固溶工藝對汽車用6061鋁合金性能的影響

李恩波，謝海光，王 宇

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

高速、節(jié)能、安全、減少污染是汽車工業(yè)面臨的重要研究課題，而輕量化是實現(xiàn)這些目標的重要途徑[1]，鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好和擠壓性能好等優(yōu)點，在汽車工業(yè)中得到了廣泛的重視。6061鋁合金屬于Al-Mg-Si系合金，以Mg2Si為強化相，屬于可熱處理強化鋁合金，具有中等強度、良好的塑性和優(yōu)良的可焊性，可用于生產(chǎn)對強度和耐腐蝕性要求較高的汽車車體結(jié)構件等[2-3]。對于可熱處理強化的鋁合金來說，固溶是一個關鍵性的工序，為了獲得較高的合金性能，合理的搭配固溶溫度和固溶時間，是個非常值得研究的問題。

固溶處理是鋁合金熱處理強化的第一步，保證合金不發(fā)生過燒的前提下，應盡可能的提高固溶溫度。因為固溶溫度越高，溶質(zhì)元素固溶越充分，淬火時效后力學性能越高。而固溶時間必須保證過剩相充分的溶解，才能得到較理想的強化效果[4]。因此本文通過拉伸力學性能、硬度和電導率測試，研究了固溶溫度和固溶時間對汽車用6061鋁合金性能的影響，為該鋁合金的熱處理工藝優(yōu)化提供可參考的試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)的6061鋁合金鑄錠，其化學成分見表1。經(jīng)過均勻化處理以消除成分偏析和內(nèi)應力，然后采用880 t擠壓機進行擠壓生產(chǎn)，擠壓過程為：鑄錠加熱→擠壓→切尾，擠壓工藝參數(shù)見表2，在擠壓型材頭尾切取試樣進行研究。

表1 6061鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of 6061 aluminium alloy (mass fraction，%)

表2 擠壓工藝參數(shù)Table 2 Extrusion process parameters

1.2 試驗過程及方法

對試樣進行不同固溶處理，淬火后進行人工時效，具體熱處理工藝見表3。采用AG-X100KN電子萬能試驗機進行拉伸性能測試；采用OMNITEST型多功能硬度計進行布氏硬度測試；采用SMP-10渦流電導率儀測量試樣的電導率，分析固溶溫度和固溶時間對汽車用6061鋁合金性能的影響。

表3 熱處理工藝Table 3 Heat treatment process

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 固溶溫度對合金性能的影響

不同固溶溫度對試樣的強度、斷后伸長率、硬度和電導率的影響如圖1所示。隨著固溶溫度升高，合金的屈服強度和抗拉強度呈先快速增加、再趨于平緩、最后略有下降的趨勢，如圖1(a)所示。固溶溫度為560 ℃時，屈服強度和抗拉強度達到了最大值，分別為313、327 MPa；而固溶溫度在540～580 ℃之間，合金的總體強度基本保持穩(wěn)定，說明在此固溶溫度范圍內(nèi)，時效后鋁合金可以達到較高的強度。隨著固溶溫度升高，斷后伸長率呈下降趨勢，如圖1(b)所示。固溶溫度在540～570 ℃之間，合金斷后伸長率有輕微波動，在13%～14%之間；而固溶溫度為590 ℃時，斷后伸長率最低僅為10.5 %。隨著固溶溫度升高，硬度的變化趨勢與強度的變化趨勢類似，固溶溫度在490～530 ℃之間，合金的硬度快速增加，在540 ℃以上趨于穩(wěn)定，保持在105 HBW左右，最后略有下降，如圖1(c)所示。隨著固溶溫度升高，合金的電導率整體呈下降趨勢，在540 ℃以上基本維持穩(wěn)定。

2.2 固溶時間對合金性能的影響

不同固溶時間對試樣的強度、斷后伸長率、硬度和電導率的影響如圖2所示。隨著固溶時間的延長，合金的屈服強度和抗拉強度先增加，在2～6 h內(nèi)趨于平緩，6 h后緩慢的下降。固溶時間為1～6 h時，合金的抗拉強度保持在300 MPa以上，如圖2(a)所示。隨著固溶時間的延長，斷后伸長率呈下降趨勢。固溶時間在2～6 h 之間，合金斷后伸長率基本穩(wěn)定，在8 h時斷后伸長率為10.8%，如圖2(b)所示。固溶時間在2 h以內(nèi)時，硬度由98.3 HBW增至104 HBW，隨著固溶時間繼續(xù)延長，合金硬度基本保持不變，如圖2(c)所示。固溶時間對合金電導率影響較小，隨固溶時間的延長，電導率先逐漸降低后基本不變。

(a)強度；(b)斷后伸長率；(c)硬度；(d)電導率圖1 不同固溶溫度對合金性能的影響(a) strength；(b) elongation after fracture；(c) hardness；(d) electrical conductivityFig.1 Effect of different solid solution temperature on properties of alloy

(a)強度；(b)斷后伸長率；(c)硬度；(d)電導率圖2 不同固溶時間對鋁合金性能的影響(a) strength；(b) elongation after fracture；(c) hardness；(d)electrical conductivityFig.2 Effect of different solid solution time on properties of alloy

2.3 分析及討論

6061鋁合金的最終性能主要取決于人工時效處理后合金的內(nèi)部組織，而時效處理的結(jié)果主要受固溶處理工藝的影響[5-6]。固溶處理是在不產(chǎn)生過燒組織的固溶溫度下，使合金中粗大的過剩相粒子最大程度的溶解在α基體中，淬火后形成雙重過飽和固溶體，即溶質(zhì)原子過飽和和空位濃度過飽和。但形成的過飽和固溶體在熱力學上是很不穩(wěn)定的，在人工時效處理時，溶質(zhì)原子會從晶格內(nèi)脫溶出來[7]，析出亞穩(wěn)相或穩(wěn)態(tài)相的第二相粒子。6061鋁合金的時效析出過程為：過飽和固溶體→偏聚區(qū)即GP區(qū)→亞穩(wěn)相β″→亞穩(wěn)相β′→沉淀相β(Mg2Si)[8]。一般認為，析出亞穩(wěn)相β″時合金達到最大強化效果。溶質(zhì)原子首先在基體上某些晶面上富集，形成GP區(qū)，GP區(qū)與基體保持共格關系；隨著溶質(zhì)原子繼續(xù)聚集并長大，GP區(qū)瓦解，轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的β″相；β″相與基體仍然保持著共格關系，使基體的晶格進一步產(chǎn)生嚴重的共格畸變，在粒子周圍產(chǎn)生強烈的應力場，阻礙位錯的運動，從而使合金的強度增加，斷后伸長率減小。另一方面，晶粒的晶界也會阻礙位錯的運動，晶粒越細小，晶界越多，使位錯運動的阻力加大，從而使合金的強度升高；同時晶粒細小意味著合金組織內(nèi)晶粒數(shù)目多，在外力作用下塑性變形均勻，會有更多的晶粒分擔塑性變形，從而造成位錯塞積分散，使得合金的強度增加，塑性增加[9]。合金的硬度大小與硬度測試儀的壓頭壓入合金表面的難易程度有關，也就是合金發(fā)生塑性變形的難易程度有關，也受析出的亞穩(wěn)相β″的分布和數(shù)量的影響。合金的電導率與自由電子的自由程有關，固溶溫度升高或固溶時間延長，增加溶質(zhì)原子的過飽和程度，使得α基體晶格變形程度也相應的增大，產(chǎn)生嚴重的點陣畸變能，基體點陣中電子散射源和密度增加，使自由電子受散射的程度變大，平均自由程變小，從而使合金的電導率減小。

在不同固溶溫度下6061鋁合金的金相組織如圖3所示。固溶溫度為490 ℃時，基體內(nèi)殘留很多粗大的過剩相粒子，如圖3(a)所示。說明固溶溫度低，過剩相沒有完全溶解到基體中，固溶不充分，導致人工時效后析出的亞穩(wěn)相β″數(shù)量少，對位錯運動阻礙作用小，使合金的強度和硬度偏低，斷后伸長率偏高；同時合金中引起的點陣畸變?nèi)?，使自由電子在基體中容易流動，平均自由程變大，合金的電導率較高。當固溶溫度升高到540 ℃時，α基體中粗大的Mg2Si相明顯減少，如圖3(b)所示。形成的過飽和固體濃度提高，人工時效后析出的亞穩(wěn)相數(shù)量增多，細小而彌散的均勻分布在基體內(nèi)，對位錯運動的釘扎作用加強，故合金的強度、硬度逐漸提高，塑性逐漸降低；另一方面，晶格發(fā)生了嚴重畸變，自由電子遭受的散射程度加大，平均自由程變小，電導率降低。當固溶溫度為560 ℃時，基體中粗大的Mg2Si相更少，如圖3(c)所示，粗大Mg2Si相基本完全的溶解在基體中，殘留的少量過剩相應該是AlFeSi等相，AlFeSi相屬于不溶相[10]。Mg、Si溶質(zhì)原子在基體中的過飽和度達到了最大，說明在此固溶溫度下，時效后合金的強度和硬度達到最大值，電導率降低；繼續(xù)升高固溶溫度，過飽和固溶體濃度不再增加，因此合金的電導率相對穩(wěn)定，變化不大。而固溶溫度為590 ℃時，晶粒內(nèi)部有復熔共晶球出現(xiàn)，晶界處復熔加寬，合金發(fā)生輕微的過燒現(xiàn)象，影響合金的性能，使其強度和硬度下降。

(a)490 ℃；(b)540 ℃；(c)560 ℃；(d)590 ℃圖3 不同固溶溫度下合金的金相組織Fig.3 Microstructure of alloy at different solid solution temperature

固溶時間為30 min時，粗大的Mg2Si相沒有全部溶解到基體內(nèi)，造成過飽和固溶體濃度偏低，時效后合金強度和硬度偏低；隨著固溶時間延長至2 ～6 h，固溶時間對合金的性能影響較??；但固溶時間過長，晶粒會逐漸粗化，細小的晶粒消失，晶粒粗化使合金的強度、硬度和塑性都降低。

3 結(jié)論

1)隨著固溶溫度的升高， 6061鋁合金的強度和硬度先快速增加、再趨于平緩、最后略有下降，在560 ℃時達到最大值；斷后伸長率和電導率逐漸降低；固溶時間對合金性能的影響較小。

2)固溶溫度過高，達到590 ℃時，合金組織內(nèi)會出現(xiàn)過燒跡象；而固溶時間過長，超過6 h后，合金的晶粒會逐漸粗化，降低合金的性能。

3)6061鋁合金經(jīng)540 ℃×2 h固溶處理后，再人工時效，可獲得良好的綜合性能。