時效制度對高強度薄壁6XXX系鋁合金力學性能的影響

楊明　楊學均　高爽　高彤　黃永哲

摘要：通過控制擠壓工藝改善鋁合金的流動性，擠壓生產出6XXX系薄壁復雜截面型材。探究不同的時效制度對此類產品力學性能的影響，對最優時效制度下制備的型材的長期及短期熱穩定性能、折彎性能及顯微組織進行表征。結果表明：型材經150℃x4 h+175℃x8h時效后的力學性能最優，屈服強度為340～380 MPa，抗拉強度為390～410 MPa，伸長率為10%～12%，長期及短期熱穩定性較好，但折彎角度相對較低。橫向基體晶粒度等級為6級，無邊部皮質層，縱向纖維狀晶粒晶界清晰平直。

關鍵詞：6XXX系鋁合金；時效制度；力學性能；微觀組織

中圖分類號：TG 146 文獻標志碼：A

隨著新能源汽車的不斷發展，汽車輕量化已成為當今汽車工業發展的重要方向，鋁合金由于其優異的綜合性能，成為汽車輕量化的首選材料[1-5]。對于綠色輕量化汽車防撞梁、防卷入梁、電池包等產品的質量要求也越來越高，同時，客戶對此類產品的強度也提出了更高的要求。汽車零部件總成產品由于本身斷面形狀復雜，壁厚較薄，且要求其具有超高的強度，這對擠壓鋁的生產提出了更高的要求[6-9]。本文采用高度合金化的6XXX系鋁合擠壓型材為研究對象，采用多種時效制度對其進行時效處理，并對時效處理后的性能進行分析，為現階段高強度薄壁汽車零部件總成型材的擠壓鋁開發提供參考依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料及準備

圖1為型材截面示意圖。圖1中箭頭所指的l，2，3處位置為后續測試樣品的取樣位置。從圖1中可以看出，此截面為多腔體薄壁型材（以下簡稱型材），型材外接圓的直徑為120.00 mm，壁厚為2.00～3.24 mm，由高合金化的6XXX系鋁合金在2 000 t臥式單動擠壓機擠壓而成。生產所使用的鑄錠采用半連續鑄造法生產，鑄造過程中采用泡沫陶瓷過濾，采用Al-Ti-B細化晶粒，并經高溫均質，使合金充分均勻化處理，使其具有較好的可擠壓性。

1.2 在線擠壓過程

1.2.1擠壓工藝參數

為獲得高強度多腔體薄壁型材產品，改善合金可擠壓性，應采用高溫低速擠壓工藝，因此，鑄錠的加熱溫度為510～550℃。為了獲得超高強度的產品，淬火方式采用穿水冷卻方式，使型材處于過飽和狀態，突破壓力控制在25～29 MPa。當擠壓速度超過6 m/mm后，型材表面出現間斷性凹坑，內筋出現間斷性裂紋。原因可能為采用的6XXX鋁合金的合金化程度較高，合金液在模具中的流動性較差，導致擠壓多腔體薄壁型材的成形性較差。應采用高溫低速的擠壓工藝來改善合金的流動性，合理控制擠壓速度才可充分擠壓成形，從而使型材各處尺寸達到標準要求，所以，擠壓速度應控制為3～6 m/min。

1.3 試驗方法及設備

對擠壓在線淬火后的型材進行時效處理，時效制度為：175℃x7 h，175℃x8 h，175℃x9 h，1500CxI h+175Cx8 h.1500Cx2 h+175Cx8 h.1500Cx3 h+175Cx8 h.150Cx4 h+175Cx8 h.150℃x5 h+175℃x8h，共8種，根據力學性能確定最優的時效制度。選擇最優的時效制度進行短期熱穩定性試驗（190℃x45 min）、長期熱穩定性試驗（120℃x500 h）和折彎試驗。

采用日本島津電子拉力試驗機（型號為AG-X，250 kN）按照GB/T228.1-2010標準對型材進行力學性能檢測；按照VDA238-IOO/DBL4919方法對折彎性能進行檢測；采用光學顯微鏡對型材的微觀組織進行觀察。

2 試驗結果及分析

2.1 成分分析及微觀組織觀察

表1為型材的成分。圖2為型材的縱向顯微組織圖。由圖2可知，型材的晶粒細小且均勻，基體中有大量晶界存在，可以起到細晶強化的作用。

從圖2中可以清晰地看到，大量彌散分布的第二相質點尺寸均勻、形態圓潤，可起到彌散強化的作用。從表1中可以看出，除Si，Mg的質量分數為0.8%外，還添加了質量分數為0.5%的Cu，型材產品在經過高溫固溶并快速冷卻后，形成了過飽和固溶體，在后期時效處理過程中，析出了大量的第二相，包括MnA16及CriA12硬質顆粒相，這些第二相起到了彌散強化的作用，阻礙了位錯運動，使型材的強度增大[10-11]。

擠壓鋁產品中粗晶及過燒會嚴重影響型材的強度，從圖2中可以看出，型材表面無粗晶層，且未發現過燒現象，縱向基體纖維狀晶粒的晶界較清晰，晶界相對平直。這是因為型材中的Mn可以提高其再結晶的溫度，在高溫擠壓過程中起到避免型材產生粗晶的缺陷，進一步保證了型材較高的力學性能。

2.2 力學性能檢測

型材經在線淬火，175℃x8h單級時效后的力學性能見表2。由表2可知，不同位置的型材的力學性能有一定的差別。型材的屈服強度最高為372 MPa．最低為336 MPa。型材的抗拉強度最高為403 MPa．最低為386 MPa。型材的伸長率最高為14%，最低為12%。

為研究型材的力學性能極限，本文進行不同時效制度的試驗，從而確定最優的時效制度。

圖3 是型材經150℃X（1，2，3，4，5）h+175℃×8h5種雙級時效和175℃x（7，8，9）h3種單級時效制度下的力學性能。

對比圖3中雙級時效制度下的力學性能可知，雙級時效制度中，型材在150℃x4 h+175℃x8 h時效下的性能最優，單級時效制度中，175℃x9h時效下的力學性能最優，二者中，雙級時效制度的力學性能優于單級時效制度的。這是因為，在低溫一級時效階段，是對型材基體中的GP區進行預形核處理，此時形成了更多細小的溶質集團，在二級高溫時效階段，會促使更多的第二相硬質顆粒析出，進一步起到彌散強化的作用。

綜上所述，應選擇150℃x4 h+175℃x8 h的雙級時效制度作為最優的時效制度，對型材進行最優時效處理后其力學性能測試，位置1處選取4個樣品進行測試，結果如表3所示，可以看出，屈服強度為340～380 MPa;抗拉強度為390～410 MPa;伸長率為10%～12%。

2.3 長期及短期熱穩定性能檢測

表4是型材采用最優雙級時效處理后再經過190℃x45 min的短期退火的力學性能。表5是型材采用最優雙級時效處理后再經過120℃x500 h的長期熱處理后的力學性能。從表4和表5可以看出，型材的抗拉強度、屈服強度、伸長率均有小幅度下降，均符合DBL4919標準中的短期及長期熱穩定性能標準，說明該型材短期及長期熱穩定性較好。主要原因是，型材中Cu，Zr的質量分數較高，Cu可以提高型材的力學性能，Zr可以阻礙晶粒長大[12-13]。

2.4 折彎性能檢測

表6是型材經最優雙級時效處理后的折彎性能檢測結果。由表6可知，型材的折彎彎曲角度為53°和55°，彎曲力為2 226 N和2 430N，折彎角度相對于低成分6XXX系鋁合金較低，折彎性能是反應材料塑性及韌性的一種指標，因此類合金屬于高成分鋁合金，強度高所以塑性及韌性相對較差，是導致折彎角度較低的主要原因。

3 結 論

（1）通過控制擠壓工藝參數，采用高溫低速擠壓成功制備了高強度多腔體薄壁型材，確定了最優時效制度為150℃x4 h+175℃x8 h，此時效制度下，型材的最高屈服強度為380 MPa，最高抗拉強度為410 MPa，最大伸長率為12%。

（2）型材經最優雙級時效制度處理后，短期及長期熱穩定性較好，折彎角度相對較低。

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