預時效對汽車用6082合金性能的影響

謝方亮，賈占濤，劉兆偉，曹 帥，劉旭東

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6xxx系是一類中高強度鋁合金，其具有比強度高、焊接性能和抗蝕性優良等一系列寶貴的性能，可高速擠壓結構復雜的各種型材，被廣泛應用在汽車領域[1-3]。在汽車型材加工過程中，存在折彎、壓扁等多道工序，而轉序過程中會產生停放效應，影響產品性能，導致產品加工時出現開裂等不合格缺陷。查閱文獻可知[4]，鋁合金經過充分固溶處理后，基體內部會形成過飽和固溶體，在室溫下停放時，基體內部過飽和的Mg、Si原子會相互聚集析出，形成一個個小尺寸的GP區，降低了后續人工時效強度，產生停放效應，影響合金的加工和應用。

為解決型材生產轉序過程中停放效應對其性能產生不利影響的問題，本文以6082合金型材為例，制定不同預時效制度，探討預時效對6082合金擠壓型材性能的影響，從而尋找出最佳預時效制度，改善停放效應帶來的不利影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗使用6082鋁合金，其化學成分(質量分數，%)為，Si 1.06，Fe 0.20，Cu 0.06，Mn 0.63，Mg 0.98,Cr 0.13，Ti 0.08，Zn 0.05。所使用鑄錠采用半連續鑄造工藝，經550℃×8h均勻化處理后進行擠壓生產，擠壓型材壁厚為2mm。

1.2 試驗方法

將在線淬火處理的擠壓型材試樣在室溫下停放3h，然后采用NA 675/45納博熱時效爐進行預時效處理，再進行室溫放置28d，最后進行人工時效T6處理，人工時效制度為165℃×7h，具體預時效處理工藝見表1。采用日本島津公司AG-X電子萬能試驗機測量不同預時效處理試樣自然時效和人工時效后力學性能，使用差示掃描量熱儀測試不同預時效處理試樣的差熱分析曲線。

表1 6082合金擠壓型材的熱處理工藝

2 試驗結果

2.1 力學性能

2.1.1 自然時效后型材的力學性能

圖1為不同預時效制度處理試樣在室溫下停放28d的力學性能曲線。可知，未預時效T4試樣在前4d內，強度增長幅度較大，屈服強度和抗拉強度分別提高24.5MPa和25.5MPa。隨著停放時間的延長，強度緩慢上升，自然時效28d時，屈服強度和抗拉強度提高了35.5MPa和35MPa。T4P-1試樣在前6d內，強度變化相對穩定，但隨著停放時間增加，強度開始緩慢升高，自然時效28d時，屈服強度和抗拉強度提高了17MPa和19.5MPa。T4P-2、T4P-3試樣強度變化趨勢相似，在室溫放置過程中強度基本保持不變，沒有發生自然時效強化。在整個自然時效過程中，T4P-3試樣強度高于T4P-2試樣，屈服強度和抗拉強度分別高出7MPa和10MPa。

(a)屈服強度 (b)抗拉強度

未預時效T4試樣過飽和程度大，溶質原子擴散能大，在室溫下停放自然時效初期溶質原子快速聚集，形成大量GP區[5]。隨著停放時間的增加，溶質原子大量消耗，GP區尺寸和數量增長緩慢，導致材料強度慢速增長，直到最后保持不變。T4P-1試樣在預時效處理時，消耗部分過飽和溶質原子，形成GP區，導致在自然時效初期形成GP區尺寸小、數量少，材料強度增長不顯著，隨著停放時間增加，GP區長大，材料的強度也隨之有所升高。T4P-2和T4P-3試樣預時效溫度較高，預時效過程中形成GP區數量多、尺寸大，消耗掉過飽和溶質數量多，在自然時效時形成GP區尺寸小、數量少，對性能影響不顯著。因此，在整個室溫停放自然時效過程中T4-2、T4P-3態試樣性能基本不變。T4P-3試樣預時效溫度高于T4P-2溫度，預時效時生成的GP區數量較多、尺寸較大，進而材料的強度升高。

2.1.2 人工時效后型材的力學性能

圖2為不同預時效制度處理后試樣人工時效的力學性能曲線。T4試樣人工時效后強度最低，屈服強度和抗拉強度分別為298.5MPa、328MPa，T4P-3試樣的強度最高，屈服強度和抗拉強度分別為333MPa、349MPa，T4P-2和T4P-3強度相近，T4P-2試樣的強度增幅最大。

(a)屈服強度 (b)抗拉強度

6xxx鋁合金主要析出序列為，SSSS(過飽和固溶體)→偏聚原子團→GP區→β″相→β′相→β相[6]，其中β″相是合金中的主要強化相。在時效初期，由于β"相的形成，使材料強度增加，并隨著時效過程的進行，形成大量的β″相，強度達到最大值。未預時效T4試樣比預時效T4P試樣強度低，說明T4試樣人工時效中形成的β″相數量少；同理T4P-2和T4P-3試樣強度高，其形成的β″相多。預時效溫度低的T4P-1試樣，形成的β″相數量比T4試樣多，比T4P-2、T4P-3少，強度居中。

2.2 DSC分析

圖3為不同預時效制度處理后試樣的DSC曲線。可以看出，T4試樣在140℃時出現一個明顯放熱峰，該放熱峰對應GP區的析出，而T4P的試樣并未出現明顯的放熱峰。說明試樣經過預時效處理后，能有效抑制GP區的生成；試樣加熱至200℃時，T4和T4P試樣均出現放熱峰，該放熱峰對應β″相的生成。而在β″相峰前還能看到明顯的吸熱峰，但是T4P試樣的吸熱峰要明顯小于T4試樣的，且隨著預時效溫度的升高，吸熱峰也逐漸減小。根據曲線還可看出隨著預時效溫度的升高，對應β″相生成的放熱峰逐漸左移，說明T4P試樣更容易生產β″相，起到強化作用，所以室溫下停放后的人工時效性能較低，而預時效后人工時效性能較高。

圖3 不同預時效處理后試樣的DSC分析曲線

3 分析及討論

3.1 預時效對自然時效性能的影響

自然時效初期，溶質原子快速增長并擴散，原子團簇長大，引起合金的強度提高。未預時效T4試樣過飽和度大，基體處于非平衡狀態，溶質原子擴散能大。初期，GP區尺寸和數量增長較快，促使材料強度快速增長。隨著自然時效進行，過飽和溶質和空位被消耗，GP區生長緩慢，強度增長有所減緩。

T4P-1、T4P-2、T4P-3試樣在預時效過程中，消耗部分過飽和溶質和空位，形成GP區，導致之后自然時效形成的GP區尺寸小、數量少，材料強度增長不明顯，因而預時效試樣強度增長幅度不及未預時效T4試樣，預時效試樣在整個室溫停放自然時效過程中變化不大。預時效溫度愈高，溶質原子擴愈散快，形成的GP區尺寸愈大、數量愈多，材料的強度愈高，與圖1結論一致。

3.2 預時效對人工時效性能的影響

未預時效試樣在自然時效過程中生成大量原子團簇(Clusters)和GP區，消耗了大量過飽和溶質，使基體Mg、Si原子貧瘠，導致人工時效生成的強化析出相尺寸和數量有限。另外，文獻研究結果[9,10]表明，固溶淬火后試樣在自然時效時形成的原子團簇(Clusters)和GP區不能作為人工時效強化相β″的形核核心，需先溶解重新形成β″相的核心，再析出β″相。圖3顯示出室溫下停放后β″相的析出溫度高，延緩了β″相的析出過程，也減少了β″相的析出數量，降低材料強度增長幅度，未預時效試樣經過自然時效后的人工時效強度增長幅度不大。

預時效處理可使基體上形成另一種原子團簇(Clusters2)，該原子團簇尺寸小，能夠有效緩解溶質原子和空位的過飽和度，抑制自然時效過程中原子團聚。在人工時效中，Clusters2原子團簇可作為β″相形核質點，直接形核，增加了β″相的析出數量[10]。文獻研究結果也表明[11]，預時效處理可使T4P-GP區和β″相的析出溫度降低，β"相更容易析出，基體上β″相分布數量多，材料的強度明顯提高，與圖2結論一致。

4 結論

(1)6082合金室溫停放時發生明顯的自然時效現象，停放28d后，屈服強度和抗拉強度分別提高35.5MPa和35MPa；預時效處理試樣在自然時效過程中強度增長幅度不大，對自然時效起到一定抑制作用，其中預時效制度180℃×5min抑制自然時效效果最佳。

(2)未預時效處理的試樣人工時效后強度最低，屈服強度和抗拉強度分別為298.5MPa、328MPa，預時效200℃×5min處理后試樣人工時效強度最高，分別為333MPa、349MPa。預時效處理有效改善6082合金停放效應的不利影響，預時效制度180℃×5min改善停放效應的效果最佳。

(3)室溫放置推遲了人工時效β″相的析出，使材料人工時效后強度提高幅度小，而預時效處理后β″相析出溫度降低，人工時效處理強度提高幅度大，隨著預時效溫度的提高，β″相析出溫度逐漸降低。