謝方亮，賈占濤，劉兆偉，曹 帥，劉旭東

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

6xxx系是一類中高強(qiáng)度鋁合金，其具有比強(qiáng)度高、焊接性能和抗蝕性優(yōu)良等一系列寶貴的性能，可高速擠壓結(jié)構(gòu)復(fù)雜的各種型材，被廣泛應(yīng)用在汽車領(lǐng)域[1-3]。在汽車型材加工過(guò)程中，存在折彎、壓扁等多道工序，而轉(zhuǎn)序過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生停放效應(yīng)，影響產(chǎn)品性能，導(dǎo)致產(chǎn)品加工時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂等不合格缺陷。查閱文獻(xiàn)可知[4]，鋁合金經(jīng)過(guò)充分固溶處理后，基體內(nèi)部會(huì)形成過(guò)飽和固溶體，在室溫下停放時(shí)，基體內(nèi)部過(guò)飽和的Mg、Si原子會(huì)相互聚集析出，形成一個(gè)個(gè)小尺寸的GP區(qū)，降低了后續(xù)人工時(shí)效強(qiáng)度，產(chǎn)生停放效應(yīng)，影響合金的加工和應(yīng)用。

為解決型材生產(chǎn)轉(zhuǎn)序過(guò)程中停放效應(yīng)對(duì)其性能產(chǎn)生不利影響的問(wèn)題，本文以6082合金型材為例，制定不同預(yù)時(shí)效制度，探討預(yù)時(shí)效對(duì)6082合金擠壓型材性能的影響，從而尋找出最佳預(yù)時(shí)效制度，改善停放效應(yīng)帶來(lái)的不利影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)使用6082鋁合金，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 1.06，F(xiàn)e 0.20，Cu 0.06，Mn 0.63，Mg 0.98,Cr 0.13，Ti 0.08，Zn 0.05。所使用鑄錠采用半連續(xù)鑄造工藝，經(jīng)550℃×8h均勻化處理后進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，擠壓型材壁厚為2mm。

1.2 試驗(yàn)方法

將在線淬火處理的擠壓型材試樣在室溫下停放3h，然后采用NA 675/45納博熱時(shí)效爐進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理，再進(jìn)行室溫放置28d，最后進(jìn)行人工時(shí)效T6處理，人工時(shí)效制度為165℃×7h，具體預(yù)時(shí)效處理工藝見(jiàn)表1。采用日本島津公司AG-X電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量不同預(yù)時(shí)效處理試樣自然時(shí)效和人工時(shí)效后力學(xué)性能，使用差示掃描量熱儀測(cè)試不同預(yù)時(shí)效處理試樣的差熱分析曲線。

表1 6082合金擠壓型材的熱處理工藝

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

2.1.1 自然時(shí)效后型材的力學(xué)性能

圖1為不同預(yù)時(shí)效制度處理試樣在室溫下停放28d的力學(xué)性能曲線?？芍?，未預(yù)時(shí)效T4試樣在前4d內(nèi)，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較大，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高24.5MPa和25.5MPa。隨著停放時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)度緩慢上升，自然時(shí)效28d時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高了35.5MPa和35MPa。T4P-1試樣在前6d內(nèi)，強(qiáng)度變化相對(duì)穩(wěn)定，但隨著停放時(shí)間增加，強(qiáng)度開(kāi)始緩慢升高，自然時(shí)效28d時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高了17MPa和19.5MPa。T4P-2、T4P-3試樣強(qiáng)度變化趨勢(shì)相似，在室溫放置過(guò)程中強(qiáng)度基本保持不變，沒(méi)有發(fā)生自然時(shí)效強(qiáng)化。在整個(gè)自然時(shí)效過(guò)程中，T4P-3試樣強(qiáng)度高于T4P-2試樣，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別高出7MPa和10MPa。

(a)屈服強(qiáng)度 (b)抗拉強(qiáng)度

未預(yù)時(shí)效T4試樣過(guò)飽和程度大，溶質(zhì)原子擴(kuò)散能大，在室溫下停放自然時(shí)效初期溶質(zhì)原子快速聚集，形成大量GP區(qū)[5]。隨著停放時(shí)間的增加，溶質(zhì)原子大量消耗，GP區(qū)尺寸和數(shù)量增長(zhǎng)緩慢，導(dǎo)致材料強(qiáng)度慢速增長(zhǎng)，直到最后保持不變。T4P-1試樣在預(yù)時(shí)效處理時(shí)，消耗部分過(guò)飽和溶質(zhì)原子，形成GP區(qū)，導(dǎo)致在自然時(shí)效初期形成GP區(qū)尺寸小、數(shù)量少，材料強(qiáng)度增長(zhǎng)不顯著，隨著停放時(shí)間增加，GP區(qū)長(zhǎng)大，材料的強(qiáng)度也隨之有所升高。T4P-2和T4P-3試樣預(yù)時(shí)效溫度較高，預(yù)時(shí)效過(guò)程中形成GP區(qū)數(shù)量多、尺寸大，消耗掉過(guò)飽和溶質(zhì)數(shù)量多，在自然時(shí)效時(shí)形成GP區(qū)尺寸小、數(shù)量少，對(duì)性能影響不顯著。因此，在整個(gè)室溫停放自然時(shí)效過(guò)程中T4-2、T4P-3態(tài)試樣性能基本不變。T4P-3試樣預(yù)時(shí)效溫度高于T4P-2溫度，預(yù)時(shí)效時(shí)生成的GP區(qū)數(shù)量較多、尺寸較大，進(jìn)而材料的強(qiáng)度升高。

2.1.2 人工時(shí)效后型材的力學(xué)性能

圖2為不同預(yù)時(shí)效制度處理后試樣人工時(shí)效的力學(xué)性能曲線。T4試樣人工時(shí)效后強(qiáng)度最低，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為298.5MPa、328MPa，T4P-3試樣的強(qiáng)度最高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為333MPa、349MPa，T4P-2和T4P-3強(qiáng)度相近，T4P-2試樣的強(qiáng)度增幅最大。

(a)屈服強(qiáng)度 (b)抗拉強(qiáng)度

6xxx鋁合金主要析出序列為，SSSS(過(guò)飽和固溶體)→偏聚原子團(tuán)→GP區(qū)→β″相→β′相→β相[6]，其中β″相是合金中的主要強(qiáng)化相。在時(shí)效初期，由于β"相的形成，使材料強(qiáng)度增加，并隨著時(shí)效過(guò)程的進(jìn)行，形成大量的β″相，強(qiáng)度達(dá)到最大值。未預(yù)時(shí)效T4試樣比預(yù)時(shí)效T4P試樣強(qiáng)度低，說(shuō)明T4試樣人工時(shí)效中形成的β″相數(shù)量少；同理T4P-2和T4P-3試樣強(qiáng)度高，其形成的β″相多。預(yù)時(shí)效溫度低的T4P-1試樣，形成的β″相數(shù)量比T4試樣多，比T4P-2、T4P-3少，強(qiáng)度居中。

2.2 DSC分析

圖3為不同預(yù)時(shí)效制度處理后試樣的DSC曲線?？梢钥闯?，T4試樣在140℃時(shí)出現(xiàn)一個(gè)明顯放熱峰，該放熱峰對(duì)應(yīng)GP區(qū)的析出，而T4P的試樣并未出現(xiàn)明顯的放熱峰。說(shuō)明試樣經(jīng)過(guò)預(yù)時(shí)效處理后，能有效抑制GP區(qū)的生成；試樣加熱至200℃時(shí)，T4和T4P試樣均出現(xiàn)放熱峰，該放熱峰對(duì)應(yīng)β″相的生成。而在β″相峰前還能看到明顯的吸熱峰，但是T4P試樣的吸熱峰要明顯小于T4試樣的，且隨著預(yù)時(shí)效溫度的升高，吸熱峰也逐漸減小。根據(jù)曲線還可看出隨著預(yù)時(shí)效溫度的升高，對(duì)應(yīng)β″相生成的放熱峰逐漸左移，說(shuō)明T4P試樣更容易生產(chǎn)β″相，起到強(qiáng)化作用，所以室溫下停放后的人工時(shí)效性能較低，而預(yù)時(shí)效后人工時(shí)效性能較高。

圖3 不同預(yù)時(shí)效處理后試樣的DSC分析曲線

3 分析及討論

3.1 預(yù)時(shí)效對(duì)自然時(shí)效性能的影響

自然時(shí)效初期，溶質(zhì)原子快速增長(zhǎng)并擴(kuò)散，原子團(tuán)簇長(zhǎng)大，引起合金的強(qiáng)度提高。未預(yù)時(shí)效T4試樣過(guò)飽和度大，基體處于非平衡狀態(tài)，溶質(zhì)原子擴(kuò)散能大。初期，GP區(qū)尺寸和數(shù)量增長(zhǎng)較快，促使材料強(qiáng)度快速增長(zhǎng)。隨著自然時(shí)效進(jìn)行，過(guò)飽和溶質(zhì)和空位被消耗，GP區(qū)生長(zhǎng)緩慢，強(qiáng)度增長(zhǎng)有所減緩。

T4P-1、T4P-2、T4P-3試樣在預(yù)時(shí)效過(guò)程中，消耗部分過(guò)飽和溶質(zhì)和空位，形成GP區(qū)，導(dǎo)致之后自然時(shí)效形成的GP區(qū)尺寸小、數(shù)量少，材料強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯，因而預(yù)時(shí)效試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度不及未預(yù)時(shí)效T4試樣，預(yù)時(shí)效試樣在整個(gè)室溫停放自然時(shí)效過(guò)程中變化不大。預(yù)時(shí)效溫度愈高，溶質(zhì)原子擴(kuò)愈散快，形成的GP區(qū)尺寸愈大、數(shù)量愈多，材料的強(qiáng)度愈高，與圖1結(jié)論一致。

3.2 預(yù)時(shí)效對(duì)人工時(shí)效性能的影響

未預(yù)時(shí)效試樣在自然時(shí)效過(guò)程中生成大量原子團(tuán)簇(Clusters)和GP區(qū)，消耗了大量過(guò)飽和溶質(zhì)，使基體Mg、Si原子貧瘠，導(dǎo)致人工時(shí)效生成的強(qiáng)化析出相尺寸和數(shù)量有限。另外，文獻(xiàn)研究結(jié)果[9,10]表明，固溶淬火后試樣在自然時(shí)效時(shí)形成的原子團(tuán)簇(Clusters)和GP區(qū)不能作為人工時(shí)效強(qiáng)化相β″的形核核心，需先溶解重新形成β″相的核心，再析出β″相。圖3顯示出室溫下停放后β″相的析出溫度高，延緩了β″相的析出過(guò)程，也減少了β″相的析出數(shù)量，降低材料強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度，未預(yù)時(shí)效試樣經(jīng)過(guò)自然時(shí)效后的人工時(shí)效強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度不大。

預(yù)時(shí)效處理可使基體上形成另一種原子團(tuán)簇(Clusters2)，該原子團(tuán)簇尺寸小，能夠有效緩解溶質(zhì)原子和空位的過(guò)飽和度，抑制自然時(shí)效過(guò)程中原子團(tuán)聚。在人工時(shí)效中，Clusters2原子團(tuán)簇可作為β″相形核質(zhì)點(diǎn)，直接形核，增加了β″相的析出數(shù)量[10]。文獻(xiàn)研究結(jié)果也表明[11]，預(yù)時(shí)效處理可使T4P-GP區(qū)和β″相的析出溫度降低，β"相更容易析出，基體上β″相分布數(shù)量多，材料的強(qiáng)度明顯提高，與圖2結(jié)論一致。

4 結(jié)論

(1)6082合金室溫停放時(shí)發(fā)生明顯的自然時(shí)效現(xiàn)象，停放28d后，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高35.5MPa和35MPa；預(yù)時(shí)效處理試樣在自然時(shí)效過(guò)程中強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度不大，對(duì)自然時(shí)效起到一定抑制作用，其中預(yù)時(shí)效制度180℃×5min抑制自然時(shí)效效果最佳。

(2)未預(yù)時(shí)效處理的試樣人工時(shí)效后強(qiáng)度最低，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為298.5MPa、328MPa，預(yù)時(shí)效200℃×5min處理后試樣人工時(shí)效強(qiáng)度最高，分別為333MPa、349MPa。預(yù)時(shí)效處理有效改善6082合金停放效應(yīng)的不利影響，預(yù)時(shí)效制度180℃×5min改善停放效應(yīng)的效果最佳。

(3)室溫放置推遲了人工時(shí)效β″相的析出，使材料人工時(shí)效后強(qiáng)度提高幅度小，而預(yù)時(shí)效處理后β″相析出溫度降低，人工時(shí)效處理強(qiáng)度提高幅度大，隨著預(yù)時(shí)效溫度的提高，β″相析出溫度逐漸降低。