時(shí)效制度對(duì)高強(qiáng)度薄壁6XXX系鋁合金力學(xué)性能的影響

楊明　楊學(xué)均　高爽　高彤　黃永哲

摘要：通過(guò)控制擠壓工藝改善鋁合金的流動(dòng)性，擠壓生產(chǎn)出6XXX系薄壁復(fù)雜截面型材。探究不同的時(shí)效制度對(duì)此類產(chǎn)品力學(xué)性能的影響，對(duì)最優(yōu)時(shí)效制度下制備的型材的長(zhǎng)期及短期熱穩(wěn)定性能、折彎性能及顯微組織進(jìn)行表征。結(jié)果表明：型材經(jīng)150℃x4 h+175℃x8h時(shí)效后的力學(xué)性能最優(yōu)，屈服強(qiáng)度為340～380 MPa，抗拉強(qiáng)度為390～410 MPa，伸長(zhǎng)率為10%～12%，長(zhǎng)期及短期熱穩(wěn)定性較好，但折彎角度相對(duì)較低。橫向基體晶粒度等級(jí)為6級(jí)，無(wú)邊部皮質(zhì)層，縱向纖維狀晶粒晶界清晰平直。

關(guān)鍵詞：6XXX系鋁合金；時(shí)效制度；力學(xué)性能；微觀組織

中圖分類號(hào)：TG 146 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，汽車輕量化已成為當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向，鋁合金由于其優(yōu)異的綜合性能，成為汽車輕量化的首選材料[1-5]。對(duì)于綠色輕量化汽車防撞梁、防卷入梁、電池包等產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，同時(shí)，客戶對(duì)此類產(chǎn)品的強(qiáng)度也提出了更高的要求。汽車零部件總成產(chǎn)品由于本身斷面形狀復(fù)雜，壁厚較薄，且要求其具有超高的強(qiáng)度，這對(duì)擠壓鋁的生產(chǎn)提出了更高的要求[6-9]。本文采用高度合金化的6XXX系鋁合擠壓型材為研究對(duì)象，采用多種時(shí)效制度對(duì)其進(jìn)行時(shí)效處理，并對(duì)時(shí)效處理后的性能進(jìn)行分析，為現(xiàn)階段高強(qiáng)度薄壁汽車零部件總成型材的擠壓鋁開(kāi)發(fā)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及準(zhǔn)備

圖1為型材截面示意圖。圖1中箭頭所指的l，2，3處位置為后續(xù)測(cè)試樣品的取樣位置。從圖1中可以看出，此截面為多腔體薄壁型材（以下簡(jiǎn)稱型材），型材外接圓的直徑為120.00 mm，壁厚為2.00～3.24 mm，由高合金化的6XXX系鋁合金在2 000 t臥式單動(dòng)擠壓機(jī)擠壓而成。生產(chǎn)所使用的鑄錠采用半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)，鑄造過(guò)程中采用泡沫陶瓷過(guò)濾，采用Al-Ti-B細(xì)化晶粒，并經(jīng)高溫均質(zhì)，使合金充分均勻化處理，使其具有較好的可擠壓性。

1.2 在線擠壓過(guò)程

1.2.1擠壓工藝參數(shù)

為獲得高強(qiáng)度多腔體薄壁型材產(chǎn)品，改善合金可擠壓性，應(yīng)采用高溫低速擠壓工藝，因此，鑄錠的加熱溫度為510～550℃。為了獲得超高強(qiáng)度的產(chǎn)品，淬火方式采用穿水冷卻方式，使型材處于過(guò)飽和狀態(tài)，突破壓力控制在25～29 MPa。當(dāng)擠壓速度超過(guò)6 m/mm后，型材表面出現(xiàn)間斷性凹坑，內(nèi)筋出現(xiàn)間斷性裂紋。原因可能為采用的6XXX鋁合金的合金化程度較高，合金液在模具中的流動(dòng)性較差，導(dǎo)致擠壓多腔體薄壁型材的成形性較差。應(yīng)采用高溫低速的擠壓工藝來(lái)改善合金的流動(dòng)性，合理控制擠壓速度才可充分?jǐn)D壓成形，從而使型材各處尺寸達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，所以，擠壓速度應(yīng)控制為3～6 m/min。

1.3 試驗(yàn)方法及設(shè)備

對(duì)擠壓在線淬火后的型材進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效制度為：175℃x7 h，175℃x8 h，175℃x9 h，1500CxI h+175Cx8 h.1500Cx2 h+175Cx8 h.1500Cx3 h+175Cx8 h.150Cx4 h+175Cx8 h.150℃x5 h+175℃x8h，共8種，根據(jù)力學(xué)性能確定最優(yōu)的時(shí)效制度。選擇最優(yōu)的時(shí)效制度進(jìn)行短期熱穩(wěn)定性試驗(yàn)（190℃x45 min）、長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性試驗(yàn)（120℃x500 h）和折彎試驗(yàn)。

采用日本島津電子拉力試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)為AG-X，250 kN）按照GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)型材進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)；按照VDA238-IOO/DBL4919方法對(duì)折彎性能進(jìn)行檢測(cè)；采用光學(xué)顯微鏡對(duì)型材的微觀組織進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 成分分析及微觀組織觀察

表1為型材的成分。圖2為型材的縱向顯微組織圖。由圖2可知，型材的晶粒細(xì)小且均勻，基體中有大量晶界存在，可以起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用。

從圖2中可以清晰地看到，大量彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn)尺寸均勻、形態(tài)圓潤(rùn)，可起到彌散強(qiáng)化的作用。從表1中可以看出，除Si，Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%外，還添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Cu，型材產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)高溫固溶并快速冷卻后，形成了過(guò)飽和固溶體，在后期時(shí)效處理過(guò)程中，析出了大量的第二相，包括MnA16及CriA12硬質(zhì)顆粒相，這些第二相起到了彌散強(qiáng)化的作用，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使型材的強(qiáng)度增大[10-11]。

擠壓鋁產(chǎn)品中粗晶及過(guò)燒會(huì)嚴(yán)重影響型材的強(qiáng)度，從圖2中可以看出，型材表面無(wú)粗晶層，且未發(fā)現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，縱向基體纖維狀晶粒的晶界較清晰，晶界相對(duì)平直。這是因?yàn)樾筒闹械腗n可以提高其再結(jié)晶的溫度，在高溫?cái)D壓過(guò)程中起到避免型材產(chǎn)生粗晶的缺陷，進(jìn)一步保證了型材較高的力學(xué)性能。

2.2 力學(xué)性能檢測(cè)

型材經(jīng)在線淬火，175℃x8h單級(jí)時(shí)效后的力學(xué)性能見(jiàn)表2。由表2可知，不同位置的型材的力學(xué)性能有一定的差別。型材的屈服強(qiáng)度最高為372 MPa．最低為336 MPa。型材的抗拉強(qiáng)度最高為403 MPa．最低為386 MPa。型材的伸長(zhǎng)率最高為14%，最低為12%。

為研究型材的力學(xué)性能極限，本文進(jìn)行不同時(shí)效制度的試驗(yàn)，從而確定最優(yōu)的時(shí)效制度。

圖3 是型材經(jīng)150℃X（1，2，3，4，5）h+175℃×8h5種雙級(jí)時(shí)效和175℃x（7，8，9）h3種單級(jí)時(shí)效制度下的力學(xué)性能。

對(duì)比圖3中雙級(jí)時(shí)效制度下的力學(xué)性能可知，雙級(jí)時(shí)效制度中，型材在150℃x4 h+175℃x8 h時(shí)效下的性能最優(yōu)，單級(jí)時(shí)效制度中，175℃x9h時(shí)效下的力學(xué)性能最優(yōu)，二者中，雙級(jí)時(shí)效制度的力學(xué)性能優(yōu)于單級(jí)時(shí)效制度的。這是因?yàn)椋诘蜏匾患?jí)時(shí)效階段，是對(duì)型材基體中的GP區(qū)進(jìn)行預(yù)形核處理，此時(shí)形成了更多細(xì)小的溶質(zhì)集團(tuán)，在二級(jí)高溫時(shí)效階段，會(huì)促使更多的第二相硬質(zhì)顆粒析出，進(jìn)一步起到彌散強(qiáng)化的作用。

綜上所述，應(yīng)選擇150℃x4 h+175℃x8 h的雙級(jí)時(shí)效制度作為最優(yōu)的時(shí)效制度，對(duì)型材進(jìn)行最優(yōu)時(shí)效處理后其力學(xué)性能測(cè)試，位置1處選取4個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示，可以看出，屈服強(qiáng)度為340～380 MPa;抗拉強(qiáng)度為390～410 MPa;伸長(zhǎng)率為10%～12%。

2.3 長(zhǎng)期及短期熱穩(wěn)定性能檢測(cè)

表4是型材采用最優(yōu)雙級(jí)時(shí)效處理后再經(jīng)過(guò)190℃x45 min的短期退火的力學(xué)性能。表5是型材采用最優(yōu)雙級(jí)時(shí)效處理后再經(jīng)過(guò)120℃x500 h的長(zhǎng)期熱處理后的力學(xué)性能。從表4和表5可以看出，型材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率均有小幅度下降，均符合DBL4919標(biāo)準(zhǔn)中的短期及長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性能標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該型材短期及長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性較好。主要原因是，型材中Cu，Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，Cu可以提高型材的力學(xué)性能，Zr可以阻礙晶粒長(zhǎng)大[12-13]。

2.4 折彎性能檢測(cè)

表6是型材經(jīng)最優(yōu)雙級(jí)時(shí)效處理后的折彎性能檢測(cè)結(jié)果。由表6可知，型材的折彎彎曲角度為53°和55°，彎曲力為2 226 N和2 430N，折彎角度相對(duì)于低成分6XXX系鋁合金較低，折彎性能是反應(yīng)材料塑性及韌性的一種指標(biāo)，因此類合金屬于高成分鋁合金，強(qiáng)度高所以塑性及韌性相對(duì)較差，是導(dǎo)致折彎角度較低的主要原因。

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)控制擠壓工藝參數(shù)，采用高溫低速擠壓成功制備了高強(qiáng)度多腔體薄壁型材，確定了最優(yōu)時(shí)效制度為150℃x4 h+175℃x8 h，此時(shí)效制度下，型材的最高屈服強(qiáng)度為380 MPa，最高抗拉強(qiáng)度為410 MPa，最大伸長(zhǎng)率為12%。

（2）型材經(jīng)最優(yōu)雙級(jí)時(shí)效制度處理后，短期及長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性較好，折彎角度相對(duì)較低。

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