固溶时效处理对6063铝合金组织和性能的影响

固溶时效处理对 6063铝合金组织和性能的影响

蒋昊利，韦顺文，黄才英，黎稳，凌丽萍

百色学院 广西百色 533000

摘 要：通过研究固溶时效处理对6063铝合金组织和性能的影响，通过实验研究固溶时效工艺（包括固溶温度、保温时间、时效温度）对6063铝合金铸件质量影响。以6063 铝合金为研究对象，对其进行固溶和时效处理，分析不同固溶时效工艺下对铝合金组织及力学的影响，确定6063铝合金固溶时效处理最佳方案。

关键词：固溶时效;铝合金;组织;性能

铝元素在地壳中的含量仅次于氧元素和硅元素，是金属元素中含量最高的。随着铝的冶炼方法和工艺的不断发展与改进，铝工业发展速度惊人。铝及其铝合金的密度较小，属于轻金属。而铝合金则是近年来大量应用于在交通工具轻量化结构工作之中，进而带动铝及铝加工企业的迅速发展。2017年全球原铝总产量为6340.4万吨，我国的原铝产量达到了3227.3万吨，是世界的产铝大国。虽然我国的原铝产量高，但是生产技术、设备方面与世界的先进水平还是有差距的。

6063铝合金是以Mg、Si、或Mg、Si、Cu为主要合金元素，并且以Mg₂Si相为主要强化相的合金，是可变形热处理强化铝合金。该系铝合金具有无应力腐蚀开裂倾向、无应力腐蚀开裂倾向、淬火敏感性低、中等强度、良好的焊接性和工艺性能良好等优点。6系铝合金的固溶体存在着亚稳的溶解度间隙，因此具有典型的固溶、时效强化特征。6×××系铝合金的均匀化处理，使溶质原子的扩散能力得到提高，消除了组织和成分的不均匀性。6×××系铝合金的固溶处理，使析出相能够重新溶解，形成过饱和固溶体产生固溶强化。6×××系铝合金的时效处理，能够改善合金的显微组织。在1980版的国际合金成分手册中，记录有不同成分的6×××系铝合金多达252种。在实践应用中，牌号为6060、6005、6063、6082的6×××系铝合金占据了大部分市场。Zendehdel H等人采用扭转挤压（TE）技术对6063铝合金进行了严重变形研究，并用扭转线斜率为β=30°的模具对变形前后的力学性能进行了研究。结果表明，采用这种先进的强塑性变形（SPD）方法对材料施加较大的应变，可以获得纳米级的超细组织，提高材料的力学性能。焊道数越多，晶粒越细。随着TE道次的增加，屈服强度、极限抗拉强度和硬度增加，而均匀延伸率和中间道次断裂延伸率相对降低后，它们几乎保持不变。因此，扭转挤压变形可以提高材料的强度和塑性。王孟君等人对 6063铝合金时效工艺研究发现，采用双级时效工艺，第二级时效获得GP区及相的密度比其他时效工艺大，在达到较高峰值硬度的同时缩短了时效时间。对6063铝合金，国内外有很多学者进行了研究，如Dashti A , Shaeri M等人研究了不同热处理条件和中密度纤维板温度下，多向锻造工艺对AA-6063铝合金组织、织构、力学性能和电学性能的影响。对退火后的AA-6063铝合金在室温下进行了高达三道次的中密度纤维板加工。在室温和177℃下，对AA-6063铝合金进行了三次固溶处理。显微结构研究表明，中密度纤维板工艺显著降低了平均晶粒尺寸，并显著增加了低角度晶界的比例。织构分析表明，AA-6063铝合金的退火和固溶处理样品中分别存在铜织构和铁帽织构。与初始热处理样品相比，所有处理样品的硬度和抗剪强度值也有相当大的提高。例如，三道次的固溶处理试样的硬度和剪切屈服强度分别提高了100%和70%以上。在不同的热处理条件下，中密度纤维板工艺对AA-6063铝合金导电性的影响可以忽略不计。因此，有这样的结论：中密度纤维板工艺提高了材料的力学性能，而导电率却没有明显下降。

1. 实验仪器和材料

本实验主要采用的原材料有Al、Al-Si、Mg、Al-Er等中间合金。A356铝合金试样中主要组为Al、Mg、Si,主要成分如表1所示。

实验所需的主要设备有：Nabertherm坩埚熔炼炉（型号：A25；温度范围：30~1300℃）、加热电阻炉（型号：SX₂-8-10；最高上升温度为1000℃）等。

2、实验方法

合金熔炼的流程是：将预先称好量的纯铝放入熔炼炉内，随炉缓慢加热到750℃。铝熔化完全后，把称好的Al-Si放到熔炼炉中，待其完全熔后，再把事先用铝箔包好的Mg加入炉中，待合金完全融化，保温20 min，加入惰性气体除气，扒渣，静置半个小时。浇注前在模具内壁涂有一层高温耐火材料，均匀、平整地涂于铁模具、漏勺等需与合金液接触的工具，并缓慢加热烘干模具，浇注前将模具预热至200-300°C。随后浇注到模具中，冷却至室温。合金铸造流程如图1所示。

热处理包含固溶和时效，是将合金加热到高温单相区保持恒温，让合金中可溶解相充分溶解，快速冷却后得到过饱和固溶体的热处理工艺。固溶处理的主要目的就是使析出相重新溶解形成过饱和固溶体 ，为合金后续的时效处理做准备。

固溶处理是为了能够获得更多的单相固溶体，通过非平衡多相组织的转变而来。固溶处理选择的温度和时间，能够影响合金的组织和性能。热处理工艺如表2所示。

表1 6063铝合金主要成分

图1 6063铝合金工艺技术路线

表2 热处理工艺

3、实验分析

图2为6063铝合金固溶温度为520℃的金相图，固溶温度为520℃的6063铝合金金相由α-Al相和硅相组成，其中白色的粗大枝晶为α-Al相。由于该合金铝的含量较多，组织中α相枝晶比较发达，在固溶温度为520℃的条件下，存在严重的组织偏析。晶粒颗粒粗大，成分分布不均匀，硅相呈较大的针状和棒状。

图3为6063铝合金固溶温度为530℃的金相图，经固溶温度为530℃处理后，试样的金相组织多数以规则块状形式存在，层片状共析组织在晶内及晶界的分布较均匀，硅的形貌以发生一定的变化。

图4为6063铝合金固溶温度为540℃的金相图，经过固溶温度为540℃处理后，基体组织变为碎晶状，α-Al变成较小的块状，组织分布得更均匀，晶粒得到细化。合金的硅形貌逐渐呈现细小的纤维状或网状，在晶界处分布也比较均匀。

图5为6063铝合金固溶温度为550℃的金相图。试样晶粒得到细化，硅相貌发生一定的变化，但比起固溶温度为540℃的金相图，晶粒呈长大的趋势，成分呈偏聚状态。

图2 固溶温度520℃ 图3固溶温度530℃

图4 固溶温度540℃ 图5固溶温度550℃

淬火是指将金属工件加热到某一适当温度并保温一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。水淬是以水为冷却介质，进行淬火的工艺。

时效处理是金属或合金在一定温度下，保持一段时间，由于过饱和固溶体脱溶和晶格沉淀而使强度逐渐升高的现象。

时效分为自然时效和人工时效，自然时效是指将工件放置于室外等自然条件下，使工件内部应力自然释放从而使残余应力消除或减少的工艺。人工时效指合金在固溶处理后，通过加热到室温以上的适当温度，保温一段时间使合金性能发生变化的工艺。

单级时效处理是指将合金加热到一定温度下，保温一段时间的热处理工艺。其工艺简单，但其组织均匀性差，抗拉强度、屈服强度、断裂韧性等很难有良好的配合。

双级时效处理是指先将合金加热到一定温度下保温一段时间，然后提高该温度，再保温一段时间的热处理工艺。合理的双级时效处理可以提高析出相密度的作用，有利于提高合金的力学性能。

在航空航天、交通运输和建筑行业等领域，对轻量化和高强度的材料的需求日益增大，铝合金的用途也更加的广泛，为获得更高强度的铝合金，对其强化方式提出了更高的要求。目前，对铝合金热处理的研究是远远不够的，热处理作为强化的一种手段，探索最佳的热处理方案，以获得最佳的材料性能是研究的目标。

4、结论

（1）6063铝合金是典型的可热处理强化6×××系合金。热处理影响着合金的综合性能。合金的在不同方面的应用，对其性能要求的偏向就不同，所以在强化上，尽量提高所需要的性能。

（2）6063铝合金属于Al-Mg-Si系合金，Mg、Si是主要合金元素，强化相为Mg₂Si，是可热处理强化的铝合金。在合金的铸造过程和使用过程中，Si元素分别可以提高其流动性和耐腐蚀性，但是过量的Si元素会导致塑性的降低。Mg元素可以提高其耐腐蚀性，但是过量的Mg元素会导致析出相在固溶体中的溶解度。

3. 作为可热处理强化铝合金，淬火固溶处理温度最佳是540℃。

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作者简介：蒋昊利（1997年-），男，汉族，百色学院金属材料工程专业2016级学生  ，研究方向：铝合金铸造

基金资助：2019年百色学院国家级大学生创新创业训练计划项目：《固溶时效处理对6063铝合金组织和性能的影响》(项目编号201910609010)