時效制度對6063鋁合金品字形型材力學性能的影響

王 克，賈永強，馮艷飛，楊 路，張 宇

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁及鋁合金具有良好的耐蝕性、較高的比強度和導熱性等特點[1-2]，6063鋁合金屬于Al-Mg-Si系可熱處理強化型合金，具有良好的機械加工性、熱塑性、可擠壓性和陽極氧化性，在門窗、家具、消費類電子產品和汽車等生產領域得到了廣泛的應用[3-6]。時效強化作為6063鋁合金的一種十分常見且有效的強化方式已被廣泛研究，周向等[7]在研究時效工藝對6063鋁合金力學性能影響時，發現經過545 ℃×50 min固溶處理+水淬+180 ℃×8 h時效處理后，6063鋁合金擠壓棒材抗拉強度為230 MPa，斷后延伸率為13.3%。陳宜釗等[8]通過550 ℃×50 min固溶處理+175 ℃×8 h時效處理后，6063鋁合金軋板獲得了221 MPa的抗拉強度和18%的斷后延伸率。孫瑜等[9]通過170 ℃×2 h+200 ℃×1.5 h的雙級時效處理工藝，6063鋁合金棒材的抗拉強度達到了222 MPa，斷后延伸率達到了15.92%。

現有客戶提出由三腔體構成的品字形型材，要求材料的屈服強度220 MPa≤Rp0.2≤240 MPa，抗拉強度Rm≥230 MPa，斷后延長率A≥10%。對此，選擇6063鋁合金作為型材的擠壓鑄棒原料，通過調整型材時效工藝，來實現客戶對產品性能的要求。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所選用的φ254 mm×600 mm的6063鋁合金鑄錠采用半連續鑄造成型，其化學成分見表1。為了均勻鑄錠內組織并且消除鑄錠的內應力，設置鑄錠的均質制度為560 ℃×8 h。

表1 6063合金化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

型材擠壓采用3150T擠壓機，型材形狀為由三腔體構成的品字形，三腔體壁厚分別為1.5 mm(A面)、2.5 mm(B面)以及3.5 mm(C面)，型材截面圖見圖1。均質后鑄錠加熱溫度為470～490 ℃，擠壓速度為3.5～4.0 m/min,淬火前溫度>480 ℃，采用水罐淬火的方式。根據客戶對6063鋁合金品字形型材的性能要求，制定的時效方案分別為：時效溫度165 ℃，保溫時間為6、8、10 h；時效溫度180 ℃，保溫時間為7、8、9 h；時效溫度為200 ℃，保溫時間為2.5、3、4.5 h。

圖1 6063合金品字形型材截面圖

2 試驗結果及分析

為研究不同時效工藝對6063鋁合金品字形型材力學性能的影響，對時效處理后6063鋁合金品字形型材不同截面分別進行拉伸測試，測試結果如表2所示。

從表2中可以看出，當時效溫度為165 ℃時，隨著保溫時間的延長，6063鋁合金型材各面的抗拉強度和屈服強度均呈上升趨勢。當時效溫度為180 ℃時，型材各面的抗拉強度和屈服強度隨保溫時間的增加而呈現先增后降的趨勢，并且在180 ℃時效工藝下型材各面的強度要高于165 ℃時效工藝下型材各面的強度。其中，在180 ℃×8 h的時效工藝下型材各面的強度達到峰值，A、B、C面的抗拉強度分別為230.1、227.1和225.1 MPa，A、B、C面的屈服強度分別為256.3、252.4和 249.9 MPa。但當時效溫度較高(200 ℃)，保溫時間較短(2.5/3/4.5 h)時，型材各面的強度隨保溫時間的增加呈現降低的趨勢。由此可知，6063鋁合金品字形型材選擇低溫長時的時效工藝效果要優于高溫短時的時效工藝。

表2 不同時效制度下品字形型材的力學性能

在時效過程中，Al-Mg-Si系合金中沉淀相的基本析出順序為：過飽和固溶體(SSS)→團簇→GP區→亞穩β″相→亞穩β′相→穩定β相[5]，在時效初期，大量的Mg、Si原子形成與基體共格的單獨Mg、Si原子團簇和Mg-Si復合原子團簇，隨著溶質原子的不斷析出，團簇長大形成與基體完全共格的GP區，可以作為β″相的形核核心，沿基體<100>方向析出大量與基體共格的納米級的針狀或棒狀的β″強化相。當β″相進一步長大到一定尺寸后，其應力場遍布于整個基體之上，應變區整體相連，合金強度較高。此外，β″相與基體為共格關系，共格邊界原子為兩相所共有，基體需發生彈性形變來適應兩相原子的不同排列，這種彈性畸變對會嚴重阻礙位錯的運動，從而提高合金的強度，此時合金的強度達到峰值。而隨著時效過程的進一步發展，在β″相的基礎上會形成局部共格的β′相，彈性應變程度下降，合金強度也隨之降低。在時效后期，非共格的β相析出，與基體共格的關系消失，合金強度進一步下降[10]。

根據以上分析，6063鋁合金在165 ℃進行時效處理過程中，在時效前期，保溫時間較短時，會先逐漸形成溶質原子團簇，然后隨著時效過程的進行，原子團簇長大成為具有一定尺寸的GP區，此時會在一定程度上提高合金的強度，然后隨著保溫時間的增加，共格的GP區逐漸轉變成共格的β″強化相，合金強度大幅提高，并達到峰值。而當溫度提升到180 ℃，共格GP區及β″相析出速度較165 ℃時更快，且析出相的數量更多，故在180 ℃進行時效處理時，其強化效果明顯高于在165 ℃進行時效處理的強化效果，并且隨著在180 ℃下保溫時間的延長，析出相開始變得粗大，導致合金強度開始下降。當時效溫度進一步提升到200 ℃時，大部分強化相會以更快的速度析出，合金強度會快速達到峰值，但隨著保溫時間的延長，共格析出相逐漸長大，并開始向局部共格的β′相及非共格的β相開始轉變，強化效果下降，導致合金強度降低。

另外，對比同一時效工藝下型材各面的強度，發現型材各面的強度隨型材各面壁厚的增加而提高，這說明在同一時效工藝下，6063鋁合金品字形型材腔體強度與型材腔體壁厚成正比。而同一時效工藝下型材各面的斷后延伸率卻隨型材各面壁厚的增加而降低，這說明6063鋁合金品字形型材腔體的斷后延伸率與型材腔體壁厚成反比。

根據客戶對鋁型材屈服強度(220 MPa≤Rp0.2≤240 MPa)、抗拉強度(Rm≥240 MPa)、斷后延長率(A≥10%)等性能的要求，以及生產成本等考慮，選擇180 ℃×7 h作為6063鋁合金品字形型材的時效工藝。

3 結論

1)對于6063鋁合金品字形型材，當時效溫度為165 ℃，隨著保溫時間的延長，型材各面的強度呈現上升的趨勢；當時效溫度為180 ℃，隨著保溫時間的延長，型材各面的強度先升后降，并且在180 ℃進行時效處理的強化效果要優于165 ℃的時效處理。

2)當時效溫度為200 ℃時，型材各面的強度隨著保溫時間的延長而下降，而且在200 ℃進行短時時效處理的強化效果要低于180 ℃長時時效處理。

3)客戶要求材料性能：220 MPa≤Rp0.2≤240 MPa、Rm≥230 MPa、A≥10%，180 ℃×7/8 h時效處理后性能均符合要求，但考慮到成本因素，6063鋁合金品字形型材選擇180 ℃×7 h時效工藝為宜。