宋 宇，聶寶華，陳東初，易 鵬，羅銘強(qiáng)，聶德鍵，馬德勝

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，材料科學(xué)與能源工程學(xué)院，廣東 佛山528000；2.廣東興發(fā)鋁業(yè)（江西）有限公司，江西 宜春336000；3.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山528100）

Al-Mg-Si系合金，如6063、6061等高M(jìn)g/Si合金，具有中等強(qiáng)度、高耐蝕性、成型性能優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、軌道交通等領(lǐng)域。目前，高M(jìn)g/Si的6063、6061鋁合金強(qiáng)度較低，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)高性能需求[1]。通常在Al-Mg-Si系合金中添加Cu元素，以提高合金強(qiáng)度[2]。目前，Cu元素對(duì)6000系鋁合金影響研究主要這針對(duì)低Mg/Si合金。在低Cu含量低Mg/Si合金，時(shí)效強(qiáng)化相主要為β"相[3]；對(duì)于高Cu含量合金，β"+Q"甚至Q"對(duì)合金強(qiáng)化起主要貢獻(xiàn)[4]。然而，Cu元素對(duì)高M(jìn)g/Si的6000系鋁合金時(shí)效行為影響規(guī)律研究還沒有較多研究。

相圖計(jì)算（CALPHAD）是多組分合金成分設(shè)計(jì)、相圖分析重要技術(shù)[5]。本文采用試驗(yàn)研究與相圖計(jì)算的方法，研究Cu元素對(duì)高M(jìn)g/Si的6000系鋁合金時(shí)效響應(yīng)行為影響規(guī)律；采用Thermo-Calc軟件進(jìn)行相圖計(jì)算，分析Cu元素對(duì)6000系鋁合金平衡相演化規(guī)律，為高性能6000系鋁合金成分設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

以高M(jìn)g/Si的Al1.1Mg0.7Si合金為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)三種含Cu的Al-Mg-Si合金，主合金成分及特點(diǎn)見表1。采用電阻爐熔煉三種Cu含量的Al-Mg-Si系鋁合金，鑄錠尺寸為300 mm×200 mm×30 mm。將鑄錠進(jìn)行490℃/12 h+530℃/16 h的雙級(jí)均勻化處理后，在465℃保溫1 h，熱軋至4 mm。將熱軋板進(jìn)行400℃退火1 h，冷軋至1 mm厚薄板。

表1 不同Cu含量的6000系鋁合金主成分

采用空氣循環(huán)爐對(duì)三種Cu含量的鋁合金熱處理試進(jìn)行545℃×1 h的固溶處理，再采用油浴爐進(jìn)行170℃下不同時(shí)間的時(shí)效處理。采用HVS-2000型硬度計(jì)進(jìn)行時(shí)效硬度、電導(dǎo)率測(cè)試。采用熱力學(xué)相圖計(jì)算軟件Thermo-Calc和鋁基數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算三種鋁合金在175℃平衡相種類與含量。

2 結(jié)果與討論

從圖1可知，含Cu元素合金在時(shí)效初期時(shí)效2h內(nèi)硬度迅速增加，隨后達(dá)到時(shí)效硬度平臺(tái)區(qū)，表現(xiàn)出快速時(shí)效響應(yīng)特征。而無(wú)Cu合金時(shí)效硬化速率較慢，時(shí)效4 h內(nèi)逐漸達(dá)到峰值時(shí)效硬度。隨著合金Cu元素含量的增加，Al1.1Mg0.7Si合金在175℃時(shí)效硬化速率和硬度依次提高。含Cu量分別為0、0.2%、0.5%合金在時(shí)效2 h內(nèi)，時(shí)效硬化值分別達(dá)到50HV、60 HV、67 HV（圖2），合金峰值硬度分別達(dá)到114 HV、122 HV、126 HV。

圖1 不同Cu含量Al1.1Mg0.7Si合金時(shí)效硬度曲線

圖2 Cu含量對(duì)Al1.1Mg0.7Si合金170℃/2h時(shí)效硬化值影響

Al-Mg-Si-Cu系合金時(shí)效響應(yīng)能力取決于合金成分，如Mg/Si、Cu元素等。在時(shí)效早期，過(guò)飽和固溶體中的Mg和Si原子取代鋁基體的點(diǎn)陣位置，溶質(zhì)原子富集形成GP區(qū)。在時(shí)效早期形成Si-Si原子柱骨架[6]，合金元素在Si2原子柱骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行富集，形成不同階段時(shí)效析出相。因此，低Mg/Si的6000系鋁合金能夠在短時(shí)間內(nèi)大量形成GP區(qū)和β"前驅(qū)相，具有快速時(shí)效響應(yīng)特征。對(duì)于高M(jìn)g/Si的6000系鋁合金，Si元素含量較少，合金時(shí)效響應(yīng)速率較低。但是，Cu元素與合金空位、Si元素優(yōu)先結(jié)合，降低了Si元素?cái)U(kuò)散距離和GP區(qū)形成臨界尺寸[7]，提高了合金快速時(shí)效能力。

6000系鋁合金時(shí)效強(qiáng)度取決于合金析出強(qiáng)化相。從圖3可以看出，在高M(jìn)g/Si的6000系鋁合金中，Mg2Si相是合金主要強(qiáng)化相，在不同Cu含量合金的Mg2Si相均在1.4%以上。隨著Cu含量增加，Mg2Si相逐漸減少，Q相增加。當(dāng)Cu含量達(dá)到0.2%，Mg2Si、Q相達(dá)到恒定值；當(dāng)Cu含量增加至0.3%，合金開始形成Al2Cu相，并隨著Cu含量增加，Al2Cu相含量增加。這表明，Cu含量達(dá)到0.3%后，高M(jìn)g/Si合金主要形成Al2Cu相，Mg2Si相與Q相含量保持不變，平衡相總含量增加。

圖3 Cu含量對(duì)Al1.1Mg0.7Si合金在170℃溫度下的平衡相影響規(guī)律

在不含Cu元素合金中，平衡相僅為Mg2Si相，含量為1.83%。含0.2%Cu合金平衡相依次為Mg2Si+Q（Al5Cu2Mg8Si6）相，平衡相總含量為2.12%；當(dāng)Cu含量增加至0.5%，過(guò)量的Cu元素形成Al2Cu相，平衡相為Mg2Si+Q（Al5Cu2Mg8Si6）+Al2Cu相，總含量達(dá)到2.49%。鋁合金中 Mg2Si相、Q（Al5Cu2Mg8Si6）相、Al2Cu相均對(duì)合金時(shí)效強(qiáng)化均有貢獻(xiàn)，高Cu含量合金可以獲得高的峰值時(shí)效硬度。但是，在高Cu含量6000系合金中，形成的Al2Cu相顯著降低了合金耐腐蝕性能。因此，Al1.1Mg0.7Si合金中Cu元素含量控制在0.3%以下，可以獲得合金硬度與耐蝕性匹配。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于高M(jìn)g/Si的6000系鋁合金，Cu元素提高了合金峰值時(shí)效硬度與時(shí)效響應(yīng)能力。無(wú)Cu、0.2%Cu與0.5%Cu合金在170℃時(shí)效2 h硬度分布提高了 50 HV、60 HV、67 HV。

（2）Cu元素促進(jìn)Mg2Si相向Q相、Al2Cu相轉(zhuǎn)變，但平衡相總含量增加，提高了合金強(qiáng)度。對(duì)于高M(jìn)g/Si合金，Cu含量控制在0.3%以下，避免形成Al2Cu相。