淬火強度對6005A合金薄壁擠壓型材性能影響

郝玉喜，徐伍剛，王 爽，吳 楠，孫 巍

(遼寧忠旺鋁合金精深加工有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著交通運輸領域材料輕量化的迅猛發(fā)展，及國家新能源政策的長效刺激，鋁合金型材的應用越來越廣泛[1-3]。6xxx系鋁合金為Al-Mg-Si系中強鋁合金，通過進行時效熱處理，將會產生較高的強度、塑性及良好的成形性和工藝性特點，被廣泛應用在汽車結構中[4-5]。型材良好塑性和延展性可提高其彎曲性能，同時有利于提高型材尺寸精度，以滿足后期裝配使用要求。針對汽車用鋁合金型材，材料的吸能特性、折彎特性和尺寸等要求較為特殊，在具備一定強度的同時，也應具有良好的吸能特性，幫對于型材擠壓工藝控制非常嚴格[6]。針對此問題，使用6005A擠壓鋁合金，對比同一斷面在不同淬火強度下的折彎性能，分析淬火強度對型材折彎性能的影響，為實際生產提供理論指導，為6xxx系擠壓鋁合金折彎性能的深入研究提供參考。

1 試驗方法

本課題主要研究對象為汽車型材，為排除不同斷面因模具結構差異對擠出型材的組織及性能造成影響，試驗選取同一斷面進行不同淬火強度的研究。型材斷面截面大，壁厚薄，存在多處空腔，見圖1。在擠壓生產過程中分別采用在線空冷、風冷、水霧冷卻。另取空冷5支型材進行離線淬火，離線淬火加熱溫度520 ℃，保溫20 min。取不同淬火制度下的試樣各5支，175 ℃×8 h峰值時效后進行折彎、拉伸及高倍組織檢測。合金成分和擠壓工藝參數(shù)見表1與表2。

圖1 型材斷面形狀Fig.1 Shape of the profile section

表1 6005A鋁合金化學成分(質量分數(shù)，%)

表2 擠壓工藝參數(shù)

檢測標準和試驗方法如表3所示，折彎試驗示意圖如圖2所示。采用AG-X 100KN電子萬能試驗機對材料的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率進行檢測；采用AG-X 150KN電子萬能試驗機研究型材時效后的折彎性能；采用AXIO萬能研究級倒置式材料顯微鏡對材料的晶粒度和皮質層進行檢測。彎曲試樣在測試設備中進行彎曲，彎曲過程中持續(xù)施加載荷，當載荷達到最大時，停止施加載荷，測量折彎角度，并觀察試樣表面形態(tài)。

表3 試驗條件

圖2 折彎試驗示意圖Fig.2 Bending test diagram

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能

6005A鋁合金擠壓型材采用不同的淬火方式冷卻后進行175 ℃×8 h時效處理，力學性能檢測結果見圖3。由圖3可看出，采用不同的冷卻方式，其力學性能的差異較大。6005A合金屬于淬火敏感性較低的合金，當淬火強度增大、冷卻速度加快時，合金強度則有小幅提升，合金塑性隨淬火冷卻速率的增大而增大。在固溶度隨溫度降低而減小的合金系中，當合金元素含量超過一定限度后，淬火可獲得過飽和固溶體。淬火過程中，粗大第二相溶于Al合金基體，以過飽和固溶體形式被固定下來，不同的淬火制度提高溶質原子的固溶度。在空冷和風冷過程中，型材溫度緩慢降低，冷卻速率小于200 ℃/min，兩者的低速冷卻過程中，強化相Mg2Si在淬火冷卻過程中有微量析出，致使時效過程中沉淀相析出驅動力降低，后期時效過程中合金強度較低。采用水霧冷卻方式，型材冷卻速率增大至280 ℃/min，型材在相當短的時間內降到一定溫度，可以保證型材時效前的固溶效果，控制了淬火過程中β′的前期非均勻析出，確保時效過程中的Mg、Si元素的過飽和固溶度和β′的形核驅動力，使其在時效時均勻析出和細化，從而提高型材的力學性能。離線生產時合金力學性能最好，但是型材變形嚴重，且實際生產過程中涉及到復雜工藝和轉運，導致成本大大提高。因此采用水霧冷卻生產，冷卻速率為280 ℃/min時，型材抗拉強度為294 MPa，屈服強度為271 MPa，延伸率為15.8%，合金強度、塑性較好，可以滿足客戶的使用需求的同時也降低生產難度和成本。

圖3 力學性能檢測結果Fig.3 Test results of mechanical properties

2.2 高倍組織

6005A鋁合金擠壓型材高倍晶粒度檢測結果見圖4，各淬火制度下型材的基體晶粒度無明顯差異，冷卻速率對基體晶粒大小無顯著影響。皮質層晶粒度檢測結果見圖5，離線淬火型材的皮質層厚度和晶粒尺寸均是最小的?？梢钥闯?，擠壓型材壁厚心部呈纖維組織，表面呈全截面等軸晶體，這是因為型材表面擠壓和成型過程中，變形較大，受摩擦力的影響較大，位錯密度較高，變形儲能也越高，驅動再結晶的形成，晶粒異常長大形成粗晶組織；但是淬火強度的提高，部分晶粒來不及長大，粗晶層厚度相對略有降低[7-8]。這種粗晶組織影響耐蝕、焊接及疲勞等性能，導致型材表面質量的惡化和延伸率降低。與圖2中的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率的表現(xiàn)是一致的。

(a) 空冷，6.5級；(b) 風冷，7級；(c) 水霧，6.5級；(d)離線淬火，7級圖4 基體晶粒度評級(a)air cooling, grade 6.5；(b) air cooling, grade 7；(c) water mist, grade 6.5；(d) off-line quenching, grade 7Fig.4 Grading of matrix grain size

(a) 空冷，1.5級，皮質層厚度0.094 mm；(b)風冷，1.5級，皮質層厚度0.352 mm；(c) 水霧，1.5級，皮質層厚度0.104mm；(d) 離線淬火，2.5級，皮質層厚度0.084 mm圖5 皮質層晶粒檢測(a)air cooling, grade 1.5，cortical thickness 0.094 mm；(b) air cooling, grade 1.5，cortical thickness 0.352 mm；(c) water mist, grade 1.5，cortical thickness 0.104 mm；(d) off-line quenching, grade 2.5，cortical thickness 0.084 mmFig.5 Cortical grain detection

2.3 折彎性能

6005A鋁合金擠壓型材折彎性能檢測結果見圖6。其變化趨勢與力學性能變化是一致的，隨著淬火強度提高，折彎角度增加，離線淬火時折彎性能最好。折彎性能是反映型材塑性的指標，延伸率越大則塑性越好，進而折彎角度就會越大。折彎角度最大為107.6°，其次是水霧、風冷的空冷，折彎角度范圍為65.4°～100.6°。結合圖6和圖3可以看出，型材強度提高的同時塑性也會變強，但折彎性能不受合金強度限制，與合金強度無必然的聯(lián)系，當合金強度較大時可保證塑性良好；同時晶粒組織較均勻時，折彎性能也較為優(yōu)異。針對6005A型的薄壁型材來說，淬火強度及冷卻速率對折彎性能的影響將變得更大。提高淬火冷卻速度不能明顯細化型材晶粒組織，但能大幅度提高型材的性能，這主要與快冷條件下6005A合金中合金元素的固溶程度的提高有密切的相關性。當快速冷卻時，基體的過飽和固溶程度會增大，同時，避免了淬火過程中β′的前期非均勻析出，增大時效時β′的形核驅動力使其細化，從而大大提高型材的折彎性能。

圖6 折彎性能檢測結果Fig.6 Test results of bending properties

但從生產角度考慮，由于斷面復雜程度各異，較大淬火強度可能導致型材的冷卻產生不均勻性，進而發(fā)生扭擰變形，產品后續(xù)拉伸矯直難度增大，不易控型材的尺寸精度，生產效率低且成本高[9]。實際生產中型材可采用水霧生產，板材可選用風冷，控制淬火冷卻速率280 ℃/min以上，此時，折彎件表面良好，折彎角度較大，力學性能也達到一般結構件的強度要求。故可根據(jù)型材壁厚及斷面形狀，選擇適當淬火強度，嚴格控制出口溫度及出淬溫度，通過調節(jié)冷卻速率來保證折彎性能。

3 結論

本文分析在不同淬火條件對6005A鋁合金組織和性能的影響，主要結論如下：

1)淬火強度對6005A薄壁型材折彎性能有較大影響，隨淬火強度增大，型材折彎角度增大，塑性可顯著提升。在離線淬火時，折彎性能達到最好。

2)不同淬火強度對6005A鋁合金型材基體晶粒度無明顯影響，各淬火制度下皮質層厚度稍有差異，而離線淬火型材的皮質層厚度最小。

3)對于6005A合金，強度和折彎性能無必然聯(lián)系，較大的強度不一定影響折彎性能，而延伸率對折彎性能有一定影響，延伸率越大則塑性越好，折彎角度越大。

4)對于有折彎要求的產品，實際生產中可根據(jù)斷面壁厚、力學要求、尺寸精度來選擇淬火方式。為提高生產效率、節(jié)約生產成本，壁厚2 mm的6005A鋁合金采用水霧生產時折彎性能是最佳的。對于不能采用強淬火冷卻的型材，可通過控制棒溫和速度來保證模具出口溫度和出淬火區(qū)溫度，使冷卻速率大于280 ℃/min，既能保證型材力學性能也可得到較好折彎性能。