預時效對6061、6005A合金板材力學性能的影響

董劉穎，李秋梅，劉兆偉，鄭 建，張德偉

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

6×××系鋁合金是一種中高強度Al-Si-Mg鋁合金，具有比強度高、成形性好、耐蝕性強、耐高溫等優良性能。隨著輕量化的發展需求，該類鋁合金在汽車車身中的應用日益廣泛。該合金在預時效處理狀態下具有良好的成形性，適用于作汽車外板，并具烘烤硬化性。在實際生產中，鋁合金板材固溶處理后的室溫停放導致強度增大，板材的成形性能降低[1]，而且車身板烤漆采用的低溫和短時作業抑制了板材的時效硬化潛力。因此采用固溶淬火后預時效可以完美地解決因自然時效引起的人工時效強化效果不佳的問題，從而提高烤漆硬化能力。但不合適的預時效工藝不僅達不到預期效果，反而降低鋁合金板材的成形性能。因而，如何有效利用6×××系鋁合金的時效析出特性就變得尤為重要[2]。

本文針對T4態的6005A和6061合金擠壓板材的預時效及室溫停放過程對板材人工時效前后力學性能、延伸率、加工硬化率、電導率、組織性能穩定性的影響進行了分析與研究，為改善板材成形性和烤漆硬化性提供實驗依據。同時，文中還通過最后的人工時效模擬了汽車板的烤漆強化性能。

1 實驗方案

實驗用6061、6005A兩種擠壓板材的化學成分如表1所示。將擠壓板材在空氣循環爐中于540℃保溫1 h后進行水淬，然后按表2所示方案分別進行不同的時效處理。

表1 實驗材料的化學成分（質量分數/%）

表2 時效方案

2 實驗結果與討論

2.1 不同預時效時間對力學性能與電導率的影響

6061合金板材經540℃×1 h水淬后分別進行T4和T4P處理，其力學性能、電導率變化規律如圖1所示?？芍A時效保溫5 min時的T4P態合金強度較T4態低約15 MPa。繼續增加保溫時間，強度值升高。當保溫15 min時，合金強度值較T4態高約20 MPa，之后基本保持不變；延伸率隨預時效保溫時間延長呈先降低趨勢，超過15 min后趨于平緩。預時效保溫5 min時，加工硬化率變化不大，而后隨預時效保溫時間的延長（5～15min）逐漸降低，15 min后趨于平穩。T4P態電導率較T4態高約1%IACS，當保溫時間超過5 min后，電導率增加趨勢明顯減弱。綜上考慮，預時效180℃×5 min可改善6061合金板材成形性。

6005A合金板材經540℃×1 h水淬后分別進行T4和T4P處理，其力學性能、電導率變化規律如圖2所示。由圖可知，預時效保溫5～15 min時，T4P態合金抗拉強度較T4態低約15 MPa，繼續增加保溫時間，強度值升高；當保溫30 min時，抗拉強度值要高出T4態約20 MPa。預時效保溫5 min時其屈服強度較T4態變化不大，延伸率隨預時效保溫時間延長逐漸降低。預時效5 min時，加工硬化率有所升高，后隨保溫時間延長而降低。電導率隨著預時效保溫時間延長而升高。綜上考慮，預時效180℃×5min可改善6005A合金板材成形性。

2.2 T4、T4P對人工時效力學性能與電導率的影響

T4與不同預時效時間的T4P對人工時效6061合金力學性能及電導率的影響如圖3所示。由圖3可見，隨著人工時效時間的延長，強度值、電導率均呈上升趨勢，延伸率和加工硬化率呈降低趨勢。通過對比可以看出，T4P+T6樣品時效180℃×40 min后的強度值均明顯高于T4+T6。在時效180℃×120 min時，屈服強度高約70 MPa，抗拉強度高約30 MPa，接近T6態，120 min以后上升趨勢緩慢。在人工時效初期，T4+T6合金力學性能變化不大。超過30 min后，強度值隨時效時間增加而提高。另外T6樣品的強度值也明顯高于T4+T6。綜上所述，預時效處理可以解決因自然時效引起的人工時效效果不佳問題，進而提高了汽車板烤漆硬化能力。

T4與不同預時效時間的T4P對人工時效6005A合金力學性能及電導率的影響如圖4所示。通過對比可以看出，T4P+T6樣品的強度值均明顯高于T4+T6：在人工時效180℃×120 min時，屈服強度高約70 MPa，抗拉強度高約40 MPa，同時也高于T6態樣品強度值；120 min以后強度上升趨勢減緩。對于初期人工時效，T4+T6合金力學性能變化不大，超過60 min后，強度值隨時效時間增加而提高，另外T6樣品的強度值也明顯高于T4+T6。綜上所述，預時效處理可以解決因自然時效引起的人工時效強化效果不佳的問題，進而提高了汽車板烤漆硬化能力。

2.3 組織檢測結果

圖5為6061-T4P合金型材（預時效時間為5 min）的偏光組織照片，可以看出邊部與心部組織均發生再結晶，部分位置晶粒長大，受基體第二相分布影響，沿擠壓方向延長。

圖6為6005A-T4P合金型材（預時效時間為5 min）的偏光組織照片，可以看出邊部組織發生再結晶，部分位置晶粒長大。

2.4 分析與討論

6×××系鋁合金的時效析出相包括β″、β'和Mg2Si相，另外根據時效溫度和時間的不同，析出相的類別和數量也各不相同。當基體中析出大量β″相時硬度和強度最高，隨著溫度和保溫時間的提高，β″相會逐漸變成β'相。一旦出現了β'相，合金的硬度和強度將開始下降。根據6061、6005A兩種樣品預時效不同時間對樣品自然時效力學性能影響結果可知，180℃保溫5 min下的屈服強度、抗拉強度較T4態樣品低約15 MPa，即發生了回歸現象。由于在180℃保溫初期基體中較小的不穩定的GP區回溶，GP區數量的減少導致合金的強化作用減弱，這是預時效初期強度降低的根本原因。預時效時間超過15 min，6061樣品強度先趨于穩定后增強，6005A樣品強度增加，說明延長保溫時間有利于尺寸較大的未溶GP區開始逐漸長成熱力學更穩定的β″相，對基體的強化作用顯著增強，故合金板材的強度開始增大。合金強度越高、延伸率越低、加工硬化指數越低，板材的成形性能越差，故合適的預時效保溫時間為5 min。

劉宏等研究發現6×××系鋁合金在170℃人工時效初期，T4態合金中GP區的溶解過程推遲了β″相的析出，所形成的析出物主要是β″核心，導致時效硬化性下降；而T4P態（固溶淬火后立即于170℃下人工時效不同時間，然后室溫放置兩周）合金在這一階段β″核心連續長大成為β″相，其顯微組織以β″析出物為主，導致時效硬化性增強。預時效加速基體GP區形成，合金的時效硬化效果可以得到一定程度的提高。在較長的預時效保溫期間，在合金基體上有可能直接形成密度極高的β″相，盡管最終合金板材會獲得更好的烤漆硬化效果，但對照組的伸長率仍大幅降低，不利于板材的沖壓性能要求[3，4]。綜合考慮，6061、6005A合金的預時效制度為180℃×5 min即可。

3 結論

（1）預時效180℃×5 min可改善6061合金板材成形性，在人工時效40 min后解決了因自然時效引起的人工時效強化效果不佳的問題，因此提高了汽車板烤漆40 min后的硬化能力。

（2）預時效180℃×5 min可改善6005A合金板材成形性，解決了因自然時效引起的人工時效強化效果不佳的問題，因此提高了汽車板烤漆硬化能力。