代自瑩，謝方亮，馬龍飛，吳 楠，馮艷飛

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽 111003）

0 前言

近年來，隨著國防軍工、軌道交通、航空航天等高端技術(shù)領(lǐng)域?qū)︿X合金擠壓型材需求的增加，對其性能也提出了更高的要求[1-2]。而軌道交通及車輛提出的高速、安全、節(jié)能、舒適、環(huán)保等要求，是國內(nèi)現(xiàn)代化建設(shè)面臨的重大課題之一[3]。以6005A鋁合金為代表的Al-Mg-Si系鋁合金，因具有中等強度、良好的焊接性和擠壓成型性，尤其可以擠壓出斷面形狀復(fù)雜的不同厚度的薄壁空心型材，已被廣泛地應(yīng)用于軌道交通及車輛的制造中[4]。目前，6005A鋁合金的各項研究已經(jīng)被廣泛報道[5-9]，但多數(shù)集中在擠壓性能、焊接性能和腐蝕性能等方面，在時效工藝方面的研究卻較少，雙級時效工藝更是鮮有報道。本文采用顯微組織觀察和力學(xué)性能測試等手段，研究了不同雙級時效處理對6005A鋁合金組織、硬度及抗拉力學(xué)性能的影響，以便為6005A鋁合金的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用半連續(xù)鑄造方法，生產(chǎn)出規(guī)格為?254 mm×5 300 mm的6005A鋁合金鑄錠，經(jīng)車皮后直徑為248 mm，其主要化學(xué)成分如表1所示。主要合金元素為Mg、Si，微量合金元素Cu、Mn、Cr、Ti、Zn及少量雜質(zhì)元素Fe。

表1 6005A合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗方法

將6005A鋁合金鑄錠進(jìn)行570℃×10 h均勻化熱處理，并將均質(zhì)后的鑄錠鋸切，采用3 150 t擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓。擠壓型材形狀為不同壁厚的三腔體“品”字形空管，“品”字形空管壁厚分別為1.5 mm、2.5 mm和3.5 mm。擠壓工藝為：鑄錠加熱溫度465～495℃，擠壓速度3.5～4.5 m/min，淬火前溫度≥485℃，采用水罐淬火。將“品”字形空管鋸切成6段，每段長度為200 mm，然后分別進(jìn)行雙級時效處理。對應(yīng)雙級時效工藝編號依次為1#、2#、3#、4#、5#和6#，如表2所示。待時效結(jié)束后，在不同時效處理后的“品”字形空管每個壁厚對應(yīng)的相同位置截取、加工3個標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸檢測。在壁厚1.5 mm相同位置各截取2個10 mm×10 mm薄片，分別用作顯微組織和維氏硬度試樣。顯微組織試樣經(jīng)過磨制、拋光后，用Keller腐蝕液（1% HF、1.5% HCl、2.5% HNO3、95% H2O，體積分?jǐn)?shù)）進(jìn)行腐蝕然后吹干，用加載1 kg、10 s載荷的FV-810型維氏硬度計進(jìn)行硬度測量，實測打5個點，求其平均值作為維氏硬度值。采用ZX-LX-004電子萬能試驗機(jī)，室溫施加載荷100 kN。為保證拉伸力學(xué)測試的真實性，取其平均值作為各壁厚的抗拉力學(xué)性能。

表2 時效工藝制定

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 雙級時效工藝對6005A鋁合金組織的影響

圖1為不同雙級時效工藝處理后試樣的金相顯微組織。從圖1（a）中可知，6005A擠壓態(tài)合金組織除固溶體基體外，還包括含Cr和Mn元素的較粗大的相和Mg2Si平衡相。擠壓態(tài)鋁合金經(jīng)過不同雙級時效處理后，其顯微組織基本均保持著沿擠壓方向分布的狀態(tài)，原粗大的析出相盡可能地溶入到基體中，大大提高了溶質(zhì)原子在基體中的固溶度，進(jìn)而增強了時效過程中強化相的相變驅(qū)動力，以便時效過程盡可能沉淀更多的細(xì)小沉淀相，最終達(dá)到合金強化的目的。結(jié)合圖2不同雙級時效過程的SEM組織可知，在不同時效處理中，180℃×3 h+205℃×1.5 h（3#）下的Mg2Si相、初生相及其沉淀相最為均勻、細(xì)小、彌散分布。有研究表明Al-Mg-Si合金沿擠壓方向存在有大量拉長的纖維狀組織，這是由于擠壓形成了大量位錯及位錯纏結(jié)，這些位錯的存在為時效處理過程中強化粒子的析出提供了更多有利的形核質(zhì)點[10]。另外，對雙級時效過程中沉淀相的析出及作用機(jī)理進(jìn)行的研究結(jié)果表明，Al-Mg-Si合金雙級時效第二級時效第一峰的硬化效果主要由細(xì)小均勻的GP區(qū)貢獻(xiàn)，而第二峰的硬化效果則是歸因于晶內(nèi)細(xì)小的β'相與較粗大的GP區(qū)的共同作用，后者的共同強化效果要優(yōu)于前者[11]。固溶體基本上沿[100]和[010]方向析出大量的彌散針狀相，且β''相與基體共格，位錯與此粒子的作用主要是由切割機(jī)制造成的，且與粒子的大小和數(shù)量相關(guān)[12]。這說明采用180℃×3 h+205℃×1.5 h（3#）雙級時效制度進(jìn)行處理時的β''相大小和數(shù)量最佳。

圖1 不同雙級時效工藝處理后試樣的金相顯微組織

圖2 不同雙級時效后的SEM組織

2.2 雙級時效工藝對6005A鋁合金力學(xué)性能的影響

圖3為6005A鋁合金經(jīng)不同雙級時效工藝處理后的維氏硬度測試值。從圖中可以看出，6005A鋁合金經(jīng)過1#、2#、3#、4#、5#、6#編號雙級時效處理后的維氏硬度值依次為72.4 HV、105.1 HV、108.7 HV、106.3 HV、101.8 HV和99.5 HV，180℃×3 h+205℃×1.5 h（3#）時效處理后的試樣維氏硬度最大，180℃×2 h+205℃×4.5 h（6#）時效處理后的試樣維氏硬度最小。這主要與時效過程中沉淀相的數(shù)量及細(xì)小彌散分布有關(guān)。

圖3 不同雙級時效處理后的硬度測試值

圖4為不同壁厚試樣在不同雙級時效工藝處理后的常溫力學(xué)拉伸試驗結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)二級時效一定時（205℃×1.5 h），一級時效溫度為180℃時，隨一級時效時間延長（2 h、3 h和4 h），合金的維氏硬度和強度呈先增加后減小趨勢，3 h時效的效果較好；當(dāng)一級時效一定時（180℃×2 h），隨著二級時效時間的延長（1.5 h、3 h和4.5 h），合金的維氏硬度和強度呈減小趨勢。綜合比較，180℃×3 h+205℃×1.5 h雙級時效的微觀組織和力學(xué)性能最佳。即，在此時效制度下，各壁厚（1.5 mm、2.5 mm和3.5 mm）“品”字形空管的屈服強度、抗拉強度和延伸率均達(dá)到最佳，且拉伸力學(xué)性能隨著壁厚的增加也更好。從鋁合金的強韌化機(jī)理分析，這主要歸因于其時效強度受到晶粒細(xì)化、固溶強化以及第二相沉淀彌散強化的影響[13]。6005A鋁合金擠壓型材的強度主要受制于合金元素的固溶強化以及第二相沉淀彌散強化的共同作用，彌散強化與第二相的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)，且第二相呈細(xì)小均勻等軸狀分布時，強化效果較好[14-15]。

圖4 不同壁厚試樣在不同雙級時效工藝處理后的力學(xué)性能變化

3 結(jié)論

（1）在不同雙級時效工藝過程中，經(jīng)180℃×3 h+205℃×1.5 h時效處理后，合金中的Mg2Si相及其他沉淀相最為細(xì)小，且分布最為均勻、彌散。

（2）經(jīng)180℃×3 h+205℃×1.5 h時效處理后，試樣的力學(xué)性能最佳，其中管壁厚為1.5 mm試樣的維氏硬度、屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為108.7 HV、268.4 MPa、299.3 MPa和12.8%。