Mg/Si 對6000 系鋁合金時效特性影響

聶寶華 ，陳東初，易 鵬 ，羅銘強 ，聶德鍵 ，施斌卿 ，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 系合金憑具有中等強度、高耐蝕、優良加工性能，廣泛應用于汽車、軌道交通等零部件。汽車車身覆蓋件要求175 ℃/30 min 烘烤提高合金強度，對6000 系鋁合金快速時效響應能力提出更高要求［1］。美國研究人員通過提高 Si、Mg 含量以及 Mg/Si比值，開發出6111 合金，具有優良的烘烤硬化性，但該合金含 Cu 量較高，降低了合金的耐蝕性［2］。為了提高合金耐蝕性和快速時效響應能力，調整了Si、Mg元素含量，并顯著降低Cu 元素含量，開發出具有成型性、耐蝕性與烘烤硬化特性的6022 合金，廣泛用作車身外板和內板［3］。在目前常用汽車車身板鋁合金中，6000 鋁合金合金化特征為低 Mg/Si。因此，Mg/Si是6000 系鋁合金時效行為特征與性能的重要影響因素。

相圖計算(CALPHAD)將合金熱力學數據和先進的計算機軟件的藕合，可以為多組分合金成分設計、相圖分析等提供良好途徑［4］。本文采用試驗研究與相圖技術的方法，研究Mg/Si 對6000 系鋁合金時效響應行為；采用Thermo-Calc 軟件進行相圖計算，從熱力學的角度探討Mg/Si 對6000 系鋁合金平衡相與合金強度影響規律，為高性能Al-Mg-Si 鋁合金成分設計提供依據。

1 試驗材料與方法

根據6000 系鋁合金成分特點，設計三種不同Mg/Si 的Al-Mg-Si 合金，主合金成分及特點見表1。熔煉三種Mg/Si 的6000 系鋁合金，鑄錠尺寸為350 mm × 180 mm × 20 mm。將鑄錠進行 480 ℃ /16 h +540 ℃ /24 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380 ℃退火1 h，冷軋至1 mm 厚薄板。

采用空氣循環爐對三種Mg/Si 鋁合金熱處理試進行545 ℃× 1 h 的固溶處理，再采用油浴爐對試樣進行175 ℃下不同時間的時效處理。采用HVS-2000型硬度計、7501 型電導率測試儀分別進行時效硬度、電導率測試。采用熱力學相圖計算軟件Thermo-Calc和鋁基數據庫進行三種Mg/Si 鋁合金在175 ℃平衡析出的種類與含量，并設定平衡相的總含量為1 mol，以不同平衡析出相摩爾分數表征平衡相的含量。

2 結果與討論

三種合金經過545 ℃× 1 h 的固溶處理后顯微硬度分別為 62.5、65.2、67.0，表明在 Mg+Si 含量一定前提下，Mg/Si 比值對合金固溶強度影響不顯著，Mg、Si 原子對合金具有固溶強化效應。在175 ℃時效，三種Mg/Si 合金均隨著時效時間增加快速上升并達到平穩階段(圖 1)。在 Mg/Si 比值 1.5、1 與 0.67 獲得最高時效硬度分別為108HV、115HV、124HV，這表明Mg/Si 過高或過低都不利于獲得合金高硬度，存在最佳Mg/Si 比值。同時，低Mg/Si 合金時效響應最快，在1 h 內即可達到時效穩定，而其他兩種Mg/Si 比合金達到時效穩定需要2 h 左右。從圖2 可知，三種Mg/Si合金電導率隨著時效時間增加而上升，高Mg/Si 合金具有高的電導率，低Mg/Si 合金電導率較低(Mg/Sj =0.67)，而Mg/Si = 1 鋁合金電導率最低。

圖2 不同Mg/Si 的6000 系鋁合金175℃時效電導率曲線

6000 系鋁合金時效析出序列通常為［5，6］：過飽和固溶體→GP 區→亞穩相(β″)→亞穩相(β')→平衡相(β)。在自然時效條件下，6000 系析出彌散、細小的GP 區，強化效果較低。而在較高溫度下(175 ℃)，6000 系鋁合金形成亞穩β″相(Mg2Si)，合金獲得高強度。過量Si 原子，在時效初期有利于優先形成Si2棱柱結構的 Mg2Si 相［7］。因此，低 Mg/Si 合金表現出快速時效特性。

圖3 是在保持Mg+Si=1.5%前提下，Mg/Si 對6000系鋁合金175 ℃的平衡相的影響規律。從圖3 可知，隨著 Mg/Si 提高，Mg2Si 相含量增加，Si 相降低。當 Mg/Si在 1.92 左右時，Mg2Si 相含量達到最大，Si 相消失。隨著Mg/Si 進一步提高，Si 元素含量顯著減少，形成Mg2Si 相降低，而Mg 元素過量。因此，過低與過高Mg/Si 合金，形成強化相Mg2Si 含量降低，合金硬度較低，電導率較高；而Mg/Si = 1 時合金可獲得較高含量Mg2Si 相、Si 相，從而獲得高的合金硬度、低的電導率。

圖3 不同Mg/Si 比對6000 系鋁合金平衡相的影響規律

針對目前商用6000 系鋁合金，包括6063、6061、6082、6005 等牌號，采用 Thermo-Calc 軟件進行合金成分、平衡相計算；根據6000 系鋁合金手冊與相關標準，總結合金峰值時效抗拉強度數據；基于不同合金平衡相與峰值時效抗拉強度數據，擬合出兩者關系為：

根據公式(1)可知，6000 系鋁合金峰值時效強度有Mg2Si 相、Si 相含量共同決定的。圖3 是在(Mg +Si)%恒定基礎上，不同Mg/Si 對合金平衡相影響規律。在低Mg/Si 合金中，Si 相含量較高，而Mg2Si 相含量很少；在高Mg/Si 合金中，Si 相含量顯著降低，而Mg2Si 相含量較高；在高Mg/Si 和低Mg/Si 合金均不能獲得最佳合金強度，在合適Mg/Si 的合金可以獲得最佳時效強度，如圖4 所示。在本研究中，當Mg/Si =1 左右時，合金峰值時效硬度達到124 HV，遠高于Mg/Si 比值為 0.67/1.5 合金。

圖4 不同Mg/Si 比的6000 系鋁合金峰值時效硬度

3 結論

(1)三種不同Mg/Si 合金中，Mg/Si 過高、過低都不利于獲得合金高硬度，存在最佳Mg/Si 比值。低Mg/Si 鋁合金快速時效響應能力較好。

(2) 在 Al-Mg-Si 系合金中，Mg/Si 提高，促進Mg2Si 相形成，Si 相降低；在 Mg/Si = 1 左右時，可獲得最高強度。