6016鋁合金熱處理工藝研究

張鈞萍，金慶生，馬鳴圖

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039）

6016鋁合金熱處理工藝研究

張鈞萍，金慶生，馬鳴圖

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039）

通過硬度測試、力學(xué)性能測試和烘烤硬化性能測試，研究了6016鋁合金冷軋板材的熱處理工藝，結(jié)果表明：合金的硬度隨著固溶溫度升高和固溶時間延長而增加；合金進(jìn)行預(yù)時效處理時，隨著預(yù)時效時間的增加硬度出現(xiàn)先降低后升高的現(xiàn)象，且預(yù)時效溫度越高，硬度下降值越大；在本試驗條件下，滿足覆蓋件性能要求的6016合金的熱處理工藝為：540℃×20 min固溶水淬+120℃×10 min預(yù)時效處理。

6016合金；固溶處理；預(yù)時效處理；烘烤硬化

1 前言

作為汽車輕量化材料的重要一員，鋁合金材料用于汽車的比重不斷增加。汽車中重量最大的部件是汽車車身，其重量為整個汽車重量的30%左右。用鋁合金材料來制造汽車車身板，要求材料既具有一定的強度性能，又具有良好的沖壓成形性能，還必須具有良好的抗凹性能。目前，用于汽車車身板的鋁合金主要有Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Mg-Si系合金。Al-Cu系合金和Al-Mg系合金為不可熱處理合金。Al-Cu系合金作為覆蓋件在烘烤時會發(fā)生軟化現(xiàn)象，不利于覆蓋件的抗凹性能，Al-Mg系合金在沖壓過程中的表面質(zhì)量差，而Al-Mg-Si系合金成形后既有烘烤硬化性能，又具有良好的表面質(zhì)量，因而是用作汽車覆蓋件的最佳鋁合金材料[1，2]。鋁合金用于汽車覆蓋件，除了能減輕覆蓋件的質(zhì)量之外，碰撞時還能減少對行人的傷害[3，4]。

可熱處理強化的6016鋁合金可用于制備汽車覆蓋件，該鋁合金板材在沖壓前具有較低的強度和較好的成形性，沖壓后進(jìn)行烘烤使屈服強度進(jìn)一步增加，從而使其制成的覆蓋件的抗凹性能增加。鋁合金板材在生產(chǎn)后到?jīng)_壓成為產(chǎn)品的過程中，會發(fā)生自然時效現(xiàn)象，該現(xiàn)象發(fā)生會使材料的強度增加，從而使沖壓成形性能降低，并使隨后烘烤時出現(xiàn)軟化現(xiàn)象[5，6]。一些研究表明，鋁合金板材經(jīng)固溶處理后，在一定溫度條件下立即進(jìn)行短時間的預(yù)時效處理，可以增加板材的抗時效穩(wěn)定性并提高板材的成形性能，成形后的烘烤硬化性能也能顯著提高[7～10]。本工作旨在研究6016鋁合金的熱處理工藝，通過研究板材的顯微硬度、力學(xué)性能和烘烤硬化性能，獲得性能優(yōu)異的熱處理工藝，為該鋁合金板材實際生產(chǎn)時熱處理工藝的制定提供依據(jù)。

2 試驗用材及方法

2.1 試驗材料制備

熔煉合金的原料為99.9%高純鋁、電解銅、工業(yè)純鎂、工業(yè)純鋅以及Al-5%Ti-0.2%C等中間合金，上述原料以一定順序在20 t熔煉爐中熔煉后澆注為寬1 450 mm、厚500 mm的鑄坯。鑄坯的化學(xué)成分見表1。鑄坯經(jīng)均勻化處理和去頭尾、切邊處理后，進(jìn)行熱軋，熱軋終軋板坯的厚度為4.5 mm。熱軋板再結(jié)晶退火后進(jìn)行冷軋，冷軋板厚度從4.5 mm軋制到1 mm。冷軋后將板材開卷較平，然后進(jìn)行熱處理工藝試驗。

表1 合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of alloys%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2.2 固溶工藝探索

固溶處理工藝探索采用邊長為15 mm的方形試樣，固溶淬火方式為室溫水淬（溫度25℃）。試樣淬火后室溫停留不超過5 min，進(jìn)行人工預(yù)時效處理。熱處理后測試試樣顯微硬度，獲得不同固溶工藝的硬度分布。

制定熱處理工藝時，考慮到實際的成本及生產(chǎn)效率等因素，固溶的溫度和時間不宜過長，因此本工作選取的固溶溫度為540℃和520℃，固溶時間分別為5 min、10 min、15 min、20 min和30 min。固溶處理后進(jìn)行預(yù)時效處理，預(yù)時效溫度分別為80℃、100℃和170℃，預(yù)時效時間分別為0 min、10 min、30 min以及50 min。根據(jù)預(yù)時效處理后試樣的硬度分布來確定適當(dāng)?shù)墓倘芄に嚒?/p>

2.3 預(yù)時效工藝探索

采用邊長為15 mm方形試樣在確定的工藝條件下固溶處理，水淬后停留時間不超過5 min，進(jìn)行預(yù)時效處理。短時預(yù)時效可以有效提高板材的抗時效敏感性，并增加成形后的烘烤硬化能力。本工作選取的預(yù)時效溫度為60℃、80℃、100℃、120℃、140℃和170℃，時效時間為0 min（即T4態(tài)）、5 min、10 min和30 min。預(yù)時效處理后分別測試預(yù)時效試樣和預(yù)時效+170℃×30 min烘烤試樣的顯微硬度。根據(jù)顯微硬度結(jié)果，確定較優(yōu)的預(yù)時效工藝。

2.4 性能測試

熱處理試樣進(jìn)行顯微硬度測試時均使用自凝牙托粉、牙托水進(jìn)行冷鑲。顯微硬度測試設(shè)備為HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計，加載載荷為0.5 kg，加載時間10 s，保壓時間20 s。

根據(jù)確定的熱處理工藝對A80試樣（試樣的取樣方向與軋制方向一致）進(jìn)行熱處理，按照GB/T 228.1—2010金屬材料拉伸試驗方法規(guī)定，在SANS CMT5305拉伸試驗機上測試試樣的力學(xué)性能，按照GB/T 5027—2007和GB/T 5028—2008分別測試試樣的加工硬化指數(shù)n和塑性應(yīng)變比r。

試樣在拉伸機上沿軋向進(jìn)行2%預(yù)變形，獲得2%預(yù)變形時的強度，隨后將2%預(yù)變形拉伸試樣在170℃烘烤30 min。烘烤后，進(jìn)行拉伸試驗，按照BS EN 10325—2006測試熱處理試樣的烘烤硬化性能。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 固溶工藝的確定

冷軋板經(jīng)不同固溶工藝處理+不同的預(yù)時效工藝熱處理后獲得的硬度分布結(jié)果如圖1～圖3所示。圖中T4表示自然時效狀態(tài)，PAG表示預(yù)時效。圖1所示為合金不同條件下固溶+80℃預(yù)時效后的硬度分布，從圖中可以看出，當(dāng)固溶溫度從520℃增加到540℃時，試樣的顯微硬度顯著增加；在固溶處理初期隨著固溶時間增加，試樣的顯微硬度顯著增加，當(dāng)固溶時間增加到一定程度時，試樣的顯微硬度接近峰值而趨于穩(wěn)定。這是由于在固溶初期，固溶溫度或者固溶時間的增加使合金中強化元素在α-Al基體中的溶解程度增加，水淬后基體中的溶質(zhì)原子過飽和度增大，從而使試樣的顯微硬度增加。當(dāng)固溶溫度一定時，增加固溶時間，基體中溶質(zhì)的固溶度達(dá)到一定程度后便不再增加，所以試樣的顯微硬度在固溶一段時間后達(dá)到峰值。

圖1 合金不同條件下固溶+80℃預(yù)時效后的硬度分布Fig.1 Hardness of alloys after different solution and 80℃pre-aging processes

圖2和圖3所示為合金不同條件下固溶后在100℃和170℃預(yù)時效后的硬度分布，其硬度變化規(guī)律與80℃預(yù)時效后的規(guī)律一致，即顯微硬度隨著固溶溫度升高以及固溶時間的增加而增加，但試樣的顯微硬度在一定時間固溶后達(dá)到峰值。比較3個不同的預(yù)時效硬度分布可知，試樣的硬度值均在20 min固溶后達(dá)到峰值。固溶溫度升高有利于增加基體的過飽和度，使基體中溶質(zhì)原子濃度增大，基體抵抗局部變形能力提高，更有利于變形均勻[11，12]。因此綜合考慮確定本合金的合適的固溶工藝為540℃×20 min。

圖2 合金不同條件下固溶+100℃預(yù)時效后的硬度分布Fig.2 Hardness of alloys after different solution and 100℃pre-aging processes

圖3 合金不同條件下固溶+170℃預(yù)時效后的硬度分布Fig.3 Hardness of alloys after different solution and 170℃pre-aging processes

3.2 預(yù)時效工藝的確定

合金在540℃×20 min條件下固溶水淬后，分別在60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、170℃進(jìn)行5 min、10 min和30 min的短時預(yù)時效處理，其硬度分布如圖4所示。當(dāng)合金在60～170℃進(jìn)行短時預(yù)時效時，均出現(xiàn)硬度明顯低于原始T4態(tài)合金板材硬度的現(xiàn)象，即發(fā)生回歸現(xiàn)象，且其硬度值降低隨預(yù)時效溫度升高而增加，在較低溫度條件下短時保溫時，硬度的下降量很小，在較高溫度條件下保溫時，硬度的下降量增大，最大下降量約12 HV。

預(yù)時效初期發(fā)生合金的硬度降低現(xiàn)象，預(yù)時效時間約5～10 min時，硬度達(dá)到最小值（除60℃預(yù)時效外），隨后合金的硬度隨著預(yù)時效時間增加而增加，尤其是在170℃時，當(dāng)合金的硬度達(dá)到最小值后，隨著預(yù)時效時間的增加，合金的硬度顯著增加。

圖4 合金不同工藝預(yù)時效后的硬度分布Fig.4 Hardness of alloys after different pre-aging processes

合金不同工藝預(yù)時效+170℃×30 min烘烤后的硬度分布如圖5所示。合金在60℃時預(yù)時效的硬度值隨著預(yù)時效的時間增加而降低。這一現(xiàn)象與預(yù)時效溫度有關(guān)，當(dāng)預(yù)時效溫度過低時，預(yù)時效時過飽和基本中析出少量的溶質(zhì)元素，由于溶質(zhì)元素析出的量少，其析出強化效果低于固溶強化效果，引起合金軟化，所以合金在60℃預(yù)時效的硬度降低，由于預(yù)時效過程沒有形成一定尺寸和數(shù)量的原子集團(tuán)（為β″形成的核心），所以在預(yù)時效后的烘烤過程中沒有形成使合金硬度增加的β″相，反而溶解了預(yù)時效過程中析出的尺寸較小原子集團(tuán)而導(dǎo)致硬度下降。其他預(yù)時效溫度條件下，隨著預(yù)時效時間增加，T4P合金烘烤后的硬度增加。在較低溫度條件下，包括80℃、100℃和120℃，合金預(yù)時效10 min后達(dá)到峰值硬度，而當(dāng)溫度升高到140℃和170℃時，預(yù)時效增加，合金的硬度不斷增加。

圖5 合金不同工藝預(yù)時效+170℃×30min烘烤后的硬度分布Fig.5 Hardness of alloys after different pre-aging processes and 170℃×30 min baking

鋁合金板材用于汽車覆蓋件時，在沖壓前要求板材具有良好的成形性，強度不能太高，而成形后要有良好的烤漆硬化能力。根據(jù)合金預(yù)時效和烘烤硬化的硬度分布結(jié)果可以看出，在120℃進(jìn)行10 min預(yù)時效時，合金的硬度很低，而隨后170℃×30 min烘烤后，合金的烘烤硬化效果最好，與其他預(yù)時效工藝相比，該工藝熱處理的板材最能符合制備覆蓋件的要求。因此確定適合合金的預(yù)時效工藝為120℃×10 min。

3.3 力學(xué)性能及烘烤硬化性能

沿板材軋制方向制備A80拉伸試樣，將試樣在540℃×20 min條件下固溶水淬后，進(jìn)行120℃×10 min預(yù)時效處理，合金熱處理后的拉伸結(jié)果如表2所示。合金熱處理后的屈服強度較低，屈強比為0.48，斷后延伸率為23%。合金的n值較高，有利于板材在沖壓過程中的均勻變形，r值較高，有利于板材沖壓時厚度方向的穩(wěn)定。T4P合金2%預(yù)變形后的強度及2%預(yù)變形+烘烤后的屈服強度如表3所示。材料預(yù)變形并烘烤后，其強度顯著增加，烘烤硬化值也顯著增加。

表2 合金預(yù)處理后的力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of alloy after pre-treatment

表3 合金的烘烤硬化性能Table 3 Baking hardening property of alloy

拉伸試驗和烘烤硬化處理的結(jié)果表明，合金經(jīng)確定的熱處理工藝，即540℃×20 min固溶水淬+120℃×10 min預(yù)時效熱處理后，其成形性能良好，2%預(yù)變形+170℃×30 min烘烤結(jié)果表明，試樣的屈服強度顯著增加，即試樣的烘烤硬化性能良好，有利于覆蓋件的抗凹性能提高，因此，6016冷軋板采用本工作的工藝熱處理后，其成形性能、烘烤硬化性能均能滿足制備覆蓋件的要求。

4 結(jié)語

1）6016 合金的硬度隨著固溶溫度升高和固溶時間延長而增加。

2）6016 合金進(jìn)行預(yù)時效處理時，隨著預(yù)時效時間的增加硬度出現(xiàn)先降低后升高的現(xiàn)象，且預(yù)時效溫度越高，硬度下降值越大。

3）滿足覆蓋件性能要求的6016合金的熱處理工藝為：540℃×20 min固溶水淬+120℃×10 min預(yù)時效處理。

[1]Hirth S M，Marshall G J，Court S A，et al.Effects of Si on the aging behavior and formability of aluminum alloys based on AA6016[J].Materials Science and Engineering A，2001，319-321：452-456.

[2]Miller W S，Zhuang L，Bottema J，et al.Recent development in aluminum alloys for the automotive industry[J].Materials Science and Engineering A，2000，280（1）：37-49.

[3]Ma Mingtu，You Jianghai，Lu Hongzhou，et al.Research progress of aluminum-alloy automotive sheet and application technology[J].Engineering Science，2012，10（4）：29-34.

[4]馬鳴圖，游江海，路洪州，等.鋁合金汽車板材性能及其應(yīng)用[J].中國工程科學(xué)，2010，12（9）：4-20.

[5]Mori K，Maki S，Ishiguro M.Improvement of product strength and formability in stamping of Al-Mg-Si alloy sheets having bake hardenability by resistance heat and artificial aging treatments[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46（15）：1966-1971.

[6]Wang Zhongjin，Li Yi，Liu Jianguang，et al.Evaluation of forming limit in viscous pressure forming of automotive aluminum alloy 6k21-T4 sheet[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2007，17（6）：1169-1174.

[7]Quainoo G K，Yannacopoulos S.The effect of cold work on the precipitation kinetics of AA6111 aluminium[J].Journal of Materials Science，2004，39：6495-6502.

[8]Chakrabarti D J，Laughlin D E.Phase relations and precipitation in Al-Mg-Si alloys with Cu additions[J].Progress in Materials Science，2004，49（3-4）：389-410.

[9]Buha J，Lumley R N，Crosky A G，et al.Secondary precipitation in an Al-Mg-Si-Cu alloy[J].Acta Materialia，2007，55（9）：3015-3024.

[10]馬鳴圖，游江海，路洪州，等.汽車變形鋁合金板材的預(yù)處理工藝：中國，200910103136.4[P].2009-07.

[11]田 妮，趙 剛，劉春明，等.固溶處理對Al-1.5Si-1.2Mg-0.6Cu-0.3Mn鋁合金組織性能的影響[J].材料與冶金學(xué)報，2007，6（1）：50-54.

[12]徐傳波，紀(jì)艷麗，潘琰峰，等.固溶溫度對Al-1.21Si-0.46Mg-0.35Cu-0.06Mn鋁合金組織性能的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2008，36（3）：45-47.

Research on heat treatment process of 6016 aluminum alloy

Zhang Junping，Jin Qingsheng，Ma Mingtu
（China Automotive Engineering Research Institute Co.Ltd.，Chongqing 400039，China）

Research on heat treatment process of 6016 aluminum alloy has been carried out by means of hardness measurement，mechanical properties test and bake-hardening property test.The results indicate that hardness of alloy increases with the rise of solution temperature and solution time increase.The hardness of alloy initially decreases and then increases with pre-aging time increase when pre-aging.The higher the temperature of pre-aging，the bigger the decrease value of hardness will be.The heat treatment process of 6016 alloy satisfying the demand of outer panel property is：540℃×20 min solution treatment+120℃×10 min preaging.

6016 alloy；solution treatment；pre-aging treatment；bake-hardening

TG146.2

A

1009-1742（2014）01-0103-05

2013-10-16

國家科技支撐計劃子課題（2011BAG03B0502）

張鈞萍，1987年出生，男，四川南充市人，工程師，碩士，主要從事汽車材料方面的研究；E-mail：zwwjp@163.com