擠壓成形性能[7-8]，因此被歐洲鋁業(yè)協(xié)會確定為“車體型材合金”。目前，對6008鋁合金的研究報道較少，對其擠壓型材熱處理工藝的研究報道則更少。一般認為，合金在時效的過程中，時效溫度與時效時間會影響析出的脫溶產(chǎn)物，6000系列鋁合金達到最佳的強化效果時析出大量的β″相；但是，隨著溫度升高和保溫時間的延長，β″相會向β′相轉(zhuǎn)變，合金的強度緩慢增加后呈下降趨勢[9-10]。本文研究不同時效工藝對6008汽車用鋁合金擠壓型材組織和力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗材料為壁厚3 mm的小斷面6008鋁合金型材，其化學成分見表1。采用擠壓及在線水冷淬火工藝制備，工藝參數(shù)見表2。采用175 ℃和200 ℃兩種時效溫度進行時效，試驗方案為：型材擠壓完成后，在175 ℃下分別保溫1、3、5、6、7、9、10、11、13、15、18、21和24 h；200 ℃下分別保溫0.5、1、1.5、2、3、4、5、7、9、11和13 h。

對不同時效狀態(tài)的鋁合金型材沿擠壓方向截取標準拉伸試樣，采用AG-X100 KN電子萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸速率為18 N/(mm2·s)；采用蔡司AX10型光學顯微鏡對試樣進行顯微組織觀察；采用SSX-550掃描電鏡對析出相進行觀察。

表1 6008鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of 6008 aluminum alloy(mass fraction，%)

表2 6008鋁合金擠壓工藝參數(shù)Table 2 Extrusion process parameters of 6008 aluminum alloy

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 力學性能

圖1為175 ℃時效溫度下6008鋁合金型材力學性能隨時效時間的變化趨勢圖?？梢钥闯觯S著時效時間的延長，型材的屈服強度和抗拉強度均先迅速增加后緩慢降低，斷后伸長率先迅速降低后趨于平穩(wěn)。當時效時間為8 h時，抗拉強度和屈服強度達到最大值，斷后伸長率降至最低值，Rm=304 MPa，RP0.2=288 MPa，A=13%；當時效時間延長至10 h時，型材的抗拉強度和屈服強度幾乎不變，斷后伸長率稍有上升；隨著時效時間繼續(xù)增加，型材屈服強度和抗拉強度開始下降，斷后伸長率基本保持不變。

圖2為200 ℃時效溫度下6008鋁合金型材力學性能隨時效時間的變化趨勢圖?？梢钥闯觯S著時效時間的延長，型材的抗拉強度和屈服強度先迅速增加后緩慢降低，斷后伸長率先迅速降低后趨于平穩(wěn)。與175 ℃時效溫度相比，型材的抗拉強度與屈服強度最大值相對較低，Rm=287 MPa，RP0.2=273 MPa。

圖1 175 ℃時效保溫不同時間后型材力學性能Fig.1 Mechanical properties of profiles with different aging time at 175 ℃

圖2 200 ℃時效保溫不同時間后型材力學性能Fig.2 Mechanical properties of profiles with different aging time at 200 ℃

一般認為含有少量Cu或者過剩Si的鋁合金，其主要析出序列為：SSSS(過飽和固溶體)→偏聚原子團/GP區(qū)→亞穩(wěn)的β″相→亞穩(wěn)的β'+U1+U2→平衡β+Q相[11-12]，其中團簇和GP區(qū)都是球形的，并在時效的過程中作為β″相的形核位置[13]。在時效初期，由于偏聚原子團和GP區(qū)的形成，使合金強度迅速增加；隨著時效時間的延長，β″相以GP區(qū)作為形核位置，形成大量的β″相，強度達到最大值；繼續(xù)延長時效時間，在一段時間內(nèi)強度處于平穩(wěn)狀態(tài)，這是由于盡管亞穩(wěn)β′相正在析出，但亞穩(wěn)β″相仍處于主導地位[14]；但隨著時效時間的繼續(xù)延長，β′相從基體中大量析出占據(jù)主導地位，使合金強度下降。因此強度呈現(xiàn)先快速升高后緩慢降低的趨勢。

2.2 低倍組織

圖3為不同時效工藝下型材的低倍組織?？梢钥闯?，時效后析出的強化相均勻分布在基體中，時效時間從4 h延長到8 h時析出相逐漸增多，時效時間為12 h時析出相的增加逐漸放緩，并且有聚集長大的趨勢。這是由于時效初期的析出相主要以GP區(qū)為主，GP區(qū)的大量析出使強度迅速提升；隨著時效時間延長，析出相逐漸向β″相轉(zhuǎn)變，β″相是合金強化的主要相，因而強度達到最大值；時效時間繼續(xù)延長會發(fā)生過時效，過時效過程中析出相發(fā)生粗化，析出相之間的距離和析出相尺寸逐漸增大[15]，使強度降低，這與圖1、圖2的力學性能變化趨勢相符。

(a) 175 ℃×4 h；(b) 175 ℃×8 h；(c) 175 ℃×16 h圖3 不同時效工藝下型材的低倍組織Fig.3 Macrostructure of profile under different aging processes

2.3 顯微組織

圖4為不同時效工藝下型材的顯微組織。由圖4(a)可知，組織中析出相分布較為均勻，在晶界上未完全析出，析出相析出沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)；圖4(b)中析出相大多在晶界上，晶界內(nèi)部析出較少，晶界上的析出相能有效阻止拉伸過程中裂紋源的產(chǎn)生；圖4(c)中析出相聚集長大，粗大的析出相在拉伸過程中易成為裂紋源，導致力學性能下降。

(a) 175 ℃×4 h；(b) 175 ℃×8 h；(c) 175 ℃×16 h圖4 不同時效工藝下型材的顯微組織Fig.4 Microstructure of profile under different aging processes

3 結(jié)論

1)在相同的時效溫度下，隨著時效時間的延長，型材的強度先快速增加后緩慢降低，在175 ℃×8 h和200 ℃×3 h時效制度下強度達到最大值時，屈服強度分別為288 MPa和273 MPa，抗拉強度分別為304 MPa和287 MPa。

2)隨著時效時間的延長，時效析出相先快速增多，后增速減緩。時效初期的析出相主要以GP區(qū)為主，型材強度增加；隨時效時間的延長，析出相逐漸向β″相轉(zhuǎn)變，此時析出相呈現(xiàn)包晶狀態(tài)，型材強度達到最大值；繼續(xù)延長時效時間，發(fā)生過時效，析出相發(fā)生粗化，析出相之間的距離和析出相的尺寸逐漸增大，型材強度下降。