Cu元素對Al1.1Mg0.7Si合金時效行為的影響

宋 宇，聶寶華，陳東初，易 鵬，羅銘強，聶德鍵，馬德勝

（1.佛山科學技術學院，材料科學與能源工程學院，廣東 佛山528000；2.廣東興發鋁業（江西）有限公司，江西 宜春336000；3.廣東興發鋁業有限公司，廣東 佛山528100）

Al-Mg-Si系合金，如6063、6061等高Mg/Si合金，具有中等強度、高耐蝕性、成型性能優點，廣泛應用于建筑、汽車、軌道交通等領域。目前，高Mg/Si的6063、6061鋁合金強度較低，不能滿足現代工業高性能需求[1]。通常在Al-Mg-Si系合金中添加Cu元素，以提高合金強度[2]。目前，Cu元素對6000系鋁合金影響研究主要這針對低Mg/Si合金。在低Cu含量低Mg/Si合金，時效強化相主要為β"相[3]；對于高Cu含量合金，β"+Q"甚至Q"對合金強化起主要貢獻[4]。然而，Cu元素對高Mg/Si的6000系鋁合金時效行為影響規律研究還沒有較多研究。

相圖計算（CALPHAD）是多組分合金成分設計、相圖分析重要技術[5]。本文采用試驗研究與相圖計算的方法，研究Cu元素對高Mg/Si的6000系鋁合金時效響應行為影響規律；采用Thermo-Calc軟件進行相圖計算，分析Cu元素對6000系鋁合金平衡相演化規律，為高性能6000系鋁合金成分設計提供依據。

1 試驗材料與方法

以高Mg/Si的Al1.1Mg0.7Si合金為研究對象，設計三種含Cu的Al-Mg-Si合金，主合金成分及特點見表1。采用電阻爐熔煉三種Cu含量的Al-Mg-Si系鋁合金，鑄錠尺寸為300 mm×200 mm×30 mm。將鑄錠進行490℃/12 h+530℃/16 h的雙級均勻化處理后，在465℃保溫1 h，熱軋至4 mm。將熱軋板進行400℃退火1 h，冷軋至1 mm厚薄板。

表1 不同Cu含量的6000系鋁合金主成分

采用空氣循環爐對三種Cu含量的鋁合金熱處理試進行545℃×1 h的固溶處理，再采用油浴爐進行170℃下不同時間的時效處理。采用HVS-2000型硬度計進行時效硬度、電導率測試。采用熱力學相圖計算軟件Thermo-Calc和鋁基數據庫，計算三種鋁合金在175℃平衡相種類與含量。

2 結果與討論

從圖1可知，含Cu元素合金在時效初期時效2h內硬度迅速增加，隨后達到時效硬度平臺區，表現出快速時效響應特征。而無Cu合金時效硬化速率較慢，時效4 h內逐漸達到峰值時效硬度。隨著合金Cu元素含量的增加，Al1.1Mg0.7Si合金在175℃時效硬化速率和硬度依次提高。含Cu量分別為0、0.2%、0.5%合金在時效2 h內，時效硬化值分別達到50HV、60 HV、67 HV（圖2），合金峰值硬度分別達到114 HV、122 HV、126 HV。

圖1 不同Cu含量Al1.1Mg0.7Si合金時效硬度曲線

圖2 Cu含量對Al1.1Mg0.7Si合金170℃/2h時效硬化值影響

Al-Mg-Si-Cu系合金時效響應能力取決于合金成分，如Mg/Si、Cu元素等。在時效早期，過飽和固溶體中的Mg和Si原子取代鋁基體的點陣位置，溶質原子富集形成GP區。在時效早期形成Si-Si原子柱骨架[6]，合金元素在Si2原子柱骨架結構進行富集，形成不同階段時效析出相。因此，低Mg/Si的6000系鋁合金能夠在短時間內大量形成GP區和β"前驅相，具有快速時效響應特征。對于高Mg/Si的6000系鋁合金，Si元素含量較少，合金時效響應速率較低。但是，Cu元素與合金空位、Si元素優先結合，降低了Si元素擴散距離和GP區形成臨界尺寸[7]，提高了合金快速時效能力。

6000系鋁合金時效強度取決于合金析出強化相。從圖3可以看出，在高Mg/Si的6000系鋁合金中，Mg2Si相是合金主要強化相，在不同Cu含量合金的Mg2Si相均在1.4%以上。隨著Cu含量增加，Mg2Si相逐漸減少，Q相增加。當Cu含量達到0.2%，Mg2Si、Q相達到恒定值；當Cu含量增加至0.3%，合金開始形成Al2Cu相，并隨著Cu含量增加，Al2Cu相含量增加。這表明，Cu含量達到0.3%后，高Mg/Si合金主要形成Al2Cu相，Mg2Si相與Q相含量保持不變，平衡相總含量增加。

圖3 Cu含量對Al1.1Mg0.7Si合金在170℃溫度下的平衡相影響規律

在不含Cu元素合金中，平衡相僅為Mg2Si相，含量為1.83%。含0.2%Cu合金平衡相依次為Mg2Si+Q（Al5Cu2Mg8Si6）相，平衡相總含量為2.12%；當Cu含量增加至0.5%，過量的Cu元素形成Al2Cu相，平衡相為Mg2Si+Q（Al5Cu2Mg8Si6）+Al2Cu相，總含量達到2.49%。鋁合金中 Mg2Si相、Q（Al5Cu2Mg8Si6）相、Al2Cu相均對合金時效強化均有貢獻，高Cu含量合金可以獲得高的峰值時效硬度。但是，在高Cu含量6000系合金中，形成的Al2Cu相顯著降低了合金耐腐蝕性能。因此，Al1.1Mg0.7Si合金中Cu元素含量控制在0.3%以下，可以獲得合金硬度與耐蝕性匹配。

3 結論

（1）對于高Mg/Si的6000系鋁合金，Cu元素提高了合金峰值時效硬度與時效響應能力。無Cu、0.2%Cu與0.5%Cu合金在170℃時效2 h硬度分布提高了 50 HV、60 HV、67 HV。

（2）Cu元素促進Mg2Si相向Q相、Al2Cu相轉變，但平衡相總含量增加，提高了合金強度。對于高Mg/Si合金，Cu含量控制在0.3%以下，避免形成Al2Cu相。