固溶工艺对汽车用6061铝合金性能的影响

李恩波，谢海光，王 宇

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

高速、节能、安全、减少污染是汽车工业面临的重要研究课题，而轻量化是实现这些目标的重要途径[1]，铝合金具有质量轻、耐腐蚀性好和挤压性能好等优点，在汽车工业中得到了广泛的重视。6061铝合金属于Al-Mg-Si系合金，以Mg2Si为强化相，属于可热处理强化铝合金，具有中等强度、良好的塑性和优良的可焊性，可用于生产对强度和耐腐蚀性要求较高的汽车车体结构件等[2-3]。对于可热处理强化的铝合金来说，固溶是一个关键性的工序，为了获得较高的合金性能，合理的搭配固溶温度和固溶时间，是个非常值得研究的问题。

固溶处理是铝合金热处理强化的第一步，保证合金不发生过烧的前提下，应尽可能的提高固溶温度。因为固溶温度越高，溶质元素固溶越充分，淬火时效后力学性能越高。而固溶时间必须保证过剩相充分的溶解，才能得到较理想的强化效果[4]。因此本文通过拉伸力学性能、硬度和电导率测试，研究了固溶温度和固溶时间对汽车用6061铝合金性能的影响，为该铝合金的热处理工艺优化提供可参考的试验数据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为采用半连续铸造方法生产的6061铝合金铸锭，其化学成分见表1。经过均匀化处理以消除成分偏析和内应力，然后采用880 t挤压机进行挤压生产，挤压过程为：铸锭加热→挤压→切尾，挤压工艺参数见表2，在挤压型材头尾切取试样进行研究。

表1 6061铝合金的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of 6061 aluminium alloy (mass fraction，%)

表2 挤压工艺参数Table 2 Extrusion process parameters

1.2 试验过程及方法

对试样进行不同固溶处理，淬火后进行人工时效，具体热处理工艺见表3。采用AG-X100KN电子万能试验机进行拉伸性能测试；采用OMNITEST型多功能硬度计进行布氏硬度测试；采用SMP-10涡流电导率仪测量试样的电导率，分析固溶温度和固溶时间对汽车用6061铝合金性能的影响。

表3 热处理工艺Table 3 Heat treatment process

2 试验结果及分析

2.1 固溶温度对合金性能的影响

不同固溶温度对试样的强度、断后伸长率、硬度和电导率的影响如图1所示。随着固溶温度升高，合金的屈服强度和抗拉强度呈先快速增加、再趋于平缓、最后略有下降的趋势，如图1(a)所示。固溶温度为560 ℃时，屈服强度和抗拉强度达到了最大值，分别为313、327 MPa；而固溶温度在540～580 ℃之间，合金的总体强度基本保持稳定，说明在此固溶温度范围内，时效后铝合金可以达到较高的强度。随着固溶温度升高，断后伸长率呈下降趋势，如图1(b)所示。固溶温度在540～570 ℃之间，合金断后伸长率有轻微波动，在13%～14%之间；而固溶温度为590 ℃时，断后伸长率最低仅为10.5 %。随着固溶温度升高，硬度的变化趋势与强度的变化趋势类似，固溶温度在490～530 ℃之间，合金的硬度快速增加，在540 ℃以上趋于稳定，保持在105 HBW左右，最后略有下降，如图1(c)所示。随着固溶温度升高，合金的电导率整体呈下降趋势，在540 ℃以上基本维持稳定。

2.2 固溶时间对合金性能的影响

不同固溶时间对试样的强度、断后伸长率、硬度和电导率的影响如图2所示。随着固溶时间的延长，合金的屈服强度和抗拉强度先增加，在2～6 h内趋于平缓，6 h后缓慢的下降。固溶时间为1～6 h时，合金的抗拉强度保持在300 MPa以上，如图2(a)所示。随着固溶时间的延长，断后伸长率呈下降趋势。固溶时间在2～6 h 之间，合金断后伸长率基本稳定，在8 h时断后伸长率为10.8%，如图2(b)所示。固溶时间在2 h以内时，硬度由98.3 HBW增至104 HBW，随着固溶时间继续延长，合金硬度基本保持不变，如图2(c)所示。固溶时间对合金电导率影响较小，随固溶时间的延长，电导率先逐渐降低后基本不变。

(a)强度；(b)断后伸长率；(c)硬度；(d)电导率图1 不同固溶温度对合金性能的影响(a) strength；(b) elongation after fracture；(c) hardness；(d) electrical conductivityFig.1 Effect of different solid solution temperature on properties of alloy

(a)强度；(b)断后伸长率；(c)硬度；(d)电导率图2 不同固溶时间对铝合金性能的影响(a) strength；(b) elongation after fracture；(c) hardness；(d)electrical conductivityFig.2 Effect of different solid solution time on properties of alloy

2.3 分析及讨论

6061铝合金的最终性能主要取决于人工时效处理后合金的内部组织，而时效处理的结果主要受固溶处理工艺的影响[5-6]。固溶处理是在不产生过烧组织的固溶温度下，使合金中粗大的过剩相粒子最大程度的溶解在α基体中，淬火后形成双重过饱和固溶体，即溶质原子过饱和和空位浓度过饱和。但形成的过饱和固溶体在热力学上是很不稳定的，在人工时效处理时，溶质原子会从晶格内脱溶出来[7]，析出亚稳相或稳态相的第二相粒子。6061铝合金的时效析出过程为：过饱和固溶体→偏聚区即GP区→亚稳相β″→亚稳相β′→沉淀相β(Mg2Si)[8]。一般认为，析出亚稳相β″时合金达到最大强化效果。溶质原子首先在基体上某些晶面上富集，形成GP区，GP区与基体保持共格关系；随着溶质原子继续聚集并长大，GP区瓦解，转变为较稳定的β″相；β″相与基体仍然保持着共格关系，使基体的晶格进一步产生严重的共格畸变，在粒子周围产生强烈的应力场，阻碍位错的运动，从而使合金的强度增加，断后伸长率减小。另一方面，晶粒的晶界也会阻碍位错的运动，晶粒越细小，晶界越多，使位错运动的阻力加大，从而使合金的强度升高；同时晶粒细小意味着合金组织内晶粒数目多，在外力作用下塑性变形均匀，会有更多的晶粒分担塑性变形，从而造成位错塞积分散，使得合金的强度增加，塑性增加[9]。合金的硬度大小与硬度测试仪的压头压入合金表面的难易程度有关，也就是合金发生塑性变形的难易程度有关，也受析出的亚稳相β″的分布和数量的影响。合金的电导率与自由电子的自由程有关，固溶温度升高或固溶时间延长，增加溶质原子的过饱和程度，使得α基体晶格变形程度也相应的增大，产生严重的点阵畸变能，基体点阵中电子散射源和密度增加，使自由电子受散射的程度变大，平均自由程变小，从而使合金的电导率减小。

在不同固溶温度下6061铝合金的金相组织如图3所示。固溶温度为490 ℃时，基体内残留很多粗大的过剩相粒子，如图3(a)所示。说明固溶温度低，过剩相没有完全溶解到基体中，固溶不充分，导致人工时效后析出的亚稳相β″数量少，对位错运动阻碍作用小，使合金的强度和硬度偏低，断后伸长率偏高；同时合金中引起的点阵畸变弱，使自由电子在基体中容易流动，平均自由程变大，合金的电导率较高。当固溶温度升高到540 ℃时，α基体中粗大的Mg2Si相明显减少，如图3(b)所示。形成的过饱和固体浓度提高，人工时效后析出的亚稳相数量增多，细小而弥散的均匀分布在基体内，对位错运动的钉扎作用加强，故合金的强度、硬度逐渐提高，塑性逐渐降低；另一方面，晶格发生了严重畸变，自由电子遭受的散射程度加大，平均自由程变小，电导率降低。当固溶温度为560 ℃时，基体中粗大的Mg2Si相更少，如图3(c)所示，粗大Mg2Si相基本完全的溶解在基体中，残留的少量过剩相应该是AlFeSi等相，AlFeSi相属于不溶相[10]。Mg、Si溶质原子在基体中的过饱和度达到了最大，说明在此固溶温度下，时效后合金的强度和硬度达到最大值，电导率降低；继续升高固溶温度，过饱和固溶体浓度不再增加，因此合金的电导率相对稳定，变化不大。而固溶温度为590 ℃时，晶粒内部有复熔共晶球出现，晶界处复熔加宽，合金发生轻微的过烧现象，影响合金的性能，使其强度和硬度下降。

(a)490 ℃；(b)540 ℃；(c)560 ℃；(d)590 ℃图3 不同固溶温度下合金的金相组织Fig.3 Microstructure of alloy at different solid solution temperature

固溶时间为30 min时，粗大的Mg2Si相没有全部溶解到基体内，造成过饱和固溶体浓度偏低，时效后合金强度和硬度偏低；随着固溶时间延长至2 ～6 h，固溶时间对合金的性能影响较小；但固溶时间过长，晶粒会逐渐粗化，细小的晶粒消失，晶粒粗化使合金的强度、硬度和塑性都降低。

3 结论

1)随着固溶温度的升高， 6061铝合金的强度和硬度先快速增加、再趋于平缓、最后略有下降，在560 ℃时达到最大值；断后伸长率和电导率逐渐降低；固溶时间对合金性能的影响较小。

2)固溶温度过高，达到590 ℃时，合金组织内会出现过烧迹象；而固溶时间过长，超过6 h后，合金的晶粒会逐渐粗化，降低合金的性能。

3)6061铝合金经540 ℃×2 h固溶处理后，再人工时效，可获得良好的综合性能。