雙級(jí)時(shí)效對(duì)6005A鋁合金組織及性能的影響

代自瑩，謝方亮，馬龍飛，吳 楠，馮艷飛

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽 111003）

0 前言

近年來，隨著國(guó)防軍工、軌道交通、航空航天等高端技術(shù)領(lǐng)域?qū)︿X合金擠壓型材需求的增加，對(duì)其性能也提出了更高的要求[1-2]。而軌道交通及車輛提出的高速、安全、節(jié)能、舒適、環(huán)保等要求，是國(guó)內(nèi)現(xiàn)代化建設(shè)面臨的重大課題之一[3]。以6005A鋁合金為代表的Al-Mg-Si系鋁合金，因具有中等強(qiáng)度、良好的焊接性和擠壓成型性，尤其可以擠壓出斷面形狀復(fù)雜的不同厚度的薄壁空心型材，已被廣泛地應(yīng)用于軌道交通及車輛的制造中[4]。目前，6005A鋁合金的各項(xiàng)研究已經(jīng)被廣泛報(bào)道[5-9]，但多數(shù)集中在擠壓性能、焊接性能和腐蝕性能等方面，在時(shí)效工藝方面的研究卻較少，雙級(jí)時(shí)效工藝更是鮮有報(bào)道。本文采用顯微組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試等手段，研究了不同雙級(jí)時(shí)效處理對(duì)6005A鋁合金組織、硬度及抗拉力學(xué)性能的影響，以便為6005A鋁合金的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用半連續(xù)鑄造方法，生產(chǎn)出規(guī)格為?254 mm×5 300 mm的6005A鋁合金鑄錠，經(jīng)車皮后直徑為248 mm，其主要化學(xué)成分如表1所示。主要合金元素為Mg、Si，微量合金元素Cu、Mn、Cr、Ti、Zn及少量雜質(zhì)元素Fe。

表1 6005A合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)方法

將6005A鋁合金鑄錠進(jìn)行570℃×10 h均勻化熱處理，并將均質(zhì)后的鑄錠鋸切，采用3 150 t擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓。擠壓型材形狀為不同壁厚的三腔體“品”字形空管，“品”字形空管壁厚分別為1.5 mm、2.5 mm和3.5 mm。擠壓工藝為：鑄錠加熱溫度465～495℃，擠壓速度3.5～4.5 m/min，淬火前溫度≥485℃，采用水罐淬火。將“品”字形空管鋸切成6段，每段長(zhǎng)度為200 mm，然后分別進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效處理。對(duì)應(yīng)雙級(jí)時(shí)效工藝編號(hào)依次為1#、2#、3#、4#、5#和6#，如表2所示。待時(shí)效結(jié)束后，在不同時(shí)效處理后的“品”字形空管每個(gè)壁厚對(duì)應(yīng)的相同位置截取、加工3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸檢測(cè)。在壁厚1.5 mm相同位置各截取2個(gè)10 mm×10 mm薄片，分別用作顯微組織和維氏硬度試樣。顯微組織試樣經(jīng)過磨制、拋光后，用Keller腐蝕液（1% HF、1.5% HCl、2.5% HNO3、95% H2O，體積分?jǐn)?shù)）進(jìn)行腐蝕然后吹干，用加載1 kg、10 s載荷的FV-810型維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量，實(shí)測(cè)打5個(gè)點(diǎn)，求其平均值作為維氏硬度值。采用ZX-LX-004電子萬能試驗(yàn)機(jī)，室溫施加載荷100 kN。為保證拉伸力學(xué)測(cè)試的真實(shí)性，取其平均值作為各壁厚的抗拉力學(xué)性能。

表2 時(shí)效工藝制定

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 雙級(jí)時(shí)效工藝對(duì)6005A鋁合金組織的影響

圖1為不同雙級(jí)時(shí)效工藝處理后試樣的金相顯微組織。從圖1（a）中可知，6005A擠壓態(tài)合金組織除固溶體基體外，還包括含Cr和Mn元素的較粗大的相和Mg2Si平衡相。擠壓態(tài)鋁合金經(jīng)過不同雙級(jí)時(shí)效處理后，其顯微組織基本均保持著沿?cái)D壓方向分布的狀態(tài)，原粗大的析出相盡可能地溶入到基體中，大大提高了溶質(zhì)原子在基體中的固溶度，進(jìn)而增強(qiáng)了時(shí)效過程中強(qiáng)化相的相變驅(qū)動(dòng)力，以便時(shí)效過程盡可能沉淀更多的細(xì)小沉淀相，最終達(dá)到合金強(qiáng)化的目的。結(jié)合圖2不同雙級(jí)時(shí)效過程的SEM組織可知，在不同時(shí)效處理中，180℃×3 h+205℃×1.5 h（3#）下的Mg2Si相、初生相及其沉淀相最為均勻、細(xì)小、彌散分布。有研究表明Al-Mg-Si合金沿?cái)D壓方向存在有大量拉長(zhǎng)的纖維狀組織，這是由于擠壓形成了大量位錯(cuò)及位錯(cuò)纏結(jié)，這些位錯(cuò)的存在為時(shí)效處理過程中強(qiáng)化粒子的析出提供了更多有利的形核質(zhì)點(diǎn)[10]。另外，對(duì)雙級(jí)時(shí)效過程中沉淀相的析出及作用機(jī)理進(jìn)行的研究結(jié)果表明，Al-Mg-Si合金雙級(jí)時(shí)效第二級(jí)時(shí)效第一峰的硬化效果主要由細(xì)小均勻的GP區(qū)貢獻(xiàn)，而第二峰的硬化效果則是歸因于晶內(nèi)細(xì)小的β'相與較粗大的GP區(qū)的共同作用，后者的共同強(qiáng)化效果要優(yōu)于前者[11]。固溶體基本上沿[100]和[010]方向析出大量的彌散針狀相，且β''相與基體共格，位錯(cuò)與此粒子的作用主要是由切割機(jī)制造成的，且與粒子的大小和數(shù)量相關(guān)[12]。這說明采用180℃×3 h+205℃×1.5 h（3#）雙級(jí)時(shí)效制度進(jìn)行處理時(shí)的β''相大小和數(shù)量最佳。

圖1 不同雙級(jí)時(shí)效工藝處理后試樣的金相顯微組織

圖2 不同雙級(jí)時(shí)效后的SEM組織

2.2 雙級(jí)時(shí)效工藝對(duì)6005A鋁合金力學(xué)性能的影響

圖3為6005A鋁合金經(jīng)不同雙級(jí)時(shí)效工藝處理后的維氏硬度測(cè)試值。從圖中可以看出，6005A鋁合金經(jīng)過1#、2#、3#、4#、5#、6#編號(hào)雙級(jí)時(shí)效處理后的維氏硬度值依次為72.4 HV、105.1 HV、108.7 HV、106.3 HV、101.8 HV和99.5 HV，180℃×3 h+205℃×1.5 h（3#）時(shí)效處理后的試樣維氏硬度最大，180℃×2 h+205℃×4.5 h（6#）時(shí)效處理后的試樣維氏硬度最小。這主要與時(shí)效過程中沉淀相的數(shù)量及細(xì)小彌散分布有關(guān)。

圖3 不同雙級(jí)時(shí)效處理后的硬度測(cè)試值

圖4為不同壁厚試樣在不同雙級(jí)時(shí)效工藝處理后的常溫力學(xué)拉伸試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)二級(jí)時(shí)效一定時(shí)（205℃×1.5 h），一級(jí)時(shí)效溫度為180℃時(shí)，隨一級(jí)時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)（2 h、3 h和4 h），合金的維氏硬度和強(qiáng)度呈先增加后減小趨勢(shì)，3 h時(shí)效的效果較好；當(dāng)一級(jí)時(shí)效一定時(shí)（180℃×2 h），隨著二級(jí)時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)（1.5 h、3 h和4.5 h），合金的維氏硬度和強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)。綜合比較，180℃×3 h+205℃×1.5 h雙級(jí)時(shí)效的微觀組織和力學(xué)性能最佳。即，在此時(shí)效制度下，各壁厚（1.5 mm、2.5 mm和3.5 mm）“品”字形空管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率均達(dá)到最佳，且拉伸力學(xué)性能隨著壁厚的增加也更好。從鋁合金的強(qiáng)韌化機(jī)理分析，這主要?dú)w因于其時(shí)效強(qiáng)度受到晶粒細(xì)化、固溶強(qiáng)化以及第二相沉淀彌散強(qiáng)化的影響[13]。6005A鋁合金擠壓型材的強(qiáng)度主要受制于合金元素的固溶強(qiáng)化以及第二相沉淀彌散強(qiáng)化的共同作用，彌散強(qiáng)化與第二相的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)，且第二相呈細(xì)小均勻等軸狀分布時(shí)，強(qiáng)化效果較好[14-15]。

圖4 不同壁厚試樣在不同雙級(jí)時(shí)效工藝處理后的力學(xué)性能變化

3 結(jié)論

（1）在不同雙級(jí)時(shí)效工藝過程中，經(jīng)180℃×3 h+205℃×1.5 h時(shí)效處理后，合金中的Mg2Si相及其他沉淀相最為細(xì)小，且分布最為均勻、彌散。

（2）經(jīng)180℃×3 h+205℃×1.5 h時(shí)效處理后，試樣的力學(xué)性能最佳，其中管壁厚為1.5 mm試樣的維氏硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為108.7 HV、268.4 MPa、299.3 MPa和12.8%。