6×××系挤压型材力学性能的季节性变化

刘平礼，邓玉臻，宋琳琳，刘文霞

（龙口市丛林铝材有限公司，山东龙口265705）

6×××系挤压型材力学性能的季节性变化

刘平礼，邓玉臻，宋琳琳，刘文霞

（龙口市丛林铝材有限公司，山东龙口265705）

采用数据统计、布氏硬度测试、室温拉伸力学性能、扫描电镜等方法研究了6×××系挤压型材力学性能的季节性变化行为。结果表明，型材的力学性能存在季节性变化，且这种变化是由夏季、冬季不同的自然时效效应引起的。根据实际情况适当调整时效制度可以减小型材力学性能的季节性波动，稳定型材质量。

6×××系挤压型材；季节性变化；自然时效；溶质原子团；GP区

0 前言

6系合金为热处理可强化的Al-Mg-Si合金，因其具有密度低，中等强度，良好的铸造性能、加工成型性能、焊接性能、抗腐蚀性能等优势而广泛应用于轨道交通、汽车、船舶、城市建设等领域，如6005A、6082、6N01等合金，是制造高铁、地铁、轻轨等列车车体用的大型薄壁中空型材的良好材料[1～2]。

对于6系Al-Mg-Si合金，许多研究[3～5]表明其时效析出序列为：（过饱和固溶体）→Mg、Si、Mg-Si原子团→GP区→针状相→杆状相→相。GP区为溶质原子有序富集区，呈球形，直径一般在1～2nm，与基体完全共格，有一定的强化作用；当时效温度高于100℃时，析出的GP区开始回溶进基体或转变为相。亚稳相属于单斜结构，一般呈针状，与基体半共格，是Al-Mg-Si合金强度的主要承载者。在时效中后期，特别是高温时效时，基体易析出亚稳相和平衡相，并且发生粗化，因相和相强化作用不如相而使力学性能降低[3、6]。本课题研究的合金微合金化元素含量较少，合金化程度较低，但合金元素种类较多且Si含量过剩，所以时效硬化能力相对较强，时效初期形成的各种原子团趋于复杂，对时效析出特性影响较大。

夏季，在做6系型材室温拉伸力学性能检测时，发现型材试样力学性能虽然满足标准要求，但断后延伸率偏低而强度偏高。通过查询相关试验记录，发现6系合金夏季强度偏高延伸率偏低，而冬季强度偏低延伸率偏高，这种力学性能不稳定的现象普遍存在于实际生产中，其波动性在冬、夏季节达到最大，也即季节性的环境温度变化与6系型材的力学性能之间存在着某种联系。所以，研究型材生产中季节性的环境影响及适时调整时效制度对保证其力学性能的稳定性具有重要意义。

1 试验方法

试验型材为9000t挤压机生产的M003型材，挤压比为26，采用在线风淬的淬火方式。型材的化学成分如表1所示。

表1 M003型材的化学成分（质量分数／%）

挤压型材在线淬火后截取小块试样模拟车间环境温度停放不同时间，并进行布氏硬度测试。硬度测试在美国INSTRON CLB3型布氏硬度计上进行，压头直径为5mm，试验力为250kgf，加载时间为10s。停放不同时间后将试样在空气炉里进行人工时效。室温拉伸力学性能在日本岛津UH-F300型万能试验机上进行，试验拉伸速率为20mm/min。拉伸断口在德国蔡司EVO18型扫描电镜下观察，加速电压为20kV。

2 试验结果

2.1 力学性能统计规律

依据已有的检测数据，我们汇总了从2013年5月至2015年8月之间的6系挤压型材力学性能数据，并约定当年的5月至10月为夏秋季节，当年的11月至第二年的4月为冬春季节。图1所示为6系挤压型材的力学性能数据随年份的变化关系图，可以看出型材的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率（均为平均值）均分别高于270MPa、230MPa和11%，较好地满足了标准要求，但每年夏秋季节的抗拉强度和屈服强度均高于冬春季节的数值，而延伸率的变化规律与之相反，这表现出了明显的季节性波动规律。

图1 6系型材的力学性能随季节的变化图

在生产工艺相对稳定的情况下，型材的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率的变化情况均表现出了季节性的变化规律，也即夏季强度偏高而断后延伸率偏低，冬季强度偏低而断后延伸率偏高，这表明生产挤压型材的车间环境温度对型材的力学性能有一定影响[7～8]。

2.2 不同季节条件下的力学性能

在正常的生产条件下（即型材在线淬火后经受一定的自然时效），M003型材分别在夏季、冬季进行不同温度下的人工时效，其力学性能如表2所示。夏季，163℃×8h时效时，型材强度很高而延伸率极低；随时效温度降低，型材强度稍有降低，但延伸率有明显改善。冬季，165℃×8h时效时，型材强度较低而延伸率较高；随时效温度升高，型材强度有所提高，延伸率稍有降低。不论冬季还是夏季，型材的屈强比和断后延伸率之间存在着明显的反相关关系，也即随着屈强比的增大，断后延伸率降低。另外，由调整时效制度可以看出，不同季节下的自然时效对挤压型材的力学性能产生明显的影响，且在165℃×8h人工时效制度的基础上，夏季适当降温时效，冬季适当升温时效，都可以使型材获得优良的强塑性匹配。

表2 M003型材在不同季节时的力学性能

2.3 拉伸断口扫描

图2所示为M003型材在夏、冬季节时类似时效制度下的拉伸断口形貌。夏季经163℃×8h时效后型材断口（图2（a））呈现典型的冰糖状形貌，同时分布着少量微细的沿晶韧窝，在撕裂棱处还可观察到二次沿晶裂纹（图2（a）黑色箭头），属于沿晶断裂，因此塑性很差。而冬季165℃×8h时效的型材断口（图2（b））分布着许多细密、小而浅的韧窝，同时还观察到一些撕裂棱，属于韧窝型韧性断裂和沿晶脆性断裂的混合模式，塑性较好。不同季节下的M003型材断口形貌与表2中的延伸率是相一致的。

图2 M003型材不同季节条件下的拉伸断口形貌

3 分析与讨论

3.1 力学性能差异产生的实际条件

在挤压型材的实际生产中，通常采用在线风冷的方式进行淬火，淬火线附近温度相对较高。冬季室外温度较低，车间散热较快，所以车间温度较室外稍高，可维持在0～10℃；而夏季室外温度较高，车间散热较慢，温度较高，淬火线附近高达40℃以上，而且在线风淬的冷却效果相对减弱，冬夏季之间存在较大的温度差异及淬火强度差异。另外，型材出模后需进行拉伸矫直、切取性能试样、低倍验证、挑料和矫正等工序后才开始装炉时效，这段时间一般不少于8h。这种冬夏季的温度差、淬火强度差异和型材停放较长的时间为冬夏季型材力学性能的差异性提供了有利条件。

表3所示为冬夏季生产的M003型材表现出的自然时效硬化效应。由表3可知，不论是冬季还是夏季，M003型材都表现出了一定的自然时效响应，也即随着型材停放时间的延长，型材硬度增加，而且在夏季，型材的自然时效响应速率更大，这与夏季挤压型材的强度偏高、延伸率偏低存在着明显的对应关系。

表3 M003型材自然时效的布氏硬度变化

3.2 自然时效对后续人工时效的影响

自然时效中Al-Mg-Si合金强度和硬度的增加源于GP区的强化作用。在淬火后，基体呈过饱和状态，拥有大量的空位、位错等缺陷，因而易形成Mg-V原子对和Si-V原子对[9]。随着空位、位错的运动，在自然时效2h左右，这些缺陷型原子对基本消失，取而代之的是大量的溶质原子团（Mg原子团、Si原子团或Mg-Si复合团簇），其中Mg-Si复合团簇占主导地位，且逐渐形成球形的GP区，并在后续的人工时效中转变为相[10]。夏季（高于30℃）自然时效，与冬季（低于10℃）自然时效相比，基体能形成更多细小的溶质原子团、GP区，因而引起的强化作用也更好，这与表3中的硬度变化规律是一致的。

然而GP区是不稳定的，在不同的条件下可发生粗化、转变为其它亚稳相或回溶进基体等行为。夏季气温较高，Al-Mg-Si合金自然时效响应较为强烈，基体析出大量的、尺寸较大的GP区，在人工时效中将成为相析出形核的质点，因省去了相形核孕育期而大大加快了人工时效进程。冬季气温较低，型材基体中虽析出了大量的溶质原子团、GP区，但因尺寸较小，未达到相的临界形核尺寸，所以在人工时效时又大部分回溶，只有少部分稍大尺寸的GP区继续长大，成为相的形核质点（如果自然时效时间较长，能成为相形核质点的GP区将增多），而大部分相的析出需经过形核、长大的过程，因而大大延迟了人工时效进程[11～12]。这与生产实际是相符的。图3所示为冬季同一挤压机生产不同批次的不同型材（同种合金）在同一时效炉进行165℃×8h人工时效后的力学性能，从中可观察到屈服强度随自然时效时间的延长先降后升，延伸率的变化规律与之相反，这是因为自然时效时间短，铝基体过饱和度大，有利于后续人工时效时强化相的析出，所以强度高。自然时效时间稍长，铝基体中析出了大量的GP区，但大部分因尺寸较小不能直接转变为相而回溶，延缓时效进程，因而强度降低；自然时效继续延长，GP区将逐渐长大，在后续人工时效时成为相形核质点的数量增多，因而强度又稍有升高。

图3 型材经不同自然时效后在165℃×8h人工时效的力学性能

正是由于上述自然时效温度、时间的差异使合金基体中析出的GP区发生了强化相转变或回溶行为，而后进行人工时效，合金的析出特性才出现了新的变化，而且这种变化与6系挤压型材不同季节的力学性能变化规律（图1）是一致的。

3.3 解决力学性能季节性波动的措施

由于自然时效改变了合金的人工时效析出特征，加快或延缓了时效进程，所以只有抑制自然时效或消除自然时效的影响才能从根本上解决型材力学性能的季节性波动问题。抑制自然时效就需要使型材所处的温度极低，使从淬火到入炉进行人工时效的时间最短，但这在企业实际生产条件下是很难实现的且不实际的，因此必须采取工艺措施减小甚至消除自然时效的影响。

冬季，M003型材经过2天的自然时效（已进行一定程度的自然时效）后在165℃进行人工时效，其时效硬化曲线如图4所示。型材的布氏硬度随时效时间的延长先迅速增加，然后缓慢增加，最后基本稳定，稳定时的布氏硬度约为100 HB。型材在时效20 h左右时达到峰时效，时效8 h时型材处于欠时效状态，因此可以通过调整时效制度来调节力学性能。适当提高时效温度或延长时效时间可以提高型材强度，适当降低时效温度或缩短时效时间可以降低型材强度，从而在夏季、冬季保持型材力学性能的稳定性。

图4 冬季M003型材在165℃的时效硬化曲线

另外，型材在储存时存在一个使力学性能降低的自然时效时间段，这种现象可称为“自然时效陷阱”。在冬季，这个时间段约为型材淬火后的10～20 h范围内，但在夏季时情况将有所不同。因为夏季车间温度较高，淬火强度效果减弱，自然时效效应较强，人工时效相转变的孕育期变短，“自然时效陷阱”现象将会弱化，甚至消失[8]。因此，在冬季调整时效制度时应注意特殊控制，最好能避开这个时间段，以免型材力学性能波动过大。

4 结论

（1）6×××挤压型材的力学性能呈现季节性变化规律，也即夏季强度偏高而断后延伸率偏低，冬季强度偏低而断后延伸率偏高。

（2）6×××挤压型材力学性能的季节性变化主要是由自然时效效应引起的。夏季车间温度高，自然时效效应强，基体中析出大量尺寸较大的GP区，成为相析出形核的质点，加快了时效进程，促进了强度提高。冬季车间温度低，自然时效效应弱，基体中析出的大量GP区因尺寸较小而在人工时效时回溶，延缓了时效进程，导致型材强度偏低。

（3）为保证型材力学性能的稳定性，夏季宜适当降低时效温度或缩短时效时间，冬季宜适当升高时效温度、延长人工时效时间或避开“自然时效陷阱”时间段。

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热处理铝合金及其生产工艺

美国专利US5976297

本发明推荐一种用连续铸造方法生产铝合金的工艺，以及饮料罐用板材合金的新成分。合金含(质量分数，%)：Mg0.9～1.5、Mn0.8～1.2、Cu0.05～0.5、Fe0.05～0.5、Si0.05～0.5。板材生产工艺包括：熔体连续铸造成铸带；铸带或者感应加热到热轧温度，或者局部热轧之后加热到高于铸造结束温度6～25℃，以使铸带连续再结晶(冷轧阶段之后)；热轧成变形带材；带材中间冷轧；在370～565℃的感应炉中中间退火；冷轧成成品带材。还可将带材进行补充稳定退火，以获得要求的力学性能。

半固态铸造、热处理及变形铝合金

美国专利US5968292

本发明推荐一种Al-Si合金坯料的生产方法。合金坯料要经过热处理以使其枝晶组织转变为球状组织，然后进行半固态变形以获得所需形状的制品。在液相和固相温度间以5～100℃/s速度凝固时，含有枝晶组织的制品的晶粒尺寸达到20～250MKM。以大于30℃/min的加热速度将具有枝晶组织的制品加热到高于合金固相线温度3～50℃，就可以将其处理成球状或无枝晶组织的制品。最后，将具有球状或无枝晶组织的制品半固态成形为所需形状的制品。

铝熔渣的再加工方法

俄罗斯专利 2148664

本发明涉及的铝熔渣再加工方法包括：在碱和/或碱土金属卤化物共晶体基础上形成电炉反应物体；建立在反应物体内达到矿石熔炼的加热制度；装入铝熔渣并析出反应物体内的金属。熔炼在950～1500℃下有固态化合物还原的情况下进行。在这种情况下，利用冰晶石和卤化钙作为碱和/或碱土金属，利用铝电解槽的石墨电极细小磨碎料作为碳还原剂。这样，本发明所推荐的铝熔渣再加工方法就可以还原盐铝熔渣中的氧化物相，并析出其中的金属。

Al-Li-Sc热轧板制备工艺

美国专利US5882449

本专利介绍了一种可焊、高强、各向同性Al-Li合金热轧板的制备工艺。该合金铸坯的成分构成（质量分数，%）为：Li(1.5～3.0)，Cu(1.0～4.0)，Sc(＞0.2～10.0)，Si(0.03～1.0)，Fe(0.03～1.0)，Mn(0.05～1.0)，Mg(0.05～1.0)，Zn(0.05～1.0)，Zr (0.01～1.0)，Ti(0.05～1.0)，其他杂质总和小于2.0，余量为铝。其生产工艺主要包括：（1）将铸坯升温到局部晶粒细化温度；（2）将上述铸坯至少在较低的热加工状态下加工成半成品；（3）对半成品进行再结晶处理，加工成再结晶状态半成品；（4）对再结晶状态半成品进行热加工；（5）对上工序热加工产品进行固溶热处理、淬火和时效处理。

Study on Seasonal Variation of Mechanical Properties for 6×××Extruded Profiles

LIU Ping-li，DENG Yu-zhen，SONG Lin-lin，LIU Wen-xia
(Longkou Conglin Aluminum Co.，Ltd.，Longkou 265705，China)

Seasonal variation of mechanical properties for 6×××profiles was investigated by means of data statistics,Brinell hardness testing,tensile testing at ambient temperature and scanning electron microscopy.The results showed that the mechanical properties of 6×××extruded profiles varied with the season,which resulted from different natural ageing effects of summer and winter.Seasonal variation of mechanical properties of 6×××profiles would be weaken,even eliminated by appropriately adjusting ageing system ac⁃cording to the actual situation.

6×××extruded profiles；seasonal variation；natural ageing；solute clusters；GP zones

TG146.21，TG379

A

1005-4898(2017)02-0053-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.02.11

刘平礼（1987-），男，河南信阳人，硕士研究生、材料工程专业。

2016-10-08