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        電子外觀結(jié)構(gòu)件用6013鋁合金板材熱處理工藝研究

        2021-07-15 09:43:22李飛龍賴仕禎宋豐軒尹昌波
        鋁加工 2021年3期
        關(guān)鍵詞:延伸率時效板材

        李飛龍,賴仕禎,宋豐軒,尹昌波

        (1.南南鋁業(yè)股份有限公司,南寧 530200;2.上汽通用五菱汽車股份有限公司,柳州 545007;3.北部灣大學(xué),欽州 535011)

        0 前言

        6×××系鋁合金由于具有強度高、導(dǎo)熱性良好、可切削性能和化學(xué)拋光效果好等優(yōu)點,是制造電子產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)件的理想材料,廣泛用于消費電子外殼如筆記本電腦、手機、電視等。其中6013鋁合金是當今世界上最先進的鋁合金之一,相較于6061-T6合金,6013-T6鋁合金強度高出約25%,甚至可以媲美7×××系鋁合金的強度[1-3]。另外,6013合金還具有更加優(yōu)秀的鉆削性能,極易排屑,可用于鉆削更復(fù)雜的零部件并顯著降低鉆削加工成本。為此,6013合金被當作新一代的理想材料,以滿足電子產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)件市場對高強度、輕量化和易加工的進一步需求。

        目前國內(nèi)外鋁加工企業(yè)開始嘗試開發(fā)6013鋁合金電子外觀件基材。本研究以工業(yè)應(yīng)用為基礎(chǔ),探討研究了固溶、時效和時效停放時間對合金力學(xué)性能和微觀組織的影響,以期為工業(yè)生產(chǎn)綜合性能優(yōu)越、陽極氧化效果好的6013鋁合金板材提供指導(dǎo)。

        1 試驗材料與方法

        1.1 試驗材料

        試驗所用材料為半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的6013合金扁錠(化學(xué)成分見表1),鑄錠規(guī)格為520 mm×1 620 mm×6 500 mm。

        表1 6013鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

        鑄錠經(jīng)均熱處理后出爐冷卻,接著鋸切銑面成規(guī)格為500 mm×1 600 mm×5 000 mm的鑄錠,最后經(jīng)軋制生產(chǎn)后板材的成品厚度為9 mm。

        1.2 試驗方法

        為利于工業(yè)化大生產(chǎn),本試驗擬研究制定6013鋁板材的單級固溶和單級時效熱處理制度。通過單因素實驗,分別改變固溶溫度和固溶時間、時效溫度和時效時間4個參量,最終優(yōu)化得到綜合性能滿足客戶需求的熱處理工藝參數(shù)。同時,為了適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)過程中排產(chǎn)的需要,研究確定時效前的停放時間對6013鋁合金板材力學(xué)性能的影響。

        力學(xué)性能測試在Z100電子萬能試驗機上進行,測試方法參照GB/T 228-87;樣品的微觀組織觀察和能譜分析在Quanta-200掃描電子顯微鏡上進行。

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 固溶對合金力學(xué)性能的影響

        先將6013鋁合金熱軋板材在535~570℃范圍內(nèi)固溶20~60 min,然后用冷水淬至室溫狀態(tài),并立即在172℃下時效12 h,最后對時效后的板材進行力學(xué)性能測試。所得的力學(xué)性能隨固溶制度的變化如圖1所示。由圖可知,隨著固溶溫度的升高,合金的強度先是迅速增大而后小幅增長,見圖1(a)和圖1(b);當固溶溫度從535℃提高到560℃時合金強度增加較大,繼續(xù)提高固溶溫度到570℃時合金強度則增加較?。欢由炻孰S固溶溫度的增加變化較?。ㄒ妶D1(c))。另外,當固溶溫度相同時,隨著固溶時間的延長,合金強度先快速增長然后趨于平緩。當固溶時間由20 min增加到30 min時,合金強度增加較大,進一步延長固溶時間至60 min后,強度略有減小并趨于不變;延伸率隨固溶時間的延長略有下降。

        固溶對合金力學(xué)性能的影響主要是由固溶過程中鋁基體的固溶度和再結(jié)晶分數(shù)的變化所致[4-5]:隨著固溶溫度的增加和固溶時間的延長,合金中溶質(zhì)原子的擴散激活能降得越低,越有利于合金元素擴散、固溶到鋁基體中?;w的固溶度增加,固溶越充分,淬火后基體的過飽和程度越高,時效過程中第二相析出的驅(qū)動力也越大,合金強度越高;同時,提高固溶溫度和延長固溶時間會顯著增加合金中的再結(jié)晶分數(shù),這會降低合金的力學(xué)性能。因此,當固溶溫度為535℃時,合金固溶不夠充分,強度較低。提高固溶溫度至560℃時,合金元素的固溶度迅速增加,強度提高20 MPa以上。繼續(xù)提高固溶溫度至570℃,此時合金中元素的固溶度增加較小,而再結(jié)晶分數(shù)增長較快,導(dǎo)致合金強度增幅較小,在10 MPa以內(nèi)。與提高固溶溫度對合金力學(xué)性能的影響類似,當固溶時間在40 min內(nèi)時,固溶時間的延長可顯著提高合金的強度,而進一步延長固溶時間,合金的強度則增加較小。延伸率隨固溶溫度和固溶時間的變化與合金強度的變化不同,在固溶度和再結(jié)晶分數(shù)的共同作用下,合金的延伸率隨著固溶溫度升高和固溶時間的延長略有減小,但變化較小,在2%范圍內(nèi),這可能是由于再結(jié)晶分數(shù)的增加導(dǎo)致合金斷裂類型的改變所引起的。

        由此可見,采用高溫短時固溶的方式更利于工業(yè)化大生產(chǎn)。另外,為滿足客戶需求,合金的屈服強度應(yīng)不低于320 MPa(見圖1(a)),因此合適的固溶制度應(yīng)為570℃/40 min。

        2.2 時效對合金力學(xué)性能的影響

        將6013鋁合金在570℃下固溶40 min后立即進行時效熱處理,不同時效制度下合金的力學(xué)性能變化如圖2所示。由圖可知,隨著時效時間的延長,合金的強度先增加后減小,存在峰值強度,見圖2(a)和(b);而延伸率隨著時效時間的延長先略有下降,后趨于不變(見圖2(c))。另外從圖中可以看到,提高時效溫度縮短了合金到達峰值強度的時間,如在192℃時效10 h后,合金強度即進入峰值平臺,而在172℃和182℃下保溫12 h后合金強度才達到最大值。需要指出的是,時效溫度的提高雖然縮短了合金達到峰值強度的時間,但會造成合金峰值強度的降低和延伸率的減?。涸?72℃和182℃下保溫12 h后合金的屈服強度和抗拉強度分別為330 MPa和390 MPa左右,當溫度提高至192℃時效10 h后,合金的屈服強度和抗拉強度分別減小為320 MPa和385 MPa左右;172℃時效時合金的延伸率最高,為18%~20%,而當時效溫度提高至182℃后,合金的延伸率降為16%~18%;進一步提高時效溫度至192℃后,合金的延伸率進一步減小至14%~16%。綜合考慮,當時效制度為172℃/12 h時,6013合金具有最高的強度和較好的延伸率,其數(shù)值分別為:屈服強度330 MPa、抗拉強度389 MPa、延伸率18.5%。

        6×××系鋁合金中的主要強化相為Mg2Si相,時效過程中的脫溶序列為:GP區(qū)→β″→β′→β[6]。其中亞穩(wěn)相GP區(qū)、β′和β″相與基體共格、半共格,使基體晶格發(fā)生畸變,阻礙位錯的運動,從而使金屬得到強化。而β相為穩(wěn)定相,與基體非共格,對金屬的強化作用較弱[7]。在時效過程中,隨著保溫時間的延長,6013鋁合金中的強化相β″和β′相不斷形成,合金強度也不斷升高。然而進一步延長時效時間會導(dǎo)致亞穩(wěn)的強化相向穩(wěn)定的β相轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致合金的強度下降,合金轉(zhuǎn)變?yōu)檫^時效態(tài)。因此隨著時效時間的延長,6013合金的強度先較快增長后略有減小。時效溫度的提高使得合金元素的擴散速率增大,時效相的脫溶析出和轉(zhuǎn)化過程加速,因此6013合金的峰值時效時間提前。另外,高的時效溫度會導(dǎo)致時效析出過程發(fā)生變化,如在時效過程中直接形成β′亞穩(wěn)相和β穩(wěn)定相。而由于時效析出相為異質(zhì)形核,亞穩(wěn)相的減少會導(dǎo)致時效析出相析出密度的下降和分布均勻性的減小,從而引起合金強度和延伸率的減小,因此高溫時效的合金力學(xué)性能低于低溫時效的合金力學(xué)性能。

        2.3 時效前的停放時間對合金力學(xué)性能的影響

        工業(yè)化大生產(chǎn)過程中往往會涉及到鋁材的轉(zhuǎn)運和排產(chǎn),而時效強化鋁合金固溶淬火后在室溫停留過程中會發(fā)生第二相的脫溶析出,這會導(dǎo)致淬火態(tài)合金過飽和度的減小,進而影響時效析出相的析出和轉(zhuǎn)化,引起合金性能的變化。為此,本文研究了6013鋁合金板固溶淬火后在室溫停留不同時間后的力學(xué)性能的變化,以考察該合金對時效前室溫停留時間的敏感性,為工業(yè)化排產(chǎn)提供參考。所得力學(xué)性能隨室溫停留時間的變化曲線如圖3所示,相應(yīng)的工藝制度為:570℃/40 min固溶,然后在室溫下分別停放0.5 d、1 d、2 d、4 d、6 d、8 d、10 d和21 d,最后在182℃下時效12 h。

        從圖3中可以看到,隨著時效前停放時間的延長,6013鋁合金的強度和延伸率先快速減小后趨于不變。淬火態(tài)合金室溫停放1 d后的力學(xué)性能下降較大,與停留時間在1 d內(nèi)的合金相比,較長停放時間的合金屈服強度降低約40 MPa,抗拉強度下降約20 MPa,延伸率最大減小約3%。停放后鋁合金力學(xué)性能的改變與合金中Mg2Si析出相的含量有關(guān)[8]:淬火后在室溫下停放時,6013合金中溶質(zhì)原子與空位發(fā)生重聚形成沉淀相,時效時沉淀相作為異質(zhì)形核點會引起時效析出相形核、長大,從而導(dǎo)致時效析出相比在淬火后立即時效的合金析出相粗大,力學(xué)性能減小。

        圖3 不同停放時間對合金力學(xué)性能的影響

        2.4 微觀組織分析

        電子外觀件用鋁合金材料在使用前需要經(jīng)過陽極氧化處理,而鋁材表面陽極氧化后的效果與鋁材中第二相的化學(xué)組成和分布密切相關(guān)。因此為了考察6013板材陽極氧化效果,本文對6013合金時效后板材中的第二相進行了觀測。圖4為典型的SEM形貌圖及元素面掃描分布情況。從圖中可以看到,樣品中存在粗大的第二相,最大尺寸約30 μm,沿軋制方向分布(見圖4(a));EDS能譜顯示粗大第二相主要為由Al、Fe、Si、Mn元素構(gòu)成的(FeMn)3SiAl15相,另外還含有少量的Cu(見圖4(b));元素面掃描結(jié)果表明,Al基體中僅有Si、Fe兩種元素發(fā)生明顯的偏聚(見圖4(c)和(d)),而Mn、Cu等元素分布較均勻(見圖4(e)和(f))。

        圖4 6013時效態(tài)樣品的典型SEM形貌及元素面掃描照片

        鋁合金中不同合金元素對陽極氧化效果的影響規(guī)律為[9]:當合金中含有Fe時,外觀件陽極氧化處理后的表面色澤會變壞;Si含量及其分布形態(tài)不同,會導(dǎo)致氧化膜呈灰鑄鐵色或近乎黑色;當Cu含量較少時,氧化膜呈綠色,隨著Cu含量增加,膜變薄,而色澤變深暗;Fe與Mn和Cr能形成難溶的化合物,F(xiàn)e與Si形成FeAl3和α-AlFeSi相,F(xiàn)e和Cr等雜質(zhì)將會產(chǎn)生料紋缺陷。由于在熔煉鑄造過程中將6013鋁合金板材中的Fe雜質(zhì)含量控制在較低的水平(實測質(zhì)量分數(shù)僅為0.13%,見表1),同時Si含量按照國標下限進行熔煉鑄造,因此板材中Fe、Si雜質(zhì)相的含量較低。而由于其他元素分布較均勻,這使得板材陽極氧化后的表面質(zhì)量較好,無明顯料紋、黑點、色差等缺陷。陽極氧化處理后的樣品經(jīng)客戶檢驗質(zhì)量合格,滿足了客戶要求。

        3 結(jié)論

        (1)當熱處理制度為570℃/40 min固溶+172℃/12 h時效時,合金力學(xué)性能最佳,其相應(yīng)的屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為330 MPa、389 MPa和18.5%。

        (2)合金的力學(xué)性能對時效前的停放時間敏感,當停放時間超過1 d后,力學(xué)性能下降明顯,繼續(xù)延長停放時間達到2 d以后,合金力學(xué)性能維持不變。

        (3)時效態(tài)合金中存在粗大的(FeMn)3SiAl15相,導(dǎo)致Fe、Si等雜質(zhì)相發(fā)生明顯偏聚。但Cu、Mn等合金元素在鋁基體中均勻分布,板材陽極氧化后的表面質(zhì)量較好,能滿足客戶需求。

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