预时效对6061、6005A合金板材力学性能的影响

董刘颖，李秋梅，刘兆伟，郑 建，张德伟

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

6×××系铝合金是一种中高强度Al-Si-Mg铝合金，具有比强度高、成形性好、耐蚀性强、耐高温等优良性能。随着轻量化的发展需求，该类铝合金在汽车车身中的应用日益广泛。该合金在预时效处理状态下具有良好的成形性，适用于作汽车外板，并具烘烤硬化性。在实际生产中，铝合金板材固溶处理后的室温停放导致强度增大，板材的成形性能降低[1]，而且车身板烤漆采用的低温和短时作业抑制了板材的时效硬化潜力。因此采用固溶淬火后预时效可以完美地解决因自然时效引起的人工时效强化效果不佳的问题，从而提高烤漆硬化能力。但不合适的预时效工艺不仅达不到预期效果，反而降低铝合金板材的成形性能。因而，如何有效利用6×××系铝合金的时效析出特性就变得尤为重要[2]。

本文针对T4态的6005A和6061合金挤压板材的预时效及室温停放过程对板材人工时效前后力学性能、延伸率、加工硬化率、电导率、组织性能稳定性的影响进行了分析与研究，为改善板材成形性和烤漆硬化性提供实验依据。同时，文中还通过最后的人工时效模拟了汽车板的烤漆强化性能。

1 实验方案

实验用6061、6005A两种挤压板材的化学成分如表1所示。将挤压板材在空气循环炉中于540℃保温1 h后进行水淬，然后按表2所示方案分别进行不同的时效处理。

表1 实验材料的化学成分（质量分数/%）

表2 时效方案

2 实验结果与讨论

2.1 不同预时效时间对力学性能与电导率的影响

6061合金板材经540℃×1 h水淬后分别进行T4和T4P处理，其力学性能、电导率变化规律如图1所示。可知预时效保温5 min时的T4P态合金强度较T4态低约15 MPa。继续增加保温时间，强度值升高。当保温15 min时，合金强度值较T4态高约20 MPa，之后基本保持不变；延伸率随预时效保温时间延长呈先降低趋势，超过15 min后趋于平缓。预时效保温5 min时，加工硬化率变化不大，而后随预时效保温时间的延长（5～15min）逐渐降低，15 min后趋于平稳。T4P态电导率较T4态高约1%IACS，当保温时间超过5 min后，电导率增加趋势明显减弱。综上考虑，预时效180℃×5 min可改善6061合金板材成形性。

6005A合金板材经540℃×1 h水淬后分别进行T4和T4P处理，其力学性能、电导率变化规律如图2所示。由图可知，预时效保温5～15 min时，T4P态合金抗拉强度较T4态低约15 MPa，继续增加保温时间，强度值升高；当保温30 min时，抗拉强度值要高出T4态约20 MPa。预时效保温5 min时其屈服强度较T4态变化不大，延伸率随预时效保温时间延长逐渐降低。预时效5 min时，加工硬化率有所升高，后随保温时间延长而降低。电导率随着预时效保温时间延长而升高。综上考虑，预时效180℃×5min可改善6005A合金板材成形性。

2.2 T4、T4P对人工时效力学性能与电导率的影响

T4与不同预时效时间的T4P对人工时效6061合金力学性能及电导率的影响如图3所示。由图3可见，随着人工时效时间的延长，强度值、电导率均呈上升趋势，延伸率和加工硬化率呈降低趋势。通过对比可以看出，T4P+T6样品时效180℃×40 min后的强度值均明显高于T4+T6。在时效180℃×120 min时，屈服强度高约70 MPa，抗拉强度高约30 MPa，接近T6态，120 min以后上升趋势缓慢。在人工时效初期，T4+T6合金力学性能变化不大。超过30 min后，强度值随时效时间增加而提高。另外T6样品的强度值也明显高于T4+T6。综上所述，预时效处理可以解决因自然时效引起的人工时效效果不佳问题，进而提高了汽车板烤漆硬化能力。

T4与不同预时效时间的T4P对人工时效6005A合金力学性能及电导率的影响如图4所示。通过对比可以看出，T4P+T6样品的强度值均明显高于T4+T6：在人工时效180℃×120 min时，屈服强度高约70 MPa，抗拉强度高约40 MPa，同时也高于T6态样品强度值；120 min以后强度上升趋势减缓。对于初期人工时效，T4+T6合金力学性能变化不大，超过60 min后，强度值随时效时间增加而提高，另外T6样品的强度值也明显高于T4+T6。综上所述，预时效处理可以解决因自然时效引起的人工时效强化效果不佳的问题，进而提高了汽车板烤漆硬化能力。

2.3 组织检测结果

图5为6061-T4P合金型材（预时效时间为5 min）的偏光组织照片，可以看出边部与心部组织均发生再结晶，部分位置晶粒长大，受基体第二相分布影响，沿挤压方向延长。

图6为6005A-T4P合金型材（预时效时间为5 min）的偏光组织照片，可以看出边部组织发生再结晶，部分位置晶粒长大。

2.4 分析与讨论

6×××系铝合金的时效析出相包括β″、β'和Mg2Si相，另外根据时效温度和时间的不同，析出相的类别和数量也各不相同。当基体中析出大量β″相时硬度和强度最高，随着温度和保温时间的提高，β″相会逐渐变成β'相。一旦出现了β'相，合金的硬度和强度将开始下降。根据6061、6005A两种样品预时效不同时间对样品自然时效力学性能影响结果可知，180℃保温5 min下的屈服强度、抗拉强度较T4态样品低约15 MPa，即发生了回归现象。由于在180℃保温初期基体中较小的不稳定的GP区回溶，GP区数量的减少导致合金的强化作用减弱，这是预时效初期强度降低的根本原因。预时效时间超过15 min，6061样品强度先趋于稳定后增强，6005A样品强度增加，说明延长保温时间有利于尺寸较大的未溶GP区开始逐渐长成热力学更稳定的β″相，对基体的强化作用显著增强，故合金板材的强度开始增大。合金强度越高、延伸率越低、加工硬化指数越低，板材的成形性能越差，故合适的预时效保温时间为5 min。

刘宏等研究发现6×××系铝合金在170℃人工时效初期，T4态合金中GP区的溶解过程推迟了β″相的析出，所形成的析出物主要是β″核心，导致时效硬化性下降；而T4P态（固溶淬火后立即于170℃下人工时效不同时间，然后室温放置两周）合金在这一阶段β″核心连续长大成为β″相，其显微组织以β″析出物为主，导致时效硬化性增强。预时效加速基体GP区形成，合金的时效硬化效果可以得到一定程度的提高。在较长的预时效保温期间，在合金基体上有可能直接形成密度极高的β″相，尽管最终合金板材会获得更好的烤漆硬化效果，但对照组的伸长率仍大幅降低，不利于板材的冲压性能要求[3，4]。综合考虑，6061、6005A合金的预时效制度为180℃×5 min即可。

3 结论

（1）预时效180℃×5 min可改善6061合金板材成形性，在人工时效40 min后解决了因自然时效引起的人工时效强化效果不佳的问题，因此提高了汽车板烤漆40 min后的硬化能力。

（2）预时效180℃×5 min可改善6005A合金板材成形性，解决了因自然时效引起的人工时效强化效果不佳的问题，因此提高了汽车板烤漆硬化能力。