淬火方式和時效工藝對Al-Mg-Si-Cu系合金性能影響

董 穎，竇志家，康 銘，張廣明，劉施洋，景 畔，史文彬

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽111003)

Al-Mg-Si-Cu系鋁合金是可熱處理強化的鋁合金，經(jīng)固溶處理和時效后，具有中等強度和較高的塑性?？捎糜诰哂屑庸に苄院湍透g性能要求的工業(yè)產(chǎn)品及飛機發(fā)動機或螺旋槳漿葉等復雜形狀的型材和鍛件[1]。

1 試驗方法

試驗材料采用半連續(xù)鑄造的Φ100mm×430mm Al-Mg-Si-Cu鋁合金鑄錠，其主要合金成分(質(zhì)量分數(shù)，%)滿足，Si 0.60～1.10，F(xiàn)e≤0.50，Cu 0.20～0.60，Mn 0.15～0.35，Mg0.45～0.80。鑄錠經(jīng)均勻化處理后，采用660T正向擠壓及擠壓成品為Φ25mm×2.5mm的圓管。試驗料樣長度為300mm，時效采用高精密電熱鼓風烘箱，控制爐溫為±5℃，擠壓工藝及時效熱處理制度如表1所示。

表1 擠壓工藝和時效制度

室溫力學性能測試采用日本島津AG-100KN型電子萬能拉伸試驗機，塑性成型試驗采用AG-IC50KN型號靜態(tài)壓力試驗機做壓扁試驗。為保證試驗結果具有可比較性及準確性，測試結果采取3個試樣的算術平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

型材在不同擠壓工藝及時效制度下的性能檢測結果如圖1所示。塑性試驗照片如圖2所示。

圖1 不同工藝性能試驗結果Fig. 1 Test result of different extrusion process

從圖1中可以看出，在不同淬火方式下，型材經(jīng)相同的時效制度時效后，穿水冷卻工藝的型材性能，好于風霧冷卻的性能，且穿水工藝的延伸率均高于風霧方式冷卻的延伸率。

在相同冷卻方式下，隨著時效時間延長，時效溫度的升高，產(chǎn)品的強度逐漸升高并達到峰值。而水冷卻在(160 ℃～ 170℃)×6.5h下，達到了合金性能峰值狀態(tài)。

從塑性試驗圖2中可以看出，在(170 ℃～ 180℃)×7h時效制度下，無論采用哪種冷卻方式經(jīng)冷加工后，均出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。在風霧冷卻的其他時效制度，經(jīng)冷加工后雖然未出現(xiàn)較大的開裂，但表皮已經(jīng)出現(xiàn)細微裂紋。最后選用穿水工藝生產(chǎn)時效制度(160 ℃～ 170℃)×(5h～6.5h)的熱處理工藝制度下，產(chǎn)品經(jīng)冷加工后表面良好。

因此，為保證產(chǎn)品質(zhì)量最終確定生產(chǎn)擠壓的冷卻工藝為穿水，時效制度為(160℃ ～ 170℃)×6.5h。

圖2 不同工藝下塑性試驗照片F(xiàn)ig. 2 Plastic test photos under different processes

2.2 試驗分析

在常規(guī)6xxx系鋁合金時效制度水冷方式(160℃～170℃)×6.5h下的性能結果可以看出，經(jīng)時效后均達到了時效峰狀態(tài)。

眾所周知6xxx系鋁合金為可熱處理強化鋁合金，可通過脫溶分解方式提高合金的強度。而影響其差異主要受到固溶體中空位的影響，其可加速原子的擴散速率，有助于GP區(qū)的形核過程[2]。而空位的數(shù)量及分布則與制品的冷卻速度有關，冷卻速率越大，則空位越多，使得在相同的驅(qū)動力下脫溶分解速度更快。因此，產(chǎn)品采用在線風霧的冷卻方式和采用穿水的冷卻方式，經(jīng)160℃ ～ 170℃溫度時效，相同時間下，性能結果具有較大的差別[3-4]。

并且在線風霧淬火方式的冷卻速率遠小于在線穿水的冷卻速率，這樣晶體內(nèi)部的空位將會散逸到晶界處，使得經(jīng)脫溶分解后出現(xiàn)較寬的無析出區(qū)(PFZ)。而在塑性變形過程中基體內(nèi)的沉淀區(qū)域無析出區(qū)不能相互協(xié)調(diào)，且無析出區(qū)強度較低，導致在無析出帶處微裂紋集中，最終使得在較慢的冷速下產(chǎn)生過早開裂[5]。即在相同的時效制度下，穿水冷卻方式的延伸率高于風霧冷卻方式。

3 結論

(1)Al-Mg-Si-Cu系鋁合金采用風霧冷卻方式淬火，由于其冷卻速度較慢，使合金經(jīng)時效后綜合性能較差；

(2)Al-Mg-Si-Cu系鋁合采用穿水冷卻方式淬火，經(jīng)低溫時效具有良好的性能；

(3)確定水冷方式(160℃ ～ 170℃)×6.5h為最佳時效制度。