預(yù)時(shí)效對(duì)6005A鋁合金自然時(shí)效及人工時(shí)效性能的影響

李秋梅，劉兆偉，潘 巖，鄭雅如，馬龍飛

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

由于Al-Mg-Si系鋁合金在日常生活中發(fā)生自然時(shí)效是無(wú)法避免的，而預(yù)時(shí)效的提出就是為了解決Al-Mg-Si系鋁合金自然時(shí)效產(chǎn)生的不利影響。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，預(yù)時(shí)效就是在合金經(jīng)過(guò)固溶淬火之后自然時(shí)效之前引入一段時(shí)間的高溫(大于100℃)時(shí)效[1]。已有很多研究表明[2-4]，Al-Mg-Si系鋁合金固溶淬火之后立刻進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理能夠有效減少自然時(shí)效的負(fù)面效應(yīng)，主要應(yīng)用在合金在烤漆前的硬度比較低，而又能明顯促進(jìn)后期的烤漆效果，使烤漆后合金的強(qiáng)度比較高，對(duì)汽車(chē)的成形性能有一定的影響的領(lǐng)域。目前，預(yù)時(shí)效處理工藝對(duì)烤漆硬化的研究很多，但預(yù)時(shí)效對(duì)人工時(shí)效硬化效果產(chǎn)生的影響并未有具體的研究。因此，本文主要研究預(yù)時(shí)效對(duì)自然時(shí)效的影響以及預(yù)時(shí)效對(duì)后續(xù)人工時(shí)效產(chǎn)生的影響，為預(yù)時(shí)效在生產(chǎn)工藝中起到關(guān)鍵性的作用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本文利用36MN擠壓機(jī)對(duì)6005A鋁合金鑄棒進(jìn)行擠壓，擠壓型材尺寸為150mm×50mm×2mm；合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.55，F(xiàn)e 0.15，Cu 0.17，Mn 0.49，Mg 0.68，Cr 0.17，Ti 0.05。擠壓后在24h之內(nèi)進(jìn)行180℃×10min的預(yù)時(shí)效處理，分別對(duì)預(yù)時(shí)效與未預(yù)時(shí)效的鋁合金停放1d、2d、4d、6d、8d、10d進(jìn)行力學(xué)性能研究。同時(shí)對(duì)停放1d后的鋁合金進(jìn)行人工時(shí)效研究，時(shí)效工藝分別采用未預(yù)時(shí)效+200℃×(4h、6h、8h)和預(yù)時(shí)效+200℃×(4h、6h、8h)。

本文主要在AX10型光學(xué)顯微鏡(OM)上進(jìn)行顯微組織觀察，觀測(cè)鋁合金擠壓型材中第二相分布及晶粒大小。在AG-X100KN型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試自然時(shí)效及人工時(shí)效下力學(xué)性能變化情況；采用折彎試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋁合金擠壓型材進(jìn)行折彎性能檢測(cè)；利用晶間腐蝕試驗(yàn)研究不同時(shí)效制度下鋁合金擠壓型材腐蝕性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 預(yù)時(shí)效對(duì)自然時(shí)效的影響

圖1為停放不同天數(shù)未預(yù)時(shí)效與預(yù)時(shí)效后自然時(shí)效力學(xué)結(jié)果。

圖1 自然時(shí)效下的力學(xué)性能Fig. 1 Mechanical properties under natural aging

可以看出相同停放時(shí)間下，經(jīng)過(guò)預(yù)時(shí)效的鋁合金整體力學(xué)性能均低于未預(yù)時(shí)效的。相關(guān)文獻(xiàn)表明[5-6]：這是由于擠壓后立即進(jìn)行短時(shí)預(yù)時(shí)效，一方面，基體中將形成大量的、尺寸較大的β″核心，從而造成過(guò)飽和固溶體中溶質(zhì)的分布不均勻，降低非β″核心處基體中溶質(zhì)的過(guò)飽和度，抑制了隨后自然時(shí)效的硬化效果，導(dǎo)致強(qiáng)度低于未預(yù)時(shí)效的鋁合金。另一方面，在預(yù)時(shí)效過(guò)程中，Cluster原子團(tuán)聚的形成可以在很大程度上降低了鋁基體中溶質(zhì)原子的過(guò)飽和度，這樣就很好的抑制了自然時(shí)效過(guò)程中原子團(tuán)簇的形成。未預(yù)時(shí)效的鋁合金在自然時(shí)效下，強(qiáng)度隨停放天數(shù)的增加呈上升趨勢(shì)；預(yù)時(shí)效的鋁合金，自然時(shí)效2d～4d強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，4d以后，強(qiáng)度變化不大；預(yù)時(shí)效處理對(duì)自然時(shí)效斷后伸長(zhǎng)率影響不大，整體變化趨勢(shì)與未預(yù)時(shí)效相一致。因此，預(yù)時(shí)效可以抑制自然時(shí)效停放天數(shù)對(duì)鋁合金擠壓型材不穩(wěn)定性的影響。

2.2 預(yù)時(shí)效對(duì)人工時(shí)效后顯微組織的影響

圖2為未預(yù)時(shí)效與預(yù)時(shí)效下不同時(shí)效制度的顯微組織。經(jīng)過(guò)預(yù)時(shí)效的鋁合金顯微組織中析出較多均勻分布的灰色析出相，含有少量黑色結(jié)晶相；未預(yù)時(shí)效的鋁合金出現(xiàn)較多粗大的黑色結(jié)晶相，含有少量灰色析出相。灰色析出相的析出說(shuō)明預(yù)時(shí)效降低了鋁基體中溶質(zhì)原子的過(guò)飽和度，更容易形成過(guò)飽和固溶體，促進(jìn)后續(xù)時(shí)效析出相的形成。

(a)200℃×4h; (b)200℃×6h;(c)200℃×8h;(d)預(yù)時(shí)效+200℃×4h;(e)預(yù)時(shí)效+200℃×6h;(f)預(yù)時(shí)效+200℃×8h圖2 人工時(shí)效下的顯微組織Fig. 2 Microstructure under artificial aging

圖3為未預(yù)時(shí)效與預(yù)時(shí)效下不同時(shí)效制度的偏光顯微組織。可以看出，經(jīng)過(guò)預(yù)時(shí)效的鋁合金存在大量的纖維狀組織；未預(yù)時(shí)效的鋁合金未出現(xiàn)纖維狀組織，再結(jié)晶晶粒較多。

(a)200℃×4h；(b)200℃×6h；(c)200℃×8h；(d)預(yù)時(shí)效+200℃×4h；(e)預(yù)時(shí)效+200℃×6h；(f)預(yù)時(shí)效+200℃×8h 圖3 人工時(shí)效下的偏光顯微組織Fig. 3 Polarized microstructure under artificial aging

2.3 預(yù)時(shí)效對(duì)人工時(shí)效后性能的影響

圖4為未預(yù)時(shí)效與預(yù)時(shí)效下不同時(shí)效制度的力學(xué)性能。預(yù)時(shí)效態(tài)的鋁合金經(jīng)過(guò)人工時(shí)效后強(qiáng)度明顯高于未預(yù)時(shí)效態(tài)的鋁合金，時(shí)效溫度一定時(shí)，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)度均呈先增加后降低的趨勢(shì)，時(shí)效時(shí)間為6h時(shí)強(qiáng)度最高。相關(guān)文獻(xiàn)表明[7]，這是由于預(yù)時(shí)效的鋁合金擠壓型材，鋁基體內(nèi)部原子團(tuán)簇和GP區(qū)增多，為第二相的形成提供了更多的形核點(diǎn)，人工時(shí)效過(guò)程中形成的強(qiáng)化相越多越細(xì)，因此經(jīng)過(guò)預(yù)時(shí)效的鋁合金人工時(shí)效后強(qiáng)度升高。預(yù)時(shí)效處理引入的位錯(cuò)會(huì)在后續(xù)時(shí)效過(guò)程中為β″相提供異質(zhì)形核點(diǎn)，促進(jìn)β″相形成。β″相的形成促使強(qiáng)度升高，隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)為8h時(shí)，可能會(huì)形成穩(wěn)定的β相，失去了與基體之間的共格關(guān)系，從基體中析出，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

圖4 人工時(shí)效下的力學(xué)性能 圖5 人工時(shí)效下的折彎角度Fig. 4 Mechanical properties under artificial aging Fig. 5 Bending angle under artificial aging

圖5分別為未預(yù)時(shí)效和預(yù)時(shí)效下不同時(shí)效制度的折彎性能。合金的塑性直接影響著鋁合金的成形性能，由圖可以看出，預(yù)時(shí)效的鋁合金人工時(shí)效后，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，折彎角度先變小后增大，但橫、縱向差異不大；未預(yù)時(shí)效的鋁合金人工時(shí)效后，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，折彎角度逐漸增加，橫、縱向差異較大。預(yù)時(shí)效鋁合金無(wú)論是橫向還是縱向折彎角度均低于未預(yù)時(shí)效的鋁合金，這是由于預(yù)時(shí)效的鋁合金出現(xiàn)纖維狀組織，未預(yù)時(shí)效的鋁合金出現(xiàn)再結(jié)晶組織，再結(jié)晶晶粒比纖維狀晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度低、尺寸大，位錯(cuò)滑移的阻力小，故預(yù)時(shí)效的鋁合金折彎性能低于未預(yù)時(shí)效的鋁合金。

2.4 預(yù)時(shí)效對(duì)人工時(shí)效后腐蝕性能的影響

圖6為未預(yù)時(shí)效與預(yù)時(shí)效下不同時(shí)效制度的晶間腐蝕，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，腐蝕性能逐漸減弱。相同時(shí)效時(shí)間下，未預(yù)時(shí)效的鋁合金晶間腐蝕深度較預(yù)時(shí)效的鋁合金腐蝕深度較深，預(yù)時(shí)效可有效提高鋁合金的抗腐蝕性能。這是由于預(yù)時(shí)效鋁合金呈纖維狀組織，晶粒較未預(yù)時(shí)效大，晶粒細(xì)小可促使合金組織內(nèi)部的電化學(xué)電位差較大，加快腐蝕程度。

(a)200℃×4h；(b)200℃×6h；(c)200℃×8h；(d)預(yù)時(shí)效+200℃×4h；(e)預(yù)時(shí)效+200℃×6h；(f)預(yù)時(shí)效+200℃×8h圖6 人工時(shí)效下的晶間腐蝕Fig. 6 Intergranular corrosion under artificial aging

3 結(jié)論

(1)預(yù)時(shí)效可有效抑制自然時(shí)效不穩(wěn)定性帶來(lái)的負(fù)面影響，經(jīng)過(guò)預(yù)時(shí)效的鋁合金自然時(shí)效強(qiáng)度變化較平穩(wěn)；強(qiáng)度較未預(yù)時(shí)效的低；

(2)經(jīng)過(guò)預(yù)時(shí)效的鋁合金人工時(shí)效后力學(xué)性能較未預(yù)時(shí)效的高，橫、縱向折彎性能差異較??；

(3)預(yù)時(shí)效的鋁合金人工時(shí)效后抗腐蝕性能較未預(yù)時(shí)效的好。