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(qiáng) ，聶德鍵 ，施斌卿 ，馬德勝

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院材料科學(xué)與能源工程學(xué)院，廣東 佛山528000；2.廣東興發(fā)鋁業(yè)(江西)有限公司，江西 宜春336000；3.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山528100)

Al-Mg-Si 系合金憑具有中等強(qiáng)度、高耐蝕、優(yōu)良加工性能，廣泛應(yīng)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(qiáng)度，對6000 系鋁合金快速時效響應(yīng)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(fā)出6111 合金，具有優(yōu)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(yīng)能力，調(diào)整了Si、Mg元素含量，并顯著降低Cu 元素含量，開發(fā)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(nèi)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(xué)數(shù)據(jù)和先進(jìn)的計算機(jī)軟件的藕合，可以為多組分合金成分設(shè)計、相圖分析等提供良好途徑［4］。本文采用試驗(yàn)研究與相圖技術(shù)的方法，研究Mg/Si 對6000 系鋁合金時效響應(yīng)行為；采用Thermo-Calc 軟件進(jìn)行相圖計算，從熱力學(xué)的角度探討Mg/Si 對6000 系鋁合金平衡相與合金強(qiáng)度影響規(guī)律，為高性能Al-Mg-Si 鋁合金成分設(shè)計提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

根據(jù)6000 系鋁合金成分特點(diǎn)，設(shè)計三種不同Mg/Si 的Al-Mg-Si 合金，主合金成分及特點(diǎn)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(jìn)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(jìn)行380 ℃退火1 h，冷軋至1 mm 厚薄板。

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

2 結(jié)果與討論

三種合金經(jīng)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(qiáng)度影響不顯著，Mg、Si 原子對合金具有固溶強(qiáng)化效應(yīng)。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(dá)到平穩(wěn)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(yīng)最快，在1 h 內(nèi)即可達(dá)到時效穩(wěn)定，而其他兩種Mg/Si 比合金達(dá)到時效穩(wěn)定需要2 h 左右。從圖2 可知，三種Mg/Si合金電導(dǎo)率隨著時效時間增加而上升，高M(jìn)g/Si 合金具有高的電導(dǎo)率，低Mg/Si 合金電導(dǎo)率較低(Mg/Sj =0.67)，而Mg/Si = 1 鋁合金電導(dǎo)率最低。

圖2 不同Mg/Si 的6000 系鋁合金175℃時效電導(dǎo)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(qū)→亞穩(wěn)相(β″)→亞穩(wěn)相(β')→平衡相(β)。在自然時效條件下，6000 系析出彌散、細(xì)小的GP 區(qū)，強(qiáng)化效果較低。而在較高溫度下(175 ℃)，6000 系鋁合金形成亞穩(wěn)β″相(Mg2Si)，合金獲得高強(qiáng)度。過量Si 原子，在時效初期有利于優(yōu)先形成Si2棱柱結(jié)構(gòu)的 Mg2Si 相［7］。因此，低 Mg/Si 合金表現(xiàn)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(guī)律。從圖3 可知，隨著 Mg/Si 提高，Mg2Si 相含量增加，Si 相降低。當(dāng) Mg/Si在 1.92 左右時，Mg2Si 相含量達(dá)到最大，Si 相消失。隨著Mg/Si 進(jìn)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M(jìn)g/Si 合金，形成強(qiáng)化相Mg2Si 含量降低，合金硬度較低，電導(dǎo)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(dǎo)率。

圖3 不同Mg/Si 比對6000 系鋁合金平衡相的影響規(guī)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(jìn)行合金成分、平衡相計算；根據(jù)6000 系鋁合金手冊與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)合金峰值時效抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)；基于不同合金平衡相與峰值時效抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，擬合出兩者關(guān)系為：

根據(jù)公式(1)可知，6000 系鋁合金峰值時效強(qiáng)度有Mg2Si 相、Si 相含量共同決定的。圖3 是在(Mg +Si)%恒定基礎(chǔ)上，不同Mg/Si 對合金平衡相影響規(guī)律。在低Mg/Si 合金中，Si 相含量較高，而Mg2Si 相含量很少；在高M(jìn)g/Si 合金中，Si 相含量顯著降低，而Mg2Si 相含量較高；在高M(jìn)g/Si 和低Mg/Si 合金均不能獲得最佳合金強(qiáng)度，在合適Mg/Si 的合金可以獲得最佳時效強(qiáng)度，如圖4 所示。在本研究中，當(dāng)Mg/Si =1 左右時，合金峰值時效硬度達(dá)到124 HV，遠(yuǎn)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(jié)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(yīng)能力較好。

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