热处理对6061铝合金铸锭淬火应力及力学性能的影响

罗 云，刘 莹，胡永忠

(广西南南铝加工有限公司，广西 南宁 530031)

6061铝合金以Mg和Si为主要合金元素，属可热处理强化铝合金，强化相是Mg2Si，具有良好的强度、耐蚀性能、焊接性能等综合性能，被广泛用做建筑型材［1］。为了获得较高的力学性能，需保证合金固溶-淬火后获得最大过饱和固溶体。理论上，淬火冷却速度越快越好，但实际上冷却速度越大，淬火后的残余应力及残余变形越大，容易出现扭曲、翘曲变形等缺陷，尤其是厚板淬火应力问题更加突出［2］。淬火后的残余应力会影响到材料的力学性能，如抗应力腐烛性能、断裂韧度和抗疲劳性能等。为了制定较佳的淬火制度，众多学者研究了铝合金TTP曲线对淬火敏感性的影响，6061铝合金的淬火敏感区温度为230～440℃［3］。

适当减小淬火敏感区冷却速率是减小淬火应力的有效方法。因此，本文对6061铝合金采用分阶段淬火方式(目的是避开此合金的淬火敏感区)，使6061铝合金铸锭达到最理想的固溶效果，同时保证在淬火后热应力最小，获得良好的组织和性能，为生产提供一定的指导作用。

1 试验材料及方法

试验材料为6061铸态铝合金样品，规格38 mm×80 mm ×200mm，分为A、B、C、D 四组，每组3个样品。

试验方法，1)将A、B、C、D四组样品随炉升温至530℃，保温3h;2)继续升温至560℃，然后保温10h;3)将A、B、C、D 四组样品取出淬火，A、B 组样品室温水淬火，C、D组样品先风冷至440℃左右，然后在60～80℃的水中淬火至230℃取出，再风冷至室温，目的是避开淬火敏感区(230～440℃);4)B、D组样品经过175℃，8h人工时效，随炉降温;5)试样经过砂纸打磨，抛光等步骤后，对样品进行显微硬度测量，使用光学显微镜进行金相观察，使用扫描电镜和能谱仪对样品微观组织进行观察和成分分析。所用设备型号为ZEISS Axio vert.A1倒置光学显微镜，ZEISS EVO18扫描电镜以及牛津Inca X-Max 20电制冷X射线能谱仪等设备。不同组样品的热处理制度如表1。

表1 不同样品的热处理制度Tab.1 Heat treatment regimes of different samples

2 试验结果与分析

2.1 热处理对淬火应力的影响

目前对材料应力测试应用最广泛的方法有层削法、裂纹柔度法和中子衍射技术。这三者相比层削法技术成熟，操作方便，成本低，可测量金属材料内部应力，但要沿材料厚度方向一层一层铣削直到铣去厚度的一半，对材料的破坏性较大，能比较整体的反映破坏层应力综合分布状况，应力测试精度较高。

为了使应力测试结果可靠和具有重复性，层削法对试样尺寸和加工方法有一定要求。淬火冷却时，材料表面换热系数直接影响淬火应力场的形成，而表面换热系数的大小取决于冷却介质的物性以及材料的形状和大小。结合实验测试和模拟计算，确定样品取样规格为38 mm×80 mm×200mm，层削加工方法为每次铣层深度控制在1mm以内，本次试验选取0.3mm［4］。层削加工时，随着层层变形的累加，使得试样中心四周部分削除0.3mm的同时，中心削去的则会小于0.3mm，造成试样“中心凹两侧拱”的翘曲变形。同时，样品也会产生加工应力，但影响较小，可忽略。加工好的样品放置72h，用塞尺测量翘曲变形量(3个样品的平均值)，定性表征应力大小，结果如表2。

表2 不同样品淬火后的变形量Tab.2 Deformation of different samples after quenching

由表 2可知，A组样品(室温水淬)变形量(0.625mm)最大，说明淬火后其应力最大，经人工时效后(B组样品)应力稍有减少(0.425mm)，即人工时效可以消除部分淬火应力。淬火后变形量最小(0.075mm)的是D组样品(风冷+60～80℃水淬+风冷+时效)，说明淬火后其应力最小。B、D两组数据相差较大，这是由于D组样品的淬火方式避开了本身的淬火敏感区(230～440℃)，在淬火敏感区适当减小淬火冷却速度可有效减小淬火应力。

2.2 热处理对力学性能的影响

图1和表3分别表示不同热处理制度对每组样品强度、延伸率和硬度的影响。对于抗拉、屈服强度和延伸率的测试，每组样品制作3个拉伸样，结果取平均值。对于硬度测试，采用布氏硬度计，每个样品选择6个点测量，结果取平均值。

表3 不同热处理制度对样品硬度的影响Tab.3 Effects of different heat treatment regimes on hardness of samples

由图1可知，B组样品的屈服和拉伸强度最大，延伸率最小，但淬火后变形量为0.425mm，相对较大。考虑到D组样品淬火后变形量仅为0.075mm，并且其屈服、抗拉强度及延伸率与B组样品相比差别较小。

图1 不同热处理制度对样品抗拉、屈服强度和延伸率的影响Fig.1 Effects of different heat treatment regimes on tensile strength，yield strength and elongation of samples

由表3可知，不同热处理制度对样品硬度的影响与对样品强度的影响一致。经过人工时效(B、D组)样品的硬度明显高于未经过人工时效样品(A、C组)的，这是由于6061铝合金是典型的时效硬化合金，其时效处理强化相主要是β''(Mg2Si)相。B、D两组样品的硬度相差较小，强度相差较小，但D组样品淬火后应力最小。综合考虑样品淬火后的应力及力学性能，D组样品的热处理制度为最优制度。所以，要保证过饱和固溶效果并使应力最小的淬火方式为，先风冷至440℃，然后再在60～80℃的水中淬火至230℃取出，再风冷至室温，淬火后再175℃/8h人工时效。

2.3 热处理对微观组织的影响

6061铝合金属于典型可热处理强化合金，合金析出相的数量和形态均产生相应变化。为了进一步分析热处理对合金力学性能的影响，对A、B、C、D样品经过不同温度热处理后进行了金相组织、SEM和EDS分析。图2是不同样品的金相显微组织照片，图3为图2(d)的部分SEM和EDS能谱照片。

由图2可看出，随着淬火冷却速度的降低，析出相逐渐变多。晶界上分布着金属间化合物，晶内有棒状和点状第二相。为了确定这些相的成分，图3给出了SEM和 EDS照片，能谱分析表明，黑色的相为Mg2Si，灰色的为AlFeSi，晶内的棒状和点状析出相为β相。样品经固溶后晶界处仍存在大量的AlFeSi相，这是由于AlFeSi相不可溶于铝基体［5］。棒状和点状的β析出相已溶入铝基体，并于时效过程中析出细小弥散的β'/β''相，这是由于 6061铝合金是典型的时效硬化合金，其时效处理强化相主要是β''(Mg2Si)相，一般认为其脱溶序列为［6-7］，α过饱和固溶体→G.P.区→β''相→β'相→β相。GP区与基体保持共格关系，这些聚合物提高了抗变形力，故使合金的强度、硬度升高;随着时效时间延长，原子继续偏聚并增大形成β''相，导致晶格畸变，进一步阻碍位错运动，使合金达到最大强化阶段。

图2 不同样品的金相显微组织照片Fig.2 Micrographs showing microstructure of different samples

图3 SEM、EDS能谱照片Fig.3 SEM images and EDS analysis

3 结论

1)在淬火敏感区，用60～80℃的水与25℃的水淬火相比，几乎不会降低合金铸锭的力学性能，但是淬火应力却明显减小;

2)6061铝合金铸锭获得良好力学性的同时，确保应力最小的淬火方式，是将样品先风冷至440℃，然后在60～80℃的水中淬火至230℃取出，风冷至室温后再175℃/8h人工时效。

［1］肖亚庆.铝加工技术实用手册［M］.北京:冶金工业出版社，2005.

［2］李彩文，潘学著，刘露露等.在线淬火对6061、6005铝合金型材组织与性能的影响［J］.金属热处理.2010.35(6)59 －62.

［3］刘露露，潘学著，高萌等.6061铝合金TTP曲线的研究［J］.金属热处理.2012.37(4)20 －23.

［4］廖凯.铝合金厚板淬火一预拉伸内应力形成机理及其测试方法研究［D］.长沙:中南大学，2005.

［5］L.P. Troeger，E.A.Starke. Microstructural and mechanical characterization of a superplastic 6xxx aluminum alloy［J］.Materials Science and Engineering A，2000(277):102－113.

［6］项胜前，周春荣，郭加林等.固溶－时效对6061铝合金挤压棒材组织和性能的影响［J］.轻合金加工技术.2011.39(4)31－35

［7］S.H.Lee，Y.Saito，T.Sakai.Microstructures and mechanical properties of 6061 aluminum alloy processed by accumulative rollbonding［J］.Materials Science and Engineering A，2002(325):228－235.