6063鋁合金自然時效后屈服強度漲幅影響因素研究

何 金，武維煜，楊 明，潘 巖，高 彤

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽 111003）

0 前言

6063屬于低合金成分Al-Mg-Si系高塑性合金，其主要強化相為Mg2Si，屬于可熱處理強化鋁合金[1-4]。為了應對全球氣候變暖以及能源危機，汽車的節能減排以及輕量化發展是主要趨勢，近年來鋁合金在汽車領域應用比重逐年上升。6063合金密度低，熱處理后具有中等強度，沖擊韌性高，對缺口不敏感[5-8]，具有良好的熱塑性、可焊性、抗腐蝕性能以及無應力腐蝕傾向，主要應用在汽車框架等需要折彎沖壓部位[9-10]。汽車框架等需要折彎沖壓的部件一般以固溶軟化狀態交貨，用以保證沖壓后的成形性能。折彎沖壓等工序對產品本身性能要求十分嚴格，由于6063鋁合金在淬火后室溫停放會產生自然時效，嚴重影響合金性能[11-12]。自然時效是過飽和固溶體內部一系列空位和過飽和固溶原子在室溫下不斷聚集及長大形成原子團簇，導致合金在室溫條件下強度升高的現象。在淬火后固溶態的6063鋁合金在存放和運輸過程中會發生自然時效硬化行為，即在室溫放置較長時間才進行沖壓成形，這就在微觀上消耗了6063合金部分空位和過飽和固溶原子，增加了其進行沖壓成形的難度。本文主要研究6063鋁合金在自然時效后影響其屈服強度漲幅的因素，從而控制產品在室溫下性能的穩定性和均一性，降低產品后續折彎沖壓加工的難度，提高產品成品率。

1 試驗材料及工藝要求

規格為60 mm×35 mm×2.5 mm的6063鋁合金日字形型材為某汽車用型材，要求自然時效后屈服強度≥80 MPa，抗拉強度≥160 MPa，斷后延伸率≥22%，在停放96 h后屈服強度漲幅≤10 MPa。為確定影響屈服強度的漲幅因素設計3種不同成分的6063合金，采用不同的鑄棒均質制度和合適的擠壓工藝進行生產，從而確定合適的成分范圍和均質制度。

2 試驗方法

6063合金由Al、Mg、Si三種主要元素構成，在Al+Mg2Si+Si的三相區內，Mg2Si是6063合金的主要強化相，該相的含量多少、分布及狀態對材料自然時效后的性能起著重要的作用。擠壓鑄棒均勻化處理后晶界上粗大Mg2Si與共晶MgSi相融入α固溶體，高溫均勻化處理比低溫處理的固溶與擴散速度快，固溶到基體中的Mg2Si快速冷卻析出的棒狀亞穩六方結構β（Mg2Si）相是影響合金自然時效后性能的重要因素。本次實驗采用A、B、C共3種成分設計，具體成分范圍見表1。3種成分除了Si、Mg元素設計不同外，其余元素設計相同。本次實驗采用日字管型材，壁厚為2.5 mm，型材斷面見圖1，擠壓噸位為880 t。將成分A的2支鑄棒分別進行低溫均質（記為A1）和高溫均質處理（記為A2）。成分B鑄棒采用低溫均質制度，記為B1。成分C的2支鑄棒均采用低溫均質制度，記為C1和C1-1。低溫均質制度均為（530±5）℃×6 h，高溫均質制度為（560±5）℃×6 h。

圖1 型材斷面

表1 成分設計（質量分數/%）

6063鋁合金淬火時會發生平衡相脫溶析出。不同溫度淬火會導致合金過飽和度不同，在自然時效時溶質原子、G.P區和亞穩相脫溶析出的能力也不同，從而導致自然時效后合金強化效果不同，型材性能穩定性也不相同。對C成分2支鑄棒分別采用穿水生產和水霧生產。穿水冷卻的冷卻強度較水霧冷卻的冷卻強度高，形成的過飽和固溶體的過飽和度較高。其他擠壓工藝參數相同。主要工藝參數設定為：鑄錠溫度490～500℃，擠壓速度6～7 m/min，模具溫度480℃，擠壓筒溫度450℃，具體擠壓工藝參數見表2。

表2 擠壓生產工藝參數

3 試驗結果

3.1 化學成分

在5種擠壓型材的相同位置取樣進行成分分析，檢測結果均符合要求，實際測量化學成分值見表3。由表3可以看出，成分的實際檢測值與設計要求符合，3種成分鑄棒除Si、Mg元素不同外，其他元素基本無差異，成分A元素含量Si＜Mg，成分B元素含量Si≈Mg，成分C元素含量Si＞Mg。

表3 化學成分（質量分數/%）

3.2 力學性能

對5種擠壓型材分別進行0 h、24 h、48 h、96 h的自然時效處理，取樣后檢測其力學性能，檢測結果見表4。可以看出，5種型材的初始力學性能和經過自然時效96 h后力學性能規律如下：通過對比A1和A2產品，A1屈服漲幅較小，由初始屈服強度82 MPa經過自然時效96 h后升至88 MPa，漲幅為6 MPa，說明低溫均質條件下屈服強度漲幅較小。通過對比C1、C1-1產品，C1屈服漲幅略大但不明顯，說明冷卻方式對屈服的漲幅無明顯影響。通過對比A1、B1、C1產品可知，A1屈服漲幅較小，C1屈服漲幅最大且超出10 MPa。通過3種不同成分在相同工藝下的性能值可以看出，成分A含量Si＜Mg時，經過96 h自然時效后屈服強度最低，C成分Si＞Mg時經過96 h自然時效后屈服強度最高。說明成分含量在Si＜Mg條件下屈服強度漲幅較小。產品屈服強度漲幅如圖2所示，Si、Mg元素含量對比如圖3所示。

表4 力學檢測實測值

圖2 不同型材的屈服強變化曲線

圖3 不同型材中Si、Mg含量對比

3.3 高倍組織

分別切取5種不同制度的產品料樣進行高倍組織與晶粒度檢驗，高倍組織檢測結果均未見過燒，如圖4所示。通過高倍組織檢驗可以看出以上生產工藝可以保證組織不過燒。晶粒度檢測結果如圖5所示，晶粒尺寸相差不大，通過晶粒度檢驗可以看出Si和Mg元素含量、鑄錠均質制度以及擠壓淬火方式對6063合金晶粒度影響不大。

圖4 型材高倍組織形貌

圖5 型材晶粒度圖片

4 結果分析

6063鋁合金熱處理可強化相是β（Mg2Si）相，其脫溶序列為α過飽和固溶體→G.P區→β''相→β'相→β相。在室溫自然時效時，Mg、Si原子在鋁基體的晶面上聚集，形成溶質原子富集區即G.P區，與基體保持共格關系，邊界上的原子為母相α和G.P區所共有。為了同時適應兩種不同原子排列形式，共格邊界附近產生彈性應變，正是這種晶格的嚴重畸變阻礙了位錯運動，從而提高了合金的硬度[13]。隨著均質溫度的升高，Mg2Si相固溶與擴散速度加快，在自然時效時形成溶質原子富集區越多，屈服強度漲幅較多。當w（Mg）：w（Si）<1.73時合金中的Si過剩，A、B、C三種成分均為Si過剩，C成分Si含量最多。過剩Si能夠提高合金強度細化Mg2Si質點，細小彌散分布的G.P區能夠強化基體，因此在其他條件相同條件下自然時效時C成分的屈服強度漲幅較多，A成分屈服強度漲幅較小。

5 結論

（1）壁厚為2.5 mm的6063合金日字形方管采用水霧生產，控制棒溫在490～500℃，擠壓速度6～7 m/min，進淬火區溫度＞500℃，出淬火區溫度＜100℃時，擠壓后力學性能可達屈服強度≥80 MPa，抗拉強度≥160 MPa，斷后延伸率≥20%。

（2）6063合金鑄棒采用低溫均質制度比高溫均質制度能更有效控制型材擠壓后自然時效屈服強度的漲幅。

（3）采用A成分擠壓生產出的6063鋁合金型材經過自然時效后，屈服強度漲幅較小，但屈服強度值較低。