时效制度对高强度薄壁6XXX系铝合金力学性能的影响

杨明　杨学均　高爽　高彤　黄永哲

摘要：通过控制挤压工艺改善铝合金的流动性，挤压生产出6XXX系薄壁复杂截面型材。探究不同的时效制度对此类产品力学性能的影响，对最优时效制度下制备的型材的长期及短期热稳定性能、折弯性能及显微组织进行表征。结果表明：型材经150℃x4 h+175℃x8h时效后的力学性能最优，屈服强度为340～380 MPa，抗拉强度为390～410 MPa，伸长率为10%～12%，长期及短期热稳定性较好，但折弯角度相对较低。横向基体晶粒度等级为6级，无边部皮质层，纵向纤维状晶粒晶界清晰平直。

关键词：6XXX系铝合金；时效制度；力学性能；微观组织

中图分类号：TG 146 文献标志码：A

随着新能源汽车的不断发展，汽车轻量化已成为当今汽车工业发展的重要方向，铝合金由于其优异的综合性能，成为汽车轻量化的首选材料[1-5]。对于绿色轻量化汽车防撞梁、防卷入梁、电池包等产品的质量要求也越来越高，同时，客户对此类产品的强度也提出了更高的要求。汽车零部件总成产品由于本身断面形状复杂，壁厚较薄，且要求其具有超高的强度，这对挤压铝的生产提出了更高的要求[6-9]。本文采用高度合金化的6XXX系铝合挤压型材为研究对象，采用多种时效制度对其进行时效处理，并对时效处理后的性能进行分析，为现阶段高强度薄壁汽车零部件总成型材的挤压铝开发提供参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料及准备

图1为型材截面示意图。图1中箭头所指的l，2，3处位置为后续测试样品的取样位置。从图1中可以看出，此截面为多腔体薄壁型材（以下简称型材），型材外接圆的直径为120.00 mm，壁厚为2.00～3.24 mm，由高合金化的6XXX系铝合金在2 000 t卧式单动挤压机挤压而成。生产所使用的铸锭采用半连续铸造法生产，铸造过程中采用泡沫陶瓷过滤，采用Al-Ti-B细化晶粒，并经高温均质，使合金充分均匀化处理，使其具有较好的可挤压性。

1.2 在线挤压过程

1.2.1挤压工艺参数

为获得高强度多腔体薄壁型材产品，改善合金可挤压性，应采用高温低速挤压工艺，因此，铸锭的加热温度为510～550℃。为了获得超高强度的产品，淬火方式采用穿水冷却方式，使型材处于过饱和状态，突破压力控制在25～29 MPa。当挤压速度超过6 m/mm后，型材表面出现间断性凹坑，内筋出现间断性裂纹。原因可能为采用的6XXX铝合金的合金化程度较高，合金液在模具中的流动性较差，导致挤压多腔体薄壁型材的成形性较差。应采用高温低速的挤压工艺来改善合金的流动性，合理控制挤压速度才可充分挤压成形，从而使型材各处尺寸达到标准要求，所以，挤压速度应控制为3～6 m/min。

1.3 试验方法及设备

对挤压在线淬火后的型材进行时效处理，时效制度为：175℃x7 h，175℃x8 h，175℃x9 h，1500CxI h+175Cx8 h.1500Cx2 h+175Cx8 h.1500Cx3 h+175Cx8 h.150Cx4 h+175Cx8 h.150℃x5 h+175℃x8h，共8种，根据力学性能确定最优的时效制度。选择最优的时效制度进行短期热稳定性试验（190℃x45 min）、长期热稳定性试验（120℃x500 h）和折弯试验。

采用日本岛津电子拉力试验机（型号为AG-X，250 kN）按照GB/T228.1-2010标准对型材进行力学性能检测；按照VDA238-IOO/DBL4919方法对折弯性能进行检测；采用光学显微镜对型材的微观组织进行观察。

2 试验结果及分析

2.1 成分分析及微观组织观察

表1为型材的成分。图2为型材的纵向显微组织图。由图2可知，型材的晶粒细小且均匀，基体中有大量晶界存在，可以起到细晶强化的作用。

从图2中可以清晰地看到，大量弥散分布的第二相质点尺寸均匀、形态圆润，可起到弥散强化的作用。从表1中可以看出，除Si，Mg的质量分数为0.8%外，还添加了质量分数为0.5%的Cu，型材产品在经过高温固溶并快速冷却后，形成了过饱和固溶体，在后期时效处理过程中，析出了大量的第二相，包括MnA16及CriA12硬质颗粒相，这些第二相起到了弥散强化的作用，阻碍了位错运动，使型材的强度增大[10-11]。

挤压铝产品中粗晶及过烧会严重影响型材的强度，从图2中可以看出，型材表面无粗晶层，且未发现过烧现象，纵向基体纤维状晶粒的晶界较清晰，晶界相对平直。这是因为型材中的Mn可以提高其再结晶的温度，在高温挤压过程中起到避免型材产生粗晶的缺陷，进一步保证了型材较高的力学性能。

2.2 力学性能检测

型材经在线淬火，175℃x8h单级时效后的力学性能见表2。由表2可知，不同位置的型材的力学性能有一定的差别。型材的屈服强度最高为372 MPa．最低为336 MPa。型材的抗拉强度最高为403 MPa．最低为386 MPa。型材的伸长率最高为14%，最低為12%。

为研究型材的力学性能极限，本文进行不同时效制度的试验，从而确定最优的时效制度。

图3 是型材经150℃X（1，2，3，4，5）h+175℃×8h5种双级时效和175℃x（7，8，9）h3种单级时效制度下的力学性能。

对比图3中双级时效制度下的力学性能可知，双级时效制度中，型材在150℃x4 h+175℃x8 h时效下的性能最优，单级时效制度中，175℃x9h时效下的力学性能最优，二者中，双级时效制度的力学性能优于单级时效制度的。这是因为，在低温一级时效阶段，是对型材基体中的GP区进行预形核处理，此时形成了更多细小的溶质集团，在二级高温时效阶段，会促使更多的第二相硬质颗粒析出，进一步起到弥散强化的作用。

综上所述，应选择150℃x4 h+175℃x8 h的双级时效制度作为最优的时效制度，对型材进行最优时效处理后其力学性能测试，位置1处选取4个样品进行测试，结果如表3所示，可以看出，屈服强度为340～380 MPa;抗拉强度为390～410 MPa;伸长率为10%～12%。

2.3 长期及短期热稳定性能检测

表4是型材采用最优双级时效处理后再经过190℃x45 min的短期退火的力学性能。表5是型材采用最优双级时效处理后再经过120℃x500 h的长期热处理后的力学性能。从表4和表5可以看出，型材的抗拉强度、屈服强度、伸长率均有小幅度下降，均符合DBL4919标准中的短期及长期热稳定性能标准，说明该型材短期及长期热稳定性较好。主要原因是，型材中Cu，Zr的质量分数较高，Cu可以提高型材的力学性能，Zr可以阻碍晶粒长大[12-13]。

2.4 折弯性能检测

表6是型材經最优双级时效处理后的折弯性能检测结果。由表6可知，型材的折弯弯曲角度为53°和55°，弯曲力为2 226 N和2 430N，折弯角度相对于低成分6XXX系铝合金较低，折弯性能是反应材料塑性及韧性的一种指标，因此类合金属于高成分铝合金，强度高所以塑性及韧性相对较差，是导致折弯角度较低的主要原因。

3 结 论

（1）通过控制挤压工艺参数，采用高温低速挤压成功制备了高强度多腔体薄壁型材，确定了最优时效制度为150℃x4 h+175℃x8 h，此时效制度下，型材的最高屈服强度为380 MPa，最高抗拉强度为410 MPa，最大伸长率为12%。

（2）型材经最优双级时效制度处理后，短期及长期热稳定性较好，折弯角度相对较低。

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