1、前言

Al-Mg-Si系合金具有中等強(qiáng)度、良好的焊接性能和耐腐蝕性能，主要被用于交通運(yùn)輸、結(jié)構(gòu)工程和建筑裝飾等領(lǐng)域，如橋梁、起重機(jī)、屋頂構(gòu)架、交通車和運(yùn)輸船等^[1-3]。鋁型材生產(chǎn)過(guò)程中必須精確控制生產(chǎn)工藝制度以獲得優(yōu)異的綜合性能。對(duì)于可熱處理強(qiáng)化鋁合金，固溶、淬火和時(shí)效是不可或缺的三個(gè)工藝過(guò)程，尤其是淬火工序，因?yàn)榇慊鹚俾侍龝?huì)影響時(shí)效強(qiáng)化效果，淬火速率太快會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力增加。而選擇合適的淬火速率既可以保證合金具有較高的力學(xué)性能又能有效控制殘余應(yīng)力。以往淬火工藝是型材擠壓出來(lái)以后，重新加熱固溶處理后進(jìn)行人工時(shí)效，這種工藝需要將型材運(yùn)到專用淬火爐進(jìn)行淬火，能耗高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成品率低。而在線淬火是把擠壓過(guò)程和固溶、淬火結(jié)合起來(lái)，充分利用擠壓產(chǎn)生的余熱，在擠壓后直接進(jìn)行淬火，可以簡(jiǎn)化流程，節(jié)約能源，提高效率，縮短生產(chǎn)周期，降低成本，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益。

要實(shí)現(xiàn)鋁合金的在線淬火，就必須了解和掌握鋁合金的淬火敏感性。淬火敏感性是指合金在淬火過(guò)程中過(guò)飽和固溶體的穩(wěn)定性及其發(fā)生脫溶析出的難易程度，可用等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線（TTT和TTP）和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線（CCT）來(lái)表征。6xxx Al-Mg-Si合金作為重要的可擠壓鋁合金，在生產(chǎn)過(guò)程中通常采用在線擠壓淬火工藝進(jìn)行淬火。目前國(guó)內(nèi)在線淬火技術(shù)還處在憑人工經(jīng)驗(yàn)操作階段，亟需鋁合金淬火敏感性等參數(shù)的支持。因此通過(guò)研究合金的淬火敏感性來(lái)控制和改善淬火制度具有重要的意義。本文通過(guò)分級(jí)淬火法測(cè)定了6351和6061鋁合金的TTP曲線，同時(shí)與文獻(xiàn)中的6005、6082和6063合金的TTP曲線進(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合淬火因子分析法預(yù)測(cè)合金的性能，為常用6xxx鋁合金型材制定出相應(yīng)的淬火工藝規(guī)范參數(shù)，對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)在線淬火工藝具有極大地現(xiàn)實(shí)意義，可為鋁型材的在線淬火工藝的制定提供理論指導(dǎo)。

2、實(shí)驗(yàn)材料及方法

表1 Al-Mg-Si合金的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

合金鑄錠經(jīng)過(guò)均勻化處理后在800T臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓得到壁厚為5mm的板材。實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分如表1所示。將合金板材沿?cái)D壓方向加工成20 mm×20 mm×5 mm試樣，固溶后，立刻轉(zhuǎn)移到不同溫度的鹽浴爐中等溫處理，轉(zhuǎn)移時(shí)間小于3s，鹽浴爐溫度為280-440 ℃（間隔20 ℃），保溫時(shí)間為0s-1280s，試樣經(jīng)過(guò)不同溫度等溫保持不同時(shí)間后淬入水中，測(cè)量合金的電導(dǎo)率。然后再經(jīng)過(guò)峰時(shí)效處理后，測(cè)試合金的硬度。6351合金的固溶溫度是550℃，時(shí)效工藝是170℃×8h。6061合金的固溶溫度是565℃，時(shí)效工藝是180℃×6h。采用D60K數(shù)字金屬電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x分別對(duì)不同處理狀態(tài)下合金進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試。硬度測(cè)試在WOLPERT 401MVD型數(shù)顯維氏硬度計(jì)上進(jìn)行，加載力為1kg，加載時(shí)間為10s。每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)測(cè)量至少5個(gè)以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 分級(jí)淬火等溫保溫處理對(duì)合金峰時(shí)效態(tài)硬度的影響

圖1和圖2所示為鹽浴爐等溫保溫溫度和時(shí)間對(duì)6351和6061合金時(shí)效態(tài)硬度和淬火態(tài)電導(dǎo)率的影響。完成固溶處理后，對(duì)樣品不進(jìn)行中間分級(jí)淬火，直接進(jìn)行室溫水淬處理，測(cè)得的6351和6061合金淬火態(tài)電導(dǎo)率為41.7%IACS和41.2%IACS，時(shí)效態(tài)硬度值分別為125HV1和122HV1。

圖1 6351鋁合金分級(jí)淬火等溫保溫處理下性能隨保溫時(shí)間的關(guān)系曲線

（a）淬火態(tài)電導(dǎo)率；（b）時(shí)效態(tài)硬度

圖2 6061鋁合金分級(jí)淬火等溫保溫處理下性能隨保溫時(shí)間的變化曲線

（a）淬火態(tài)電導(dǎo)率；（b）時(shí)效態(tài)硬度

由圖1和圖2可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金時(shí)效態(tài)硬度總體上均呈下降趨勢(shì)，淬火態(tài)電導(dǎo)率相應(yīng)的呈上升趨勢(shì)，且硬度的下降速率和電導(dǎo)率的上升速率取決于保溫溫度的高低。這主要是因?yàn)樵诘葴乇剡^(guò)程中，隨著試樣溫度的降低，固溶體過(guò)飽和度逐漸增大，不斷析出平衡相；隨著等溫保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，析出相數(shù)量逐漸增加，淬火后合金過(guò)飽和度逐漸下降，淬火態(tài)合金電導(dǎo)率逐漸升高。此外，由于淬火后合金過(guò)飽和度逐漸下降，時(shí)效過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)化相數(shù)量逐漸減少，合金強(qiáng)度逐漸降低。對(duì)6351合金，如圖1所示，合金性能受影響程度最大的溫度是360℃，溫度由360℃升高或下降，性能的變化幅度均減小，并且高溫區(qū)（如440℃）的性能變化幅度小于低溫區(qū)（280℃）的性能變化。對(duì)6061合金，如圖2所示，合金性能受影響程度最大的溫度是380℃，低溫區(qū)的性能變化幅度小于高溫區(qū)，這與6351合金剛好相反。

3.2 TTP曲線對(duì)比

實(shí)際淬火過(guò)程中，并不是淬火速率越快越好，還需要考慮淬火過(guò)快所引起的熱應(yīng)力問(wèn)題。因此獲得合金的TTP曲線對(duì)制定淬火工藝尤為重要。鋁合金連續(xù)冷卻析出動(dòng)力學(xué)TTP曲線方程如下：

其中，k₁為常數(shù)，等于淬火過(guò)程中為轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)的自然對(duì)數(shù)；k₂為與形核數(shù)目的倒數(shù)有關(guān)的常數(shù)；k₃為與單位形核能有關(guān)的常數(shù)；k₄為與固溶相線溫度有關(guān)的常數(shù)；k₅為與擴(kuò)散激活能有關(guān)的常數(shù)；R為摩爾氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。根據(jù)合金峰時(shí)效后的硬度與等溫保溫時(shí)間和溫度的關(guān)系曲線，取峰值硬度的99.5%所對(duì)應(yīng)的保溫溫度和時(shí)間采用上述方程進(jìn)行擬合得到TTP曲線如圖3所示。我們定義當(dāng)轉(zhuǎn)變時(shí)間為10s時(shí)，所對(duì)應(yīng)的C曲線上的溫度區(qū)間為淬火敏感溫度區(qū)間。不同合金的TTP曲線的鼻溫、孕育期以及淬火敏感溫度區(qū)間等列于表2。從圖3及表2可以看出，合金的TTP曲線均呈C型，但不同合金的鼻溫及其孕育期存在著明顯的差異。6063合金C曲線鼻溫最低，大約在340℃附近，6061合金的鼻溫最高，約為380℃；而6005合金的孕育期最長(zhǎng)，約為5.58s。孕育期的長(zhǎng)短表示過(guò)飽和固溶體穩(wěn)定性的高低，從而反映了淬火敏感性的低與高。從TTP曲線中可以看出，對(duì)于同一合金，在鼻溫處孕育期最短，過(guò)飽和固溶體最不穩(wěn)定，脫溶析出速度最快，合金的淬火敏感性最高；高溫和低溫區(qū)孕育期較長(zhǎng)，合金的淬火敏感性較低；對(duì)不同合金，C曲線越往右移，孕育期越長(zhǎng)，過(guò)飽和固溶體越穩(wěn)定，脫溶析出速度越慢，鋁合金淬火敏感性越低。

圖3 幾種典型6xxx AlMgSi合金的TTP曲線（99.5%硬度）

鋁合金的等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程是一個(gè)形核長(zhǎng)大的過(guò)程，過(guò)飽和固溶體的脫溶過(guò)程是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程，其脫溶速度和溫度的關(guān)系也具有C曲線的特點(diǎn)，即由于過(guò)冷度與原子擴(kuò)散速度這兩個(gè)因素的相互制約，合金元素在鋁基體中的溶解度隨溫度降低而減小，過(guò)飽和固溶體在淬火過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生脫溶析出相，但析出速度取決于溫度。在高溫區(qū)間，由于過(guò)飽和度小，脫溶析出的驅(qū)動(dòng)力很小，析出相主要通過(guò)非均勻形核析出，雖然溶質(zhì)原子擴(kuò)散速度大，但形核率很小，脫溶析出速度很小，合金的硬度隨時(shí)間的延長(zhǎng)下降較慢；在低溫區(qū)間，雖然過(guò)飽和度較大，析出驅(qū)動(dòng)力大，但由于溫度較低，溶質(zhì)原子擴(kuò)散速度小，析出相長(zhǎng)大速度慢，故脫溶析出速度很小，合金的硬度隨時(shí)間的延長(zhǎng)下降仍然緩慢；只有在中溫區(qū)間既有一定的驅(qū)動(dòng)力，溫度又較高，溶質(zhì)原子擴(kuò)散速度較大，因此，脫溶析出速度較大，從而使得脫溶析出速度在某一溫度達(dá)到最大值，因此曲線鼻尖出現(xiàn)在中溫區(qū)附近，TTP曲線呈C形。由于在鼻尖附近脫溶析出相的長(zhǎng)大，消耗了周圍的溶質(zhì)原子，降低了固溶體的過(guò)飽和度，從而抑制了后續(xù)時(shí)效強(qiáng)化效果，因此在中間溫度區(qū)間合金的硬度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)下降很快。

表2 典型6xxx Al-Mg-Si合金TTP曲線的相關(guān)特性參數(shù)

通過(guò)淬火因子分析得到在淬火敏感溫度區(qū)間所必須的臨界冷卻速度并將結(jié)果列于表2。由此可知，鋁型材的在線淬火工藝中，為了盡可能減少殘余應(yīng)力，應(yīng)使合金工件從固溶熱處理最高溫度緩慢冷卻至TTP曲線淬火敏感溫度區(qū)間的上限，然后以一定的冷卻速度快速通過(guò)淬火敏感溫度區(qū)間，只要使冷卻時(shí)間少于產(chǎn)生析出所需的時(shí)間，就能盡量減少對(duì)合金性能的不利影響；到TTP曲線淬火敏感溫度區(qū)間的下限之后又可以放慢冷卻速度。以6082合金為例,其在線淬火工藝應(yīng)為：6082型材生產(chǎn)在線擠壓后淬火時(shí)，自型材出口溫度冷卻到分解危險(xiǎn)溫度438℃時(shí)，可以適當(dāng)慢速，隨后要以14℃/s以上的速度快速通過(guò)淬火敏感溫度區(qū)間（247-438℃），247℃以下可以再適當(dāng)放慢冷卻速度，這樣一方面可以減小殘余應(yīng)力，另一方面可以避免固溶體分解，時(shí)效后就能保證型材的力學(xué)性能。根據(jù)孕育期和淬火敏感區(qū)間的臨界冷卻速度可以知道，常用6xxx鋁合金的淬火敏感性順序?yàn)?061＞6082＞6351＞6063＞6005。

4、結(jié)論

采用分級(jí)淬火實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)合金時(shí)效態(tài)硬度和淬火態(tài)電導(dǎo)率的測(cè)試，擬合得到6061和6351合金的TTP曲線，并與文獻(xiàn)中給出的6005、6063和6082合金的TTP曲線進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，6061合金的鼻溫最高同時(shí)孕育期最短，6063合金的鼻溫最低；6005合金的孕育期最長(zhǎng)。在淬火敏感溫度區(qū)間內(nèi)，合金的冷卻速度要達(dá)到臨界冷卻速度之上，而高溫區(qū)和低溫區(qū)可以適當(dāng)放慢冷卻速度，從而保證型材尺寸精度和較小殘余應(yīng)力的前提下，獲得優(yōu)良的力學(xué)性能。常用Al-Mg-Si合金的淬火敏感性順序依次為：6061＞6082＞6351＞6063＞6005。

      1）在分級(jí)等溫淬火過(guò)程中，隨著等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，6351和6061合金時(shí)效態(tài)硬度和淬火態(tài)電導(dǎo)率分別降低和升高，而且性能變化的速率取決于保溫溫度的不同。

2）不同6xxx Al-Mg-Si合金的TTP曲線都呈C形，但不同合金的鼻溫、孕育期及淬火敏感溫度區(qū)間存在明顯差異。

3）常用6xxx Al-Mg-Si合金的淬火敏感性順序依次為：6061＞6082＞6351＞6063＞6005。