Cu元素对Al1.1Mg0.7Si合金时效行为的影响

2021-01-13聂宝华陈东初罗铭强聂德键马德胜

装备制造技术 2020年10期

宋宇，聂宝华，陈东初，易鹏，罗铭强，聂德键，马德胜

（1.佛山科学技术学院，材料科学与能源工程学院，广东佛山528000；2.广东兴发铝业（江西）有限公司，江西宜春336000；3.广东兴发铝业有限公司，广东佛山528100）

Al-Mg-Si系合金，如6063、6061等高Mg/Si合金，具有中等强度、高耐蚀性、成型性能优点，广泛应用于建筑、汽车、轨道交通等领域。目前，高Mg/Si的6063、6061铝合金强度较低，不能满足现代工业高性能需求[1]。通常在Al-Mg-Si系合金中添加Cu元素，以提高合金强度[2]。目前，Cu元素对6000系铝合金影响研究主要这针对低Mg/Si合金。在低Cu含量低Mg/Si合金，时效强化相主要为β"相[3]；对于高Cu含量合金，β"+Q"甚至Q"对合金强化起主要贡献[4]。然而，Cu元素对高Mg/Si的6000系铝合金时效行为影响规律研究还没有较多研究。

相图计算（CALPHAD）是多组分合金成分设计、相图分析重要技术[5]。本文采用试验研究与相图计算的方法，研究Cu元素对高Mg/Si的6000系铝合金时效响应行为影响规律；采用Thermo-Calc软件进行相图计算，分析Cu元素对6000系铝合金平衡相演化规律，为高性能6000系铝合金成分设计提供依据。

1 试验材料与方法

以高Mg/Si的Al1.1Mg0.7Si合金为研究对象，设计三种含Cu的Al-Mg-Si合金，主合金成分及特点见表1。采用电阻炉熔炼三种Cu含量的Al-Mg-Si系铝合金，铸锭尺寸为300 mm×200 mm×30 mm。将铸锭进行490℃/12 h+530℃/16 h的双级均匀化处理后，在465℃保温1 h，热轧至4 mm。将热轧板进行400℃退火1 h，冷轧至1 mm厚薄板。

表1 不同Cu含量的6000系铝合金主成分

采用空气循环炉对三种Cu含量的铝合金热处理试进行545℃×1 h的固溶处理，再采用油浴炉进行170℃下不同时间的时效处理。采用HVS-2000型硬度计进行时效硬度、电导率测试。采用热力学相图计算软件Thermo-Calc和铝基数据库，计算三种铝合金在175℃平衡相种类与含量。

2 结果与讨论

从图1可知，含Cu元素合金在时效初期时效2h内硬度迅速增加，随后达到时效硬度平台区，表现出快速时效响应特征。而无Cu合金时效硬化速率较慢，时效4 h内逐渐达到峰值时效硬度。随着合金Cu元素含量的增加，Al1.1Mg0.7Si合金在175℃时效硬化速率和硬度依次提高。含Cu量分别为0、0.2%、0.5%合金在时效2 h内，时效硬化值分别达到50HV、60 HV、67 HV（图2），合金峰值硬度分别达到114 HV、122 HV、126 HV。

图1 不同Cu含量Al1.1Mg0.7Si合金时效硬度曲线

图2 Cu含量对Al1.1Mg0.7Si合金170℃/2h时效硬化值影响

Al-Mg-Si-Cu系合金时效响应能力取决于合金成分，如Mg/Si、Cu元素等。在时效早期，过饱和固溶体中的Mg和Si原子取代铝基体的点阵位置，溶质原子富集形成GP区。在时效早期形成Si-Si原子柱骨架[6]，合金元素在Si2原子柱骨架结构进行富集，形成不同阶段时效析出相。因此，低Mg/Si的6000系铝合金能够在短时间内大量形成GP区和β"前驱相，具有快速时效响应特征。对于高Mg/Si的6000系铝合金，Si元素含量较少，合金时效响应速率较低。但是，Cu元素与合金空位、Si元素优先结合，降低了Si元素扩散距离和GP区形成临界尺寸[7]，提高了合金快速时效能力。

6000系铝合金时效强度取决于合金析出强化相。从图3可以看出，在高Mg/Si的6000系铝合金中，Mg2Si相是合金主要强化相，在不同Cu含量合金的Mg2Si相均在1.4%以上。随着Cu含量增加，Mg2Si相逐渐减少，Q相增加。当Cu含量达到0.2%，Mg2Si、Q相达到恒定值；当Cu含量增加至0.3%，合金开始形成Al2Cu相，并随着Cu含量增加，Al2Cu相含量增加。这表明，Cu含量达到0.3%后，高Mg/Si合金主要形成Al2Cu相，Mg2Si相与Q相含量保持不变，平衡相总含量增加。

图3 Cu含量对Al1.1Mg0.7Si合金在170℃温度下的平衡相影响规律

在不含Cu元素合金中，平衡相仅为Mg2Si相，含量为1.83%。含0.2%Cu合金平衡相依次为Mg2Si+Q（Al5Cu2Mg8Si6）相，平衡相总含量为2.12%；当Cu含量增加至0.5%，过量的Cu元素形成Al2Cu相，平衡相为Mg2Si+Q（Al5Cu2Mg8Si6）+Al2Cu相，总含量达到2.49%。铝合金中 Mg2Si相、Q（Al5Cu2Mg8Si6）相、Al2Cu相均对合金时效强化均有贡献，高Cu含量合金可以获得高的峰值时效硬度。但是，在高Cu含量6000系合金中，形成的Al2Cu相显著降低了合金耐腐蚀性能。因此，Al1.1Mg0.7Si合金中Cu元素含量控制在0.3%以下，可以获得合金硬度与耐蚀性匹配。