時效工藝對車輛用6005A合金擠壓型材性能的影響

周 龍，孫 亮，劉兆偉，王洪卓，張德偉

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6005A 鋁合金具有優良的擠壓性、焊接性、耐蝕性及中等強度，可擠壓出斷面形狀復雜的寬扁薄壁空心型材，并能在擠壓機上實現在線風冷或水霧冷淬火，已廣泛應用于軌道交通車輛的制造中[1,2]。借鑒6005A鋁合金應用在軌道交通車輛的成功經驗，嘗試將其應用到輕量化汽車是十分有意義的。考慮到汽車的安全性、舒適性及美觀等因素，汽車白車身的結構較軌道交通車輛更復雜，涉及到的成型方式也更多，如折彎、沖壓等，這對6005A鋁合金的強度、塑性提出了更高要求。

綜上，探究在保證強度的基礎上如何提高6005A鋁合金的彎曲性能是有必要的。研究表明通過調控6xxx系合金的時效溫度，可改善其彎曲性能[3]。因此，本文以T4狀態車輛用6005A合金擠壓型材為研究對象，進行不同溫度、不同時間的欠時效、峰時效、過時效處理，通過電導率、硬度、力學、三點彎等試驗，研究時效工藝對6005A合金性能的影響。

1 試驗

本試驗選取壁厚為2.5mm的6005A鋁合金大斷面擠壓型材，其化學成分符合GB/T3190要求，見表1。擠壓棒坯采用半連續鑄造方法生產，經均勻化處理，以消除晶內偏析，使鑄錠化學成分和組織更均勻，使用27.5MN油壓雙動臥式鋁擠壓機進行擠壓。在線淬火后的6005A擠壓型材在96h內經空氣循環爐進行不同的人工時效，時效制度有3種，分別為175℃×2h/4h/6h/8h/10h/12h/14h/16h/18h/20h，190℃×1h/2h/4h/6h/8h/10h/12h/14h/16h，以及203℃×1h/2h/3h/4h/5h/6h/8h/10h。人工時效后的6005A擠壓型材分別進行電導率、硬度、拉伸性能、彎曲(采用三點彎試驗)測試。

表1 6005A合金化學成分(質量分數，%)

2 試驗結果與討論

2.1 電導率

6005A合金型材在線淬火后，經175℃、190℃、203℃不同時效時間處理后的電導率曲線如圖1所示。總體來看，在不同時效溫度下，隨著時效時間增加，電導率值處于上下波動，但都呈上升趨勢。隨著時效時間的延長，190℃和203℃所能達到的電導率最大值比較接近，略高于175℃對應的電導率最大值。

圖1 不同時效制度下6005A合金型材的電導率曲線Fig.1 Conductivity curves of 6005A alloy profile alloy under different aging processes

2.2 拉伸性能

不同時效時間下6005A合金型材屈服強度、抗拉強度變化曲線如圖2所示。

圖2 不同時效制度下6005A合金型材的屈服強度和抗拉強度曲線Fig.2 Yield strength and tensile strength curves of 6005A alloy profile under different aging processes

整體來看，在不同的時效溫度下，隨著時效時間的增加，屈服強度、抗拉強度普遍呈先上升后下降的趨勢。其中，時效溫度175℃在6h后，屈服強度、抗拉強度增幅放緩，在16h達到最大屈服強度(273.7MPa)和抗拉強度(300MPa)，進入峰時效階段；時效溫度190℃在4h達到最大屈服強度(256MPa)和抗拉強度(287.9MPa)，進入峰時效階段；時效溫度203℃在2h達到最大屈服強度(245.9MPa)和抗拉強度(279.6MPa)，進入峰時效階段。根據試驗結果，6005A合金型材在時效溫度175℃下時效強化效果最好。

6005A合金型材下不同時效時間的延伸率變化如圖3所示。時效溫度為175℃時，隨著時效時間的延長，雖然在部分時效階段延伸率有波動，但整體呈下降趨勢。時效溫度為190℃和203℃時，延伸率呈先下降后上升，且延伸率的最小值都在各自的峰時效范圍內。總體而言，6005A合金型材在時效溫度203℃下體現了較好的延伸率。

圖3 不同時效制度下6005A合金型材的延伸率曲線Fig.3 Elongation curves of 6005A alloy profile under different aging processes

2.3 硬度

6005A合金型材在不同時效時間下的布氏硬度變化如圖4所示。時效溫度175℃、時效時間8h～20h時，硬度值較高，均大于92 HBW，且波動范圍較小，硬度差值最大不超過4 HBW；時效溫度190℃、時效時間4h對應的硬度值最高(90.2 HBW)；時效溫度203℃、時效時間2h對應的硬度值最高(88.7 HBW)；時效溫度190℃和203℃時，在達到硬度峰值后，均出現下降情況，且203℃保溫2h之后呈現的“軟化”現象最顯著。總體而言，在時效硬化方面，時效溫度為175℃時產生的硬化效果最好，時效溫度190℃次之，時效溫度203℃最差。

圖4 不同時效制度下6005A合金型材的硬度曲線Fig.4 Hardness curves of 6005A alloy profile under different aging processes

2.4 彎曲

6005A合金型材不同時效制度后經155°三點彎試驗，試樣表面情況見表2。參考TB/T 3260.1-2011的判定方法并根據本試驗的實際情況，以彎曲后試樣外表面不出現任何裂紋為判定標準。不同時效工藝下，6005A的彎曲情況大致可分為合格(無裂紋)、微裂紋、裂紋和斷裂(圖5)。當時效溫度175℃時，只有時效2h和4h的試樣彎曲后合格，說明6005A合金型材在175℃下欠時效、峰時效、過時效大多無法獲得較好的彎曲性能。時效溫度190℃下的試樣彎曲情況與175℃相似。當時效溫度為203℃時，欠時效、峰時效的彎曲情況與175℃、190℃相似，但在過時效階段，彎曲性能逐漸改善，時效8h和10h對應的彎曲試樣外表面已無裂紋。

表2 不同時效溫度和時間下6005A合金型材彎曲情況

(a) 203℃×1h ; (b) 203℃×4h ; (c) 203℃×6h圖5 不同時效時間處理后6005A合金型材彎曲試樣Fig.5 Bending specimen of 6005A alloy profile after different aging time treatment

2.5 討論

Al-Mg-Si系合金的基本析出序列為，過飽和固溶體→團簇→GP區→亞穩β′′相→亞穩β′相→穩定β相(Mg2Si)[4]。而當Cu添加到Al-Mg-Si合金中，在合金沉淀析出過程中，還會有其他亞穩相的生成，主要是Q′相和Q相的析出，Q′相作為Q相的先驅組織，具有與Q相相似的晶體結構，只是其點陣參數和成分略有差異[2]。在時效過程中，首先形成數目眾多的原子團簇，然后是形成與基體共格的GP區，接著是共格的針狀β′′相，之后是半共格的棒狀β′相和Q′相。這些縱橫交錯的針狀β′′相、棒狀β′相和板狀Q′相能夠有效阻礙位錯的運動，提高強度，降低塑性。由于β′′相是共格的，而β′相和Q′相是半共格的，因此β′′相產生的畸變程度更大，其強化效果更好。同時，同一成分合金，時效溫度不同，脫溶序列也不一樣[5]。一般，時效溫度高，預脫溶階段或過渡相可能不出現或出現的過渡結構較少。時效溫度低時，則可能只停留在GP區或過渡相階段。

綜上，對于時效溫度203℃較175℃、190℃的電導率高、硬度低、強度低、塑性好、彎曲性能好的原因，可推測為時效溫度203℃下時效可產生較多的亞穩半共格β′相和Q′相，甚至穩定非共格β相和Q相，從而導致合金的晶格畸變小，時效強化效果低，而成形性好。

3 結論

(1)在線淬火后的6005A合金型材經時效處理后電導率均有提升，時效溫度190℃和203℃獲得的電導率最大值較接近，且全高于時效溫度175℃下的電導率最大值。

(2)6005A合金型材在時效溫度175℃下，經16h進入峰時效；在時效溫度190℃下，經4h進入峰時效；在時效溫度203℃下，經2h進入峰時效。上述3個時效溫度下，在175℃×16h可獲得最大的抗拉強度300MPa，最大的屈服強度273.7MPa，而203℃對應的塑性普遍好于175℃和190℃。

(3)6005A合金型材在時效溫度175℃產生的時效硬化效果最好，190℃次之，203℃最差。其中，時效溫度190℃和203℃在達到峰時效后均出現“軟化”現象，203℃對應的軟化現象最顯著。

(4)在線淬火后的6005A合金型材進行人工時效，無論在欠時效、峰時效、過時效階段，大角度彎曲時普遍存在彎曲開裂情況。其中，時效溫度203℃在過時效階段，開裂情況有所減輕，甚至消失，說明該階段彎曲性能有所改善。