固溶時效處理對6063鑄態鋁合金硬度的影響

鐘坤

摘 要：本文主要研究了6063鑄態鋁合金在不同固溶時效工藝處理下硬度的變化，通過金相觀察、SEM以及TEM檢測初步探討了其微觀組織變化。結果表明，通過優化固溶時效工藝，可以將6063鑄態鋁合金硬度提高到80HV以上，完全滿足顧客要求。

關鍵詞：6063鑄態鋁合金；固溶時效處理；硬度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.019

6063鋁合金具有優良的可擠壓性性能和抗腐蝕性能，良好的陽極氧化著色性和優秀的可拋光性，以及出色的焊接性能等[1]。這些使得6063鋁合金在工業型材、建筑型材以及裝飾性鋁合金中都具有廣泛的應用。作為可熱處理強化鋁合金，時效處理已經是改善6063鋁合金性能的重要途徑，有關熱處理工藝對其性能的影響已有大量研究，但這些研究多是針對6063擠壓型材和軋制型材等，關于固溶時效工藝對鑄態6063鋁合金組織性能的影響，目前研究較少。根據客戶需求，本文主要研究了固溶時效工藝對鑄態6063鋁合金硬度的影響。

有關6063鋁合金時效強化機制，目前業界研究較多，一般認為是析出相沉淀強化[2-3]。這是由于其合金元素較多、析出相復雜等因素，使得對其建立數學模型難度較大。O.R.MYHR等人在以往研究基礎上[4]，對Al-Mg-Si合金時效強化機制進行了深入研究，綜合考慮沉淀強化和固溶強化機制，推導出了屈服強度與熱處理工藝之間的關系，建立了相應數學模型，并與實驗結果進行了校正，對此合金數學模型的建立又前進了一步。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

根據客戶要求和以往企業生產經驗設計鑄錠化學成分，見表1。采用直冷半連續鑄造法生產規格為Φ448mm×6000mm的6063合金鑄錠，鑄造設備為Almax公司生產。

鑄錠采用570℃/12h高溫均勻化處理，室溫自然冷卻。距離鑄錠頂部1/3處取試樣一塊，規格為60mm×150 mm× 30mm。將試樣置于馬弗爐中加熱到550℃，保溫4h，室溫水淬。然后使用線切割設備將試樣加工成30mm×30 mm× 30mm大小。留下兩個試樣作為對照試樣，剩余試樣隨機分為A組和B組進行時效處理。

1.2 試驗方法

（1）A組人工時效溫度是175℃，時間分別為2h，4h，6h，8h，10h。

（2）B組人工時效溫度是200℃，時間分別為2h，4h，6h，8h。

（3）試樣經過砂紙打磨，拋光等步驟后，采用HV-1000Z型顯微硬度計對試樣進行顯微硬度測量，隨機選取三個測量點，取平均值。使用光學顯微鏡進行金相觀察，使用掃描電鏡和投射電鏡對樣品微觀組織進行觀察和分析。所用設備型號為ZEISS Axio vert.A1 倒置光學顯微鏡，ZEISS EVO18掃描電鏡以及牛津 Inca X-Max 20電制冷X射線能譜儀等設備。

2 試驗結果與分析

2.1 固溶時效工藝對硬度的影響

由圖1可以看出，經過人工時效后樣品硬度均有大幅度提升。在175℃時效溫度下，時效初期硬度迅速升高，4h后趨于穩定，隨著保溫時間繼續延長，硬度緩慢提高。在10h的保溫時間內，尚未出現硬度降低現象。在200℃時效溫度下，時效初期硬度升高速率高于175℃溫度下，在2h后硬度已經達到峰值，隨著保溫時間延長，硬度開始逐漸下降。

根據圖1，可以看出175℃保溫四個小時以上，以及200℃保溫兩小時和四小時，這些時效工藝均能滿足客戶對產品硬度的要求（客戶要求硬度大于80HV）。但本著低耗節約的原則，參照圖1結果，又進一步對工藝進行了調整，見表2。根據表2結果，可以發現合金經過固溶時效處理后，硬度都符合客戶要求。綜合考慮測量誤差、批次誤差、能源節約和顧客要求的情況下，可以選擇如下工藝：550℃2h+200℃2h。

2.2 固溶時效工藝對鋁合金微觀組織的影響

眾所周知合金硬度的變化是合金顯微組織變化的外在體現。6063合金屬于典型的可熱處理強化合金，在經過不同溫度熱處理后，合金析出相的數量和形態均產生相應變化。金相組織照片見圖2。

由圖2可以發現，在175℃溫度下，隨著固溶時間延長，晶界析出相逐漸增多，由斷續顆粒狀分布，逐漸長大為桿狀，并趨于連續分布。為了進一步了解合金微觀組織，結合圖1和圖2結果，我們對175℃4h樣品進行了掃描電鏡觀察、EDS分析以及透射電鏡檢測，結果見圖3。

通過能譜分析可以得知，晶界處粗大的桿狀析出相主要是FeSiAl相。Mg2Si顆粒較小，在掃描電鏡下只能發現零星分布，如圖3（a）所示。在圖3（b）中，可以發現經過175℃4h處理后從鋁基體中析出大量細小彌散的針狀β′′析出相。

2.3 試驗結果分析

6063鋁合金是典型的可熱處理強化鋁合金。其時效處理強化相主要是β′′（ Mg2Si） 相，一般認為其脫溶序列為[5]：α過飽和固溶體→G.P.區→β′′相→β′相→β相。主要是Mg和Si溶入α鋁中形成α固溶體。在時效初期Mg和Si 在鋁基體的晶面上聚集，形成溶質原子富集區即GP.區，與基體保持共格關系，邊界上的原子為二者所共有，這就導致共格邊界原子發生彈性形變，造成晶格畸變，阻礙了位錯運動，從而提高了合金硬度。

隨著時效時間延長，Mg和Si進一步富集并趨向有序化，迅速長大成針狀的β′′相，當β′′相生長到一定尺寸，應力場遍布基體彼此相連，產生最大化的強化效果，此時合金硬度最高。隨著時效時間繼續延長，Mg和Si進一步富集，形成桿狀β′相，與基體部分共格，強化效果弱于β′′相，合金硬度開始有所下降。時效后期在隨著強化相進一步析出，開始形成穩定β相，完全從基體中脫離，強化效果消失，稱為過時效狀態。這也是如圖1中所示，在200℃溫度下，時效時間超過四個小時后硬度開始下降的原因。

除了Mg2Si強化相之外，FeSiAl相也是一種強化相。它不僅分布在晶界也分布在晶內，尤其分布在晶界時可以使合金硬度得到明顯提高。本實驗6063合金中含有較多Fe元素，因而在固溶時效中生成了較多FeSiAl相。在圖2中我們能看到桿狀的FeSiAl析出相，并隨著時間延長逐漸增多并長大。

時效處理中，析出相的數量和大小主要取決于時效溫度。溫度越高，基體中空位越多，溶質原子的擴散越快，G.P.區易長大，G.P.區→β′′相→β′相→β相的脫溶速度相應提高。所以如圖1所示，2h內200℃時合金硬度提升速率遠高于175℃時。隨著時間延長直4h之后，200℃溫度下合金硬度在達到峰值后，硬度開始明顯下降，到達過時效狀態。而175℃時效溫度下，在實驗范圍內硬度一直在逐漸提升，尚未到達過時效狀態。

表2表明固溶處理對合金硬度也有重大影響。525℃溫度時固溶不完全，在相同時效工藝條件下，合金硬度低于550℃固溶溫度下樣品硬度。這是因為鑄態合金晶界偏析嚴重，若固溶不完全會導致時效時G.P.區的析出數量和密度大幅降低，從而使得不能達到最優的強化效果。考慮到工業生產的實際過程和客戶要求，可以選擇固溶時效工藝：550℃2h+200℃2h。

3 結論

（1）在550℃+4h固溶處理后，175℃時效2h后合金硬度達到84.0HV，隨著時間延長，硬度緩慢提升。200℃時效溫度下，合金在2h后硬度達到84.6HV，保溫時間繼續延長，硬度開始下降。

（2）固溶溫度為525℃時，時效后合金硬度明顯低于550℃固溶時效工藝下合金硬度。

（3）綜合考慮客戶要求和工業生產過程，選擇固溶時效工藝為：550℃2h+200℃2h。

參考文獻：

[1]王孟君，王金亮.6063鋁合金時效工藝的研究[J].金屬熱處理， 1998（08）：24-41.

[2]G.Das，Mousumi Das，Sabita Ghosh， Paritosh Dubey. Effect of aging on mechanical properties of 6063 Al-alloy using instrumented ball indentation technique[J].Materials Science and Engineering A，2010（527）：1590-1594.

[3]寧愛林，孫瑜，黃繼武.不同時效工藝對6063鋁合金組織和力學性能的影響[J].機械工程材料，2013（03）：28-31.

[3]O.R.Myhr，?.Grong ，S.J.Andersen.Modelling of the age hardening behaviour of Al-Mg-Si alloys.Acta mater. 2001（49）：65-75.

[4]L.P.Troeger，E.A.Starke. Microstructural and mechanical characterization of a superplastic 6xxx aluminum alloy[J]. Materials Science and Engineering A， 2000（277）： 102-113.

[5]S.H.Lee，Y.Saito，T.Sakai.Microstructures and mechanical properties of 6061 aluminum alloy processed by accumulative roll-bonding[J].Materials Science and Engineering A， 2002（325）：228-235.