淬火冷卻速率對6N01合金性能的影響研究

于金鳳，徐群峰

（叢林集團有限公司，山東 龍口 265705）

關鍵字：6N01合金；斷口掃描；淬火冷卻速率。

6N01合金因其具有良好的綜合性能，成為軌道交通用車體材常用選材之一。工業生產中，為提高生產效率，企業大都采用擠壓+在線淬火+人工時效的方式來獲得6N01合金所需求的性能，這種工藝被實踐證明是高效的。但是在生產時，此工藝也面臨挑戰，季節變化、設備因素等導致的溫度變化會導致6N01合金性能產生不同程度的波動。在前期停放對型材的性能影響的基礎上，本文單獨對固溶淬火冷卻速進行了探討，對比了不同冷卻強度型材的組織和力學性能變化，簡要闡述了淬火冷卻速率對型材性能的影響，對實際生產具有一定指導作用。

1 實驗方案

本文固溶淬火實驗材料截取自6N01合金的車體型材，壁厚3mm，合金成分符合GB/T3190-2008要求。取樣沿擠壓方向同一位置取樣。試樣采用530℃Х1.5h的固溶制度，固溶淬火完成后在不同環境下進行冷卻（見表1），待冷卻溫度低于50℃后，直接入爐進行165℃Х8h的人工時效。

金相試樣經磨制，使用HCl：HNO3：H2O=1:2:22的腐蝕液進行金相腐蝕，使用蔡司Observer.A1m光學顯微鏡進行金相觀察和測量，觀察倍數50×。硬度檢測使用美國英斯特朗CLB3布氏硬度計進行硬度測量。試驗力為62.5Kgf，壓頭直徑2.5mm，加載時間10s。使用日本島津產UHF300微機數顯式液壓萬能試驗機上進行硬度和力學性能試驗。使用德國蔡司產EVO18掃描電鏡進行金相觀察。

表1 實驗采用的冷卻方式

2 實驗結果與分析

2.1 固溶淬火型材金相

固溶完成后取樣進行金相檢測顯示，型材晶粒度差別不大，均在4級左右。取淬火時效后的試樣進行高倍金相觀察（500Х），見圖1。

資料[1]顯示，Al-Mg-Si合金中，Mg2Si的電極電位比其邊緣的Al基體負易腐蝕，在進行腐蝕時，Mg2Si相中的Mg會優先腐蝕使強化相表面出現蝕坑，金相觀察時出現光的散射呈現黑色。通過觀察黑色質點分布可一定程度反應強化相的析出和分布情況。觀察照片可見，不同冷卻強度的金相組織存在一定差異。水冷型材基體黑色質點密且最多，晶界部位出現異于基體的白色區域，并有斷續存在的黑色析出物；兩種空冷型材金相大體一致，存在細小致密析出質點，晶界較為明顯且連續，存在類似水冷的白色區域；爐冷型材金相可觀察到存在尺寸較大的彌散析黑色質點，晶界清晰并有黑色質點連續分布。

圖1 固溶淬火時效后金相照片

根據第二相和彌散相強化理論，析出的強化相數量、尺寸和分布會對合金形成不同程度的強化，依此判斷，水冷型材應具有最高的強度，空冷次之，爐冷最差，同時水冷型材中斷續分布的強化相有助于提高晶界延展性，提高整體塑性。

2.2 固溶淬火對性能的影響

試樣固溶完成后，進行不同形式的淬火，淬火強度曲線見圖2。試樣完成淬火后進行人工時效，檢測最終力學性能，繪制形成冷卻方式和強度/延伸率的關系曲線，見圖3。

圖2 淬火冷卻曲線

圖3 不同冷卻方式下的未拉伸試樣性能變化

由淬火冷卻曲線可見，水冷的冷卻速率最高，室外空冷次之，室內空冷再次，爐冷最慢。在淬火敏感區內，水冷冷卻速率最快，冷卻速率大于100℃/s；室外的冷卻速率約為1.3℃/s；室內的冷卻速率約為0.78℃/s；爐冷的冷卻速率小于0.3℃/s。

未拉伸實驗試樣的強度與淬火冷卻速率對應（圖2），隨著冷卻速率的下降而呈下降趨勢，水冷時強度最高，爐冷時最低。但延伸率未與冷卻速率對應，呈現先下降后微升的情況。其中，水冷比室外冷卻的型材強度高約20MPa左右；室外比室內冷卻的型材強度高約10MPa左右；爐冷處理的型材性能最差，屈服強度僅為水冷的一半。取相同處理的試樣加以5%的拉伸變形，性能見表2，型材整體強度升高，但是延伸率降低，強度升高趨勢的大小與未拉伸試樣基本一致，說明冷卻速率的升高對試樣強度提升有利。

表2 不同冷卻速率下型材的力學性能

整體而言，采用水冷淬火的試樣綜合力學性能最好。

2.3 固溶淬火型材斷口觀察

取拉伸后的試樣一側斷口，經處理后，進行斷口掃描，見圖4。

圖4 不同冷卻方式下的未拉伸試樣斷口形貌

斷口掃描照片顯示，四種不同處理的試樣斷口均呈現出一種微孔聚合韌性斷裂的形貌，即斷口均出現大量韌窩，但形態存在一定差異。1#試樣存在大而深的韌窩，斷口局部存在撕裂棱，塑性良好；2#試樣呈現明顯的晶界斷裂特征，斷裂界面存在小而淺的韌窩；3#試樣也呈現一定的沿晶斷裂情況，但不如2#端口那么明顯，韌窩更多且深度增加，塑性相對2#要好；4#試樣韌窩小而深，遍布整個斷口，呈現出較好的塑性形態。斷口形貌與力學檢測結果一致。

3 討論

6xxx合金是以Mg2Si相為主要強化相的鋁合金，時效析出β'相的尺寸、形態和分布對合金的最終性能起著決定作用。但是實際生產過程中影響最終析出相形態的因素很眾多，如合金成分、鑄棒均質、擠壓工藝、淬火工藝、拉伸以及時效等。其中，鋁合金淬火冷卻效果直接影響了后續時效，進而影響合金最終性能。

根據空位理論[2]，當晶體溫度升高時，原子的平均熱能加大，導致全局平均振幅加大，此時由于振動而能脫離金屬鍵結合的原子數量增大，空位濃度增大。根據等溫脫溶轉變原理可知，空位是GP區等時效前驅相的有效形核位置，提高時效前合金的空位濃度有助于形成更多細小彌散的強化相，提升合金的綜合性能，因此，提高冷卻速率進而“凍結”固溶時形成的空位成為提高合金性能的重要手段之一[3]。以本實驗型材為例，采用冷卻速率最快的水冷淬火型材取得了最好的綜合效果。

目前，擠壓生產企業使用的淬火方式中以在線水冷、風霧冷、風冷為主[4]，其中風冷成本低，易于實施進而使用廣泛。這些冷卻方式均不可避免的是冷卻介質溫度難以做到恒定控制，水溫或者空氣溫度會隨著季節呈現起伏波動，這就會造成淬火速率的增減，進而對型材性能產生影響，這也從一方面解釋了合金性能隨季節變化的原因，為此可通過冷卻介質的溫度控制和強度控制來確保型材性能穩定。

4 結論

通過開展淬火冷卻速度對型材的影響實驗，發現其對型材性能影響明顯，是造成6N01合金性能季節變化的原因之一，并得出：

（1）水冷型材強化彌散析出最好，晶界強化相斷續分布，斷口呈現大而深的韌窩和撕裂棱，具有最好的綜合力學性能；

（2）空冷型材析出相彌散，晶界強化相連續析出，斷口呈現明顯的晶界斷裂特征；

（3）爐冷型材析出相粗大，晶界連續且明顯，斷口呈現小而深的韌窩，綜合性能最差。