熱處理工藝對6110A鋁合金棒材性能和組織的影響

李恩波，謝海光，王 宇，董艷紅,王 淵，樊 晨

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6110A鋁合金屬于Al-Mg-Si-Cu系變形鋁合金，是在Al-Mg-Si系列合金的基礎(chǔ)上，加入了Cu、Mn等元素發(fā)展起來的，加入Cu元素不僅可以提高鋁合金的強度，還可以減輕合金淬火后因停放時間過長而帶來的不利影響[1,2]。6110A鋁合金在6xxx系合金中是強度較高的品種，其主要強化相依然是Mg2Si相，具有較高的比強度、良好的加工性能和工藝性能，在交通運輸行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[3]。

目前國內(nèi)有大量文獻[4-9]對6xxx系鋁合金的熱處理工藝進行了研究，其中包括6063、6061、6082、6A02等合金，但對6110A鋁合金固溶時效工藝的系統(tǒng)性研究卻極少有。本文將以汽車配件用6110A鋁合金棒材為研究對象，通過室溫靜態(tài)單向拉伸檢測、布氏硬度檢測、金相組織觀察及斷口組織分析，來研究不同熱處理工藝對6110A合金的性能和組織的影響，以期弄清各熱處理因素對合金性能和組織的影響規(guī)律，總結(jié)出最合適的熱處理工藝，對后續(xù)的擠壓生產(chǎn)加工和熱處理研究提供技術(shù)參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用本公司熔鑄生產(chǎn)的6110A鋁合金鑄棒，直徑規(guī)格為Φ436mm，其化學成分測試值見表1。鑄棒經(jīng)均勻化處理、車皮后，采用7500T臥式擠壓機進行擠壓生產(chǎn)，擠壓成截面直徑為80mm的棒材;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—驗收—交貨。具體擠壓過程控制參數(shù)為，模具加熱溫度440℃～460℃，鑄錠加熱溫度470℃～480℃(頭)、430℃～460℃(尾)，擠壓筒溫度440℃～460℃，擠壓系數(shù)19.9，擠壓速度2.0 m/min ～5.0 m/min，殘料厚度30mm，淬火方式為在線水冷。

表1 6110A鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Tab.1 Chemical composition of 6110A aluminum alloy (wt.%)

1.2 試驗方案

不同的熱處理工藝對6xxx系鋁合金的性能和組織影響很大，6110A合金棒材熱處理工藝的主要因素為固溶溫度、固溶時間、時效溫度以及時效時間，每個因素選取4個水平，設(shè)計了L16(44)正交試驗方案，正交試驗?zāi)軌蛟诤芏嘣囼炛刑暨x出具有代表性的幾個試驗方案，通過數(shù)據(jù)分析得到影響結(jié)果的主次因素，推斷出最優(yōu)試驗方案，節(jié)約試驗時間，降低試驗成本，各因素水平見表2。

表2 正交試驗水平因素表Tab.2 Horizontal factor table of Orthogonal test

1.3 試驗方法

按照客戶技術(shù)協(xié)議中要求，將不同熱處理工藝后的棒材料坯車加工為直徑8mm的標準圓形拉伸試樣，利用日本島津的AG-X 100 KN電子萬能試驗機，在室溫下進行靜態(tài)單向拉伸試驗。試驗方法按照GB/T 228-2010中規(guī)定的方法，利用引伸計測量試樣的屈服強度，試驗速率為18MPa/s，試樣屈服點過后卸載引伸計，試驗速率轉(zhuǎn)換為30mm/min，直至試樣斷裂。將硬度試樣的一個橫斷面作為試驗面，用砂紙將加工刀痕磨掉，利用OMNITEST型多功能硬度計測量試樣的布氏硬度試驗，每個試樣測量3次，以3次測量硬度值的平均值作為試驗的結(jié)果。金相試樣經(jīng)打磨拋光后，使用低濃度混合酸腐蝕(HF∶HCl∶HNO3∶H2O體積比為2∶3∶5∶190)進行腐蝕，利用光學顯微鏡觀察試樣的金相組織；利用掃描電子顯微鏡對拉伸斷口進行觀察分析。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 熱處理工藝對合金性能的影響

根據(jù)設(shè)計的L16(44)正交試驗方案進行了16組不同熱處理工藝，檢測試樣的拉伸性能和硬度性能結(jié)果見表3。

表3 正交試驗方案結(jié)果Tab.3 Results of Orthogonal test scheme

為了對正交試驗結(jié)果進行準確分析，分別對以屈服強度Rp0.2、抗拉強度Rm、斷后伸長率A及布氏硬度值HBW2.5/62.54個性能指標進行極差分析，其中R為各個因素對試驗指標影響大小的主次順序，進而確定熱處理工藝對合金性能的影響程度主次。從表3中極差分析大小可以看出，對6110A鋁合金屈服強度的影響程度主次關(guān)系依次為，時效溫度>固溶時間>固溶溫度>時效時間；對合金抗拉強度的影響程度主次關(guān)系依次為，時效溫度>固溶溫度>固溶時間>時效時間；對合金斷后伸長率的影響程度主次關(guān)系依次為時效溫度>固溶時間>固溶溫度=時效時間；對合金布氏硬度值的影響程度主次關(guān)系依次為，時效溫度>固溶時間>固溶溫度>時效時間。

6110A鋁合金的平均屈服、抗拉強度、斷后伸長率及布氏硬度值同一水平下各個因素的平均值，隨著熱處理工藝參數(shù)變化規(guī)律如圖1所示。由圖1可以直觀看出，合金的性能隨著熱處理工藝參數(shù)變化的影響規(guī)律為：(1)隨著固溶溫度從510℃到540℃，6110A合金的各項性能均呈現(xiàn)波動變化，在520℃固溶溫度時，合金的屈服強度、抗拉強度和布氏硬度均達到了最大；(2)隨著固溶時間的延長，6110A合金的屈服強度、抗拉強度和布氏硬度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，在固溶時間為40min時達到了最大，而合金的斷后伸長率則呈現(xiàn)相反趨勢；(3)時效溫度是6110A合金的4項指標性能影響最大的因素，極差均為最大值，隨著時效溫度從165℃到195℃，合金的屈服強度、抗拉強度和布氏硬度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，在時效溫度為175℃時達到峰值，同樣斷后伸長率則呈現(xiàn)相反趨勢；(4)時效時間從7h到10h期間，對合金的4項指標性能影響最小，合金的屈服強度和抗拉強度在9h時達到最大值，合金的布氏硬度在8h時達到最大。

圖1 因素與性能指標曲線圖Fig.1 Graph of factor and performance index

由以上結(jié)果可以看出，對于6110A合金的屈服強度和抗拉強度來說，最佳熱處理工藝為A2B3C2D3，即520℃/40min+175℃/9h；對于合金的斷后伸長率來說，最佳熱處理工藝為A3B4C4D1,即530℃/50min+195℃/7h；對于合金的布氏硬度來說，最佳熱處理工藝為最佳熱處理工藝A2B3C2D2，即520℃/40min+175℃/8h?？蛻艏夹g(shù)協(xié)議中規(guī)定，6110A鋁合金的性能檢測標準為屈服強度Rp0.2≥380MPa、抗拉強度Rm≥400MPa、斷后伸長率A≥10%，布氏硬度HB≥110HBW。在滿足客戶技術(shù)協(xié)議要求的前提下，綜合考慮，此6110A鋁合金棒材的最佳熱處理工藝為A2B3C2D3，但此熱處理組合并未出現(xiàn)在正交試驗方案里；經(jīng)檢測驗證，此熱處理工藝下合金的屈服強度為415.24MPa，抗拉強度為，447.59MPa，斷后伸長率為10.5%，布氏硬度為127HBW。

2.2 熱處理工藝對合金組織的影響

對6110A鋁合金不同熱處理工藝后的組織觀察形貌如圖2所示?？梢钥闯觯?10℃/20min+165℃/7h熱處理工藝條件下，由于固溶溫度較低，保溫時間較短，合金的固溶效果較差，時效后合金基體中析出的第二相質(zhì)點較少(圖2(a))。在520℃/40min固溶處理基礎(chǔ)上，合金更加充分的形成了過飽和固溶體，時效制度為175℃/9h處理后，合金組織的晶粒尺寸變化不大，但在晶粒內(nèi)和晶界處析出了大量的第二相質(zhì)點，且均勻的分布在基體內(nèi)(2(b))；而在195℃/9h的時效處理后，基體中析出的第二相質(zhì)點略有變大(2(c))；在540℃/50min+165℃/10h熱處理工藝處理后，合金組織的晶粒明顯粗化，晶粒尺寸增大(2(d))。

2.3 熱處理工藝對斷口形貌的影響

6110A鋁合金經(jīng)不同熱處理工藝處理后，對拉伸試驗斷裂后的試樣進行斷口形貌的觀察，如圖3所示。

(a)510℃/20min+165℃/7h；(b)520℃/40min+175℃/9h；(c)520℃/40min+155℃/7h；(d)540℃/50min+165℃/10h圖2 不同熱處理工藝對合金組織的影響Fig.2 Effect of different heat treatment processes on microstructure of alloy

(a)510℃/20min+165℃/7h；(b)520℃/40min+175℃/9h；(c)520℃/40min+155℃/7h；(d)540℃/50min+165℃/10h圖3 熱處理工藝對斷口的影響Fig.3 Effect of heat treatment process on fracture surface

可以看出，不同熱處理工藝處理后的拉伸試樣的斷口均有明顯的撕裂韌窩，晶粒能夠發(fā)生塑性變形，從原有的斷面上被拉出來，由此形成韌窩。但經(jīng)520℃/40min+175℃/9h熱處理后，韌窩的尺寸較小，深度較淺(3(b))，說明此試樣熱處理時效后的合金強度較高，這與正交試驗的驗證結(jié)果一致。

2.4 分析

6xxx系鋁合金中，主要的強化強為Mg2Si相，強化相Mg2Si在鋁基體中的最大溶解度為1.85 %，且隨著溫度降低溶解度明顯減小，在200℃時下降為0.25%，因此合金的強度和硬度性能主要取決于固溶時效熱處理過程中，從過飽和固溶體中析出的強化相的數(shù)量、大小和分布情況[10-13]。

6110A合金在合金不發(fā)生過燒情況的前提下，隨著固溶溫度的升高，合金組織中粗大的Mg2Si相溶解在鋁基體越充分，形成過飽和固溶體的濃度越大，其相變驅(qū)動力也同樣增大，從而減小了臨界晶核形核尺寸，提高了時效過程中的形核率，使組織中能夠析出大量的第二相質(zhì)點。當固溶溫度為510℃時，溫度低，溶質(zhì)原子的擴散遷移速度較慢，合金中殘留的較粗大的Mg2Si相未全部溶解在鋁基體中，這些未溶解的粗大相會在后續(xù)的時效過程中，隨著Mg和Si溶質(zhì)原子從過飽和固溶體中逐漸析出，而繼續(xù)長大粗化；組織中細小而彌散分布的第二相質(zhì)點在基體中分布的密度減少，從而導致合金的強度和硬度性能降低。固溶溫度為520℃時，粗大的Mg2Si相能夠充分溶解在基體內(nèi)，從而形成高濃度的過飽和固溶體，在時效處理后，使合金獲得較高的強度和硬度性能；固溶溫度進一步升高，在540℃時，由于溫度高，會加快組織中晶粒尺寸生長的速度，形成較大晶粒組織，而融入的溶質(zhì)原子的量卻沒有出現(xiàn)較大變化，從而使合金的強度和硬度降低了。因此必須合理選擇固溶溫度和固溶時間，來為后續(xù)的時效做好鋪墊。

6110A鋁合金的時效脫溶序列為，Si原子團聚→GP區(qū)→針狀Mg2Si非平衡相→棒狀Mg2Si非平衡相→片狀平衡Mg2Si平衡相。時效處理的實質(zhì)就是在一定的溫度保溫條件下，使Mg和Si溶質(zhì)原子從過飽和固溶體中沉淀析出，形成原子的富集區(qū)，并逐漸長大生成細小的強化相質(zhì)點。時效初期，Mg和Si原子首先在鋁基體中某些晶面上富集，形成GP區(qū)，隨著時間的持續(xù)，在GP區(qū)的基礎(chǔ)上或直接在基體中形成有序排列的針狀β″相。β″相的晶體結(jié)構(gòu)與母相晶體結(jié)構(gòu)相似，并保持著共格關(guān)系，其產(chǎn)生的畸變程度最大，位錯運動所受到的阻力也最大，從而合金的強度和硬度性能達到峰值；而由于位錯運動的受阻，降低了合金的塑性，即合金的斷后伸長率下降。時效溫度升高或時效時間延長，溶質(zhì)原子的擴散速度增大，β″相繼續(xù)易富集向β′相轉(zhuǎn)變，β′相與基體形成半共格關(guān)系，雖然其尺寸大小增加，單個質(zhì)點對位錯阻礙作用增加，但使基體產(chǎn)生畸變的程度有所下降，合金的強度和硬度性能減小。而β′相繼續(xù)富集形成穩(wěn)定的β相，其尺寸較大，在基體中分布密度下降，兩質(zhì)點間距增大，對位錯運動的阻礙作用下降。因此，合理的控制時效工藝是控制6110A鋁合金最終性能的關(guān)鍵程序。

3 結(jié)論

(1)通過極差分析結(jié)果，對6110A鋁合金屈服強度和硬度的影響程度主次關(guān)系依次為，時效溫度、固溶時間、固溶溫度、時效時間；對合金抗拉強度的影響程度主次關(guān)系依次為，時效溫度、固溶溫度、固溶時間、時效時間，因此在6110A鋁合金的熱處理工藝中必須合理選擇控制時效溫度。

(2)通過正交試驗結(jié)果，獲得了6110A鋁合金最佳的熱處理工藝A2B3C2D3，即固溶溫度為520℃，固溶時間為40min，時效溫度為175℃，時效時間為9h，此時合金的屈服強度為415.24MPa，抗拉強度為447.59MPa，斷后伸長率為10.5%，布氏硬度為127HBW，符合客戶技術(shù)協(xié)議的規(guī)定要求。

(3)合金經(jīng)520℃/40min+175℃/9h熱處理工藝后，合金的顯微組織中，第二相質(zhì)點能夠細小均勻的分布在基體中，使合金強度和硬度性能達到峰值。