6061铝合金中厚板退火过程中的再结晶及淬火效应

任月路，覃秋慧，郑忱奕，韦 昌

(1.广西南南铝加工有限公司，广西 南宁 530031； 2.广西南南铝航空交通铝合金新材料与应用研究院，广西 南宁 530031； 3.广西铝合金材料与加工重点实验室，广西 南宁 530031)

6061是常用的可热处理强化铝合金，具有良好的可成形性、可焊接性、可机械加工性和耐腐蚀性，同时具有中等强度，主要应用于轨道交通、内装饰、电子产品等领域[1-3]。目前6061铝合金普遍应用的状态为T6、T651[4]，O态产品较少，且O态产品主要为冷轧下线的薄板。由于T6、T651状态的强度较高，因此并不利于成形。而O态产品强度低、伸长率高，有利于加工成形，成形后再进行固溶时效处理以提高产品强度，因此近年来6061-O铝合金中厚板产品的需求越来越大。对于可热处理强化铝合金，退火过程中不仅会发生再结晶，还会产生“淬火效应”，这两种过程使合金的强度并不是随着退火温度的升高而持续下降[5-7]。本实验探讨了热轧6061铝合金退火过程中的再结晶及淬火效应，确定了制备6061-O铝合金中厚板的工艺要点。

1 实验方法

1.1 实验材料

实验材料为6061铝合金热轧板材，化学成分(质量分数/%)：Si 0.56～0.70，Fe 0.20～0.35，Cu 0.20～0.35，Mn 0.09～0.14，Mg 0.90～1.20，Cr 0.20～0.30，Zn不大于0.15，Ti不大于0.10，余量为Al。热轧开轧温度460 ℃。终轧温度、热轧板厚度、力学性能及硬度如表1所示。

表1 试样轧制厚度、终轧温度及退火前性能Table 1 Rolling thickness, final rolling temperature and properties before annealing of the samples

1.2 退火工艺

试样随炉升温至退火温度，保温结束后采用空冷或炉冷方式冷却至室温，退火工艺如表2所示。

表2 各试样退火工艺Table 2 Annealing process of each sample

1.3 检测方法

拉伸测试按ASTM B557标准取样及标定，在德国Zwick公司生产的Z100 THW型材料试验机上检测。硬度测试按ASTM E10标准取样，在北京时代之峰科技有限公司生产的THBP-62.5型布氏硬度计上检测。

高倍晶粒度试样经研磨后在高氯酸体积∶无水乙醇体积配比为1∶9的试剂中电解抛光10 s，随后在1.8%氧硼酸溶液中阳极覆膜90 s，再在Zeiss Axio Vert.A1型倒置金相显微镜上观察。

2 实验结果

2.1 1#及4#试样退火后的力学性能

1#试样的终轧温度最低，为263 ℃，其退火工艺及退火后的力学性能如表3所示。1#试样在360 ℃及380 ℃退火就能达到O态力学性能要求，且两种温度下的力学性能没有明显差异。退火温度升至400 ℃时，抗拉强度变化不明显，而屈服强度有较明显下降，伸长率升高，退火时间从3 h延长至5 h时，强度略有下降。

表3 1#试样退火后的力学性能Table 3 Mechanical properties of 1# sample after annealing

4#试样的终轧温度最高，为381 ℃，其退火工艺及退火后的力学性能如表4所示。与1#试样相比，使用相同400 ℃ 3 h空冷的退火工艺，4#试样的强度比1#试样的高得多。为使4#试样能达到O态硬度要求，进一步提高了退火温度，并增加炉冷的冷却方式。由表4可以看出，空冷试样的强度先随着退火温度的升高而明显下降，在450℃左右达到最低值，之后抗拉强度却随着退火温度的升高持续上升；屈服强度随退火温度的升高先下降之后趋于稳定。保温5 h试样的强度相对于保温3 h的差别不大。450℃炉冷试样与空冷试样相比，抗拉强度差别不大，而屈服强度升高，伸长率和硬度有所下降。

表4 不同工艺退火后4#试样的力学性能Table 4 Mechanical properties of 4# sample after annealing in different processes

2.2 2#及3#试样退火后的力学性能

为确认终轧温度，即确定动态再结晶程度对后续退火过程的影响，取终轧温度介于1#与4#试样之间的2#(T终=300 ℃)及3#(T终=347 ℃)试样进行退火实验及力学性能检测，结果如表5所示。从表5可见，终轧温度较低的2#试样在380 ℃退火后就可达到O态强度及硬度要求，但终轧温度较高的3#试样在440 ℃退火时强度依然比2#试样的高，且硬度不满足不大于40HB的要求。炉冷处理试样的抗拉强度比空冷试样的稍低，而屈服强度、伸长率和硬度差别不大。

表5 2#及3#试样退火后的力学性能Table 5 Mechanical properties of 2# and 3# samples after annealing

2.3 不同试样及其退火后的晶粒度

图1为1～4#试样热轧板材及其各自经过相应退火工艺后的纵截面晶粒组织。从图1可以看到，热轧板材都还保留着明显的轧制纤维组织，终轧温度最低的1#试样的组织较2#、3#、4#的细小。经过退火之后，各试样的晶粒明显增大，但轧制纤维组织未能完全消除，且终轧温度越高的试样，其退火后的轧制纤维组织越明显(晶粒越长)。在相同的退火工艺下，终轧温度较低的试样其晶粒尺寸比终轧温度较高的小，如1#试样的晶粒尺寸比2#试样的小，3#试样的晶粒尺寸比4#试样的小。此外，随着退火温度的升高，晶粒尺寸有所增加。

3 分析讨论

3.1 铝合金的再结晶行为

再结晶是将冷变形后的金属材料加热到一定温度，在变形金属中重新生成无畸变的新晶粒的过程，其驱动力为冷变形时产生的储能[8-9]。而热轧是金属材料在再结晶温度以上的加工变形，热加工过程中材料内部同时进行着加工硬化和回复再结晶软化两个过程[10]。轧制温度越高，则动态再结晶进行得越充分，储能释放得越多，相应的软化效果就越明显。但由于热轧生产过程节奏较快，金属板材没有充分的时间进行再结晶，且铝及铝合金的层错能较高，热轧时主要以动态回复为主[11-13]，未能发生充分再结晶，因此还保留着轧制形成的变形纤维组织，如图1a、c、e、g各不同终轧温度的6061铝合金试样热轧后的晶粒所示。强度也比O态的高(表1各6061铝合金试样退火前的性能)。

3.2 可热处理强化铝合金退火过程中的再结晶及淬火效应

热轧时发生了动态回复，消耗了一部分储能，使板材在后续退火过程中的再结晶驱动力不足，无法达到完全再结晶状态，因此退火后还依然可看到纤维状的轧制组织，如图1b、d、f、h所示。且终轧温度越高，退火后的轧制组织越明显，并伴随着晶粒长大过程。但若再结晶驱动力足够大，即热轧终轧温度较低，板材未发生明显的动态回复和再结晶时，则合金再结晶程度较高，力学性能更接近于O态力学性能要求，如表3和表5中，6061铝合金终轧温度较低的1#(T终=263 ℃)及2#(T终=300 ℃)试样，它们在380 ℃左右退火就可达到O态力学性能要求。另一方面，可热处理强化铝合金主要通过固溶+时效处理提高强度[2]。固溶时合金被加热到单相区，许多溶质原子及第二相溶入基体当中，并在后续的时效过程中脱溶产生强化基体的第二相，使合金的强度明显升高。固溶温度越高，则合金固溶得越充分，时效强化越明显。对于可热处理强化铝合金，在退火过程中，再结晶软化及淬火效应同时发生，温度较低时淬火效应不明显，此阶段随温度的升高，强度有明显下降，如表4所示的6061铝合金在不大于450 ℃退火时，强度随着退火温度的提高而持续降低。但若再结晶驱动力不足，即终轧温度较高时，板材再结晶程度降低，即使加热到很高温度，板材性能也不能继续降低，而此时淬火效应越发明显，强于再结晶软化效应，因而退火温度较高时强度反而随着温度的上升而提高，即6061铝合金在大于450 ℃退火时，终轧温度最高(381 ℃)的4#试样的强度反而随着退火温度的升高而增大(表4)。

图1 不同试样及其退火后的晶粒大小Fig.1 Grain sizes of different samples after annealing

4 结 论

1)热轧过程中轧制温度较高，加工硬化与回复再结晶软化过程同时发生，而可热处理强化铝合金在退火过程中则同时发生再结晶软化和淬火效应。终轧温度(不大于300 ℃)较低时，6061铝合金在较低温度退火即可达到O态的力学性能要求；而终轧温度(381 ℃)较高时，合金的强度随着退火温度的升高先降低后升高，这是由于高温时合金发生淬火效应所致。

2)为达到6061-O铝合金板材的力学性能及较小的晶粒度，6061铝合金中厚板热轧时应采用较低的终轧温度，且在不超过450 ℃的温度进行退火。