1、前言

6063為6×××系鋁合金中典型的可熱處理強化合金，具有中等強度、優(yōu)良的擠壓性能，對應力腐蝕不敏感，良好的熱塑性及焊接性能及后續(xù)的五金加工性能。可以高速擠壓成結(jié)構(gòu)復雜的各種民用或軍用型材或鍛造成結(jié)構(gòu)復雜的結(jié)構(gòu)件[1-5]。在6063 鋁合金的化學成分中, Mg、Si元素為其主要的合金元素，其在鋁基體中主要生成Mg2Si強化相，根據(jù)合金元素的配比，6063鋁合金中Mg2Si含量為1.2%左右，Mg、Si含量按形成Mg2Si需要的量，即Mg:Si=1.73:1而設計，若Mg過剩，Mg2Si在鋁中的溶解度會顯著減小，強化效果降低。若Si過剩，會降低合金抗蝕效果[6, 7]。

在如今鋁型材生產(chǎn)及加工產(chǎn)品競爭日益激烈的今天，為了在保證質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)成本，提高競爭力，鋁型材五金加工客戶對鋁型材生產(chǎn)廠家提出更為苛刻的要求，特別是一些中小型的鋁型材五金加工客戶，由于實際條件所限，需盡量減少生產(chǎn)工藝。如鋁型材在進行大變量彎曲加工時，常規(guī)方法是在購入鋁型材后進行固溶時效，再進行冷加工，而后人工時效，即所謂的T8狀態(tài)，而現(xiàn)在五金加工廠則提出采用T4、T5、T7狀態(tài)，以降低生產(chǎn)成本，提高效率。這就要求鋁型材生產(chǎn)廠家能夠用適合的熱處理工藝延緩時效效果，保持產(chǎn)品冷加工前的塑性，又能在冷加工后提高產(chǎn)品的抗拉強度。本公司生產(chǎn)的汽車天窗系列（如圖1所示）產(chǎn)品就遇到上述情況，通過對其長期研究發(fā)現(xiàn)，欠時效工藝能很好的解決上述產(chǎn)品遇到的問題。

圖1 6063汽車天窗系列型材產(chǎn)品實物圖

2、材料及試驗方法

試驗用材料為本公司自主生產(chǎn)的6063鋁合金熱擠壓型材，化學成分如下：

表1  合金成分W﹙％﹚

通過成份分析可發(fā)現(xiàn)，Mg:Si比為1.22，小于常規(guī)的Mg:Si比，基體中Mg過低，從而可實現(xiàn)產(chǎn)品在到達五金加工廠冷加工時相對低的屈服強度，這就為產(chǎn)品后續(xù)的冷彎曲時較好的塑性而不開裂提供了先決條件。

同時為了提高產(chǎn)品冷彎曲后較高的抗拉強度，保證產(chǎn)品的正常使用，產(chǎn)品在出廠前進行了在線固熔處理，強風冷卻淬火，降至室溫后進行人工時效的處理工藝。分為在0、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、150 min時間段分別取樣研究。冷卻后測量其韋氏硬度，結(jié)果如圖2所示，其于圖2結(jié)果，對所得樣品依次用微機控制電子萬能試驗機測定了其拉伸力學性能（為了保證實驗的精度與可靠性，每組樣口實驗3次，取平均值），起始應變速率為2.0×10-3 mm/s，所得結(jié)果如圖3所示。

3、試驗結(jié)果及分析

6063鋁合金產(chǎn)品在190 oC時效的硬度-時效時間曲線示于圖2。由圖可知，該合金產(chǎn)品在190 oC、2.5 h內(nèi)硬度逐步上升到HW13，在時效的前20 min內(nèi)其硬度與HW3迅速增加到HW9，硬度的提高速度很快，在后續(xù)的2個多小時內(nèi)，其強度緩慢的增加到HW13，硬度提高速度很慢。從上述曲線的形狀來看，其硬度的增加速度在后期越來越慢，這就能為其后期的五金加工爭取時間。

圖2 鋁合金在190℃溫度下的硬度-時間曲線

6063鋁合金在190 oC下時效硬度-強度曲線于圖3。由圖可知，在190 oC溫度下欠時效階段中，6063鋁合金的抗拉強度和屈服強度均為在時效的初始階段快速上升，且抗拉強度的上升速度大于屈服強度的上升速度；而在時效后的中后期，抗拉強度和屈服強度的上升速度則有了顯著區(qū)別，抗拉強度的上升速度明顯小于屈服強度的上升速度，客戶要求本產(chǎn)品在一定強度下（σb＞180 Mpa）降低其屈服強度。從圖3中可發(fā)現(xiàn)，通過190 oC下的欠時效處理，180 Mpa的抗拉強度處于時效的初始階段，即抗拉強度的上升速度大于屈服強度的上升速度的時期，這就相當于在抗拉強度一定的條件下，相應了減小了屈服強度。

為了對圖3有更清楚的認識，對抗拉強度與屈服強度的差值進行對比分析，如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩者的差值在初始時效階段越來越大，在時效30 min時達到最大，這與圖3抗拉強度的上升速度大于屈服強度的上升相一致。在時效30 min以后，兩者的差值越來越小，說明屈服強度的上升速度比抗拉強度的上升要快，這圖3的時效中后期結(jié)果一致。在時效30-50 min內(nèi)的時間，該產(chǎn)品的抗拉強度約在180 Mpa左右，而其屈服強度的增長也處于最低階段，這就為客戶后期的冷彎加工提供了可能，所以為滿足客戶要求，在190 oC人工時效30-50 min時最為適宜?？蛻粢部梢栽趶澕庸ぶ螅龠M行時效提高產(chǎn)品性能。

圖3 鋁合金在190℃溫度下時效強度-時間曲線

圖4 鋁合金在190℃溫度下強度差-時間曲線

6063鋁合金熱處理可強化相β（Mg2Si）相，在線固熔后，合金為過飽和固熔體。對其人工時效脫熔序列為α過飽和固熔體→GP區(qū)→β〞相→β＇相→β相。時效初期Mg、Si原子在鋁基體的晶面上聚集，形成溶質(zhì)原子富集區(qū)即G.P區(qū)，與基體保持共格關系，邊界上的原子為母相A和G.P區(qū)所共有。為了同時適應兩種不同原子排列形式，共格邊界附近產(chǎn)生彈性應變，正是這種晶格的嚴重畸變阻礙了位錯運動，從而提高了合金的硬度。隨著時效溫度的提高或時效時間的延長，Mg、Si原子進一步富集并趨向有序化，迅速長大成針狀或棒狀即為β〞相，其C軸方向的彈性共格結(jié)合引起的應變場最大，它的彈性應力也最高，當β〞相長大到一定尺寸，它的應力場遍布整個基體，應變區(qū)幾乎相連，此時合金的硬度最高；隨著時效過程的進一步發(fā)展在β〞相的基礎上，Mg、Si原子進一步富集形成局部共格的β＇過渡相，其周圍基體的彈性應變有所減輕，對位錯運動的阻礙減少，此時強度達到最大值，硬度已有所下降。

時效后期在β＇相與基體界面上形成穩(wěn)定的β相，失去了與基體之間的共格聯(lián)系，完全從基體中脫離出來，共格應變消失，硬度下降[6, 7]。從6063時效強化理論可看出，在Mg元素量不飽和，且欠時效的情況下，脫熔序列依次為α過飽和固熔體→GP區(qū)→β〞相，在固溶階段形成的α過飽和固熔體在時效的初始階段開始有Mg、Si原子在基體晶面上的聚集，隨著時效時間的延長聚集的原子形成Mg2Si相，形成β〞相，如果在欠時效和短時間的人工時效時間（30-50 min），則得到的相為GP區(qū)相，在該相時材料的抗拉強度與屈服強度有最大的差值。

4、結(jié)論
研究了6063鋁合金在欠時效熱處理時不同時間對6063鋁合金硬度、抗拉強度和屈服強度的影響。在190 oC的欠時效條件下， 2.5 h內(nèi)分段取樣研究，發(fā)現(xiàn)采用190 oC、30~50 min的人工欠時效的時效制度可達到抗拉強度與屈服強度的差值最大，可實現(xiàn)時效后的產(chǎn)品進行后續(xù)冷彎曲加工。

（1）6063鋁合金在人工時效時，材料的硬度、抗拉強度與屈服強度隨時效時間的延長而增加，且在不同的時效時間內(nèi)增長的速度不一樣。

（2）在進行欠時效工藝條件下，30-50 min的短時間時效可使材料處于GP區(qū)相，材料的抗拉強度與屈服強度的差值達到最大，產(chǎn)品性能最為適宜，滿足客戶要求。