鐘坤

摘 要：本文主要研究了6063鑄態(tài)鋁合金在不同固溶時(shí)效工藝處理下硬度的變化，通過金相觀察、SEM以及TEM檢測初步探討了其微觀組織變化。結(jié)果表明，通過優(yōu)化固溶時(shí)效工藝，可以將6063鑄態(tài)鋁合金硬度提高到80HV以上，完全滿足顧客要求。

關(guān)鍵詞：6063鑄態(tài)鋁合金；固溶時(shí)效處理；硬度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.019

6063鋁合金具有優(yōu)良的可擠壓性性能和抗腐蝕性能，良好的陽極氧化著色性和優(yōu)秀的可拋光性，以及出色的焊接性能等[1]。這些使得6063鋁合金在工業(yè)型材、建筑型材以及裝飾性鋁合金中都具有廣泛的應(yīng)用。作為可熱處理強(qiáng)化鋁合金，時(shí)效處理已經(jīng)是改善6063鋁合金性能的重要途徑，有關(guān)熱處理工藝對其性能的影響已有大量研究，但這些研究多是針對6063擠壓型材和軋制型材等，關(guān)于固溶時(shí)效工藝對鑄態(tài)6063鋁合金組織性能的影響，目前研究較少。根據(jù)客戶需求，本文主要研究了固溶時(shí)效工藝對鑄態(tài)6063鋁合金硬度的影響。

有關(guān)6063鋁合金時(shí)效強(qiáng)化機(jī)制，目前業(yè)界研究較多，一般認(rèn)為是析出相沉淀強(qiáng)化[2-3]。這是由于其合金元素較多、析出相復(fù)雜等因素，使得對其建立數(shù)學(xué)模型難度較大。O.R.MYHR等人在以往研究基礎(chǔ)上[4]，對Al-Mg-Si合金時(shí)效強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了深入研究，綜合考慮沉淀強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化機(jī)制，推導(dǎo)出了屈服強(qiáng)度與熱處理工藝之間的關(guān)系，建立了相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了校正，對此合金數(shù)學(xué)模型的建立又前進(jìn)了一步。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

根據(jù)客戶要求和以往企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)鑄錠化學(xué)成分，見表1。采用直冷半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)規(guī)格為Φ448mm×6000mm的6063合金鑄錠，鑄造設(shè)備為Almax公司生產(chǎn)。

鑄錠采用570℃/12h高溫均勻化處理，室溫自然冷卻。距離鑄錠頂部1/3處取試樣一塊，規(guī)格為60mm×150 mm× 30mm。將試樣置于馬弗爐中加熱到550℃，保溫4h，室溫水淬。然后使用線切割設(shè)備將試樣加工成30mm×30 mm× 30mm大小。留下兩個(gè)試樣作為對照試樣，剩余試樣隨機(jī)分為A組和B組進(jìn)行時(shí)效處理。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）A組人工時(shí)效溫度是175℃，時(shí)間分別為2h，4h，6h，8h，10h。

（2）B組人工時(shí)效溫度是200℃，時(shí)間分別為2h，4h，6h，8h。

（3）試樣經(jīng)過砂紙打磨，拋光等步驟后，采用HV-1000Z型顯微硬度計(jì)對試樣進(jìn)行顯微硬度測量，隨機(jī)選取三個(gè)測量點(diǎn)，取平均值。使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察，使用掃描電鏡和投射電鏡對樣品微觀組織進(jìn)行觀察和分析。所用設(shè)備型號為ZEISS Axio vert.A1 倒置光學(xué)顯微鏡，ZEISS EVO18掃描電鏡以及牛津 Inca X-Max 20電制冷X射線能譜儀等設(shè)備。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固溶時(shí)效工藝對硬度的影響

由圖1可以看出，經(jīng)過人工時(shí)效后樣品硬度均有大幅度提升。在175℃時(shí)效溫度下，時(shí)效初期硬度迅速升高，4h后趨于穩(wěn)定，隨著保溫時(shí)間繼續(xù)延長，硬度緩慢提高。在10h的保溫時(shí)間內(nèi)，尚未出現(xiàn)硬度降低現(xiàn)象。在200℃時(shí)效溫度下，時(shí)效初期硬度升高速率高于175℃溫度下，在2h后硬度已經(jīng)達(dá)到峰值，隨著保溫時(shí)間延長，硬度開始逐漸下降。

根據(jù)圖1，可以看出175℃保溫四個(gè)小時(shí)以上，以及200℃保溫兩小時(shí)和四小時(shí)，這些時(shí)效工藝均能滿足客戶對產(chǎn)品硬度的要求（客戶要求硬度大于80HV）。但本著低耗節(jié)約的原則，參照圖1結(jié)果，又進(jìn)一步對工藝進(jìn)行了調(diào)整，見表2。根據(jù)表2結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)合金經(jīng)過固溶時(shí)效處理后，硬度都符合客戶要求。綜合考慮測量誤差、批次誤差、能源節(jié)約和顧客要求的情況下，可以選擇如下工藝：550℃2h+200℃2h。

2.2 固溶時(shí)效工藝對鋁合金微觀組織的影響

眾所周知合金硬度的變化是合金顯微組織變化的外在體現(xiàn)。6063合金屬于典型的可熱處理強(qiáng)化合金，在經(jīng)過不同溫度熱處理后，合金析出相的數(shù)量和形態(tài)均產(chǎn)生相應(yīng)變化。金相組織照片見圖2。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，在175℃溫度下，隨著固溶時(shí)間延長，晶界析出相逐漸增多，由斷續(xù)顆粒狀分布，逐漸長大為桿狀，并趨于連續(xù)分布。為了進(jìn)一步了解合金微觀組織，結(jié)合圖1和圖2結(jié)果，我們對175℃4h樣品進(jìn)行了掃描電鏡觀察、EDS分析以及透射電鏡檢測，結(jié)果見圖3。

通過能譜分析可以得知，晶界處粗大的桿狀析出相主要是FeSiAl相。Mg2Si顆粒較小，在掃描電鏡下只能發(fā)現(xiàn)零星分布，如圖3（a）所示。在圖3（b）中，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過175℃4h處理后從鋁基體中析出大量細(xì)小彌散的針狀β′′析出相。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

6063鋁合金是典型的可熱處理強(qiáng)化鋁合金。其時(shí)效處理強(qiáng)化相主要是β′′（ Mg2Si） 相，一般認(rèn)為其脫溶序列為[5]：α過飽和固溶體→G.P.區(qū)→β′′相→β′相→β相。主要是Mg和Si溶入α鋁中形成α固溶體。在時(shí)效初期Mg和Si 在鋁基體的晶面上聚集，形成溶質(zhì)原子富集區(qū)即GP.區(qū)，與基體保持共格關(guān)系，邊界上的原子為二者所共有，這就導(dǎo)致共格邊界原子發(fā)生彈性形變，造成晶格畸變，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金硬度。

隨著時(shí)效時(shí)間延長，Mg和Si進(jìn)一步富集并趨向有序化，迅速長大成針狀的β′′相，當(dāng)β′′相生長到一定尺寸，應(yīng)力場遍布基體彼此相連，產(chǎn)生最大化的強(qiáng)化效果，此時(shí)合金硬度最高。隨著時(shí)效時(shí)間繼續(xù)延長，Mg和Si進(jìn)一步富集，形成桿狀β′相，與基體部分共格，強(qiáng)化效果弱于β′′相，合金硬度開始有所下降。時(shí)效后期在隨著強(qiáng)化相進(jìn)一步析出，開始形成穩(wěn)定β相，完全從基體中脫離，強(qiáng)化效果消失，稱為過時(shí)效狀態(tài)。這也是如圖1中所示，在200℃溫度下，時(shí)效時(shí)間超過四個(gè)小時(shí)后硬度開始下降的原因。

除了Mg2Si強(qiáng)化相之外，F(xiàn)eSiAl相也是一種強(qiáng)化相。它不僅分布在晶界也分布在晶內(nèi)，尤其分布在晶界時(shí)可以使合金硬度得到明顯提高。本實(shí)驗(yàn)6063合金中含有較多Fe元素，因而在固溶時(shí)效中生成了較多FeSiAl相。在圖2中我們能看到桿狀的FeSiAl析出相，并隨著時(shí)間延長逐漸增多并長大。

時(shí)效處理中，析出相的數(shù)量和大小主要取決于時(shí)效溫度。溫度越高，基體中空位越多，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散越快，G.P.區(qū)易長大，G.P.區(qū)→β′′相→β′相→β相的脫溶速度相應(yīng)提高。所以如圖1所示，2h內(nèi)200℃時(shí)合金硬度提升速率遠(yuǎn)高于175℃時(shí)。隨著時(shí)間延長直4h之后，200℃溫度下合金硬度在達(dá)到峰值后，硬度開始明顯下降，到達(dá)過時(shí)效狀態(tài)。而175℃時(shí)效溫度下，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)硬度一直在逐漸提升，尚未到達(dá)過時(shí)效狀態(tài)。

表2表明固溶處理對合金硬度也有重大影響。525℃溫度時(shí)固溶不完全，在相同時(shí)效工藝條件下，合金硬度低于550℃固溶溫度下樣品硬度。這是因?yàn)殍T態(tài)合金晶界偏析嚴(yán)重，若固溶不完全會(huì)導(dǎo)致時(shí)效時(shí)G.P.區(qū)的析出數(shù)量和密度大幅降低，從而使得不能達(dá)到最優(yōu)的強(qiáng)化效果?？紤]到工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際過程和客戶要求，可以選擇固溶時(shí)效工藝：550℃2h+200℃2h。

3 結(jié)論

（1）在550℃+4h固溶處理后，175℃時(shí)效2h后合金硬度達(dá)到84.0HV，隨著時(shí)間延長，硬度緩慢提升。200℃時(shí)效溫度下，合金在2h后硬度達(dá)到84.6HV，保溫時(shí)間繼續(xù)延長，硬度開始下降。

（2）固溶溫度為525℃時(shí)，時(shí)效后合金硬度明顯低于550℃固溶時(shí)效工藝下合金硬度。

（3）綜合考慮客戶要求和工業(yè)生產(chǎn)過程，選擇固溶時(shí)效工藝為：550℃2h+200℃2h。

參考文獻(xiàn)：

[1]王孟君，王金亮.6063鋁合金時(shí)效工藝的研究[J].金屬熱處理， 1998（08）：24-41.

[2]G.Das，Mousumi Das，Sabita Ghosh， Paritosh Dubey. Effect of aging on mechanical properties of 6063 Al-alloy using instrumented ball indentation technique[J].Materials Science and Engineering A，2010（527）：1590-1594.

[3]寧愛林，孫瑜，黃繼武.不同時(shí)效工藝對6063鋁合金組織和力學(xué)性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2013（03）：28-31.

[3]O.R.Myhr，?.Grong ，S.J.Andersen.Modelling of the age hardening behaviour of Al-Mg-Si alloys.Acta mater. 2001（49）：65-75.

[4]L.P.Troeger，E.A.Starke. Microstructural and mechanical characterization of a superplastic 6xxx aluminum alloy[J]. Materials Science and Engineering A， 2000（277）： 102-113.

[5]S.H.Lee，Y.Saito，T.Sakai.Microstructures and mechanical properties of 6061 aluminum alloy processed by accumulative roll-bonding[J].Materials Science and Engineering A， 2002（325）：228-235.