熱處理對(duì)電池托盤用6061 鋁合金組織與性能的影響

陳吉龍，程仁寨，張小剛，王兆斌，趙義生，趙 鑫

（山東南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 265700）

隨著全球能源供應(yīng)日趨緊張，開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保材料是世界汽車輕量化工業(yè)的發(fā)展的重要趨勢(shì)。提高鋁合金在汽車制造中的用量是世界交通發(fā)展的共同目標(biāo)，鋁合金型材用量隨著新能源汽車的推廣應(yīng)用在不斷增大[1，2]。目前，各種鋁合金材料廣泛應(yīng)用于擠壓型材生產(chǎn)加工，其中6061 鋁合金具有高強(qiáng)度、高沖擊韌性、淬火敏感性及易加工特性，同時(shí)，還具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，可加工成復(fù)雜截面型材、棒材、管材和線材，大量使用在汽車輕量化行業(yè)，尤其在乘用車的電池托盤[3，4]。

固溶處理的目的是盡量溶解合金在鑄造過(guò)程形成的粗大化合物相，獲得較高溶解度的過(guò)飽和固溶體。通常固溶淬火溫度低于非平衡共晶熔點(diǎn)，因此粗大化合物相難徹底溶解。為此，在不產(chǎn)生過(guò)燒的條件下，提高固溶溫度，并延長(zhǎng)保溫時(shí)間，但這也會(huì)造成組織再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大，影響合金的力學(xué)性能,。合金低溫加高溫的雙級(jí)固溶處理可以有效減少再結(jié)晶的發(fā)生幾率，并充分溶解第二相顆粒，形成過(guò)飽和固溶體。在固溶過(guò)程中，合金中的位錯(cuò)主要以胞狀組織與Taylor 晶格兩種低能組態(tài)分布。位錯(cuò)的交滑移和攀移形成胞狀組織，而位錯(cuò)的平面滑移形成Taylor晶格。這兩種位錯(cuò)在熱力學(xué)上是自發(fā)過(guò)程，可以減小材料中的內(nèi)應(yīng)力，從而降低自由能。鋁合金屬于高能層錯(cuò)金屬，位錯(cuò)容易發(fā)生交滑移，因此位錯(cuò)呈胞狀組織分布。對(duì)6061 鋁合金的力學(xué)性能和加工性能都有重要作用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)鑄錠采用半連續(xù)鑄造，鑄造過(guò)程中用精煉劑、氬氣對(duì)熔體進(jìn)行精煉，添加Al-Ti-B 絲細(xì)化晶粒，鑄造溫度為740℃～750℃，鑄造速度為35mm/min ～40mm/min，鑄錠直徑為Φ400mm。其成分如表l 所列。熱處理試驗(yàn)試樣均取自擠壓型材，試樣尺寸為Φ50mm×15mm。實(shí)驗(yàn)在馬弗爐中進(jìn)行，固溶淬火工藝為（480、500、520、540、560℃、580，3h），水冷后，時(shí)效制度選擇（180℃，8h）。

腐蝕劑為1%的HF 酸，腐蝕時(shí)間為20s。金相顯微組織觀察樣品經(jīng)初磨、細(xì)磨、機(jī)械拋光后，經(jīng)腐蝕劑腐蝕，在光學(xué)金相顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）觀察合金的第二相形貌、種類和分布，采用EMAX 能譜分析儀（EDS）分析合金的微區(qū)和第二相化學(xué)成分。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 合金的拉伸性能

圖1 不同固溶溫度的合金拉伸力學(xué)性能

圖1 為不同固溶溫度的6061 鋁合金拉伸力學(xué)性能。當(dāng)固溶溫度為480℃時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度為325MPa。經(jīng)500℃固溶后，合金相比經(jīng)460℃固溶合金的抗拉強(qiáng)度略微有提高，即增加至331MPa。而經(jīng)520℃、540℃固溶合金相比經(jīng)480 和500℃合金的抗拉強(qiáng)度明顯提高，分別為344MPa、351MPa。隨著固溶溫度的繼續(xù)升高，合金強(qiáng)度上升趨勢(shì)平緩，經(jīng)560℃固溶合金抗拉強(qiáng)度為355MPa。當(dāng)固溶溫度繼續(xù)上升，合金抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，經(jīng)580℃固溶事，合金抗拉強(qiáng)度為347MPa。綜上所述可知，當(dāng)固溶溫度越高時(shí)，合金的過(guò)飽和固溶度越高，但同時(shí)晶粒尺寸也越大，合金時(shí)效后的力學(xué)性能差異歸根結(jié)底與顯微組織有關(guān)，也是晶粒尺寸、析出相共同作用的結(jié)果，晶粒尺寸越細(xì)小均勻、析出相總量越多、析出相越均勻彌散，材料的強(qiáng)度越高。

2.2 合金的耐腐蝕性能

圖2 固溶溫度對(duì)晶間腐蝕形貌的影響

圖2 為6061 鋁合金腐蝕后的SEM 形貌圖，在固溶溫度580℃時(shí)，合金表面上出現(xiàn)腐蝕的位置較少，只有少量顆粒狀的腐蝕物出現(xiàn)，試樣表面形貌發(fā)生了變化。零星的腐蝕坑處出現(xiàn)一些明顯的晶粒和亞晶粒的特征。因?yàn)楹辖鸶g常沿著組織的晶界和亞晶界擴(kuò)展，從而顯示出表面組織形貌。固溶溫度540℃時(shí)，合金表面腐蝕深度不斷增加，腐蝕物明顯增多變大，由顆粒狀的腐蝕物轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀，合金表面出現(xiàn)較深的腐蝕坑。固溶溫度480℃時(shí)，合金表面腐蝕深度最為嚴(yán)重，完全成坑蝕形貌，多數(shù)腐蝕坑較深，有縱向延伸的現(xiàn)象。

圖3 合金表面腐蝕產(chǎn)物的X 射線衍射圖

圖4 不同固溶溫度處理的合金SEM 像

圖4 為不同固溶溫度的6061 鋁合金SEM 組織形貌。隨著固溶溫度的升高，合金中未溶第二相呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，當(dāng)固溶溫度為480℃時(shí)，合金中存在大量第二相粒子，呈鏈狀分布（見(jiàn)圖5（a））。能譜分析結(jié)果表明：白色的第二相粒子為AlFeMnSi 相；黑灰色的第二相粒子為Mg2Si 相[1，2]。當(dāng)固溶溫度為540℃時(shí)，合金中黑灰色Mg2Si 相粒子多數(shù)已經(jīng)溶入鋁基體，數(shù)量明顯減少，而白色AlFeMnSi 相粒子屬于熱穩(wěn)定性能好的難溶相，溫度升高，但數(shù)量變化不大，（見(jiàn)如圖5（b））。

圖5 不同固溶溫度處理的合金TEM 像

圖5 為不同固溶溫度的6061 鋁合金TEM 組織形貌。固溶溫度較低時(shí)，合金沒(méi)有出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，合金組織上產(chǎn)生大量尺寸為1μm ～3μm 亞晶；隨著固溶溫度升高至500℃時(shí)，組織上出現(xiàn)許多彌散粒子，呈球狀或橢球狀，其尺寸差別較大，還有少量亞晶粒略有長(zhǎng)大，約2μm ～5μm（見(jiàn)圖5（b））。固溶溫度繼續(xù)升高，一些彌散粒子Al6MnSi 相分布于（亞）晶界，起到阻礙晶界遷移的作用，可有效地抑制再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大，當(dāng)固溶溫度達(dá)到540℃以上，合金逐漸產(chǎn)生大量再結(jié)晶組織。晶粒內(nèi)和晶界上都有細(xì)小的第二相顆粒析出，且多呈連續(xù)分布狀態(tài),如圖5（d）、（e）和（f）所示，另外，組織上出現(xiàn)無(wú)沉淀析出區(qū)（Precipitates free zone，PFZ），在晶界附近。固溶溫度越低，PFZ 越明顯。固溶溫度為480℃、500℃時(shí)，合金組織內(nèi)可以明顯看到PFZ，這是因?yàn)楹辖鹁Ы缟弦孜龀龅腗g2Si 粒子相，導(dǎo)致晶界附近Mg 和Si 原子濃度低于鋁基體，存在濃度梯度，沉淀強(qiáng)化相無(wú)法形核，不能在晶界組織附近析出Mg2Si 粒子相，導(dǎo)致無(wú)沉淀析出帶的形成。固溶溫度降低，晶界附近空位濃度也隨之降低，濃度梯度則越高，因此，無(wú)沉淀析出帶更寬。

3 分析與討論

6061 鋁合金力學(xué)性能主要取決于，時(shí)效過(guò)程中組織內(nèi)沉淀強(qiáng)化相Mg2Si 相和AlFeMnSi 相的數(shù)量和分布情況[1，3，8]。隨著固溶溫度的增高，Mg2Si 相和Al6MnSi 相溶解至鋁基體越充分，形成過(guò)飽和固溶體，時(shí)效析出沉淀強(qiáng)化相的數(shù)量越多，彌散分布在鋁基體上，提高沉淀強(qiáng)化相的形核率[1，3]。如圖6（a）、（b）、（c）和（d）所示，隨著固溶溫度的增高，二次相的尺寸更小、密度更高，Mg2Si 相和AlFeMnSi 相溶解的數(shù)量明顯增加，有利于提高合金力學(xué)性能。當(dāng)固溶溫度繼續(xù)升高至540℃以上時(shí)，鋁基體開(kāi)始出現(xiàn)嚴(yán)重的再結(jié)晶現(xiàn)象，Mg2Si 相和AlFeMnSi 相彌散粒子釘扎晶界困難，晶粒明顯粗大，并且溶解程度減小，導(dǎo)致合金性能下降，固溶溫度上升越多，性能下降越明顯。

時(shí)效后合金晶界上析出的Mg2Si 相，相對(duì)于周圍的PFZ 或基體為陽(yáng)極相，6061 鋁合金在腐蝕過(guò)程中，組織中的PFZ 和鋁基體易形成微電池，在腐蝕介質(zhì)中會(huì)優(yōu)先被侵蝕，導(dǎo)致腐蝕沿著晶界擴(kuò)展而形成晶間腐蝕。固溶溫度影響時(shí)效后Mg2Si 相和AlFeMnSi 相粒子析出數(shù)量及分布情況，導(dǎo)致晶間腐蝕性能變化。隨著固溶溫度的升高，合金組織有較多的亞晶界和晶界，PFZ 越來(lái)越窄至消失，晶間腐蝕減小。固溶溫度在540℃以上時(shí)，合金出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，組織中的亞晶界逐漸消失，晶界數(shù)量隨之減少，腐蝕的區(qū)域也相應(yīng)減少。

4 結(jié)論

（1）隨固溶溫度升高，6061 鋁合金型材力學(xué)性能呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，540℃時(shí)，合金的性能最好，而耐腐蝕性能逐漸增強(qiáng)。

（2）6061 鋁合金組織在固溶溫度為480℃～540℃時(shí)，合金組織都有明顯細(xì)化，析出大量二次相，540℃以上，合金出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒粗化。

（3）6061 鋁合時(shí)效后組織出現(xiàn)PFZ 和鋁基體易形成微電池，腐蝕溶液會(huì)優(yōu)先被侵蝕，形成晶間腐蝕，隨著固溶溫度的增高，PFZ 變窄至消失，減小合金腐蝕。