时效工艺对车辆用6005A合金挤压型材性能的影响

2019-11-13刘兆伟王洪卓张德伟

有色金属加工 2019年5期

周龙，孙亮，刘兆伟，王洪卓，张德伟

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003)

6005A 铝合金具有优良的挤压性、焊接性、耐蚀性及中等强度，可挤压出断面形状复杂的宽扁薄壁空心型材，并能在挤压机上实现在线风冷或水雾冷淬火，已广泛应用于轨道交通车辆的制造中[1,2]。借鉴6005A铝合金应用在轨道交通车辆的成功经验，尝试将其应用到轻量化汽车是十分有意义的。考虑到汽车的安全性、舒适性及美观等因素，汽车白车身的结构较轨道交通车辆更复杂，涉及到的成型方式也更多，如折弯、冲压等，这对6005A铝合金的强度、塑性提出了更高要求。

综上，探究在保证强度的基础上如何提高6005A铝合金的弯曲性能是有必要的。研究表明通过调控6xxx系合金的时效温度，可改善其弯曲性能[3]。因此，本文以T4状态车辆用6005A合金挤压型材为研究对象，进行不同温度、不同时间的欠时效、峰时效、过时效处理，通过电导率、硬度、力学、三点弯等试验，研究时效工艺对6005A合金性能的影响。

1 试验

本试验选取壁厚为2.5mm的6005A铝合金大断面挤压型材，其化学成分符合GB/T3190要求，见表1。挤压棒坯采用半连续铸造方法生产，经均匀化处理，以消除晶内偏析，使铸锭化学成分和组织更均匀，使用27.5MN油压双动卧式铝挤压机进行挤压。在线淬火后的6005A挤压型材在96h内经空气循环炉进行不同的人工时效，时效制度有3种，分别为175℃×2h/4h/6h/8h/10h/12h/14h/16h/18h/20h，190℃×1h/2h/4h/6h/8h/10h/12h/14h/16h，以及203℃×1h/2h/3h/4h/5h/6h/8h/10h。人工时效后的6005A挤压型材分别进行电导率、硬度、拉伸性能、弯曲(采用三点弯试验)测试。

表1 6005A合金化学成分(质量分数，%)

2 试验结果与讨论

2.1 电导率

6005A合金型材在线淬火后，经175℃、190℃、203℃不同时效时间处理后的电导率曲线如图1所示。总体来看，在不同时效温度下，随着时效时间增加，电导率值处于上下波动，但都呈上升趋势。随着时效时间的延长，190℃和203℃所能达到的电导率最大值比较接近，略高于175℃对应的电导率最大值。

图1 不同时效制度下6005A合金型材的电导率曲线Fig.1 Conductivity curves of 6005A alloy profile alloy under different aging processes

2.2 拉伸性能

不同时效时间下6005A合金型材屈服强度、抗拉强度变化曲线如图2所示。

图2 不同时效制度下6005A合金型材的屈服强度和抗拉强度曲线Fig.2 Yield strength and tensile strength curves of 6005A alloy profile under different aging processes

整体来看，在不同的时效温度下，随着时效时间的增加，屈服强度、抗拉强度普遍呈先上升后下降的趋势。其中，时效温度175℃在6h后，屈服强度、抗拉强度增幅放缓，在16h达到最大屈服强度(273.7MPa)和抗拉强度(300MPa)，进入峰时效阶段；时效温度190℃在4h达到最大屈服强度(256MPa)和抗拉强度(287.9MPa)，进入峰时效阶段；时效温度203℃在2h达到最大屈服强度(245.9MPa)和抗拉强度(279.6MPa)，进入峰时效阶段。根据试验结果，6005A合金型材在时效温度175℃下时效强化效果最好。

6005A合金型材下不同时效时间的延伸率变化如图3所示。时效温度为175℃时，随着时效时间的延长，虽然在部分时效阶段延伸率有波动，但整体呈下降趋势。时效温度为190℃和203℃时，延伸率呈先下降后上升，且延伸率的最小值都在各自的峰时效范围内。总体而言，6005A合金型材在时效温度203℃下体现了较好的延伸率。

图3 不同时效制度下6005A合金型材的延伸率曲线Fig.3 Elongation curves of 6005A alloy profile under different aging processes

2.3 硬度

6005A合金型材在不同时效时间下的布氏硬度变化如图4所示。时效温度175℃、时效时间8h～20h时，硬度值较高，均大于92 HBW，且波动范围较小，硬度差值最大不超过4 HBW；时效温度190℃、时效时间4h对应的硬度值最高(90.2 HBW)；时效温度203℃、时效时间2h对应的硬度值最高(88.7 HBW)；时效温度190℃和203℃时，在达到硬度峰值后，均出现下降情况，且203℃保温2h之后呈现的“软化”现象最显著。总体而言，在时效硬化方面，时效温度为175℃时产生的硬化效果最好，时效温度190℃次之，时效温度203℃最差。

图4 不同时效制度下6005A合金型材的硬度曲线Fig.4 Hardness curves of 6005A alloy profile under different aging processes

2.4 弯曲

6005A合金型材不同时效制度后经155°三点弯试验，试样表面情况见表2。参考TB/T 3260.1-2011的判定方法并根据本试验的实际情况，以弯曲后试样外表面不出现任何裂纹为判定标准。不同时效工艺下，6005A的弯曲情况大致可分为合格(无裂纹)、微裂纹、裂纹和断裂(图5)。当时效温度175℃时，只有时效2h和4h的试样弯曲后合格，说明6005A合金型材在175℃下欠时效、峰时效、过时效大多无法获得较好的弯曲性能。时效温度190℃下的试样弯曲情况与175℃相似。当时效温度为203℃时，欠时效、峰时效的弯曲情况与175℃、190℃相似，但在过时效阶段，弯曲性能逐渐改善，时效8h和10h对应的弯曲试样外表面已无裂纹。

表2 不同时效温度和时间下6005A合金型材弯曲情况

(a) 203℃×1h ; (b) 203℃×4h ; (c) 203℃×6h图5 不同时效时间处理后6005A合金型材弯曲试样Fig.5 Bending specimen of 6005A alloy profile after different aging time treatment

2.5 讨论

Al-Mg-Si系合金的基本析出序列为，过饱和固溶体→团簇→GP区→亚稳β′′相→亚稳β′相→稳定β相(Mg2Si)[4]。而当Cu添加到Al-Mg-Si合金中，在合金沉淀析出过程中，还会有其他亚稳相的生成，主要是Q′相和Q相的析出，Q′相作为Q相的先驱组织，具有与Q相相似的晶体结构，只是其点阵参数和成分略有差异[2]。在时效过程中，首先形成数目众多的原子团簇，然后是形成与基体共格的GP区，接着是共格的针状β′′相，之后是半共格的棒状β′相和Q′相。这些纵横交错的针状β′′相、棒状β′相和板状Q′相能够有效阻碍位错的运动，提高强度，降低塑性。由于β′′相是共格的，而β′相和Q′相是半共格的，因此β′′相产生的畸变程度更大，其强化效果更好。同时，同一成分合金，时效温度不同，脱溶序列也不一样[5]。一般，时效温度高，预脱溶阶段或过渡相可能不出现或出现的过渡结构较少。时效温度低时，则可能只停留在GP区或过渡相阶段。

综上，对于时效温度203℃较175℃、190℃的电导率高、硬度低、强度低、塑性好、弯曲性能好的原因，可推测为时效温度203℃下时效可产生较多的亚稳半共格β′相和Q′相，甚至稳定非共格β相和Q相，从而导致合金的晶格畸变小，时效强化效果低，而成形性好。