汽車用6061-T6板材高強度高延伸率工藝研究

滕明和，伍彬，袁圣，楊光禧

（西南鋁業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

6061鋁合金因具有比強度高、耐腐蝕性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好且易于回收、焊接性能以及加工性能好等一系列優(yōu)點，使其在各行業(yè)零部件高性能化和輕量化的進程中成為大規(guī)模應(yīng)用的綠色金屬材料，廣泛應(yīng)用到航空航天、交通運輸、武器裝備、艦船和現(xiàn)代建筑等行業(yè)中［1-2］。汽車輕量化是汽車生產(chǎn)的必然趨勢，近年來，隨著能源、環(huán)境等問題的日益突出，節(jié)能減排已成為汽車行業(yè)發(fā)展的一大趨勢，輕量化技術(shù)是促進節(jié)能減排、新能源汽車生產(chǎn)應(yīng)用的重要途徑。鋁合金在汽車制造中的使用量也在逐步增加，對鋁合金的綜合性能要求也日益提高[3]。6061鋁合金因具有優(yōu)良的使用性能，在新能源汽車中應(yīng)用較為普遍，一些關(guān)鍵的零部件不僅要求具有高強度，還要求具有高的韌性，即在拉伸力學(xué)性能中，汽車用6061-T6薄板的屈服強度要達到290 MPa以上、抗拉強度320 MPa以上，且延伸率要達到13.5%以上。

6061-T6是以Si、Mg作為主要合金元素的可熱處理強化合金，通過固溶和時效實現(xiàn)強度的提升，依靠Si、Mg在固溶后的時效析出行為作為強化手段。國內(nèi)外對如何提高6061合金的力學(xué)性能已有多方面的研究：劉丕旺研究了Mg、Si含量對合金強度的影響［4］，發(fā)現(xiàn)Mg、Si總含量為2.5%～3.5%時，合金能達到最大抗拉強度。葉於龍等人［5］研究了過量Mg、Si元素對6101鋁合金導(dǎo)線強度和導(dǎo)電率的影響。結(jié)果表明，Mg過量0.15%時，會促使強化相Mg2Si從基體中析出并長大粗化；Si過量0.13%有利于導(dǎo)電性能的提高并促進β″相的析出，增強合金強化效果。Hao Zhong，Paul A等人［6］研究了Mg/Si比和Cu含量對6×××系鋁合金拉伸成形性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Mg/Si比的減小，合金加工硬化能力增強，并且提高了合金流變應(yīng)力的應(yīng)變速率敏感性。劉輝麗等人［7］研究了Mg2Si對6061鋁合金熱處理前后組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)Mg2Si含量為1.58%時，合金T6態(tài)具有最優(yōu)的力學(xué)性能，抗拉強度、屈服強度、延伸率分別為348 MPa、310 MPa和3.0%；Mg2Si含量的提高并不能進一步提升合金的強度，延伸率反而隨之下降。韓云等人［8］探索出6061鋁合金輪轂最優(yōu)的熱處理工藝為540℃/100 min固溶處理和177℃/300 min時效處理；在該熱處理條件下，6061鋁合金輪轂的屈服強度、抗拉強度、伸長率和硬度（HBW）的平均值分別為327.5 MPa、375.0 MPa、12.2%和128.8。菅曉君［9］等人研究出6061鋁合金最佳的熱處理制度為540℃固溶4 h+173℃時效11 h，此時合金的硬度值為119.74 HV。也有的研究主要集中在合金元素的成分、強化相、長時間固溶及時效工藝對強度的提升效果等方面，而通過成分優(yōu)化并結(jié)合氣墊爐連續(xù)熱處理短時固溶、時效獲得高強度、高延伸率的卻不多見。

謝水生等人［10］在研究6061合金成分作用時表明，Cu主要改善合金在熱加工時的塑形，增強熱處理強化效果及降低合金因加Mn后所出現(xiàn)的各向異性；Mn可以適當(dāng)提高強度并改善耐蝕性、沖擊韌性及彎曲性能；Cr主要的作用為抑制Mg2Si相在晶界析出，延緩自然時效進程，并可細化晶粒，提高耐蝕性；Ti可以減少鑄錠的柱狀晶組織，改善合金的鍛造性能，并細化晶粒；Fe含量低（＜0.4%）時對力學(xué)性能沒有壞的影響，并可以細化晶粒；少量Zn對合金強度影響不大。

綜上研究表明，6061合金主要強化元素為Si和Mg。本文通過工藝研究，確定最佳的Si、Mg元素的配比，并結(jié)合氣墊式連續(xù)熱處理爐進行短時保溫及固溶和最佳的時效工藝，從而獲得滿足新能源汽車要求的高強高延伸的薄板板材，使其力學(xué)性能各項指標(biāo)達到抗拉強度≥320 MPa，屈服強度≥290 MPa，延伸率≥13.5%。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選用的是西南鋁業(yè)（集團）有限責(zé)任公司按國標(biāo)GB/T 3190—2008生產(chǎn)的6061合金方鑄錠。在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，6061國標(biāo)成分范圍見表1，分別設(shè)計多種方案的Si、Mg含量配比。為達到強化效果，在Si+Mg總含量不低于1.50%的基礎(chǔ)上，配合Mg/Si占比，不同成分范圍的成分設(shè)計方案及實測值如表2所示。

表1 國標(biāo)6061成分范圍（質(zhì)量分數(shù)/%）

表2 試驗合金化學(xué)成分設(shè)計及實測值

1.2 工藝路線

熔鑄配料→熔鑄→鋸切→銑面→熱軋→冷軋→淬火→時效→剪切→性能檢測→包裝。

1.3 實施方案及過程

將上述試驗用鑄錠軋制成板材，使其寬度和長度為3.0 mm×1 300 mm。然后通過冷軋軋制到成品厚度，并在氣墊式連續(xù)熱處理爐內(nèi)進行固溶淬火。根據(jù)大量的研究結(jié)論及工業(yè)生產(chǎn)情況，選擇固溶熱處理溫度550℃，設(shè)置不同的工藝運行速度，獲得不同的固溶保溫時間（測算后保溫時間分別為4 min、6 min、8 min）。淬火完成后，在4組成分方案中，選擇固溶保溫時間最長的4組工藝開展時效工藝摸索。在155～175℃的時效溫度范圍內(nèi)，分別選擇不同的保溫時間進行時效處理，觀察不同時效工藝條件下的力學(xué)性能及組織之間的差異。

2 過程與討論

2.1 不同成分方案的固溶組織

將試驗所用的4種成分方案的鑄錠通過熱軋及50%的冷軋變形量后，在氣墊式連續(xù)熱處理爐中進行固溶淬火。帶材在爐內(nèi)運行的示意圖如圖1所示。對每一個方案通過3種工藝速度的調(diào)整，獲得在爐內(nèi)不同的停留時間，從而實現(xiàn)不同的保溫時間（即運行速度越慢、爐內(nèi)停留時間越長、保溫時間也就越長）。選擇4種方案中Mg+Si總含量最大（方案4）和最小（方案1）這兩種方案，在3種固溶保溫時間的條件下，采用金相顯微鏡LEICA DMILMLED在200倍放大倍數(shù)的情況下，觀察固溶金相組織之間的差異，結(jié)果如圖2所示。

圖1 帶材在氣墊爐內(nèi)的示意圖

圖2 2種不同成分方案的固溶OM形貌（放大倍數(shù)200）

從圖2可以看出，在固溶處理過程中，合金中一些溶質(zhì)原子以及粗大的第二相會溶解到鋁合金基體當(dāng)中，隨著固溶處理時間的增加，溶質(zhì)原子和第二相粒子的固溶度就會增加。在鋁合金塑性變形的過程中，這些溶解到基體中的第二相以及溶質(zhì)原子會阻礙可動位錯在晶粒內(nèi)部或者晶界處的運動，從而提高合金的力學(xué)性能。將4種方案在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)峰值時效制度（160℃×16 h）下進行時效，檢測3種固溶制度下拉伸性能的變化趨勢，結(jié)果如表3所示。

表3 不同固溶保溫時間下時效后的力學(xué)性能變化趨勢

本試驗方案選擇的550℃固溶溫度，從工業(yè)生產(chǎn)角度考慮，便于跟常規(guī)性能要求的6061合金共同組織生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率；從理論分析考慮，則體現(xiàn)在此較高固溶溫度條件下，一方面溶質(zhì)原子和第二相粒子在基體中的固溶度增加，使固溶強化效應(yīng)增加；另一方面溶解的溶質(zhì)原子和第二相粒子使基體的畸變程度增加，增強了時效過程中強化相的相變驅(qū)動力，以便時效過程中有更多的第二相析出，從而使合金的強度增加[11-12]。從圖2中方案1和方案4的固溶顯微形貌觀察結(jié)果可知，隨著保溫時間的增加，溶質(zhì)原子的固溶度也隨之增加。但2種方案均表現(xiàn)出在保溫達到6 min以后，其固溶度提升不明顯了。結(jié)合檢測的力學(xué)性能的變化趨勢，固溶保溫時間6～8 min已趨于穩(wěn)定，故工業(yè)生產(chǎn)時的保溫時間可結(jié)合企業(yè)的具體要求來確定。

2.2 時效工藝研究

6061鋁合金的時效強化相為Mg2Si相，時效熱處理的強化機制是合金經(jīng)固溶熱處理后形成過飽和固溶體，在時效過程中溶質(zhì)元素Mg、Si發(fā)生擴散偏聚形成原子團簇，進一步使強化相彌散析出。工業(yè)生產(chǎn)6061合金的時效溫度一般在150～200℃之間，保溫時間3～20 h不等。在該制度下，基本可滿足當(dāng)前國標(biāo)（GB/T3880）、歐標(biāo)（EN485）、美標(biāo)（ASTMB209）等通用標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能要求，以上通用標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能指標(biāo)要求基本集中在屈服強度≥240 MPa、抗拉強度≥290 MPa、延伸率≥7%。大量的研究均重點集中在如何提高6061的強度方面，即單純的實現(xiàn)強度提升的思路較多，但在實現(xiàn)力學(xué)性能強度大幅提升的同時，又使延伸率保持一個較高的水平方面的研究相對較少。因此，在固溶基本實現(xiàn)最佳狀態(tài)的情況下，研究如何通過時效工藝優(yōu)化獲得高強度、高延伸的力學(xué)性能，是本文研究的重點內(nèi)容。

分別對4種化學(xué)成分方案中固溶保溫時間最長的樣品開展時效工藝研究。將時效溫度確定在155～175℃范圍內(nèi)，按5℃一個區(qū)間，保溫時間在6～18 h內(nèi)，按2 h一個區(qū)間開展時效工藝試驗。然后將時效后的樣品按GB/T 16865中《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗用試樣及方法》加工，在CMT5504電子拉力試驗機上進行拉伸性能檢測。不同成分方案的力學(xué)性能趨勢見圖3。

圖3 不同時效工藝下的力學(xué)性能變化趨勢

從圖3的力學(xué)性能趨勢分布可以看出，在時效溫度155～175℃、保溫時間6～18 h范圍內(nèi)，隨著時效溫度的提高，屈服強度及抗拉強度進入峰值的時間越短。在160℃及更高溫度下，峰值時效強度基本處于穩(wěn)定階段。延伸率方面，隨著保溫時間的延長，延伸率均呈現(xiàn)逐步下降的趨勢。結(jié)合4種方案的強度及延伸率變化趨勢，要想滿足高強度高延伸的力學(xué)性能要求，只有方案3可以，即時效溫度160～165℃、保溫時間10～12 h時，三個指標(biāo)均有一定的富余量，效果最為理想。

采用氣墊式連續(xù)熱處理爐在550℃快速加熱條件下（5 min內(nèi)從常溫加熱到550℃），保溫8 min，對不同成分方案的樣品進行165℃×12 h時效處理后，在其固溶基體上析出少量球狀的第二相粒子。隨著時效時間增加到12 h時，第二相粒子的數(shù)量逐漸增加，但尺寸沒有明顯的變化。增加的第二相粒子在塑性變形過程中與位錯相互作用，使板材的強度得到增加。當(dāng)時效時間進一步增加或時效溫度提高時，第二相的尺寸也逐漸長大。較大尺寸的第二相雖然對強度無明顯影響，但會降低合金的韌性。

圖4、圖5分別為4種方案的OM及SEM圖。從圖中可以看出，方案3中存在過剩的Si相，對析出的強化相Mg2Si質(zhì)點進行細化，使強化效果得到提升。在時效過程中，在固溶基體中會析出第二相粒子，6061鋁合金中主要的強化相是Mg2Si相。其沉淀的順序是：GP區(qū)→針狀的β''相→棒狀的β'相→片狀平衡β相（Mg2Si相）[13]。GP區(qū)和基體之間是一種共格的關(guān)系，在塑性變形過程中，當(dāng)位錯遇到GP區(qū)時，位錯會切過共格的GP區(qū)。因此，在時效過程中，當(dāng)形成GP區(qū)時，合金的強度和硬度就會提高。目前主要認為β''或者β'這兩種過渡相可以使合金達到最大強化效果。6061合金在氣墊爐淬火后，受淬火快速冷卻的影響出現(xiàn)急劇變形，需要通過拉彎矯直機施加一定的塑形變形，形成位錯，從而提高材料的強度。

圖4 不同成分方案165℃×12 h時效后的OM圖

圖5 不同成分方案165℃×12 h時效后的SEM圖

3 結(jié)論

通過4種不同主要成分方案的工藝試驗，在氣墊式連續(xù)熱處理爐550℃快速加熱條件下，研究了不同保溫時間對固溶程度的影響。并在155～175℃的時效溫度下保溫不同的時間，分析了時效后拉伸性能及顯微組織的變化，得出以下結(jié)論：

（1）在氣墊式熱處理條件下，在固溶溫度為550℃時，隨著保溫時間的增加，溶質(zhì)原子的固溶度也隨之增大，但在保溫6 min以后，固溶度增加不明顯。因此，保溫時間可根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)及時效后的強度指標(biāo)需求來確定，建議選擇6～8 min。

（2）在155～175℃時效溫度范圍內(nèi)，隨著保溫時間的增加，強度也隨之增加，力學(xué)性能強度均在10～12 h左右到達穩(wěn)定狀態(tài)，而延伸率則隨著保溫時間的進一步延長出現(xiàn)下降的趨勢。最佳的時效工藝為：時效溫度160～165℃，保溫時間10～12 h。

（3）方案3中的強化相Mg2Si析出質(zhì)點相對較小，強化效果較好，其力學(xué)性能強度較高，抗拉強度達到333 MPa，屈服強度達到305 MPa，延伸率達到16%。