6063鋁合金自然時(shí)效后屈服強(qiáng)度漲幅影響因素研究

何 金，武維煜，楊 明，潘 巖，高 彤

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng) 111003）

0 前言

6063屬于低合金成分Al-Mg-Si系高塑性合金，其主要強(qiáng)化相為Mg2Si，屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金[1-4]。為了應(yīng)對(duì)全球氣候變暖以及能源危機(jī)，汽車的節(jié)能減排以及輕量化發(fā)展是主要趨勢(shì)，近年來(lái)鋁合金在汽車領(lǐng)域應(yīng)用比重逐年上升。6063合金密度低，熱處理后具有中等強(qiáng)度，沖擊韌性高，對(duì)缺口不敏感[5-8]，具有良好的熱塑性、可焊性、抗腐蝕性能以及無(wú)應(yīng)力腐蝕傾向，主要應(yīng)用在汽車框架等需要折彎沖壓部位[9-10]。汽車框架等需要折彎沖壓的部件一般以固溶軟化狀態(tài)交貨，用以保證沖壓后的成形性能。折彎沖壓等工序?qū)Ξa(chǎn)品本身性能要求十分嚴(yán)格，由于6063鋁合金在淬火后室溫停放會(huì)產(chǎn)生自然時(shí)效，嚴(yán)重影響合金性能[11-12]。自然時(shí)效是過(guò)飽和固溶體內(nèi)部一系列空位和過(guò)飽和固溶原子在室溫下不斷聚集及長(zhǎng)大形成原子團(tuán)簇，導(dǎo)致合金在室溫條件下強(qiáng)度升高的現(xiàn)象。在淬火后固溶態(tài)的6063鋁合金在存放和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生自然時(shí)效硬化行為，即在室溫放置較長(zhǎng)時(shí)間才進(jìn)行沖壓成形，這就在微觀上消耗了6063合金部分空位和過(guò)飽和固溶原子，增加了其進(jìn)行沖壓成形的難度。本文主要研究6063鋁合金在自然時(shí)效后影響其屈服強(qiáng)度漲幅的因素，從而控制產(chǎn)品在室溫下性能的穩(wěn)定性和均一性，降低產(chǎn)品后續(xù)折彎沖壓加工的難度，提高產(chǎn)品成品率。

1 試驗(yàn)材料及工藝要求

規(guī)格為60 mm×35 mm×2.5 mm的6063鋁合金日字形型材為某汽車用型材，要求自然時(shí)效后屈服強(qiáng)度≥80 MPa，抗拉強(qiáng)度≥160 MPa，斷后延伸率≥22%，在停放96 h后屈服強(qiáng)度漲幅≤10 MPa。為確定影響屈服強(qiáng)度的漲幅因素設(shè)計(jì)3種不同成分的6063合金，采用不同的鑄棒均質(zhì)制度和合適的擠壓工藝進(jìn)行生產(chǎn)，從而確定合適的成分范圍和均質(zhì)制度。

2 試驗(yàn)方法

6063合金由Al、Mg、Si三種主要元素構(gòu)成，在Al+Mg2Si+Si的三相區(qū)內(nèi)，Mg2Si是6063合金的主要強(qiáng)化相，該相的含量多少、分布及狀態(tài)對(duì)材料自然時(shí)效后的性能起著重要的作用。擠壓鑄棒均勻化處理后晶界上粗大Mg2Si與共晶MgSi相融入α固溶體，高溫均勻化處理比低溫處理的固溶與擴(kuò)散速度快，固溶到基體中的Mg2Si快速冷卻析出的棒狀亞穩(wěn)六方結(jié)構(gòu)β（Mg2Si）相是影響合金自然時(shí)效后性能的重要因素。本次實(shí)驗(yàn)采用A、B、C共3種成分設(shè)計(jì)，具體成分范圍見(jiàn)表1。3種成分除了Si、Mg元素設(shè)計(jì)不同外，其余元素設(shè)計(jì)相同。本次實(shí)驗(yàn)采用日字管型材，壁厚為2.5 mm，型材斷面見(jiàn)圖1，擠壓噸位為880 t。將成分A的2支鑄棒分別進(jìn)行低溫均質(zhì)（記為A1）和高溫均質(zhì)處理（記為A2）。成分B鑄棒采用低溫均質(zhì)制度，記為B1。成分C的2支鑄棒均采用低溫均質(zhì)制度，記為C1和C1-1。低溫均質(zhì)制度均為（530±5）℃×6 h，高溫均質(zhì)制度為（560±5）℃×6 h。

圖1 型材斷面

表1 成分設(shè)計(jì)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

6063鋁合金淬火時(shí)會(huì)發(fā)生平衡相脫溶析出。不同溫度淬火會(huì)導(dǎo)致合金過(guò)飽和度不同，在自然時(shí)效時(shí)溶質(zhì)原子、G.P區(qū)和亞穩(wěn)相脫溶析出的能力也不同，從而導(dǎo)致自然時(shí)效后合金強(qiáng)化效果不同，型材性能穩(wěn)定性也不相同。對(duì)C成分2支鑄棒分別采用穿水生產(chǎn)和水霧生產(chǎn)。穿水冷卻的冷卻強(qiáng)度較水霧冷卻的冷卻強(qiáng)度高，形成的過(guò)飽和固溶體的過(guò)飽和度較高。其他擠壓工藝參數(shù)相同。主要工藝參數(shù)設(shè)定為：鑄錠溫度490～500℃，擠壓速度6～7 m/min，模具溫度480℃，擠壓筒溫度450℃，具體擠壓工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 擠壓生產(chǎn)工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 化學(xué)成分

在5種擠壓型材的相同位置取樣進(jìn)行成分分析，檢測(cè)結(jié)果均符合要求，實(shí)際測(cè)量化學(xué)成分值見(jiàn)表3。由表3可以看出，成分的實(shí)際檢測(cè)值與設(shè)計(jì)要求符合，3種成分鑄棒除Si、Mg元素不同外，其他元素基本無(wú)差異，成分A元素含量Si＜Mg，成分B元素含量Si≈Mg，成分C元素含量Si＞Mg。

表3 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

3.2 力學(xué)性能

對(duì)5種擠壓型材分別進(jìn)行0 h、24 h、48 h、96 h的自然時(shí)效處理，取樣后檢測(cè)其力學(xué)性能，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯?，5種型材的初始力學(xué)性能和經(jīng)過(guò)自然時(shí)效96 h后力學(xué)性能規(guī)律如下：通過(guò)對(duì)比A1和A2產(chǎn)品，A1屈服漲幅較小，由初始屈服強(qiáng)度82 MPa經(jīng)過(guò)自然時(shí)效96 h后升至88 MPa，漲幅為6 MPa，說(shuō)明低溫均質(zhì)條件下屈服強(qiáng)度漲幅較小。通過(guò)對(duì)比C1、C1-1產(chǎn)品，C1屈服漲幅略大但不明顯，說(shuō)明冷卻方式對(duì)屈服的漲幅無(wú)明顯影響。通過(guò)對(duì)比A1、B1、C1產(chǎn)品可知，A1屈服漲幅較小，C1屈服漲幅最大且超出10 MPa。通過(guò)3種不同成分在相同工藝下的性能值可以看出，成分A含量Si＜Mg時(shí)，經(jīng)過(guò)96 h自然時(shí)效后屈服強(qiáng)度最低，C成分Si＞Mg時(shí)經(jīng)過(guò)96 h自然時(shí)效后屈服強(qiáng)度最高。說(shuō)明成分含量在Si＜Mg條件下屈服強(qiáng)度漲幅較小。產(chǎn)品屈服強(qiáng)度漲幅如圖2所示，Si、Mg元素含量對(duì)比如圖3所示。

表4 力學(xué)檢測(cè)實(shí)測(cè)值

圖2 不同型材的屈服強(qiáng)變化曲線

圖3 不同型材中Si、Mg含量對(duì)比

3.3 高倍組織

分別切取5種不同制度的產(chǎn)品料樣進(jìn)行高倍組織與晶粒度檢驗(yàn)，高倍組織檢測(cè)結(jié)果均未見(jiàn)過(guò)燒，如圖4所示。通過(guò)高倍組織檢驗(yàn)可以看出以上生產(chǎn)工藝可以保證組織不過(guò)燒。晶粒度檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，晶粒尺寸相差不大，通過(guò)晶粒度檢驗(yàn)可以看出Si和Mg元素含量、鑄錠均質(zhì)制度以及擠壓淬火方式對(duì)6063合金晶粒度影響不大。

圖4 型材高倍組織形貌

圖5 型材晶粒度圖片

4 結(jié)果分析

6063鋁合金熱處理可強(qiáng)化相是β（Mg2Si）相，其脫溶序列為α過(guò)飽和固溶體→G.P區(qū)→β''相→β'相→β相。在室溫自然時(shí)效時(shí)，Mg、Si原子在鋁基體的晶面上聚集，形成溶質(zhì)原子富集區(qū)即G.P區(qū)，與基體保持共格關(guān)系，邊界上的原子為母相α和G.P區(qū)所共有。為了同時(shí)適應(yīng)兩種不同原子排列形式，共格邊界附近產(chǎn)生彈性應(yīng)變，正是這種晶格的嚴(yán)重畸變阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金的硬度[13]。隨著均質(zhì)溫度的升高，Mg2Si相固溶與擴(kuò)散速度加快，在自然時(shí)效時(shí)形成溶質(zhì)原子富集區(qū)越多，屈服強(qiáng)度漲幅較多。當(dāng)w（Mg）：w（Si）<1.73時(shí)合金中的Si過(guò)剩，A、B、C三種成分均為Si過(guò)剩，C成分Si含量最多。過(guò)剩Si能夠提高合金強(qiáng)度細(xì)化Mg2Si質(zhì)點(diǎn)，細(xì)小彌散分布的G.P區(qū)能夠強(qiáng)化基體，因此在其他條件相同條件下自然時(shí)效時(shí)C成分的屈服強(qiáng)度漲幅較多，A成分屈服強(qiáng)度漲幅較小。

5 結(jié)論

（1）壁厚為2.5 mm的6063合金日字形方管采用水霧生產(chǎn)，控制棒溫在490～500℃，擠壓速度6～7 m/min，進(jìn)淬火區(qū)溫度＞500℃，出淬火區(qū)溫度＜100℃時(shí)，擠壓后力學(xué)性能可達(dá)屈服強(qiáng)度≥80 MPa，抗拉強(qiáng)度≥160 MPa，斷后延伸率≥20%。

（2）6063合金鑄棒采用低溫均質(zhì)制度比高溫均質(zhì)制度能更有效控制型材擠壓后自然時(shí)效屈服強(qiáng)度的漲幅。

（3）采用A成分?jǐn)D壓生產(chǎn)出的6063鋁合金型材經(jīng)過(guò)自然時(shí)效后，屈服強(qiáng)度漲幅較小，但屈服強(qiáng)度值較低。