热处理工艺对6110A铝合金棒材性能和组织的影响

李恩波，谢海光，王 宇，董艳红,王 渊，樊 晨

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

6110A铝合金属于Al-Mg-Si-Cu系变形铝合金，是在Al-Mg-Si系列合金的基础上，加入了Cu、Mn等元素发展起来的，加入Cu元素不仅可以提高铝合金的强度，还可以减轻合金淬火后因停放时间过长而带来的不利影响[1,2]。6110A铝合金在6xxx系合金中是强度较高的品种，其主要强化相依然是Mg2Si相，具有较高的比强度、良好的加工性能和工艺性能，在交通运输行业得到了广泛应用[3]。

目前国内有大量文献[4-9]对6xxx系铝合金的热处理工艺进行了研究，其中包括6063、6061、6082、6A02等合金，但对6110A铝合金固溶时效工艺的系统性研究却极少有。本文将以汽车配件用6110A铝合金棒材为研究对象，通过室温静态单向拉伸检测、布氏硬度检测、金相组织观察及断口组织分析，来研究不同热处理工艺对6110A合金的性能和组织的影响，以期弄清各热处理因素对合金性能和组织的影响规律，总结出最合适的热处理工艺，对后续的挤压生产加工和热处理研究提供技术参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料选用本公司熔铸生产的6110A铝合金铸棒，直径规格为Φ436mm，其化学成分测试值见表1。铸棒经均匀化处理、车皮后，采用7500T卧式挤压机进行挤压生产，挤压成截面直径为80mm的棒材;挤压工艺流程为，铸棒加热、挤压筒加热、模具加热—挤压—在线淬火—拉伸矫直—定尺锯切—人工时效—验收—交货。具体挤压过程控制参数为，模具加热温度440℃～460℃，铸锭加热温度470℃～480℃(头)、430℃～460℃(尾)，挤压筒温度440℃～460℃，挤压系数19.9，挤压速度2.0 m/min ～5.0 m/min，残料厚度30mm，淬火方式为在线水冷。

表1 6110A铝合金化学成分(质量分数，%)Tab.1 Chemical composition of 6110A aluminum alloy (wt.%)

1.2 试验方案

不同的热处理工艺对6xxx系铝合金的性能和组织影响很大，6110A合金棒材热处理工艺的主要因素为固溶温度、固溶时间、时效温度以及时效时间，每个因素选取4个水平，设计了L16(44)正交试验方案，正交试验能够在很多试验中挑选出具有代表性的几个试验方案，通过数据分析得到影响结果的主次因素，推断出最优试验方案，节约试验时间，降低试验成本，各因素水平见表2。

表2 正交试验水平因素表Tab.2 Horizontal factor table of Orthogonal test

1.3 试验方法

按照客户技术协议中要求，将不同热处理工艺后的棒材料坯车加工为直径8mm的标准圆形拉伸试样，利用日本岛津的AG-X 100 KN电子万能试验机，在室温下进行静态单向拉伸试验。试验方法按照GB/T 228-2010中规定的方法，利用引伸计测量试样的屈服强度，试验速率为18MPa/s，试样屈服点过后卸载引伸计，试验速率转换为30mm/min，直至试样断裂。将硬度试样的一个横断面作为试验面，用砂纸将加工刀痕磨掉，利用OMNITEST型多功能硬度计测量试样的布氏硬度试验，每个试样测量3次，以3次测量硬度值的平均值作为试验的结果。金相试样经打磨抛光后，使用低浓度混合酸腐蚀(HF∶HCl∶HNO3∶H2O体积比为2∶3∶5∶190)进行腐蚀，利用光学显微镜观察试样的金相组织；利用扫描电子显微镜对拉伸断口进行观察分析。

2 试验结果及分析

2.1 热处理工艺对合金性能的影响

根据设计的L16(44)正交试验方案进行了16组不同热处理工艺，检测试样的拉伸性能和硬度性能结果见表3。

表3 正交试验方案结果Tab.3 Results of Orthogonal test scheme

为了对正交试验结果进行准确分析，分别对以屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm、断后伸长率A及布氏硬度值HBW2.5/62.54个性能指标进行极差分析，其中R为各个因素对试验指标影响大小的主次顺序，进而确定热处理工艺对合金性能的影响程度主次。从表3中极差分析大小可以看出，对6110A铝合金屈服强度的影响程度主次关系依次为，时效温度>固溶时间>固溶温度>时效时间；对合金抗拉强度的影响程度主次关系依次为，时效温度>固溶温度>固溶时间>时效时间；对合金断后伸长率的影响程度主次关系依次为时效温度>固溶时间>固溶温度=时效时间；对合金布氏硬度值的影响程度主次关系依次为，时效温度>固溶时间>固溶温度>时效时间。

6110A铝合金的平均屈服、抗拉强度、断后伸长率及布氏硬度值同一水平下各个因素的平均值，随着热处理工艺参数变化规律如图1所示。由图1可以直观看出，合金的性能随着热处理工艺参数变化的影响规律为：(1)随着固溶温度从510℃到540℃，6110A合金的各项性能均呈现波动变化，在520℃固溶温度时，合金的屈服强度、抗拉强度和布氏硬度均达到了最大；(2)随着固溶时间的延长，6110A合金的屈服强度、抗拉强度和布氏硬度呈现先增大后减小的变化趋势，在固溶时间为40min时达到了最大，而合金的断后伸长率则呈现相反趋势；(3)时效温度是6110A合金的4项指标性能影响最大的因素，极差均为最大值，随着时效温度从165℃到195℃，合金的屈服强度、抗拉强度和布氏硬度呈现先增大后减小的变化趋势，在时效温度为175℃时达到峰值，同样断后伸长率则呈现相反趋势；(4)时效时间从7h到10h期间，对合金的4项指标性能影响最小，合金的屈服强度和抗拉强度在9h时达到最大值，合金的布氏硬度在8h时达到最大。

图1 因素与性能指标曲线图Fig.1 Graph of factor and performance index

由以上结果可以看出，对于6110A合金的屈服强度和抗拉强度来说，最佳热处理工艺为A2B3C2D3，即520℃/40min+175℃/9h；对于合金的断后伸长率来说，最佳热处理工艺为A3B4C4D1,即530℃/50min+195℃/7h；对于合金的布氏硬度来说，最佳热处理工艺为最佳热处理工艺A2B3C2D2，即520℃/40min+175℃/8h。客户技术协议中规定，6110A铝合金的性能检测标准为屈服强度Rp0.2≥380MPa、抗拉强度Rm≥400MPa、断后伸长率A≥10%，布氏硬度HB≥110HBW。在满足客户技术协议要求的前提下，综合考虑，此6110A铝合金棒材的最佳热处理工艺为A2B3C2D3，但此热处理组合并未出现在正交试验方案里；经检测验证，此热处理工艺下合金的屈服强度为415.24MPa，抗拉强度为，447.59MPa，断后伸长率为10.5%，布氏硬度为127HBW。

2.2 热处理工艺对合金组织的影响

对6110A铝合金不同热处理工艺后的组织观察形貌如图2所示。可以看出，在510℃/20min+165℃/7h热处理工艺条件下，由于固溶温度较低，保温时间较短，合金的固溶效果较差，时效后合金基体中析出的第二相质点较少(图2(a))。在520℃/40min固溶处理基础上，合金更加充分的形成了过饱和固溶体，时效制度为175℃/9h处理后，合金组织的晶粒尺寸变化不大，但在晶粒内和晶界处析出了大量的第二相质点，且均匀的分布在基体内(2(b))；而在195℃/9h的时效处理后，基体中析出的第二相质点略有变大(2(c))；在540℃/50min+165℃/10h热处理工艺处理后，合金组织的晶粒明显粗化，晶粒尺寸增大(2(d))。

2.3 热处理工艺对断口形貌的影响

6110A铝合金经不同热处理工艺处理后，对拉伸试验断裂后的试样进行断口形貌的观察，如图3所示。

(a)510℃/20min+165℃/7h；(b)520℃/40min+175℃/9h；(c)520℃/40min+155℃/7h；(d)540℃/50min+165℃/10h图2 不同热处理工艺对合金组织的影响Fig.2 Effect of different heat treatment processes on microstructure of alloy

(a)510℃/20min+165℃/7h；(b)520℃/40min+175℃/9h；(c)520℃/40min+155℃/7h；(d)540℃/50min+165℃/10h图3 热处理工艺对断口的影响Fig.3 Effect of heat treatment process on fracture surface

可以看出，不同热处理工艺处理后的拉伸试样的断口均有明显的撕裂韧窝，晶粒能够发生塑性变形，从原有的断面上被拉出来，由此形成韧窝。但经520℃/40min+175℃/9h热处理后，韧窝的尺寸较小，深度较浅(3(b))，说明此试样热处理时效后的合金强度较高，这与正交试验的验证结果一致。

2.4 分析

6xxx系铝合金中，主要的强化强为Mg2Si相，强化相Mg2Si在铝基体中的最大溶解度为1.85 %，且随着温度降低溶解度明显减小，在200℃时下降为0.25%，因此合金的强度和硬度性能主要取决于固溶时效热处理过程中，从过饱和固溶体中析出的强化相的数量、大小和分布情况[10-13]。

6110A合金在合金不发生过烧情况的前提下，随着固溶温度的升高，合金组织中粗大的Mg2Si相溶解在铝基体越充分，形成过饱和固溶体的浓度越大，其相变驱动力也同样增大，从而减小了临界晶核形核尺寸，提高了时效过程中的形核率，使组织中能够析出大量的第二相质点。当固溶温度为510℃时，温度低，溶质原子的扩散迁移速度较慢，合金中残留的较粗大的Mg2Si相未全部溶解在铝基体中，这些未溶解的粗大相会在后续的时效过程中，随着Mg和Si溶质原子从过饱和固溶体中逐渐析出，而继续长大粗化；组织中细小而弥散分布的第二相质点在基体中分布的密度减少，从而导致合金的强度和硬度性能降低。固溶温度为520℃时，粗大的Mg2Si相能够充分溶解在基体内，从而形成高浓度的过饱和固溶体，在时效处理后，使合金获得较高的强度和硬度性能；固溶温度进一步升高，在540℃时，由于温度高，会加快组织中晶粒尺寸生长的速度，形成较大晶粒组织，而融入的溶质原子的量却没有出现较大变化，从而使合金的强度和硬度降低了。因此必须合理选择固溶温度和固溶时间，来为后续的时效做好铺垫。

6110A铝合金的时效脱溶序列为，Si原子团聚→GP区→针状Mg2Si非平衡相→棒状Mg2Si非平衡相→片状平衡Mg2Si平衡相。时效处理的实质就是在一定的温度保温条件下，使Mg和Si溶质原子从过饱和固溶体中沉淀析出，形成原子的富集区，并逐渐长大生成细小的强化相质点。时效初期，Mg和Si原子首先在铝基体中某些晶面上富集，形成GP区，随着时间的持续，在GP区的基础上或直接在基体中形成有序排列的针状β″相。β″相的晶体结构与母相晶体结构相似，并保持着共格关系，其产生的畸变程度最大，位错运动所受到的阻力也最大，从而合金的强度和硬度性能达到峰值；而由于位错运动的受阻，降低了合金的塑性，即合金的断后伸长率下降。时效温度升高或时效时间延长，溶质原子的扩散速度增大，β″相继续易富集向β′相转变，β′相与基体形成半共格关系，虽然其尺寸大小增加，单个质点对位错阻碍作用增加，但使基体产生畸变的程度有所下降，合金的强度和硬度性能减小。而β′相继续富集形成稳定的β相，其尺寸较大，在基体中分布密度下降，两质点间距增大，对位错运动的阻碍作用下降。因此，合理的控制时效工艺是控制6110A铝合金最终性能的关键程序。

3 结论

(1)通过极差分析结果，对6110A铝合金屈服强度和硬度的影响程度主次关系依次为，时效温度、固溶时间、固溶温度、时效时间；对合金抗拉强度的影响程度主次关系依次为，时效温度、固溶温度、固溶时间、时效时间，因此在6110A铝合金的热处理工艺中必须合理选择控制时效温度。

(2)通过正交试验结果，获得了6110A铝合金最佳的热处理工艺A2B3C2D3，即固溶温度为520℃，固溶时间为40min，时效温度为175℃，时效时间为9h，此时合金的屈服强度为415.24MPa，抗拉强度为447.59MPa，断后伸长率为10.5%，布氏硬度为127HBW，符合客户技术协议的规定要求。

(3)合金经520℃/40min+175℃/9h热处理工艺后，合金的显微组织中，第二相质点能够细小均匀的分布在基体中，使合金强度和硬度性能达到峰值。