6061鋁型材雙級時效工藝的研究

姜 珊，李宏常，楊俊林，趙鈺鋒，王 爽

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

6061 鋁合金由于具有中等強度和良好的可焊性、耐蝕性，被廣泛應用在工業(yè)、汽車及船舶等領域[1]。隨著汽車等行業(yè)的迅猛發(fā)展，越來越多的產(chǎn)品對6061型材的力學性能提出更高要求。時效處理是提高鋁合金力學性能和改善理化性能的重要手段，傳統(tǒng)的6061鋁型材采用單級時效制度175 ℃×8 h能達到良好的力學性能，但保溫時間較長，能耗較高。本課題主要研究了6061 鋁型材的雙級時效工藝，采用幾組不同的雙級時效制度，對比型材的力學性能、電導率及晶間腐蝕情況，探求提高型材性能且減少能耗、縮短生產(chǎn)周期的時效工藝，為6061鋁型材高效節(jié)能生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 試驗材料和方法

試驗所用材料為我公司生產(chǎn)的兩種6061 鋁合金擠壓型材，將其分別在3 600 t、880 t臥式油壓擠壓機上生產(chǎn)，型材及擠壓相關參數(shù)見表1。

表1 型材及擠壓相關參數(shù)

擠壓完成后，將兩種斷面各取10個300 mm 試樣進行時效處理。為保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，每種斷面同一時效制度取2個試樣進行試驗，試樣編號及時效制度見表2。本試驗中的雙級時效處理步驟為：先進行一級時效（預時效），之后立即隨爐升溫至二級時效溫度進行最終時效。根據(jù)相關經(jīng)驗及文獻資料，制定了4種雙級時效制度，并與峰值時效進行對比。為排除停放效應對試驗結(jié)果的影響，試樣停放不到12 h即進行時效處理。完成時效處理后分別進行力學、電導率和晶間腐蝕試驗，分析兩種型號在5組時效制度下的各項性能情況。

表2 試樣時效清單

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 雙級時效對6061鋁型材力學性能的影響

不同時效制度下兩種斷面的力學性能如圖1所示。該圖是取同一時效制度下2個力學試樣的平均值作圖而成。A、B 兩種型材在5 種時效制度下的力學性能均高于國標要求。

由圖1 可知，A 型材隨著預時效溫度的升高，力學性能呈先升高后降低的趨勢。其中170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 制度下試樣的綜合力學性能最好，抗拉強度為283 MPa，屈服強度為265.5 MPa，斷后拉伸率為8%，強度高于單級時效制度，斷后伸長率略低。B型材力學性能整體趨勢與A型材相同，在預時效溫度為150 ℃、160 ℃和170 ℃時抗拉強度和屈服強度相近，均超過175 ℃×8 h 時效制度時的強度。其中170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h制度下強度最高。預時效溫度為180 ℃時抗拉強度和屈服強度下降較多，均低于單級時效。4組雙級時效工藝中，170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 制度下合金的綜合力學最好。

圖1 不同時效制度下6061合金的力學性能

雙級時效由預時效和最終時效兩個階段組成。預時效處理溫度較低，合金中形成高密度的GP區(qū)，當其尺寸達到一定值時成為隨后時效脫溶相的核心，從而提高了組織的均勻性。在第二階段中，隨著溫度的升高，GP 區(qū)轉(zhuǎn)化為過渡相，過渡相密度不斷提高，使基體內(nèi)產(chǎn)生大量畸變區(qū)，從而對位錯運動的阻礙作用不斷加大，使合金強度增大。本試驗中二級時效均為210 ℃×1.5 h。通過調(diào)整預時效溫度改變脫溶相的結(jié)構(gòu)和彌散度，使過渡相與基體仍舊保持共格關系，以考察不同雙級時效制度對6061合金性能的影響。

試驗結(jié)果說明，當預時效溫度為170 ℃時，在最終時效階段θ'過渡相出現(xiàn)，合金達到強度峰值，未出現(xiàn)過時效現(xiàn)象；當預時效溫度升到180 ℃時，組織中存在過渡相θ'和穩(wěn)定相θ，致使型材性能有下降趨勢。

綜上可知，4種雙級時效制度中170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h處理后型材力學性能最好，抗拉強度及屈服強度均高于175 ℃×8 h，且斷后伸長率與峰值時效較為接近。

2.2 雙級時效對6061鋁型材電導率的影響

根據(jù)同一時效制度下2個試樣的電導率平均值繪制的電導率曲線如圖2 所示。A、B 型材的電導率均在180 ℃×1.5 h+200 ℃×1.5 h時最高，隨著預時效溫度由150 ℃升到180 ℃，電導率逐步升高。

A 型材峰值時效后電導率為27.97 MS/m，180 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 時效后電導率為28.14 MS/m。B型材180 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 時效后電導率為27.5 MS/m；預時效溫度為170 ℃時電導率略小，為27 MS/m。一般來說，合金的電導率越高，抗晶間腐蝕性能越好[2-3]。可見，與單級峰值時效相比，6061 合金經(jīng)180 ℃×1.5 h+200 ℃×1.5 h 雙級時效處理后電導率更好，抗晶間腐蝕性能更強。

圖2 不同時效制度下6061合金的電導率

2.3 雙級時效對6061鋁型材晶間腐蝕性能的影響

圖3為A型材的金相顯微組織。由圖可知，組織未過燒。圖4為A型材試樣的晶間腐蝕形貌。從圖4（e）可知，峰值時效狀態(tài)下合金的晶間腐蝕嚴重，表層晶粒之間脫離，部分晶粒從表面脫落。經(jīng)測量，腐蝕深度為0.244 mm。150 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h制度下晶間腐蝕減輕，腐蝕深度縮減至0.190 mm。從圖4（b）可以看出預時效為160 ℃時，晶間腐蝕進一步改善，腐蝕深度為0.134 mm，明顯低于峰值時效的腐蝕深度。圖4（c）的腐蝕形貌已完全轉(zhuǎn)變類型，呈現(xiàn)為點蝕，腐蝕深度為0.084 mm，晶間腐蝕敏感性大幅降低。圖4（d）的腐蝕形貌為輕微點蝕，腐蝕深度降至0.073 mm。

B型材高倍組織無過燒，晶間腐蝕趨勢與A型材相同。由試驗結(jié)果可知，雙級時效能顯著提升6061 合金抗晶間腐蝕性能，并隨著預時效溫度的升高，腐蝕情況逐漸改善；在170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h和180 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h制度下，呈現(xiàn)輕微點蝕，腐蝕深度較淺，抗腐蝕性能較強。

圖3 金相組織

3 結(jié)論

（1）在本試驗4種雙級時效制度中，170℃×1.5h+210℃×1.5h制度下的6061型材綜合力學性能最好，其抗拉強度及屈服強度均高于175℃×8h時的，斷后伸長率與峰值時效較為接近。

（2）當雙級時效中的預時效溫度由150 ℃升到180 ℃時，6061 合金的電導率呈上升趨勢，與175 ℃×8 h 相比，180 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 制度下的電導率更好。

（3）6061 合金在175 ℃×8 h 峰值時效狀態(tài)下，晶間腐蝕嚴重。經(jīng)雙級時效處理后，晶間腐蝕情況明顯改善。隨著預時效溫度的升高，腐蝕形貌逐漸由晶間腐蝕變?yōu)辄c蝕，腐蝕深度變淺。

（4）在6061合金實際生產(chǎn)中，可替代單級峰值時效的最優(yōu)雙級時效工藝為170℃×1.5h+210℃×1.5h。該制度的時效保溫時間大幅減少，生產(chǎn)周期縮短，能耗降低；同時型材綜合性能良好，適用于6061鋁型材實際生產(chǎn)。