时效制度对6063铝合金品字形型材力学性能的影响

王 克，贾永强，冯艳飞，杨 路，张 宇

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

铝及铝合金具有良好的耐蚀性、较高的比强度和导热性等特点[1-2]，6063铝合金属于Al-Mg-Si系可热处理强化型合金，具有良好的机械加工性、热塑性、可挤压性和阳极氧化性，在门窗、家具、消费类电子产品和汽车等生产领域得到了广泛的应用[3-6]。时效强化作为6063铝合金的一种十分常见且有效的强化方式已被广泛研究，周向等[7]在研究时效工艺对6063铝合金力学性能影响时，发现经过545 ℃×50 min固溶处理+水淬+180 ℃×8 h时效处理后，6063铝合金挤压棒材抗拉强度为230 MPa，断后延伸率为13.3%。陈宜钊等[8]通过550 ℃×50 min固溶处理+175 ℃×8 h时效处理后，6063铝合金轧板获得了221 MPa的抗拉强度和18%的断后延伸率。孙瑜等[9]通过170 ℃×2 h+200 ℃×1.5 h的双级时效处理工艺，6063铝合金棒材的抗拉强度达到了222 MPa，断后延伸率达到了15.92%。

现有客户提出由三腔体构成的品字形型材，要求材料的屈服强度220 MPa≤Rp0.2≤240 MPa，抗拉强度Rm≥230 MPa，断后延长率A≥10%。对此，选择6063铝合金作为型材的挤压铸棒原料，通过调整型材时效工艺，来实现客户对产品性能的要求。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所选用的φ254 mm×600 mm的6063铝合金铸锭采用半连续铸造成型，其化学成分见表1。为了均匀铸锭内组织并且消除铸锭的内应力，设置铸锭的均质制度为560 ℃×8 h。

表1 6063合金化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

型材挤压采用3150T挤压机，型材形状为由三腔体构成的品字形，三腔体壁厚分别为1.5 mm(A面)、2.5 mm(B面)以及3.5 mm(C面)，型材截面图见图1。均质后铸锭加热温度为470～490 ℃，挤压速度为3.5～4.0 m/min,淬火前温度>480 ℃，采用水罐淬火的方式。根据客户对6063铝合金品字形型材的性能要求，制定的时效方案分别为：时效温度165 ℃，保温时间为6、8、10 h；时效温度180 ℃，保温时间为7、8、9 h；时效温度为200 ℃，保温时间为2.5、3、4.5 h。

图1 6063合金品字形型材截面图

2 试验结果及分析

为研究不同时效工艺对6063铝合金品字形型材力学性能的影响，对时效处理后6063铝合金品字形型材不同截面分别进行拉伸测试，测试结果如表2所示。

从表2中可以看出，当时效温度为165 ℃时，随着保温时间的延长，6063铝合金型材各面的抗拉强度和屈服强度均呈上升趋势。当时效温度为180 ℃时，型材各面的抗拉强度和屈服强度随保温时间的增加而呈现先增后降的趋势，并且在180 ℃时效工艺下型材各面的强度要高于165 ℃时效工艺下型材各面的强度。其中，在180 ℃×8 h的时效工艺下型材各面的强度达到峰值，A、B、C面的抗拉强度分别为230.1、227.1和225.1 MPa，A、B、C面的屈服强度分别为256.3、252.4和 249.9 MPa。但当时效温度较高(200 ℃)，保温时间较短(2.5/3/4.5 h)时，型材各面的强度随保温时间的增加呈现降低的趋势。由此可知，6063铝合金品字形型材选择低温长时的时效工艺效果要优于高温短时的时效工艺。

表2 不同时效制度下品字形型材的力学性能

在时效过程中，Al-Mg-Si系合金中沉淀相的基本析出顺序为：过饱和固溶体(SSS)→团簇→GP区→亚稳β″相→亚稳β′相→稳定β相[5]，在时效初期，大量的Mg、Si原子形成与基体共格的单独Mg、Si原子团簇和Mg-Si复合原子团簇，随着溶质原子的不断析出，团簇长大形成与基体完全共格的GP区，可以作为β″相的形核核心，沿基体<100>方向析出大量与基体共格的纳米级的针状或棒状的β″强化相。当β″相进一步长大到一定尺寸后，其应力场遍布于整个基体之上，应变区整体相连，合金强度较高。此外，β″相与基体为共格关系，共格边界原子为两相所共有，基体需发生弹性形变来适应两相原子的不同排列，这种弹性畸变对会严重阻碍位错的运动，从而提高合金的强度，此时合金的强度达到峰值。而随着时效过程的进一步发展，在β″相的基础上会形成局部共格的β′相，弹性应变程度下降，合金强度也随之降低。在时效后期，非共格的β相析出，与基体共格的关系消失，合金强度进一步下降[10]。

根据以上分析，6063铝合金在165 ℃进行时效处理过程中，在时效前期，保温时间较短时，会先逐渐形成溶质原子团簇，然后随着时效过程的进行，原子团簇长大成为具有一定尺寸的GP区，此时会在一定程度上提高合金的强度，然后随着保温时间的增加，共格的GP区逐渐转变成共格的β″强化相，合金强度大幅提高，并达到峰值。而当温度提升到180 ℃，共格GP区及β″相析出速度较165 ℃时更快，且析出相的数量更多，故在180 ℃进行时效处理时，其强化效果明显高于在165 ℃进行时效处理的强化效果，并且随着在180 ℃下保温时间的延长，析出相开始变得粗大，导致合金强度开始下降。当时效温度进一步提升到200 ℃时，大部分强化相会以更快的速度析出，合金强度会快速达到峰值，但随着保温时间的延长，共格析出相逐渐长大，并开始向局部共格的β′相及非共格的β相开始转变，强化效果下降，导致合金强度降低。

另外，对比同一时效工艺下型材各面的强度，发现型材各面的强度随型材各面壁厚的增加而提高，这说明在同一时效工艺下，6063铝合金品字形型材腔体强度与型材腔体壁厚成正比。而同一时效工艺下型材各面的断后延伸率却随型材各面壁厚的增加而降低，这说明6063铝合金品字形型材腔体的断后延伸率与型材腔体壁厚成反比。

根据客户对铝型材屈服强度(220 MPa≤Rp0.2≤240 MPa)、抗拉强度(Rm≥240 MPa)、断后延长率(A≥10%)等性能的要求，以及生产成本等考虑，选择180 ℃×7 h作为6063铝合金品字形型材的时效工艺。

3 结论

1)对于6063铝合金品字形型材，当时效温度为165 ℃，随着保温时间的延长，型材各面的强度呈现上升的趋势；当时效温度为180 ℃，随着保温时间的延长，型材各面的强度先升后降，并且在180 ℃进行时效处理的强化效果要优于165 ℃的时效处理。

2)当时效温度为200 ℃时，型材各面的强度随着保温时间的延长而下降，而且在200 ℃进行短时时效处理的强化效果要低于180 ℃长时时效处理。

3)客户要求材料性能：220 MPa≤Rp0.2≤240 MPa、Rm≥230 MPa、A≥10%，180 ℃×7/8 h时效处理后性能均符合要求，但考虑到成本因素，6063铝合金品字形型材选择180 ℃×7 h时效工艺为宜。