周廣宇，董 博，胡 皓

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng)111003）

0 前言

作為可熱處理強(qiáng)化鋁合金，Al-Mg-Si合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、易于成形和耐腐蝕性好、表面著色性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、軌道交通、造船及建筑建材等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。其中6082鋁合金作為Al-Mg-Si合金中典型的合金，因其強(qiáng)度較高而被廣泛用來(lái)制作汽車承重結(jié)構(gòu)件、汽車底盤(pán)控制臂等結(jié)構(gòu)件[3-4]。

6082鋁合金傳統(tǒng)的固溶溫度要高于再結(jié)晶溫度，一般情況下經(jīng)過(guò)擠壓變形后型材在固溶處理過(guò)程中材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生回復(fù)→再結(jié)晶形核→核心長(zhǎng)大→晶粒長(zhǎng)大→異常長(zhǎng)大的再結(jié)晶過(guò)程[5]。在不產(chǎn)生過(guò)燒的情況下，升高固溶溫度和延長(zhǎng)固溶時(shí)間雖然可以獲得程度較高的過(guò)飽和固溶體，但會(huì)使擠壓變形后型材的再結(jié)晶增多，晶粒粗大，影響合金的綜合力學(xué)性能。因此如何提高合金力學(xué)性能的同時(shí)又能限制晶粒尺寸的增長(zhǎng)成為一個(gè)難題。本試驗(yàn)以6082擠壓棒材為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)單級(jí)固溶、雙級(jí)固溶以及三級(jí)固溶試驗(yàn)，通過(guò)高倍顯微鏡和金相組織觀察，并結(jié)合時(shí)效后力學(xué)性能測(cè)試，研究了不同固溶制度對(duì)再結(jié)晶晶粒尺寸、粗晶環(huán)深度、第二相含量和分布以及時(shí)效后力學(xué)性能的影響，為6082鋁合金的熱處理工藝的優(yōu)化提供相關(guān)的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用半連續(xù)鑄造法制備鑄錠，合金成分如表1所示。

表1 6082合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

鑄錠經(jīng)495℃×10 h均勻化熱處理后，在7 500 t臥式擠壓機(jī)上采用單孔模具進(jìn)行擠壓，獲得直徑為85 mm的棒材。擠壓工藝如表2所示。

表2 6082鋁合金棒材的擠壓工藝參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

將6個(gè)長(zhǎng)度為300 mm的上述擠壓棒材按照表3的工藝分別進(jìn)行固溶熱處理，然后將固溶后的圓棒切取成250 mm與50 mm兩部分。其中50 mm試樣用于高倍晶粒度檢測(cè)和金相組織觀察；250 mm試樣進(jìn)行185℃×4.5 h時(shí)效處理后，采用HBS-62.5型數(shù)顯小負(fù)荷布氏硬度計(jì)進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，并利用AG-X100KN電子萬(wàn)能拉伸機(jī)，以12 mm/min的拉伸速度進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試（拉伸試樣如圖1所示）。

表3 6082鋁合金擠壓棒熱處理工藝制度

為防止由于邊部與心部的成分和組織不均對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，本試驗(yàn)中的高倍、金相、硬度和力學(xué)的取樣位置均在擠壓棒直徑的1/4處。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固溶處理對(duì)粗晶環(huán)深度和晶粒尺寸的影響

表4和圖2示出了棒材經(jīng)不同固溶制度處理后其邊緣的粗晶環(huán)深度。其中經(jīng)過(guò)單級(jí)固溶的1#和2#棒材邊緣粗晶嚴(yán)重，深度約在3～5 mm；經(jīng)過(guò)雙級(jí)固溶的3#和4#棒材粗晶環(huán)深度略有降低，約在1.5～2.5mm；經(jīng)三級(jí)固溶處理的5#和6#棒材經(jīng)低倍宏觀觀察，棒材表面粗晶環(huán)深度繼續(xù)降低，約為0.1～0.4mm。

表4 不同固溶處理后棒材邊緣的粗晶環(huán)深度

圖3為棒材經(jīng)不同固溶制度處理后其邊緣的晶粒尺寸。其中經(jīng)過(guò)單級(jí)固溶的1#和2#棒材在高倍顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)粗晶環(huán)處的晶粒尺寸分別為3.342 mm×1.74 mm（-2.5級(jí)晶粒度）和3.575 mm×1.324 mm（-1級(jí)晶粒度），如圖3（a）和（b）所示；經(jīng)過(guò)雙級(jí)固溶處理的3#和4#試樣晶粒尺寸較單級(jí)固溶有所改善，約為1.555 mm×0.299 mm（-2級(jí)晶粒度）和1.076 mm×0.191 mm（-0.5級(jí)晶粒度），見(jiàn)圖3（c）和（d）；在5#和6#三級(jí)固溶處理后，低倍下觀察棒材截面邊緣粗晶環(huán)較淺，高倍顯微鏡下試樣晶粒尺寸也有所改善，約為0.541 mm×0.413 mm（0.5級(jí)晶粒度）和0.269 mm×0.259 mm（1級(jí)晶粒度），見(jiàn)圖3（e）和（f）。

分析認(rèn)為，在擠壓過(guò)程中，鑄錠的不均勻變形使擠壓后棒材的組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，存在大量的缺陷和一定的儲(chǔ)變能，在后續(xù)的固溶處理過(guò)程中促使材料內(nèi)部發(fā)生回復(fù)→再結(jié)晶形核→核心長(zhǎng)大→晶粒長(zhǎng)大的再結(jié)晶過(guò)程，其中回復(fù)過(guò)程可以消耗再結(jié)晶儲(chǔ)能，使再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力降低[5-6]。雙級(jí)或多級(jí)固溶過(guò)程中，在第一級(jí)溫度保溫時(shí)材料內(nèi)部以回復(fù)過(guò)程為主，該過(guò)程中不斷釋放變形儲(chǔ)能，降低了再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，產(chǎn)生大量小角度晶界的亞晶[7]。這些小角度的晶界遷移速率較低，在后續(xù)升溫過(guò)程中晶粒尺寸增長(zhǎng)速度較慢，從而獲得細(xì)小均勻的再結(jié)晶晶粒。而采用單級(jí)固溶，合金內(nèi)部來(lái)不及釋放變形儲(chǔ)能，誘使基體大量形核并逐漸長(zhǎng)大，所以單級(jí)固溶的再結(jié)晶晶粒相對(duì)粗大，粗晶環(huán)深度逐漸加深[8-9]。根據(jù)阿累尼烏斯方程：

式中：N為形核率，G為晶核長(zhǎng)大速率，N0、G0為常數(shù)，QN為形核激活能，QG為晶粒長(zhǎng)大激活能，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。由公式（1）和公式（2）可知，提高固溶溫度，無(wú)論是再結(jié)晶晶粒的形核率還是晶粒長(zhǎng)大速率都會(huì)增大[9-10]。因此，由1#和2#、3#和4#、5#和6#的對(duì)比可知，無(wú)論單級(jí)固溶、雙級(jí)固溶還是三級(jí)固溶，采用高溫短時(shí)間固溶處理可以降低粗晶環(huán)深度和晶粒尺寸。

綜上所述：采用單級(jí)固溶，棒材邊緣有粗大晶粒產(chǎn)生，粗晶環(huán)深度較深；而采用雙級(jí)和三級(jí)固溶可以減輕甚至消除粗晶環(huán)；當(dāng)采用三級(jí)固溶時(shí)，棒材邊緣粗晶環(huán)深度減小，截面晶粒細(xì)小均勻，且高溫短時(shí)間的三級(jí)固溶可以降低粗晶環(huán)深度和晶粒的尺寸。

2.2 固溶處理對(duì)第二相含量和分布的影響

擠壓棒材按照表3的6種制度進(jìn)行固溶處理后的第二相的含量和分布情況如圖4所示。由圖4（a）和（b）可知，擠壓棒材經(jīng)過(guò)1#和2#制度固溶后，仍有大量第二相連續(xù)分布在基體中，第二相主要是由形狀不規(guī)則的粗大合金相和細(xì)小的點(diǎn)狀相構(gòu)成；而經(jīng)過(guò)雙級(jí)固溶處理后，細(xì)小的點(diǎn)狀相基本溶解，不規(guī)則的粗大第二相含量減少，第二相之間的不連續(xù)性增加，組織中無(wú)過(guò)燒組織，見(jiàn)圖4（c）和（d）；經(jīng)過(guò)三級(jí)固溶處理后，第二相進(jìn)一步溶解，尺寸進(jìn)一步降低，在采用6#制度固溶時(shí)，殘余第二相呈細(xì)小彌散顆粒狀無(wú)連續(xù)地分布在基體中，且第三級(jí)溫度達(dá)到560℃時(shí)仍未產(chǎn)生過(guò)燒，如圖4（f）所示。由此可見(jiàn)，與單級(jí)固溶相比，采用逐步升溫的三級(jí)固溶制度可以使第二相溶解更加充分，獲得較高程度的過(guò)飽和固溶體。

2.3 固溶處理對(duì)時(shí)效后力學(xué)性能的影響

按照表3中的6種制度固溶處理后，再分別進(jìn)行185℃×4.5 h的人工時(shí)效，然后再將時(shí)效后的每個(gè)試樣進(jìn)行三次布氏硬度測(cè)試，取其平均值，其結(jié)果如表5所示。采用1#～6#固溶制度，時(shí)效后合金的布氏硬度逐漸增加。其中采用1#制度固溶時(shí)合金的硬度最低，為104 HBW；在同樣的保溫時(shí)間下，若采用3#制度固溶，硬度提升到了110 HBW；采用6#制度固溶，硬度提升到118 HBW。

試驗(yàn)中適當(dāng)提高固溶溫度且縮短固溶時(shí)間至90 min，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：采用2#制度固溶時(shí)，硬度為108 HBW，而采用4#制度固溶時(shí)，硬度提高到了115 HBW，采用6#制度固溶時(shí)，硬度提高到了123 HBW，比低溫長(zhǎng)時(shí)間（保溫120 min）的三級(jí)固溶的硬度高了5 HBW，比標(biāo)準(zhǔn)的布氏硬度值提高了29.47%。

表5 不同固溶制度下棒材時(shí)效后的布氏硬度

不同固溶制度下時(shí)效后合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后延伸率如表6和圖5所示?？梢钥闯觯c布氏硬度結(jié)果的趨勢(shì)相同，時(shí)效后1#～6#的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸增加，即相同的固溶時(shí)間下（1#/3#/5#固溶時(shí)間為120 min，2#/4#/6#固溶時(shí)間為90 min），采用三級(jí)固溶制度的6082棒材，在保持?jǐn)嗪笱由炻实耐瑫r(shí)，擁有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；且同一級(jí)數(shù)的固溶處理下，高溫短時(shí)間的固溶制度獲得的力學(xué)性能較高。其中采用6#制度固溶時(shí)，6082合金棒材的力學(xué)性能最優(yōu)，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率分別達(dá)到392 MPa、414 MPa、11.5%。

表6 不同固溶制度下棒材的力學(xué)性能

分析認(rèn)為：與單級(jí)和雙級(jí)固溶相比，采用三級(jí)固溶時(shí)，一方面，組織中的粗大第二相可以較充分地溶解，使固溶體中的溶質(zhì)原子過(guò)飽和度增加，且三級(jí)固溶時(shí)，采用較高的固溶溫度（560℃）會(huì)提高合金元素在基體中的擴(kuò)散速率，使溶質(zhì)原子擴(kuò)散更加均勻，在后續(xù)時(shí)效處理過(guò)程中促使析出相密度增大，但尺寸細(xì)小且分布均勻，使合金的力學(xué)性能改善；另一方面，由圖3和圖4可知，三級(jí)固溶處理后，合金的晶粒細(xì)小、均勻，在拉伸過(guò)程中，晶粒之間的變形協(xié)調(diào)能力較強(qiáng)，變形均勻程度提高，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這是力學(xué)性能提高的另一個(gè)原因。

3 結(jié)論

（1）在逐步升溫的多級(jí)固溶過(guò)程中，低溫階段主要以回復(fù)為主，繼續(xù)升溫不會(huì)產(chǎn)生明顯的再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。采用515℃×45 min+550℃×35 min+560℃×10 min三級(jí)固溶制度后，棒材截面粗晶環(huán)深度較小，晶粒細(xì)小均勻。

（2）采用逐步升溫的三級(jí)固溶制度可以使第二相溶解更加充分，獲得較高程度的過(guò)飽和固溶體。

（3）與單級(jí)和雙級(jí)固溶相比，采用逐步升溫三級(jí)固溶制度可以在保證斷后延伸率的同時(shí)提高抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。其中采用515℃×45 min+550℃×35 min+560℃×10 min制度時(shí)獲得的力學(xué)性能最佳，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、布氏硬度分別為392 MPa、414 MPa、11.5%和123 HBW。

（4）采用相同級(jí)數(shù)的固溶處理時(shí)，適當(dāng)提高固溶溫度并縮短保溫時(shí)間可以降低粗晶環(huán)深度和晶粒的尺寸，提高固溶體過(guò)飽和度和時(shí)效后的力學(xué)性能。