热处理工艺对6082铝合金轮毂性能的影响

文／马泽云，杨金岭·中信戴卡股份有限公司

热处理工艺对6082铝合金轮毂性能的影响

文／马泽云，杨金岭·中信戴卡股份有限公司

6082铝合金轮毂的锻后固溶和时效处理工艺决定了其组织和性能，本文研究了不同固溶和时效处理工艺对6082铝合金组织与性能的影响。通过拉伸试验、析出相观察、SEM和EDS进行分析，确立6082铝合金轮毂最佳热处理工艺：固溶温度为540℃下保温120min，30℃水冷；时效温度为166℃下保温15h，空冷。

锻造铝合金轮毂具有重量轻、力学性能高等

特征，越来越受到国外高端汽车厂家的青睐。研究提高轮毂寿命以及力学性能的途径，从而生产出与国外轮毂相媲美的产品，已成为国内轮毂生产厂家面临的首要问题。大量研究表明，热处理强化是提高铝合金力学性能的主要强化方法，因为合金中强化相的数量、大小、形状和分布是影响合金强度的关键因素，因此合理的热处理制度可显著提高合金的力学性能。本文考察了固溶时效处理对6082铝合金轮毂显微组织及力学性能的影响，并进行分析，最终确立了合理的热处理制度。

实验准备

实验材料

本课题实验所用材料为6082铝合金，其化学成分如表1所示，经过铝锭熔炼浇铸成8寸的棒料。

表1 6082铝合金的化学成分

实验设备

实验主要设备包括液压机、棒料加热炉、热处理炉以及CMT5105微机控制电子万能实验机、光学金相显微镜、SirionZoo场发射扫描电镜和GENESIS605型能谱分析仪等。液压机型号为THP11D-6000A，公称压力为6000t；该设备速度可灵活控制，运行稳定，能满足汽车轮毂锻造成形的要求。

实验方法

6082铝合金轮毂经3次锻造成形，为研究固溶和时效处理工艺，样品取自锻后的轮辐。热处理工艺的固溶温度分别设定为520℃和540℃，在固溶温度下分别保温10min/40min/80min/120min，之后于30℃水中冷却。为了防止延迟时效所带来的影响与实验室条件的限制，所有样品的延迟时效时间均定在48h之后。在时效阶段，时效温度为166℃，保温时间分别为4h/8h/15h/24h，之后空冷，具体参数见表2。

表2 热处理参数

经热处理之后，对样品编号组合，方便试验使用。实验项目为拉伸试验、SEM和EDS分析。

实验结果及分析

固溶温度对拉伸性能的影响

图1、图2分别为通过机械性能试验数据绘制的固溶温度-屈服强度关系曲线和固溶温度-抗拉强度关系曲线，工艺条件分别为：⑴工艺条件一：520℃固溶→固溶保温10min/40min/80min/120min→30℃水冷→166℃时效处理×15h；⑵工艺条件二：540℃固溶→固溶保温10min/40min/80min/120min→30℃水冷→166℃时效处理×15h。

由图1、图2可以发现，相同工艺条件下固溶温度540℃的样品力学性能要比520℃的好。例如，同样经过固溶保温120min，30℃水冷，时效温度166℃下保温24h，固溶温度为520℃的样品其屈服强度为297.5MPa，抗拉强度为324MPa，延伸率为15.55%，断面收缩率为53.7%；而540℃的样品同样指标却达到了315.5MPa、340.5MPa、13.5%和52.1%。

同时通过SEM分析，图3a所示为工艺条件一（保温时间120min）的 SEM图像、图3b为工艺条件二（保温时间120min）的SEM图像。520℃固溶的试样组织中残留了较多未溶解的Al-FeMg-Si化合物，导致固溶合金含量相对较低，时效强化效果较差，以致最终使材料强度偏低。而540℃固溶时，Al-FeMg-Si化合物基本溶解于基体组织内，所以试样综合力学性能良好。

图1 固溶温度-屈服强度曲线

图2 固溶温度-抗拉强度曲线

图3 SEM分析图像

固溶时间对拉伸性能的影响

图4显示了铝合金轮毂在520℃下保温不同时间后并于166℃时效不同时间的力学性能，图5显示了铝合金轮毂在540℃下保温不同时间后并于166℃时效不同时间的力学性能。图4a与图4b中，随着保温时间的延长，时效后屈服强度与抗拉强度都在提高，而延伸率最终也只是小幅降低，显然固溶时间不够。图4c与图4d中，屈服强度与抗拉强度上升的速度越来越快，在80min后，上升速度趋缓，并在120min处趋于最大值，延伸率也迅速下降，大约在80min处最小，之后有小幅的回升。对比图5与图4，可以看出，力学性能的变化规律基本一致。例如，540℃固溶加热时间在10～80min，其抗拉强度和屈服强度随加热时间迅速上升，然后于80～120min内缓慢提高，并在120min时趋于最高。在540℃固溶加热10min时，时效后的试样组织中Al-FeMg-Si未得到充分溶解，组织中会存留较多粗大的残留化合物，基体内弥散析出的θ＂相较少，从而导致强度偏低，塑性趋高。在540℃固溶加热120min时，时效后组织中Al-FeMg-Si基本溶解，并在时效后弥散析出，试样的综合力学性能良好。

图4 520℃下保温不同时间水冷后于166℃时效不同时间的力学性能

图5 540℃下保温不同时间水冷后于166℃时效不同时间的力学性能

图6为540℃下分别保温10min和120min后时效温度166℃下保温15h的样品SEM分析照片。图6a所示，由于固溶时间短，合金中形成的空位较少，导致时效时固溶体中空位不能加速溶质原子的偏聚，也不能使溶质原子固溶到合金中，或者固溶不稳定，析出相分布不均匀且颗粒较大，较大的析出相颗粒对位错的阻碍较小，因此性能相对较差。图6b所示，试验合金随着固溶保温时间的延长，时效后的试样显微组织显示固溶加热、保温适当，强化相基本溶解，并在时效后弥散析出，组织均匀，以至试件的综合力学性能良好。

图6 540℃下保温不同时间后时效的SEM照片

时效时间对拉伸性能的影响

图7 520℃固溶后在166℃下时效不同时间后的力学性能

图7显示了520℃固溶在166℃下时效不同时间后的拉伸性能。经520℃保温10min后在166℃下时效，时效时间对力学性能几乎没有影响（图7a），其原因是固溶时间过短，未能形成过饱和固溶体，合金强化素形成的溶质原子不能与基体中的空位结合，或者结合后来不及扩散，最后导致溶质原子不能发生偏聚，因而无论时效时间长短都不会形成G·P（Ⅰ）区。图7b与图7c中，520℃下保温40min与80min的样品在166℃下随着时效时间的延长，屈服强度与抗拉强度都迅速提高，而延伸率有所降低。保温80min的样品时效15h后屈服强度、抗拉强度与延伸率的变化率有所减小。淬火状态的过饱和固溶体中，Mg-Si化合物在铝晶格中的分布是任意的、无序的。时效初期，即时效温度低或时效时间短时，Mg-Si在铝基体上的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，称G·P（Ⅰ）区。G·P（Ⅰ）区与基体α保持共格关系，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，故使合金的强度、硬度升高。随着时效时间延长，Mg-Si继续偏聚并发生有序化，即形成G·P（Ⅱ）区。它与基体α仍保持共格关系，但尺寸较G·P（Ⅰ）区大。它可视为中间过渡相，即θ＂相。它比G·P（Ⅰ）区周围的畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，θ＂相析出阶段为合金达到最大强化的阶段。520℃保温2h时效15h的样品刚好说明这一点，见图7d。图8为540℃固溶在166℃下时效不同时间后的力学性能。固溶温度在540℃的样品与520℃的有相同的规律。但是在其他条件一致的情况下，540℃的样品普遍比520℃的机械性能要好一些，说明540℃比520℃固溶效果更好。随着时效过程的进一步发展，Mg-Si在G·P（Ⅱ）区继续偏聚，当Mg-Si-Al达到一定的比例时，形成过渡相θ′。由于θ′的点阵常数发生较大的变化，故当其形成时与基体共格关系开始破坏，即由完全共格变为局部共格，因此θ′相周围基体的共格畸变减弱，对位错运动的阻碍作用亦减小，表现在合金性能上强度开始下降。通过比较图7与图8，图8（d）中的540℃保温120min时效15h是最佳工艺，15h之后发生共格畸变减弱，也说明了共格畸变的存在是造成合金时效强化的重要因素。

图8 540℃固溶后在166℃下时效不同时间后的力学性能

结论

⑴在固溶处理时间和时效处理工艺相同的条件下，540℃固溶处理样品的拉伸性能高于520℃样品。

⑵在固溶处理温度和时效处理工艺相同的条件下，随着固溶处理时间的增加，屈服强度与抗拉强度显著增加，延伸率显著降低，超过40min后，强度缓慢增加，塑性变化不大。

⑶时效时间对拉伸性能的作用与固溶处理条件有关，在铝合金固溶程度较低的条件下，时效后拉伸性能较低；在未完全充分固溶的条件下，随着时效时间的增加，强度逐渐增加而塑性降低；在540℃保温2h的固溶条件下，在166℃下最佳时效时间为15h。

⑷固溶处理的最佳工艺为540℃下保温2h，30℃水冷；时效处理的最佳工艺为166℃下保温15h，空冷。