6061鋁合金擠壓型材性能影響因素分析

趙芳 胡皓 榮偉 陸宏韜 劉旭東

摘要：針對實際生產中T6狀態下6061鋁合金擠壓型材性能不合格的現象，研究了成分、組織與固溶制度對真性能的影響規律。結果表明，影響6061鋁合金擠壓型材性能的因素主要是元素配比及合金固溶程度。當合金中Mg過剩時，雖能提高型材抗蝕性，但強度及墊性也隨之下降。當固溶溫度為510℃，隨著固溶時間的延長，第二相在基體中的溶解度升高;

當固溶時間為45min時，隨著固溶體溫度的升高，力學性能呈現上升趨勢，當固溶溫度達到480℃時，合金強度明顯提高。當固溶時間為45min，隨著固溶溫度的提高，T6狀態下6061鋁合金擠壓型材的強度總體呈現逐漸提高的趨勢，而伸長率和電導率變化不明顯.

關鍵詞：6061鋁合金;性能;電導率;固溶溫度

中圖分類號：TG 146文獻標志碼：A

汽車作為現代交通行業的一種重要交通工具，其使用范圍愈來愈廣。鋁合金作為汽車輕量化材料的重要基材，其用于汽車制造業中的比重也逐漸增加，用鋁合金制造的汽車車身板，要求材料具有一定的強度、良好的沖壓成形性能和抗凹性能，A1-Mg-Si系合金成形后既有良好的烘烤硬化性能，同時還具有優良的表面質量，是汽車產品覆蓋件的最佳鋁合金材料。

6061鋁合金屬于典型的6xxx系A1-Mg-Si系鋁合金，其具有良好的中等強度、塑性和可焊性能，可用于生產建筑業大型材料、對強度和腐蝕要求較高的結構件及汽車車體結構等。在實際應用過程中，需要該合金達到一定的強度，但在實際擠壓過程中，往往出現硬度低、自然時效或人工時效后力學性能不能滿足標準的現象，因此，本文選取一種6061鋁合金擠壓型材，分別從化學成分和固溶制度兩方面分析造成該合金性能不滿足標準的原因。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

本試驗選取材料為6061鋁合金擠壓型材，其壁厚為3mm，型材截面圖如圖1所示。本型材為6061鋁合金鑄錠通過擠壓工藝制備。擠壓工藝參數如表1所示。

1.2 試驗過程及方法

6061鋁合金擠壓型材屬于一種常見汽車零部件材料，性能標準按照GB/T6892-2015執行，具體力學性能要求見表2。通過以往的實際生產發現，部分型材性能低于該標準，因此通過本試驗研究影響6061鋁合金擠壓型材性能的因素。

根據以往經驗及實際擠壓生產情況可知，影響6061鋁合金擠壓型材性能的因素主要有合金成分、擠壓型材中組織過燒、強化相的尺寸和淬火充分性等。本文主要從影響6061鋁合金擠壓型材性能的因素進行分析，得到影響其性能的主要因素。

常溫力學性能在AG-X 100kN電子萬能試驗機上進行測試，所有拉伸試樣均平行于擠壓方向截取;電導率測試采用SMP-10渦流電導率儀。

2 試驗結果及分析

2.1合金成分對6061鋁合金擠壓型材性能的影響

試驗選取力學性能檢測分別為合格與不合格的兩種6061鋁合金擠壓型材產品，分別進行成分檢測，檢測結果如表3所示。從表3中的數據可以看出，無論型材力學性能是否合格，其化學成分均符合國標，但不合格型材中Mg與Si的比值大于合格型材中Mg與Si的比值，這說明不合格產品中存在較多的Mg，當Mg過剩時，合金的抗蝕性提高，但強度與成形性能降低。因此，Mg過剩的6061鋁合金擠壓型材，通常會出現力學性能不合格的現象。

2.2 6061鋁合金擠壓型材顯微組織與力學性能的關系

為了探究6061鋁合金擠壓型材顯微組織與性能的關系，分別對力學性能合格和不合格的兩種型材進行顯微組織觀察，如圖2所示。對比圖2（a）和2（b）可以發現，性能合格型材第二相細小均勻，而不合格型材組織中含有大尺寸第二相。對不合格型材進行掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）及能譜分析（energy dispersive X-ray analysis，EDS），結果如圖3所示。圖3（a）中l#位置為基體，主要元素為A41，并含有少量的Mg和Si，這與6xxx系鋁合金基體為A1相符，基體中固溶少量的Mg和Si。圖3（a）中2#位置為基體上的黑色相，通過EDS分析發現，主要含有A1，Mg和Si。結合表3中不合格型材的Mg與Si的質量比1.39可以推斷，該型材中含有過量Mg，判斷該相為Mg₂Si相。對比圖2中合格型材與不合格型材高倍組織發現，粗大的Mg₂Si相的存在往往會造成型材力學性能的不合格。

由圖2中合格型材與不合格型材顯微組織對比發現，不合格型材中往往含有粗大第二相組織，組織形狀尖銳，分布不均勻，造成擠壓型材力學性能不符合標準。為探究影響型材固溶程度的因素，分析粗大第二相對合金固溶程度的影響，對型材進行不同制度的固溶處理，分析固溶溫度及保溫時間對型材力學性能的影響。試驗結果如表4和表5所示，其中序號1為不合格型材，序號2為合格型材。

表4為不同固溶制度下T4狀態下的6061鋁合金擠壓型材的力學性能。由表4可知，固溶溫度為510℃，隨著固溶時間的延長，T4狀態下型材的強度均逐漸提高，而伸長率和電導率呈現逐漸降低的趨勢。當固溶時間為45min，隨著固溶溫度的升高，型材的強度均呈現先降低后提高的趨勢（固溶溫度≦450℃時，變化趨勢不大，固溶溫度>450℃時，明顯提高），而伸長率呈現先增大后減小的趨勢，電導率呈現逐漸降低的趨勢，但變化趨勢不明顯。這是因為在450℃以下，型材未達到再結晶溫度，相當于高溫退火，力學性能明顯降低。對于6xxx系鋁合金而言，固溶處理的目的是在保證型材不過燒的前提下，使合金中的粗大第二相溶入基體中，提高溶質原子在基體中的固溶度，便于后續時效過程中盡可能地析出細小均勻第二相，從而達到強化的目的。金屬的電阻率與電子的平均自由程有關，對電導率影響最大的是固溶體的固溶度。當固溶溫度為510℃時，隨著固溶時間的延長，第二相在基體中的溶解度升高;當固溶時間為45mim隨著固溶體溫度的升高，合金強度雖呈現波動，但當固溶溫度達到480℃時，合金強度明顯提高，這是由于合金中的粗大第二相也盡可能地溶入到基體中，減少對基體的割裂，從而使強度逐漸增加;另一方面，隨著固溶溫度的升高和固溶時間的延長，溶質原子的過飽和程度增大，基體畸變程度也逐漸增大，基體點陣中電子散射源的數量和密度也隨之增加，使電子受散射的幾率增大，電子的平均自由程減小，合金的電導率降低。

表5為不同固溶制度下6061鋁合金擠壓型材經175℃x8h峰值時效后T6狀態下的力學性能。由表5可知，固溶溫度為510℃時，固溶時間由0延長至20min時，屈服強度變化不明顯，當固溶時間延長至40min時，不合格型材抗拉強度提高較為明顯;當固溶時間為0min時，合格型材的抗拉強度明顯高于不合格型材，隨著固溶時間的延長，型材的抗拉強度逐漸接近;伸長率和電導率的變化都不明顯。當固溶時間為45min，隨著固溶溫度的升高，T6狀態下6061鋁合金擠壓型材的抗拉強度總體呈現逐漸提高的趨勢，而伸長率和電導率則呈現波動趨勢。A1-Mg-Si合金是典型的時效硬化合金，目前主要的觀點認為過渡相β″或β′使合金達到最大強化階段;但也有研究表明，6061鋁合金時效過程中的GP區使鋁合金的強度達到最大值。當固溶溫度為510℃，隨著固溶時間的延長，第二相在基體中的溶解度升高，較短時間內粗大第二相并沒有過多溶入基體中，當時間為40min時，較多的第二相溶入基體中，在隨后的時效過程中，析出第二相粒子，在晶面上偏聚，形成GP區，與基體保持共格關系，強度顯著提高;當固溶時間為45min時，隨著固溶溫度的升高，合金中的粗大第二相也盡可能地溶入到基體中，減少對基體的割裂，在隨后的時效過程中，析出細小均勻的第二相，從而使強度逐漸提高;另一方面，無論是固溶時間的延長，還是固溶溫度的升高，當峰值時效結束后，固溶體的分解基本完成，合金的電導率也相對穩定，變化趨勢不大。

3結論

本文通過對6061鋁合金擠壓型材性能不合格的試驗研究發現：

（1）影響6061鋁合金擠壓型材性能不合格的原因包括合金成分配比的不合理性及固溶程度不足。

（2）選擇合理的固溶溫度及時間，可以使粗大第二相盡可能地溶入到基體中，在隨后的時效過程中析出細小均勻第二相，提高型材強度。