淬火及时效工艺对6082铝合金组织性能的影响

淬火及时效工艺对6082铝合金组织性能的影响

周旺，胡璇，郑巧娜，杨干，余航，吴火亮

 广东和胜工业铝材股份有限公司，广东 中山 528463

摘要：

关键词：淬火；时效；6082铝合金；组织性能

1前言

6xxx 铝合金，即Al-Mg-Si 系合金，属热处理可强化铝合金，它具有强度、韧性、耐蚀性、可焊性和加工工艺性能的良好组合，是最重要的汽车用铝合金材料。现代化的有效途径在国外被用作交通运输业，如高速列车，地铁列车，双层列车和客货汽车所需的薄壁。

高精度、高综合性复杂截面铝型材的应用比例逐渐增加，这就要求铝合金型材淬火处理工序能够满足生产条件。传统的淬火工艺是采用离线淬火方式来获得高饱和固溶体，再进行人工时效[1-6,10]。实际生产中，热挤压是铝型材的主要成型方式，而热挤压型材有热余，若能在挤压后直接在线淬火获得足够高的过饱和固溶度来满足时效强化，这样不仅节约能源，也提高生产效率[7-9]。但是，针对大规格厚度不均、复杂截面型材，很难达到均匀冷却。而若冷却速率不一致，极易造成型材翘曲或弯曲等变形，产品成材率降低。因此，在线淬火技术和设备的提升也是铝加工行业的一个重要课题。

要实现在线淬火，就必须对合金的淬火特性进行深入的研究。合金都具有一定的淬火敏感性，元素种类及含量是最本质影响因素[5]。一般情况下，我们采用TTT（时间-温度-转变）或TTP（时间-温度-性能）曲线来描述合金的淬火敏感性，曲线越靠近左端，说明合金的淬火敏感性越大，淬火过程中需采取较大的冷却速率通过温度敏感区域，以防止淬火相的析出而降低了溶质的过饱和度，影响时效强化作用。在实际生产中，主要通过控制环境条件来实现在线淬火，例如淬火介质，淬火方式等。因此，本文主要通过研究6082铝合金不同淬火方式和时效工艺下合金性能和微观组织之间关系，以期为淬火工艺提供指导并为相关理论研究做基础。

2实验与结果

TEM显微组织观察在TECNAIG2 20电镜上进行，加速电压为200 kV，主要研究合金中析出相的大小、形貌、分布和结构，并获得相应的电子衍射花样。用电火花切割机切割厚1 mm样品，在预磨机上用水磨砂纸磨到80 μm；将样品冲成3 mm的圆片；电解液为7:3的甲醇和硝酸，温度通过液氮控制在-20~-30 ℃。

表1  试验数据表

图1为水冷淬火的力学性能曲线。从图1（a）可以看出，随着时效时间的增加，抗拉强度和屈服强度先增加而后有所下降。时效时间为8h时，抗拉强度和屈服强度均达到最大值，分别为362MPa和338MPa，时效时间为2h时，强度增加最为明显。随着时效时间的增加，伸长率先下降而后略有增加，时效时间为10h时，伸长率最低，为12%。未时效时，伸长率最大，为21%。从图1（b）可以看出，随着时效时间的增加，屈强比逐渐增加，时效时间从0h增加至12h，屈强比从0.62增加至0.95。

图2为风冷淬火的力学性能曲线。从图2（a）可以看出，随着时效时间的增加，抗拉强度和屈服强度先增加而后有所下降。时效时间为6h时，抗拉强度达到最大值，为317MPa，时效时间为8h时，屈服强度达到最大值，为275MPa，时效时间为4h以内，强度增加最为明显。随着时效时间的增加，伸长率先下降而后基本不变，时效时间为10h时，伸长率最低，为8%。未时效时，伸长率最大，为20%。从图2（b）可以看出，随着时效时间的增加，屈强比逐渐增加，时效时间从0h增加至12h，屈强比从0.56增加至0.911。

图1  水冷淬火的力学性能曲线

（a）拉伸性能 （b）屈强比

图2 风冷淬火的力学性能曲线

（a）拉伸性能 （b）屈强比

图3为水冷和风冷淬火的性能差值。从图3（a）可以看出，屈服强度的差值曲线在抗拉强度的差值曲线的上方，也就是说，屈服强度的下降率较抗拉强度更高，随着时效时间的增加，抗拉强度和屈服强度的差值均先增加后降低，而后再增加，时效时间为2h时，抗拉强度和屈服强度的差值均达到最大，分别为17%和26%，时效时间为6h时，抗拉强度和屈服强度的差值均达到最小，分别为11%和17%。由此可以看出，在欠时效阶段，强度的差值较大，淬火敏感性较高，峰时效阶段，强度的差值最小，淬火敏感性最低，过时效阶段，强度的差值较小，淬火敏感性较低。从图

3（b）可以看出，随着时效时间的增加，伸长率的差值逐渐增加，时效时间从0h增加至12h，伸长率的差值从4.8%增加至38.5%。由此可见，伸长率的淬火敏感性随着时效时间的增加大幅增加。

图3 水冷和风冷淬火的性能差值

（a）强度 （b）伸长率

图4为时效时间为8h的断口SEM照片。从图中可以看出，水冷淬火的断口为韧性断裂，韧窝数量多且尺寸大，空气淬火的断口为混合型断裂，韧窝的数量较少且尺寸也较小。

图4 时效时间为8h的断口SEM照片

（a）水冷淬火 （b）空气淬火

图5为水冷淬火的TEM照片。图5(a)中亮白色的弥散粒子主要含有Al、Mn、Si以及少量的Fe、Cr、Cu元素(见图5(b))，其含量分别为79.09％、10.56％、7.92％、1.26％、0.57％和0.56％(at%)，

对其他粒子的分析得到类似的结果，由此判断这些弥散粒子为A16MnSi相。这些弥散粒子可有效地抑制再结晶及晶粒长大。由对应的<100>Al衍射花样可知，此时的沉淀强化相均主要为β″相，其存在可提高合金的强度。该相沿着<100>Al方向析出，呈现出粒状和针状形貌。

图5 水冷淬火的TEM照片

（a）0h  （b）6h  （c）12h

图6 风冷淬火的TEM照片

（a）淬火析出相 （b）6h  （c）12h

3分析与讨论

固溶处理过程一般是θ(Al2Cu)相先行固溶，然后是β-Mg2Si相。合金中的A16MnSi弥散粒子，熔点高，很难溶进铝基体。这些粒子将对慢冷过程中第二相非均匀形核的析出造成一定的影响。合金固溶后，Mg和Si元素基本都回溶进基体，随着温度的降低，元素溶解度下降，有析出第二相的趋势。通过合金微观组织可以明显看到，在缓慢冷却过程中，不论是在晶界还是晶内，少量平衡相在富铁相粒子上优先非均匀形核析出，在高温保温过程中，由于原子的扩散速率大和可能异质相的存在，新相可以通过非均匀形核形成，从过饱和固溶体中直接析出β平衡相。在鼻尖温度附近的敏感区间，合金新相的形核率和长大速率都比较大，因此过饱和固体分解速度快，极易析出第二相。并在时效后继续长大，并抑制了周围时效强化相析出，形成明显的无沉淀析出带（PFZ），也弱化了合金时效强化效果。  

如果淬火冷却速率太小，不能保证合金过饱和度，达不到时效强化作用；若淬火冷却速率大，淬火后合金内部残余应力大，导致型材扭曲变形，因此必须采用合适的冷却速率来保证合金良好综合性能。由此可以看出，若要保证合金力学性能，合金淬火处理时要快速通过淬火敏感区，高低温区间则可以慢速冷去以降低淬火应力。

合金的强度主要依赖于基体与沉淀相的组织，铝合金则主要通过时效过程中形成的强化相阻止位错的运动，而引起合金强化。根据位错通过析出相的不同方式，主要有3种强化机制：共格应变强化、位错切过析出相强化和位错绕过析出相强化[80]。6082铝合金主要是利用时效过程中形成的细小弥散第二相阻碍位错运动来实现高强度和高硬度。

Al-Mg-Si合金的时效析出序列：

Al-Mg-Si系合金时效过程中沉淀相析出序列为[43]：α(过饱和固溶体)球状GP区针状β杆状β片状β平衡相。

GP区和空位浓度对β″相的均匀析出影响至关重要。水冷淬火时，铝基体中保留的溶质和空位浓度大，时效后形成了细小、均匀、弥散的GP区和β″相，在欠时效阶段，通过共格应变和位错切过起主要强化作用。风冷淬火时，合金中溶质和空位浓度大幅降低，时效析出相的数量减少且尺寸较大，位错绕过强化为主，但是随着颗粒间距离的增大，切应力随之减小，即合金的硬度和强度下降。

4结论

（1） 6082铝合金中的A16MnSi弥散粒子相和晶界，为淬火析出相的不均匀形核提供有利位置，造成慢速淬火时析出大量的β平衡相，导致时效强化相的数量减少而尺寸增加，同时时效之后在β相及晶界周围形成明显的PFZ，从而导致强度和伸长率明显降低。

（2）随着时效时间的增加，抗拉强度和屈服强度的差值均先增加后降低，而后再增加，时效时间为2h时，抗拉强度和屈服强度的差值均达到最大，分别为17%和26%，时效时间为6h时，抗拉强度和屈服强度的差值均达到最小，分别为11%和17%。时效时间从0h增加至12h，伸长率的差值从4.8%增加至38.5%。

参考文献

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