固溶时效处理对6063铸态铝合金硬度的影响

钟坤

摘 要：本文主要研究了6063铸态铝合金在不同固溶时效工艺处理下硬度的变化，通过金相观察、SEM以及TEM检测初步探讨了其微观组织变化。结果表明，通过优化固溶时效工艺，可以将6063铸态铝合金硬度提高到80HV以上，完全满足顾客要求。

关键词：6063铸态铝合金；固溶时效处理；硬度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.019

6063铝合金具有优良的可挤压性性能和抗腐蚀性能，良好的阳极氧化着色性和优秀的可抛光性，以及出色的焊接性能等[1]。这些使得6063铝合金在工业型材、建筑型材以及装饰性铝合金中都具有广泛的应用。作为可热处理强化铝合金，时效处理已经是改善6063铝合金性能的重要途径，有关热处理工艺对其性能的影响已有大量研究，但这些研究多是针对6063挤压型材和轧制型材等，关于固溶时效工艺对铸态6063铝合金组织性能的影响，目前研究较少。根据客户需求，本文主要研究了固溶时效工艺对铸态6063铝合金硬度的影响。

有关6063铝合金时效强化机制，目前业界研究较多，一般认为是析出相沉淀强化[2-3]。这是由于其合金元素较多、析出相复杂等因素，使得对其建立数学模型难度较大。O.R.MYHR等人在以往研究基础上[4]，对Al-Mg-Si合金时效强化机制进行了深入研究，综合考虑沉淀强化和固溶强化机制，推导出了屈服强度与热处理工艺之间的关系，建立了相应数学模型，并与实验结果进行了校正，对此合金数学模型的建立又前进了一步。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

根据客户要求和以往企业生产经验设计铸锭化学成分，见表1。采用直冷半连续铸造法生产规格为Φ448mm×6000mm的6063合金铸锭，铸造设备为Almax公司生产。

铸锭采用570℃/12h高温均匀化处理，室温自然冷却。距离铸锭顶部1/3处取试样一块，规格为60mm×150 mm× 30mm。将试样置于马弗炉中加热到550℃，保温4h，室温水淬。然后使用线切割设备将试样加工成30mm×30 mm× 30mm大小。留下两个试样作为对照试样，剩余试样随机分为A组和B组进行时效处理。

1.2 试验方法

（1）A组人工时效温度是175℃，时间分别为2h，4h，6h，8h，10h。

（2）B组人工时效温度是200℃，时间分别为2h，4h，6h，8h。

（3）试样经过砂纸打磨，抛光等步骤后，采用HV-1000Z型显微硬度计对试样进行显微硬度测量，随机选取三个测量点，取平均值。使用光学显微镜进行金相观察，使用扫描电镜和投射电镜对样品微观组织进行观察和分析。所用设备型号为ZEISS Axio vert.A1 倒置光学显微镜，ZEISS EVO18扫描电镜以及牛津 Inca X-Max 20电制冷X射线能谱仪等设备。

2 试验结果与分析

2.1 固溶时效工艺对硬度的影响

由图1可以看出，经过人工时效后样品硬度均有大幅度提升。在175℃时效温度下，时效初期硬度迅速升高，4h后趋于稳定，随着保温时间继续延长，硬度缓慢提高。在10h的保温时间内，尚未出现硬度降低现象。在200℃时效温度下，时效初期硬度升高速率高于175℃温度下，在2h后硬度已经达到峰值，随着保温时间延长，硬度开始逐渐下降。

根据图1，可以看出175℃保温四个小时以上，以及200℃保温两小时和四小时，这些时效工艺均能满足客户对产品硬度的要求（客户要求硬度大于80HV）。但本着低耗节约的原则，参照图1结果，又进一步对工艺进行了调整，见表2。根据表2结果，可以发现合金经过固溶时效处理后，硬度都符合客户要求。综合考虑测量误差、批次误差、能源节约和顾客要求的情况下，可以选择如下工艺：550℃2h+200℃2h。

2.2 固溶时效工艺对铝合金微观组织的影响

众所周知合金硬度的变化是合金显微组织变化的外在体现。6063合金属于典型的可热处理强化合金，在经过不同温度热处理后，合金析出相的数量和形态均产生相应变化。金相组织照片见图2。

由图2可以发现，在175℃温度下，随着固溶时间延长，晶界析出相逐渐增多，由断续颗粒状分布，逐渐长大为杆状，并趋于连续分布。为了进一步了解合金微观组织，结合图1和图2结果，我们对175℃4h样品进行了扫描电镜观察、EDS分析以及透射电镜检测，结果见图3。

通过能谱分析可以得知，晶界处粗大的杆状析出相主要是FeSiAl相。Mg2Si颗粒较小，在扫描电镜下只能发现零星分布，如图3（a）所示。在图3（b）中，可以发现经过175℃4h处理后从铝基体中析出大量细小弥散的针状β′′析出相。

2.3 试验结果分析

6063铝合金是典型的可热处理强化铝合金。其时效处理强化相主要是β′′（ Mg2Si） 相，一般认为其脱溶序列为[5]：α过饱和固溶体→G.P.区→β′′相→β′相→β相。主要是Mg和Si溶入α铝中形成α固溶体。在时效初期Mg和Si 在铝基体的晶面上聚集，形成溶质原子富集区即GP.区，与基体保持共格关系，边界上的原子为二者所共有，这就导致共格边界原子发生弹性形变，造成晶格畸变，阻碍了位错运动，从而提高了合金硬度。

随着时效时间延长，Mg和Si进一步富集并趋向有序化，迅速长大成针状的β′′相，当β′′相生长到一定尺寸，应力场遍布基体彼此相连，产生最大化的强化效果，此时合金硬度最高。随着时效时间继续延长，Mg和Si进一步富集，形成杆状β′相，与基体部分共格，强化效果弱于β′′相，合金硬度开始有所下降。时效后期在随着强化相进一步析出，开始形成稳定β相，完全从基体中脱离，强化效果消失，称为过时效状态。这也是如图1中所示，在200℃温度下，时效时间超过四个小时后硬度开始下降的原因。

除了Mg2Si强化相之外，FeSiAl相也是一种强化相。它不仅分布在晶界也分布在晶内，尤其分布在晶界时可以使合金硬度得到明显提高。本实验6063合金中含有较多Fe元素，因而在固溶时效中生成了较多FeSiAl相。在图2中我们能看到杆状的FeSiAl析出相，并随着时间延长逐渐增多并长大。

时效处理中，析出相的数量和大小主要取决于时效温度。温度越高，基体中空位越多，溶质原子的扩散越快，G.P.区易长大，G.P.区→β′′相→β′相→β相的脱溶速度相应提高。所以如图1所示，2h内200℃时合金硬度提升速率远高于175℃时。随着时间延长直4h之后，200℃温度下合金硬度在达到峰值后，硬度开始明显下降，到达过时效状态。而175℃时效温度下，在实验范围内硬度一直在逐渐提升，尚未到达过时效状态。

表2表明固溶处理对合金硬度也有重大影响。525℃温度时固溶不完全，在相同时效工艺条件下，合金硬度低于550℃固溶温度下样品硬度。这是因为铸态合金晶界偏析严重，若固溶不完全会导致时效时G.P.区的析出数量和密度大幅降低，从而使得不能达到最优的强化效果。考虑到工业生产的实际过程和客户要求，可以选择固溶时效工艺：550℃2h+200℃2h。

3 结论

（1）在550℃+4h固溶处理后，175℃时效2h后合金硬度达到84.0HV，随着时间延长，硬度缓慢提升。200℃时效温度下，合金在2h后硬度达到84.6HV，保温时间继续延长，硬度开始下降。

（2）固溶温度为525℃时，时效后合金硬度明显低于550℃固溶时效工艺下合金硬度。

（3）综合考虑客户要求和工业生产过程，选择固溶时效工艺为：550℃2h+200℃2h。

参考文献：

[1]王孟君，王金亮.6063铝合金时效工艺的研究[J].金属热处理， 1998（08）：24-41.

[2]G.Das，Mousumi Das，Sabita Ghosh， Paritosh Dubey. Effect of aging on mechanical properties of 6063 Al-alloy using instrumented ball indentation technique[J].Materials Science and Engineering A，2010（527）：1590-1594.

[3]宁爱林，孙瑜，黄继武.不同时效工艺对6063铝合金组织和力学性能的影响[J].机械工程材料，2013（03）：28-31.

[3]O.R.Myhr，?.Grong ，S.J.Andersen.Modelling of the age hardening behaviour of Al-Mg-Si alloys.Acta mater. 2001（49）：65-75.

[4]L.P.Troeger，E.A.Starke. Microstructural and mechanical characterization of a superplastic 6xxx aluminum alloy[J]. Materials Science and Engineering A， 2000（277）： 102-113.

[5]S.H.Lee，Y.Saito，T.Sakai.Microstructures and mechanical properties of 6061 aluminum alloy processed by accumulative roll-bonding[J].Materials Science and Engineering A， 2002（325）：228-235.