6061铝型材双级时效工艺的研究

姜 珊，李宏常，杨俊林，赵钰锋，王 爽

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

6061 铝合金由于具有中等强度和良好的可焊性、耐蚀性，被广泛应用在工业、汽车及船舶等领域[1]。随着汽车等行业的迅猛发展，越来越多的产品对6061型材的力学性能提出更高要求。时效处理是提高铝合金力学性能和改善理化性能的重要手段，传统的6061铝型材采用单级时效制度175 ℃×8 h能达到良好的力学性能，但保温时间较长，能耗较高。本课题主要研究了6061 铝型材的双级时效工艺，采用几组不同的双级时效制度，对比型材的力学性能、电导率及晶间腐蚀情况，探求提高型材性能且减少能耗、缩短生产周期的时效工艺，为6061铝型材高效节能生产提供理论依据。

1 试验材料和方法

试验所用材料为我公司生产的两种6061 铝合金挤压型材，将其分别在3 600 t、880 t卧式油压挤压机上生产，型材及挤压相关参数见表1。

表1 型材及挤压相关参数

挤压完成后，将两种断面各取10个300 mm 试样进行时效处理。为保证试验数据的准确性，每种断面同一时效制度取2个试样进行试验，试样编号及时效制度见表2。本试验中的双级时效处理步骤为：先进行一级时效（预时效），之后立即随炉升温至二级时效温度进行最终时效。根据相关经验及文献资料，制定了4种双级时效制度，并与峰值时效进行对比。为排除停放效应对试验结果的影响，试样停放不到12 h即进行时效处理。完成时效处理后分别进行力学、电导率和晶间腐蚀试验，分析两种型号在5组时效制度下的各项性能情况。

表2 试样时效清单

2 试验结果和分析

2.1 双级时效对6061铝型材力学性能的影响

不同时效制度下两种断面的力学性能如图1所示。该图是取同一时效制度下2个力学试样的平均值作图而成。A、B 两种型材在5 种时效制度下的力学性能均高于国标要求。

由图1 可知，A 型材随着预时效温度的升高，力学性能呈先升高后降低的趋势。其中170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 制度下试样的综合力学性能最好，抗拉强度为283 MPa，屈服强度为265.5 MPa，断后拉伸率为8%，强度高于单级时效制度，断后伸长率略低。B型材力学性能整体趋势与A型材相同，在预时效温度为150 ℃、160 ℃和170 ℃时抗拉强度和屈服强度相近，均超过175 ℃×8 h 时效制度时的强度。其中170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h制度下强度最高。预时效温度为180 ℃时抗拉强度和屈服强度下降较多，均低于单级时效。4组双级时效工艺中，170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 制度下合金的综合力学最好。

图1 不同时效制度下6061合金的力学性能

双级时效由预时效和最终时效两个阶段组成。预时效处理温度较低，合金中形成高密度的GP区，当其尺寸达到一定值时成为随后时效脱溶相的核心，从而提高了组织的均匀性。在第二阶段中，随着温度的升高，GP 区转化为过渡相，过渡相密度不断提高，使基体内产生大量畸变区，从而对位错运动的阻碍作用不断加大，使合金强度增大。本试验中二级时效均为210 ℃×1.5 h。通过调整预时效温度改变脱溶相的结构和弥散度，使过渡相与基体仍旧保持共格关系，以考察不同双级时效制度对6061合金性能的影响。

试验结果说明，当预时效温度为170 ℃时，在最终时效阶段θ'过渡相出现，合金达到强度峰值，未出现过时效现象；当预时效温度升到180 ℃时，组织中存在过渡相θ'和稳定相θ，致使型材性能有下降趋势。

综上可知，4种双级时效制度中170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h处理后型材力学性能最好，抗拉强度及屈服强度均高于175 ℃×8 h，且断后伸长率与峰值时效较为接近。

2.2 双级时效对6061铝型材电导率的影响

根据同一时效制度下2个试样的电导率平均值绘制的电导率曲线如图2 所示。A、B 型材的电导率均在180 ℃×1.5 h+200 ℃×1.5 h时最高，随着预时效温度由150 ℃升到180 ℃，电导率逐步升高。

A 型材峰值时效后电导率为27.97 MS/m，180 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 时效后电导率为28.14 MS/m。B型材180 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 时效后电导率为27.5 MS/m；预时效温度为170 ℃时电导率略小，为27 MS/m。一般来说，合金的电导率越高，抗晶间腐蚀性能越好[2-3]。可见，与单级峰值时效相比，6061 合金经180 ℃×1.5 h+200 ℃×1.5 h 双级时效处理后电导率更好，抗晶间腐蚀性能更强。

图2 不同时效制度下6061合金的电导率

2.3 双级时效对6061铝型材晶间腐蚀性能的影响

图3为A型材的金相显微组织。由图可知，组织未过烧。图4为A型材试样的晶间腐蚀形貌。从图4（e）可知，峰值时效状态下合金的晶间腐蚀严重，表层晶粒之间脱离，部分晶粒从表面脱落。经测量，腐蚀深度为0.244 mm。150 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h制度下晶间腐蚀减轻，腐蚀深度缩减至0.190 mm。从图4（b）可以看出预时效为160 ℃时，晶间腐蚀进一步改善，腐蚀深度为0.134 mm，明显低于峰值时效的腐蚀深度。图4（c）的腐蚀形貌已完全转变类型，呈现为点蚀，腐蚀深度为0.084 mm，晶间腐蚀敏感性大幅降低。图4（d）的腐蚀形貌为轻微点蚀，腐蚀深度降至0.073 mm。

B型材高倍组织无过烧，晶间腐蚀趋势与A型材相同。由试验结果可知，双级时效能显著提升6061 合金抗晶间腐蚀性能，并随着预时效温度的升高，腐蚀情况逐渐改善；在170 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h和180 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h制度下，呈现轻微点蚀，腐蚀深度较浅，抗腐蚀性能较强。

图3 金相组织

3 结论

（1）在本试验4种双级时效制度中，170℃×1.5h+210℃×1.5h制度下的6061型材综合力学性能最好，其抗拉强度及屈服强度均高于175℃×8h时的，断后伸长率与峰值时效较为接近。

（2）当双级时效中的预时效温度由150 ℃升到180 ℃时，6061 合金的电导率呈上升趋势，与175 ℃×8 h 相比，180 ℃×1.5 h+210 ℃×1.5 h 制度下的电导率更好。

（3）6061 合金在175 ℃×8 h 峰值时效状态下，晶间腐蚀严重。经双级时效处理后，晶间腐蚀情况明显改善。随着预时效温度的升高，腐蚀形貌逐渐由晶间腐蚀变为点蚀，腐蚀深度变浅。

（4）在6061合金实际生产中，可替代单级峰值时效的最优双级时效工艺为170℃×1.5h+210℃×1.5h。该制度的时效保温时间大幅减少，生产周期缩短，能耗降低；同时型材综合性能良好，适用于6061铝型材实际生产。