6061鋁型材雙級(jí)時(shí)效工藝的研究

姜 珊，李宏常，楊俊林，趙鈺鋒，王 爽

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng)111003）

0 前言

6061 鋁合金由于具有中等強(qiáng)度和良好的可焊性、耐蝕性，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)、汽車及船舶等領(lǐng)域[1]。隨著汽車等行業(yè)的迅猛發(fā)展，越來越多的產(chǎn)品對(duì)6061型材的力學(xué)性能提出更高要求。時(shí)效處理是提高鋁合金力學(xué)性能和改善理化性能的重要手段，傳統(tǒng)的6061鋁型材采用單級(jí)時(shí)效制度175 ℃×8 h能達(dá)到良好的力學(xué)性能，但保溫時(shí)間較長(zhǎng)，能耗較高。本課題主要研究了6061 鋁型材的雙級(jí)時(shí)效工藝，采用幾組不同的雙級(jí)時(shí)效制度，對(duì)比型材的力學(xué)性能、電導(dǎo)率及晶間腐蝕情況，探求提高型材性能且減少能耗、縮短生產(chǎn)周期的時(shí)效工藝，為6061鋁型材高效節(jié)能生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用材料為我公司生產(chǎn)的兩種6061 鋁合金擠壓型材，將其分別在3 600 t、880 t臥式油壓擠壓機(jī)上生產(chǎn)，型材及擠壓相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 型材及擠壓相關(guān)參數(shù)

擠壓完成后，將兩種斷面各取10個(gè)300 mm 試樣進(jìn)行時(shí)效處理。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每種斷面同一時(shí)效制度取2個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，試樣編號(hào)及時(shí)效制度見表2。本試驗(yàn)中的雙級(jí)時(shí)效處理步驟為：先進(jìn)行一級(jí)時(shí)效（預(yù)時(shí)效），之后立即隨爐升溫至二級(jí)時(shí)效溫度進(jìn)行最終時(shí)效。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)資料，制定了4種雙級(jí)時(shí)效制度，并與峰值時(shí)效進(jìn)行對(duì)比。為排除停放效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試樣停放不到12 h即進(jìn)行時(shí)效處理。完成時(shí)效處理后分別進(jìn)行力學(xué)、電導(dǎo)率和晶間腐蝕試驗(yàn)，分析兩種型號(hào)在5組時(shí)效制度下的各項(xiàng)性能情況。

表2 試樣時(shí)效清單

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 雙級(jí)時(shí)效對(duì)6061鋁型材力學(xué)性能的影響

不同時(shí)效制度下兩種斷面的力學(xué)性能如圖1所示。該圖是取同一時(shí)效制度下2個(gè)力學(xué)試樣的平均值作圖而成。A、B 兩種型材在5 種時(shí)效制度下的力學(xué)性能均高于國(guó)標(biāo)要求。

由圖1 可知，A 型材隨著預(yù)時(shí)效溫度的升高，力學(xué)性能呈先升高后降低的趨勢(shì)。其中170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 制度下試樣的綜合力學(xué)性能最好，抗拉強(qiáng)度為283 MPa，屈服強(qiáng)度為265.5 MPa，斷后拉伸率為8%，強(qiáng)度高于單級(jí)時(shí)效制度，斷后伸長(zhǎng)率略低。B型材力學(xué)性能整體趨勢(shì)與A型材相同，在預(yù)時(shí)效溫度為150 ℃、160 ℃和170 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相近，均超過175 ℃×8 h 時(shí)效制度時(shí)的強(qiáng)度。其中170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h制度下強(qiáng)度最高。預(yù)時(shí)效溫度為180 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降較多，均低于單級(jí)時(shí)效。4組雙級(jí)時(shí)效工藝中，170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 制度下合金的綜合力學(xué)最好。

圖1 不同時(shí)效制度下6061合金的力學(xué)性能

雙級(jí)時(shí)效由預(yù)時(shí)效和最終時(shí)效兩個(gè)階段組成。預(yù)時(shí)效處理溫度較低，合金中形成高密度的GP區(qū)，當(dāng)其尺寸達(dá)到一定值時(shí)成為隨后時(shí)效脫溶相的核心，從而提高了組織的均勻性。在第二階段中，隨著溫度的升高，GP 區(qū)轉(zhuǎn)化為過渡相，過渡相密度不斷提高，使基體內(nèi)產(chǎn)生大量畸變區(qū)，從而對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用不斷加大，使合金強(qiáng)度增大。本試驗(yàn)中二級(jí)時(shí)效均為210 ℃×1.5 h。通過調(diào)整預(yù)時(shí)效溫度改變脫溶相的結(jié)構(gòu)和彌散度，使過渡相與基體仍舊保持共格關(guān)系，以考察不同雙級(jí)時(shí)效制度對(duì)6061合金性能的影響。

試驗(yàn)結(jié)果說明，當(dāng)預(yù)時(shí)效溫度為170 ℃時(shí)，在最終時(shí)效階段θ'過渡相出現(xiàn)，合金達(dá)到強(qiáng)度峰值，未出現(xiàn)過時(shí)效現(xiàn)象；當(dāng)預(yù)時(shí)效溫度升到180 ℃時(shí)，組織中存在過渡相θ'和穩(wěn)定相θ，致使型材性能有下降趨勢(shì)。

綜上可知，4種雙級(jí)時(shí)效制度中170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h處理后型材力學(xué)性能最好，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均高于175 ℃×8 h，且斷后伸長(zhǎng)率與峰值時(shí)效較為接近。

2.2 雙級(jí)時(shí)效對(duì)6061鋁型材電導(dǎo)率的影響

根據(jù)同一時(shí)效制度下2個(gè)試樣的電導(dǎo)率平均值繪制的電導(dǎo)率曲線如圖2 所示。A、B 型材的電導(dǎo)率均在180 ℃×1.5 h+200 ℃×1.5 h時(shí)最高，隨著預(yù)時(shí)效溫度由150 ℃升到180 ℃，電導(dǎo)率逐步升高。

A 型材峰值時(shí)效后電導(dǎo)率為27.97 MS/m，180 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 時(shí)效后電導(dǎo)率為28.14 MS/m。B型材180 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 時(shí)效后電導(dǎo)率為27.5 MS/m；預(yù)時(shí)效溫度為170 ℃時(shí)電導(dǎo)率略小，為27 MS/m。一般來說，合金的電導(dǎo)率越高，抗晶間腐蝕性能越好[2-3]。可見，與單級(jí)峰值時(shí)效相比，6061 合金經(jīng)180 ℃×1.5 h+200 ℃×1.5 h 雙級(jí)時(shí)效處理后電導(dǎo)率更好，抗晶間腐蝕性能更強(qiáng)。

圖2 不同時(shí)效制度下6061合金的電導(dǎo)率

2.3 雙級(jí)時(shí)效對(duì)6061鋁型材晶間腐蝕性能的影響

圖3為A型材的金相顯微組織。由圖可知，組織未過燒。圖4為A型材試樣的晶間腐蝕形貌。從圖4（e）可知，峰值時(shí)效狀態(tài)下合金的晶間腐蝕嚴(yán)重，表層晶粒之間脫離，部分晶粒從表面脫落。經(jīng)測(cè)量，腐蝕深度為0.244 mm。150 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h制度下晶間腐蝕減輕，腐蝕深度縮減至0.190 mm。從圖4（b）可以看出預(yù)時(shí)效為160 ℃時(shí)，晶間腐蝕進(jìn)一步改善，腐蝕深度為0.134 mm，明顯低于峰值時(shí)效的腐蝕深度。圖4（c）的腐蝕形貌已完全轉(zhuǎn)變類型，呈現(xiàn)為點(diǎn)蝕，腐蝕深度為0.084 mm，晶間腐蝕敏感性大幅降低。圖4（d）的腐蝕形貌為輕微點(diǎn)蝕，腐蝕深度降至0.073 mm。

B型材高倍組織無(wú)過燒，晶間腐蝕趨勢(shì)與A型材相同。由試驗(yàn)結(jié)果可知，雙級(jí)時(shí)效能顯著提升6061 合金抗晶間腐蝕性能，并隨著預(yù)時(shí)效溫度的升高，腐蝕情況逐漸改善；在170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h和180 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h制度下，呈現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕，腐蝕深度較淺，抗腐蝕性能較強(qiáng)。

圖3 金相組織

3 結(jié)論

（1）在本試驗(yàn)4種雙級(jí)時(shí)效制度中，170℃×1.5h+210℃×1.5h制度下的6061型材綜合力學(xué)性能最好，其抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均高于175℃×8h時(shí)的，斷后伸長(zhǎng)率與峰值時(shí)效較為接近。

（2）當(dāng)雙級(jí)時(shí)效中的預(yù)時(shí)效溫度由150 ℃升到180 ℃時(shí)，6061 合金的電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)，與175 ℃×8 h 相比，180 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 制度下的電導(dǎo)率更好。

（3）6061 合金在175 ℃×8 h 峰值時(shí)效狀態(tài)下，晶間腐蝕嚴(yán)重。經(jīng)雙級(jí)時(shí)效處理后，晶間腐蝕情況明顯改善。隨著預(yù)時(shí)效溫度的升高，腐蝕形貌逐漸由晶間腐蝕變?yōu)辄c(diǎn)蝕，腐蝕深度變淺。

（4）在6061合金實(shí)際生產(chǎn)中，可替代單級(jí)峰值時(shí)效的最優(yōu)雙級(jí)時(shí)效工藝為170℃×1.5h+210℃×1.5h。該制度的時(shí)效保溫時(shí)間大幅減少，生產(chǎn)周期縮短，能耗降低；同時(shí)型材綜合性能良好，適用于6061鋁型材實(shí)際生產(chǎn)。