双级时效对6005A铝合金组织及性能的影响

2022-09-14代自莹谢方亮马龙飞冯艳飞

铝加工 2022年4期

代自莹，谢方亮，马龙飞，吴楠，冯艳飞

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳 111003）

0 前言

近年来，随着国防军工、轨道交通、航空航天等高端技术领域对铝合金挤压型材需求的增加，对其性能也提出了更高的要求[1-2]。而轨道交通及车辆提出的高速、安全、节能、舒适、环保等要求，是国内现代化建设面临的重大课题之一[3]。以6005A铝合金为代表的Al-Mg-Si系铝合金，因具有中等强度、良好的焊接性和挤压成型性，尤其可以挤压出断面形状复杂的不同厚度的薄壁空心型材，已被广泛地应用于轨道交通及车辆的制造中[4]。目前，6005A铝合金的各项研究已经被广泛报道[5-9]，但多数集中在挤压性能、焊接性能和腐蚀性能等方面，在时效工艺方面的研究却较少，双级时效工艺更是鲜有报道。本文采用显微组织观察和力学性能测试等手段，研究了不同双级时效处理对6005A铝合金组织、硬度及抗拉力学性能的影响，以便为6005A铝合金的应用提供一定的理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用半连续铸造方法，生产出规格为ϕ254 mm×5 300 mm的6005A铝合金铸锭，经车皮后直径为248 mm，其主要化学成分如表1所示。主要合金元素为Mg、Si，微量合金元素Cu、Mn、Cr、Ti、Zn及少量杂质元素Fe。

表1 6005A合金化学成分（质量分数/%）

1.2 试验方法

将6005A铝合金铸锭进行570℃×10 h均匀化热处理，并将均质后的铸锭锯切，采用3 150 t挤压机进行挤压。挤压型材形状为不同壁厚的三腔体“品”字形空管，“品”字形空管壁厚分别为1.5 mm、2.5 mm和3.5 mm。挤压工艺为：铸锭加热温度465～495℃，挤压速度3.5～4.5 m/min，淬火前温度≥485℃，采用水罐淬火。将“品”字形空管锯切成6段，每段长度为200 mm，然后分别进行双级时效处理。对应双级时效工艺编号依次为1#、2#、3#、4#、5#和6#，如表2所示。待时效结束后，在不同时效处理后的“品”字形空管每个壁厚对应的相同位置截取、加工3个标准试样进行拉伸检测。在壁厚1.5 mm相同位置各截取2个10 mm×10 mm薄片，分别用作显微组织和维氏硬度试样。显微组织试样经过磨制、抛光后，用Keller腐蚀液（1% HF、1.5% HCl、2.5% HNO3、95% H2O，体积分数）进行腐蚀然后吹干，用加载1 kg、10 s载荷的FV-810型维氏硬度计进行硬度测量，实测打5个点，求其平均值作为维氏硬度值。采用ZX-LX-004电子万能试验机，室温施加载荷100 kN。为保证拉伸力学测试的真实性，取其平均值作为各壁厚的抗拉力学性能。

表2 时效工艺制定

2 试验结果与讨论

2.1 双级时效工艺对6005A铝合金组织的影响

图1为不同双级时效工艺处理后试样的金相显微组织。从图1（a）中可知，6005A挤压态合金组织除固溶体基体外，还包括含Cr和Mn元素的较粗大的相和Mg2Si平衡相。挤压态铝合金经过不同双级时效处理后，其显微组织基本均保持着沿挤压方向分布的状态，原粗大的析出相尽可能地溶入到基体中，大大提高了溶质原子在基体中的固溶度，进而增强了时效过程中强化相的相变驱动力，以便时效过程尽可能沉淀更多的细小沉淀相，最终达到合金强化的目的。结合图2不同双级时效过程的SEM组织可知，在不同时效处理中，180℃×3 h+205℃×1.5 h（3#）下的Mg2Si相、初生相及其沉淀相最为均匀、细小、弥散分布。有研究表明Al-Mg-Si合金沿挤压方向存在有大量拉长的纤维状组织，这是由于挤压形成了大量位错及位错缠结，这些位错的存在为时效处理过程中强化粒子的析出提供了更多有利的形核质点[10]。另外，对双级时效过程中沉淀相的析出及作用机理进行的研究结果表明，Al-Mg-Si合金双级时效第二级时效第一峰的硬化效果主要由细小均匀的GP区贡献，而第二峰的硬化效果则是归因于晶内细小的β'相与较粗大的GP区的共同作用，后者的共同强化效果要优于前者[11]。固溶体基本上沿[100]和[010]方向析出大量的弥散针状相，且β''相与基体共格，位错与此粒子的作用主要是由切割机制造成的，且与粒子的大小和数量相关[12]。这说明采用180℃×3 h+205℃×1.5 h（3#）双级时效制度进行处理时的β''相大小和数量最佳。

图1 不同双级时效工艺处理后试样的金相显微组织

图2 不同双级时效后的SEM组织

2.2 双级时效工艺对6005A铝合金力学性能的影响

图3为6005A铝合金经不同双级时效工艺处理后的维氏硬度测试值。从图中可以看出，6005A铝合金经过1#、2#、3#、4#、5#、6#编号双级时效处理后的维氏硬度值依次为72.4 HV、105.1 HV、108.7 HV、106.3 HV、101.8 HV和99.5 HV，180℃×3 h+205℃×1.5 h（3#）时效处理后的试样维氏硬度最大，180℃×2 h+205℃×4.5 h（6#）时效处理后的试样维氏硬度最小。这主要与时效过程中沉淀相的数量及细小弥散分布有关。

图3 不同双级时效处理后的硬度测试值

图4为不同壁厚试样在不同双级时效工艺处理后的常温力学拉伸试验结果。从图中可以看出，当二级时效一定时（205℃×1.5 h），一级时效温度为180℃时，随一级时效时间延长（2 h、3 h和4 h），合金的维氏硬度和强度呈先增加后减小趋势，3 h时效的效果较好；当一级时效一定时（180℃×2 h），随着二级时效时间的延长（1.5 h、3 h和4.5 h），合金的维氏硬度和强度呈减小趋势。综合比较，180℃×3 h+205℃×1.5 h双级时效的微观组织和力学性能最佳。即，在此时效制度下，各壁厚（1.5 mm、2.5 mm和3.5 mm）“品”字形空管的屈服强度、抗拉强度和延伸率均达到最佳，且拉伸力学性能随着壁厚的增加也更好。从铝合金的强韧化机理分析，这主要归因于其时效强度受到晶粒细化、固溶强化以及第二相沉淀弥散强化的影响[13]。6005A铝合金挤压型材的强度主要受制于合金元素的固溶强化以及第二相沉淀弥散强化的共同作用，弥散强化与第二相的形态、大小、数量和分布有关，且第二相呈细小均匀等轴状分布时，强化效果较好[14-15]。