淬火冷却速率对6N01合金性能的影响研究

于金凤，徐群峰

（丛林集团有限公司，山东 龙口 265705）

关键字：6N01合金；断口扫描；淬火冷却速率。

6N01合金因其具有良好的综合性能，成为轨道交通用车体材常用选材之一。工业生产中，为提高生产效率，企业大都采用挤压+在线淬火+人工时效的方式来获得6N01合金所需求的性能，这种工艺被实践证明是高效的。但是在生产时，此工艺也面临挑战，季节变化、设备因素等导致的温度变化会导致6N01合金性能产生不同程度的波动。在前期停放对型材的性能影响的基础上，本文单独对固溶淬火冷却速进行了探讨，对比了不同冷却强度型材的组织和力学性能变化，简要阐述了淬火冷却速率对型材性能的影响，对实际生产具有一定指导作用。

1 实验方案

本文固溶淬火实验材料截取自6N01合金的车体型材，壁厚3mm，合金成分符合GB/T3190-2008要求。取样沿挤压方向同一位置取样。试样采用530℃Х1.5h的固溶制度，固溶淬火完成后在不同环境下进行冷却（见表1），待冷却温度低于50℃后，直接入炉进行165℃Х8h的人工时效。

金相试样经磨制，使用HCl：HNO3：H2O=1:2:22的腐蚀液进行金相腐蚀，使用蔡司Observer.A1m光学显微镜进行金相观察和测量，观察倍数50×。硬度检测使用美国英斯特朗CLB3布氏硬度计进行硬度测量。试验力为62.5Kgf，压头直径2.5mm，加载时间10s。使用日本岛津产UHF300微机数显式液压万能试验机上进行硬度和力学性能试验。使用德国蔡司产EVO18扫描电镜进行金相观察。

表1 实验采用的冷却方式

2 实验结果与分析

2.1 固溶淬火型材金相

固溶完成后取样进行金相检测显示，型材晶粒度差别不大，均在4级左右。取淬火时效后的试样进行高倍金相观察（500Х），见图1。

资料[1]显示，Al-Mg-Si合金中，Mg2Si的电极电位比其边缘的Al基体负易腐蚀，在进行腐蚀时，Mg2Si相中的Mg会优先腐蚀使强化相表面出现蚀坑，金相观察时出现光的散射呈现黑色。通过观察黑色质点分布可一定程度反应强化相的析出和分布情况。观察照片可见，不同冷却强度的金相组织存在一定差异。水冷型材基体黑色质点密且最多，晶界部位出现异于基体的白色区域，并有断续存在的黑色析出物；两种空冷型材金相大体一致，存在细小致密析出质点，晶界较为明显且连续，存在类似水冷的白色区域；炉冷型材金相可观察到存在尺寸较大的弥散析黑色质点，晶界清晰并有黑色质点连续分布。

图1 固溶淬火时效后金相照片

根据第二相和弥散相强化理论，析出的强化相数量、尺寸和分布会对合金形成不同程度的强化，依此判断，水冷型材应具有最高的强度，空冷次之，炉冷最差，同时水冷型材中断续分布的强化相有助于提高晶界延展性，提高整体塑性。

2.2 固溶淬火对性能的影响

试样固溶完成后，进行不同形式的淬火，淬火强度曲线见图2。试样完成淬火后进行人工时效，检测最终力学性能，绘制形成冷却方式和强度/延伸率的关系曲线，见图3。

图2 淬火冷却曲线

图3 不同冷却方式下的未拉伸试样性能变化

由淬火冷却曲线可见，水冷的冷却速率最高，室外空冷次之，室内空冷再次，炉冷最慢。在淬火敏感区内，水冷冷却速率最快，冷却速率大于100℃/s；室外的冷却速率约为1.3℃/s；室内的冷却速率约为0.78℃/s；炉冷的冷却速率小于0.3℃/s。

未拉伸实验试样的强度与淬火冷却速率对应（图2），随着冷却速率的下降而呈下降趋势，水冷时强度最高，炉冷时最低。但延伸率未与冷却速率对应，呈现先下降后微升的情况。其中，水冷比室外冷却的型材强度高约20MPa左右；室外比室内冷却的型材强度高约10MPa左右；炉冷处理的型材性能最差，屈服强度仅为水冷的一半。取相同处理的试样加以5%的拉伸变形，性能见表2，型材整体强度升高，但是延伸率降低，强度升高趋势的大小与未拉伸试样基本一致，说明冷却速率的升高对试样强度提升有利。

表2 不同冷却速率下型材的力学性能

整体而言，采用水冷淬火的试样综合力学性能最好。

2.3 固溶淬火型材断口观察

取拉伸后的试样一侧断口，经处理后，进行断口扫描，见图4。

图4 不同冷却方式下的未拉伸试样断口形貌

断口扫描照片显示，四种不同处理的试样断口均呈现出一种微孔聚合韧性断裂的形貌，即断口均出现大量韧窝，但形态存在一定差异。1#试样存在大而深的韧窝，断口局部存在撕裂棱，塑性良好；2#试样呈现明显的晶界断裂特征，断裂界面存在小而浅的韧窝；3#试样也呈现一定的沿晶断裂情况，但不如2#端口那么明显，韧窝更多且深度增加，塑性相对2#要好；4#试样韧窝小而深，遍布整个断口，呈现出较好的塑性形态。断口形貌与力学检测结果一致。

3 讨论

6xxx合金是以Mg2Si相为主要强化相的铝合金，时效析出β'相的尺寸、形态和分布对合金的最终性能起着决定作用。但是实际生产过程中影响最终析出相形态的因素很众多，如合金成分、铸棒均质、挤压工艺、淬火工艺、拉伸以及时效等。其中，铝合金淬火冷却效果直接影响了后续时效，进而影响合金最终性能。

根据空位理论[2]，当晶体温度升高时，原子的平均热能加大，导致全局平均振幅加大，此时由于振动而能脱离金属键结合的原子数量增大，空位浓度增大。根据等温脱溶转变原理可知，空位是GP区等时效前驱相的有效形核位置，提高时效前合金的空位浓度有助于形成更多细小弥散的强化相，提升合金的综合性能，因此，提高冷却速率进而“冻结”固溶时形成的空位成为提高合金性能的重要手段之一[3]。以本实验型材为例，采用冷却速率最快的水冷淬火型材取得了最好的综合效果。

目前，挤压生产企业使用的淬火方式中以在线水冷、风雾冷、风冷为主[4]，其中风冷成本低，易于实施进而使用广泛。这些冷却方式均不可避免的是冷却介质温度难以做到恒定控制，水温或者空气温度会随着季节呈现起伏波动，这就会造成淬火速率的增减，进而对型材性能产生影响，这也从一方面解释了合金性能随季节变化的原因，为此可通过冷却介质的温度控制和强度控制来确保型材性能稳定。

4 结论

通过开展淬火冷却速度对型材的影响实验，发现其对型材性能影响明显，是造成6N01合金性能季节变化的原因之一，并得出：

（1）水冷型材强化弥散析出最好，晶界强化相断续分布，断口呈现大而深的韧窝和撕裂棱，具有最好的综合力学性能；

（2）空冷型材析出相弥散，晶界强化相连续析出，断口呈现明显的晶界断裂特征；

（3）炉冷型材析出相粗大，晶界连续且明显，断口呈现小而深的韧窝，综合性能最差。