周 龍，孫 亮，劉兆偉，王洪卓，張德偉

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6005A 鋁合金具有優(yōu)良的擠壓性、焊接性、耐蝕性及中等強(qiáng)度，可擠壓出斷面形狀復(fù)雜的寬扁薄壁空心型材，并能在擠壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)在線風(fēng)冷或水霧冷淬火，已廣泛應(yīng)用于軌道交通車輛的制造中[1,2]。借鑒6005A鋁合金應(yīng)用在軌道交通車輛的成功經(jīng)驗(yàn)，嘗試將其應(yīng)用到輕量化汽車是十分有意義的。考慮到汽車的安全性、舒適性及美觀等因素，汽車白車身的結(jié)構(gòu)較軌道交通車輛更復(fù)雜，涉及到的成型方式也更多，如折彎、沖壓等，這對(duì)6005A鋁合金的強(qiáng)度、塑性提出了更高要求。

綜上，探究在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上如何提高6005A鋁合金的彎曲性能是有必要的。研究表明通過調(diào)控6xxx系合金的時(shí)效溫度，可改善其彎曲性能[3]。因此，本文以T4狀態(tài)車輛用6005A合金擠壓型材為研究對(duì)象，進(jìn)行不同溫度、不同時(shí)間的欠時(shí)效、峰時(shí)效、過時(shí)效處理，通過電導(dǎo)率、硬度、力學(xué)、三點(diǎn)彎等試驗(yàn)，研究時(shí)效工藝對(duì)6005A合金性能的影響。

1 試驗(yàn)

本試驗(yàn)選取壁厚為2.5mm的6005A鋁合金大斷面擠壓型材，其化學(xué)成分符合GB/T3190要求，見表1。擠壓棒坯采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)，經(jīng)均勻化處理，以消除晶內(nèi)偏析，使鑄錠化學(xué)成分和組織更均勻，使用27.5MN油壓雙動(dòng)臥式鋁擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓。在線淬火后的6005A擠壓型材在96h內(nèi)經(jīng)空氣循環(huán)爐進(jìn)行不同的人工時(shí)效，時(shí)效制度有3種，分別為175℃×2h/4h/6h/8h/10h/12h/14h/16h/18h/20h，190℃×1h/2h/4h/6h/8h/10h/12h/14h/16h，以及203℃×1h/2h/3h/4h/5h/6h/8h/10h。人工時(shí)效后的6005A擠壓型材分別進(jìn)行電導(dǎo)率、硬度、拉伸性能、彎曲(采用三點(diǎn)彎試驗(yàn))測試。

表1 6005A合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 電導(dǎo)率

6005A合金型材在線淬火后，經(jīng)175℃、190℃、203℃不同時(shí)效時(shí)間處理后的電導(dǎo)率曲線如圖1所示。總體來看，在不同時(shí)效溫度下，隨著時(shí)效時(shí)間增加，電導(dǎo)率值處于上下波動(dòng)，但都呈上升趨勢。隨著時(shí)效時(shí)間的延長，190℃和203℃所能達(dá)到的電導(dǎo)率最大值比較接近，略高于175℃對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率最大值。

圖1 不同時(shí)效制度下6005A合金型材的電導(dǎo)率曲線Fig.1 Conductivity curves of 6005A alloy profile alloy under different aging processes

2.2 拉伸性能

不同時(shí)效時(shí)間下6005A合金型材屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度變化曲線如圖2所示。

圖2 不同時(shí)效制度下6005A合金型材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度曲線Fig.2 Yield strength and tensile strength curves of 6005A alloy profile under different aging processes

整體來看，在不同的時(shí)效溫度下，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度普遍呈先上升后下降的趨勢。其中，時(shí)效溫度175℃在6h后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度增幅放緩，在16h達(dá)到最大屈服強(qiáng)度(273.7MPa)和抗拉強(qiáng)度(300MPa)，進(jìn)入峰時(shí)效階段；時(shí)效溫度190℃在4h達(dá)到最大屈服強(qiáng)度(256MPa)和抗拉強(qiáng)度(287.9MPa)，進(jìn)入峰時(shí)效階段；時(shí)效溫度203℃在2h達(dá)到最大屈服強(qiáng)度(245.9MPa)和抗拉強(qiáng)度(279.6MPa)，進(jìn)入峰時(shí)效階段。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，6005A合金型材在時(shí)效溫度175℃下時(shí)效強(qiáng)化效果最好。

6005A合金型材下不同時(shí)效時(shí)間的延伸率變化如圖3所示。時(shí)效溫度為175℃時(shí)，隨著時(shí)效時(shí)間的延長，雖然在部分時(shí)效階段延伸率有波動(dòng)，但整體呈下降趨勢。時(shí)效溫度為190℃和203℃時(shí)，延伸率呈先下降后上升，且延伸率的最小值都在各自的峰時(shí)效范圍內(nèi)?？傮w而言，6005A合金型材在時(shí)效溫度203℃下體現(xiàn)了較好的延伸率。

圖3 不同時(shí)效制度下6005A合金型材的延伸率曲線Fig.3 Elongation curves of 6005A alloy profile under different aging processes

2.3 硬度

6005A合金型材在不同時(shí)效時(shí)間下的布氏硬度變化如圖4所示。時(shí)效溫度175℃、時(shí)效時(shí)間8h～20h時(shí)，硬度值較高，均大于92 HBW，且波動(dòng)范圍較小，硬度差值最大不超過4 HBW；時(shí)效溫度190℃、時(shí)效時(shí)間4h對(duì)應(yīng)的硬度值最高(90.2 HBW)；時(shí)效溫度203℃、時(shí)效時(shí)間2h對(duì)應(yīng)的硬度值最高(88.7 HBW)；時(shí)效溫度190℃和203℃時(shí)，在達(dá)到硬度峰值后，均出現(xiàn)下降情況，且203℃保溫2h之后呈現(xiàn)的“軟化”現(xiàn)象最顯著?？傮w而言，在時(shí)效硬化方面，時(shí)效溫度為175℃時(shí)產(chǎn)生的硬化效果最好，時(shí)效溫度190℃次之，時(shí)效溫度203℃最差。

圖4 不同時(shí)效制度下6005A合金型材的硬度曲線Fig.4 Hardness curves of 6005A alloy profile under different aging processes

2.4 彎曲

6005A合金型材不同時(shí)效制度后經(jīng)155°三點(diǎn)彎試驗(yàn)，試樣表面情況見表2。參考TB/T 3260.1-2011的判定方法并根據(jù)本試驗(yàn)的實(shí)際情況，以彎曲后試樣外表面不出現(xiàn)任何裂紋為判定標(biāo)準(zhǔn)。不同時(shí)效工藝下，6005A的彎曲情況大致可分為合格(無裂紋)、微裂紋、裂紋和斷裂(圖5)。當(dāng)時(shí)效溫度175℃時(shí)，只有時(shí)效2h和4h的試樣彎曲后合格，說明6005A合金型材在175℃下欠時(shí)效、峰時(shí)效、過時(shí)效大多無法獲得較好的彎曲性能。時(shí)效溫度190℃下的試樣彎曲情況與175℃相似。當(dāng)時(shí)效溫度為203℃時(shí)，欠時(shí)效、峰時(shí)效的彎曲情況與175℃、190℃相似，但在過時(shí)效階段，彎曲性能逐漸改善，時(shí)效8h和10h對(duì)應(yīng)的彎曲試樣外表面已無裂紋。

表2 不同時(shí)效溫度和時(shí)間下6005A合金型材彎曲情況

(a) 203℃×1h ; (b) 203℃×4h ; (c) 203℃×6h圖5 不同時(shí)效時(shí)間處理后6005A合金型材彎曲試樣Fig.5 Bending specimen of 6005A alloy profile after different aging time treatment

2.5 討論

Al-Mg-Si系合金的基本析出序列為，過飽和固溶體→團(tuán)簇→GP區(qū)→亞穩(wěn)β′′相→亞穩(wěn)β′相→穩(wěn)定β相(Mg2Si)[4]。而當(dāng)Cu添加到Al-Mg-Si合金中，在合金沉淀析出過程中，還會(huì)有其他亞穩(wěn)相的生成，主要是Q′相和Q相的析出，Q′相作為Q相的先驅(qū)組織，具有與Q相相似的晶體結(jié)構(gòu)，只是其點(diǎn)陣參數(shù)和成分略有差異[2]。在時(shí)效過程中，首先形成數(shù)目眾多的原子團(tuán)簇，然后是形成與基體共格的GP區(qū)，接著是共格的針狀β′′相，之后是半共格的棒狀β′相和Q′相。這些縱橫交錯(cuò)的針狀β′′相、棒狀β′相和板狀Q′相能夠有效阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高強(qiáng)度，降低塑性。由于β′′相是共格的，而β′相和Q′相是半共格的，因此β′′相產(chǎn)生的畸變程度更大，其強(qiáng)化效果更好。同時(shí)，同一成分合金，時(shí)效溫度不同，脫溶序列也不一樣[5]。一般，時(shí)效溫度高，預(yù)脫溶階段或過渡相可能不出現(xiàn)或出現(xiàn)的過渡結(jié)構(gòu)較少。時(shí)效溫度低時(shí)，則可能只停留在GP區(qū)或過渡相階段。

綜上，對(duì)于時(shí)效溫度203℃較175℃、190℃的電導(dǎo)率高、硬度低、強(qiáng)度低、塑性好、彎曲性能好的原因，可推測為時(shí)效溫度203℃下時(shí)效可產(chǎn)生較多的亞穩(wěn)半共格β′相和Q′相，甚至穩(wěn)定非共格β相和Q相，從而導(dǎo)致合金的晶格畸變小，時(shí)效強(qiáng)化效果低，而成形性好。

3 結(jié)論

(1)在線淬火后的6005A合金型材經(jīng)時(shí)效處理后電導(dǎo)率均有提升，時(shí)效溫度190℃和203℃獲得的電導(dǎo)率最大值較接近，且全高于時(shí)效溫度175℃下的電導(dǎo)率最大值。

(2)6005A合金型材在時(shí)效溫度175℃下，經(jīng)16h進(jìn)入峰時(shí)效；在時(shí)效溫度190℃下，經(jīng)4h進(jìn)入峰時(shí)效；在時(shí)效溫度203℃下，經(jīng)2h進(jìn)入峰時(shí)效。上述3個(gè)時(shí)效溫度下，在175℃×16h可獲得最大的抗拉強(qiáng)度300MPa，最大的屈服強(qiáng)度273.7MPa，而203℃對(duì)應(yīng)的塑性普遍好于175℃和190℃。

(3)6005A合金型材在時(shí)效溫度175℃產(chǎn)生的時(shí)效硬化效果最好，190℃次之，203℃最差。其中，時(shí)效溫度190℃和203℃在達(dá)到峰時(shí)效后均出現(xiàn)“軟化”現(xiàn)象，203℃對(duì)應(yīng)的軟化現(xiàn)象最顯著。

(4)在線淬火后的6005A合金型材進(jìn)行人工時(shí)效，無論在欠時(shí)效、峰時(shí)效、過時(shí)效階段，大角度彎曲時(shí)普遍存在彎曲開裂情況。其中，時(shí)效溫度203℃在過時(shí)效階段，開裂情況有所減輕，甚至消失，說明該階段彎曲性能有所改善。