时效制度对6106铝合金挤压管材力学性能的影响

金智澎，顾维明，赵 芳，李金龙

(辽宁忠旺集团有限公司， 辽宁 辽阳 111003)

6106铝合金属于以镁和硅为主要合金元素的6xxx系铝合金，以Mg2Si相为强化相，属于热处理可强化铝合金。合金具有中等强度，耐蚀性高，无应力腐蚀破裂倾向，焊接性能良好，焊接区腐蚀性能不变，成形性和工艺性能良好等优点。由于具有最佳的综合性能，被广泛应用工业制造业等领域[1]。

6106合金成分介于6063和6005A之间，但力学性能要明显高于6063合金，与6005A合金性能接近。其在T6状态下，屈服强度为220 MPa，抗拉强度为270 MPa。现有客户需求6106-T64合金状态挤压管材，要求材料屈服强度为150 MPa≤RP0.2≤170 MPa，抗拉强度Rm≥200 MPa，断后伸长率A≥14%。但6106-T64合金状态管材力学性能尚处于不稳定状态，常常存在屈服强度不合格的问题，热处理制度有待进一步研究，特别是时效制度有待探讨。为了提高产品的质量，满足国内外市场的需求，并为今后大批量生产做准备，本试验结合实际生产找出6106合金状态管材的最佳时效制度。

1 试验材料与方法

1.1 实验材料

根据现场实际生产需要，本次试验选择Φ582mm×1350 mm的6106合金铸锭进行生产，化学成分符合国家标准，见表1。在6106合金中主要强化相是Mg2Si化合物，当Mg∶Si>1.73时，除形成Mg2Si相外，过剩的镁明显降低Mg、Si相在固态铝中的溶解度；当Mg∶Si<1.73时，形成Mg2Si相后，过剩的硅并不影响Mg2Si在固态铝中的溶解度[2]。本试验合金的镁硅比为1.2。铸锭均质处理制度为560 ℃×10 h，均质处理后会消除铸锭在铸造过程中产生的内应力，避免挤压过程中裂纹的产生，同时会改善铸锭内部组织，使力学性能更趋于稳定值。

表1 6106铝合金化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

选择125 MN挤压机进行本次管材挤压试验，挤压管材直径385 mm、壁厚6.5 mm，管材截面图如图1所示。铸锭加热温度控制在510℃～470 ℃，挤压速度1.5m/min～2.0 m/min，挤压系数为36.6，管材出淬火区的温度≤150℃。由于挤压管材直径偏大、壁厚偏薄，在线穿水冷却淬火方式难以保证管材的截面尺寸和形状，而风冷淬火又很难满足所需要的淬火要求。因此，采用在线水雾淬火方式。

图1 挤压管材截面图Fig.1 Cross-section of extruded tube

基于本次试验力学性能要求的特殊值，根据以往经验及多方面资料显示，6xxx系铝合金峰值时效制度基本为175℃×8h。为了研究出适合6106合金状态挤压管材的时效制度，分别围绕峰值时效制定165℃、175℃，时效2h、3h、4h的欠时效方案以及210℃分别时效3h、4h、5h等多组时效制度进行本次试验。对时效后的管材进行力学性能分析，具体取样位置及时效制度对照见表2。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

对不同时效制度下的管材进行力学性能检测，其力学性能结果见表3。

表2 试样位置时效制度对照表

表3 不同时效制度下管材的力学性能

试样部位时效制度/℃×h屈服强度Rp0.2/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A/%7-17-28-18-29-19-210-110-2210×4210×5210×6175×820823111.019222512.5173211151852121518021315.518421414.52332571024026510.5标准150～17020014

2.2 试验结果分析

本次实验分别以温度和时间作为变量来对比分析，研究了不同的时效温度和时间对6106合金管材力学性能的影响。从表3可以看出在165℃、175℃时效温度下，抗拉强度和屈服强度都随着时效时间的增加而增大，且数值上升较快。在175℃×8h时效制度时达到最高值，而在2h、3h、4h保温时间相同的情况下，随着时效温度由165℃提升至175℃，力学性能同样呈现上升趋势。当时效温度为210℃时，随着时效时间的延长，力学性能呈现出下降的趋势。时效制度在210℃×5 h时，力学性能较时效制度210℃×6h时的力学性能数值并无明显差异。

6106铝合金其脱溶序列为α过饱和固溶体→G.P区→β″相→β′相→β相。时效初期Mg、Si 原子在铝基体的晶面上聚集，形成溶质原子富集区即G.P区，与基体保持共格关系，边界上的原子为母相α和G.P区所共有。为了同时适应两种不同原子排列形式，共格边界附近产生弹性应变，正是这种晶格的严重畸变阻碍了位错运动，从而提高了合金的强度。随着时效时间的延长，Mg、Si原子进一步富集并趋向有序化，迅速长大成针状或棒状即为β″相，其C轴方向的弹性共格结合引起的应变场最大，其弹性应力也最高。当β″相长大到一定尺寸，其应力场遍布整个基体，应变区几乎相连，此时合金的强度较高，随着时效过程的进一步发展。在β″相的基础上，Mg、Si原子进一步富集形成局部共格的β'过渡相，其周围基体的弹性应变有所减轻，对位错运动的阻碍减少，此时强度达到最大值，强度已有所下降。时效后期在β′相与基体界面上形成稳定的β相，失去了与基体之间的共格联系，完全从基体中脱离出来，共格应变消失，强度下降[3-4]。

根据以上理论6106铝合金为165℃及175℃等较低温度，开始阶段形成细密、均匀、弥散的G.P区，随着时间的延长获得了更多的β″相，因此在时效前期合金的强度迅速增大。时效温度210℃时固溶处理速度较快，所以强度达到峰值的时间较温度低时短，但在后续的时效处理中，随着时间的延长，材料内部的析出相开始长大，间距也变大，材料本身的强度指标降低，此时材料处于过时效状态。当β′相完全转变为稳定的β相时，强化效果将会消失。因此，数据显示210℃×5h时的力学性能与时效制度210℃×6h时的力学性能数值并无明显差异。由于实际生产中时效炉内空间较大，时效加热阶段时效炉内各区域温差较大，短时间内无法保证各区域均能达到设定温度，同时也就无法保证各区域都能达到时效要求，因此在实际生产中可以优先考虑165℃×3h的时效制度。

3 结论

(1)当时效温度为165℃以及175℃时，随着时效时间由2h逐渐延长至4h，力学性能呈现上升趋势；当时效时间为2h、3h、4h，时效时间保持不变，随着时效温度由165℃提升至175℃，力学性能同样呈现出上升趋势；(2)时效温度达到210℃时，随着时效时间的延长，力学性能会逐渐下降，此时管材处于过时效状态；(3)时效制度165℃×3h的力学性能数值均能满足客户技术要求，屈服强度为150MPa≤RP0.2≤170 MPa，抗拉强度Rm≥200 MPa，断后伸长率A≥14%。