新型高强高韧铝镁硅合金的组织和性能

张国鹏^{1, 2}，杨伏良^{1, 2}，马政^{1, 2}，党小荔^{1, 2}，熊落保³，尹德艳³

(1. 中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 中南大学 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南 长沙，410083；

3. 长沙新振升集团有限公司，湖南 长沙，410100)

摘  要：在6063合金基础上设计出一种新的Al-Mg-Si系合金。合金经熔炼铸造和挤压加工后分别进行退火、自然时效、人工时效处理，优化自然时效时间，并利用金相显微镜、X线衍射仪、扫描电镜及电子万能实验机对合金微观组织、断口形貌和力学性能进行检测分析。研究结果表明：新合金与6063合金相比具有更高的强度和塑性，人工时效态抗拉强度和伸长率分别达到314.32 MPa和19.63%，自然时效态抗拉强度、伸长率分别为277.26 MPa和28.61%(稳定值)；新合金最佳自然时效时间为72 h。

关键词：6063合金；时效；断口；力学性能

中图分类号：TG146.2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)06-2132-06

Microstructure and properties of new type of high strength and ductility Al-Mg-Si alloy

ZHANG Guo-peng^{1, 2}, YANG Fu-liang^{1, 2}, MA Zheng^{1, 2}, DANG Xiao-li^{1, 2}, XIONG Lao-bao³, YIN De-yan³

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering, Ministry of Education,

Central South University, Changsha 410083, China;

3. Changsha New Zhensheng Group Co. Ltd, Changsha 410100, China)

Abstract: A new type of Al-Mg-Si alloy was designed based on 6063 alloy. After extrusion, a range of heat treatment conditions such as O, T4 and T6 state were carried out, and the natural aging time was optimized. The microstructures, fracture and mechanical properties of the alloy were analyzed with optical microscope, X-ray diffractrometry, scanning electron microscopy and electronic testing machine. The results show that compared with 6063 alloy, the new alloy has a higher strength and ductility. The tensile strength and elongation of the new alloy reach 314.32 MPa and 19.63% at T6 state respectively, and they are 277.26 MPa and 28.61% (stable value) at T4 state, respectively. The best natural aging time is 72 h.

Key word: 6063 alloy; aging; fracture; mechanical properties

Al-Mg-Si系合金作为建筑型材与工业型材，是应用最广泛的合金，其中，6063合金由于具有强度适中、冲击韧性高和对缺口不敏感等优点，在型材中的应用量占了70%以上。6063合金经过T6处理后，其抗拉强度σ_b≥205 MPa, 屈服强度σ_0.2≥145 MPa，伸长率δ≥8%^[1]，并且具有极好的热塑性，可以高速挤压成结构复杂、薄壁、中空的各种型材^[2-4]。但在西部开发、现代轨道交通、桥梁等应用中，对于大跨度、高承力、特高型建筑结构需要一种具有较高强度及伸长率的材料，6063合金已经不能满足这种要求。美国Alcoa公司曾制备出6013合金，该合金具有较高的强度和良好的耐蚀性。但由于6013合金加工性能不是很好，所以，其使用一直受到限制，而且6013合金的合金元素含量较高，大大增加了材料的成本，降低了其市场竞争力。为满足要求，迫切需要设计出一种新合金，在6063合金的基础上，提高材料强度和塑性，控制合金元素含量，以免材料成本增加过多。

Mg₂Si相是Al-Mg-Si系合金中的主要强化相，它的数量、尺寸和形状对合金性能的影响极大。Mn能增大合金元素的固溶度、细化再结晶晶粒、提高合金力学性能。鉴于此，本文作者设计出一种新合金，在6063合金的基础上提高了Mg和Si含量，加入适量Mn和少量的Cu和Zn。对挤压后的合金进行人工时效和自然时效处理，并在电子万能实验机上测出各状态下的力学性能。然后利用金相显微镜、X线衍射分析、扫描电镜进行相关检测分析，从而为高强高韧Al-Mg-Si合金的制备和热处理提供实验依据。

1  实验

1.1  实验工艺流程

本实验所采用的具体试验流程如图1所示。

图1  实验流程图

Fig.1  Experiment flowchart

1.2　熔炼铸造

新合金化学成分(质量分数，%)为：0.91 Mg，0.59 Si，0.12 Cu，0.20 Fe，0.22 Mn，0.26 Zn，0.02 Ti，0.09 Cr，余Al。所用原料为：纯度为99.70%(质量分数，下同)的工业纯铝，纯度为99.9%的镁、锌、铬以及A1-10%Si，A1-50%Cu和A1-10%Mn中间合金，晶粒细化剂为Al-5%Ti-1%B。熔炼炉采用坩埚电阻炉，熔炼温度为750~800 ℃，覆盖剂为1号熔剂，除气剂采用六氯乙烷；加料顺序为：Al，中间合金，Cr，Zn，Mg，Al-Ti-B细化剂。熔体经多次除气、除渣后用铁模浇铸成直径为50 mm的圆铸锭，然后，对铸锭进行水冷。

1.3  均匀化

将铸锭放在箱式电阻加热炉中均匀化处理，均匀化温度为560 ℃，保温时间为8 h。

1.4  挤压

均匀化后铸锭车去外皮，在YA32-315型四柱式万能立式液压机进行挤压。挤压筒直径为50 mm，模具模孔直径为10 mm，挤压铸锭长度为120 mm，直径为48 mm。模具预热温度为380 ℃，时间为3 h；铸锭加热温度为480 ℃，保温2 h；出口速度约为40 m/min，挤压成直径为10 mm的棒材，挤压比λ=25。

1.5  热处理

挤压后试样分别进行完全退火(O)、自然时效(T4)与人工时效(T6)处理。T6与T4分别为：520 ℃，2 h+水淬+185 ℃，8 h人工时效与520 ℃，2 h+水淬+自然时效(时效时间分别为24，48，72和96 h)。O状态完全退火温度为410 ℃，保温2 h后随炉冷却。

1.6  组织与性能检测分析

沿挤压方向截取合金各个状态下的拉伸试样，按照GB 3076—82要求，试样形状尺寸如图2所示。在CSS100kN电子万能试验机上进行力学性能测试，拉伸速度为3.5 mm/min，测出相应的力学性能指标，取3个试样测试结果的算术平均值作为最终测试结果。

图2  拉伸试样形状及尺寸

Fig.2  Tensile sample shape and size

利用PLOYVER-MET金相显微镜对合金在不同处理状态(铸态、均匀化态、挤压态以及不同热处理态等)下的显微组织进行观察和分析。将试样首先用水磨砂纸和金相砂纸打磨至无粗大划痕，然后，用Cr₂O₃配制的抛光液在抛光布上抛光，再用盐酸(3 mL)、硝酸(5 mL)、氢氟酸(2 mL)和蒸馏水(250 mL)的混合液进行浸蚀。试样拉断后显微断口分析在KYKY-2800扫描电镜上进行。在日本理学株式会社Rigaku D/max 2500 X线衍射仪上对T6态的拉伸试样进行X线衍射分析。

2  结果与讨论

2.1  显微组织分析

对新合金分别经均匀化、退火及时效处理后的样品进行显微组织观察，其显微组织如图3所示。

图3(a)和3(b)所示分别为合金均匀化前后的显微组织。由图3可以看出：合金经过560 ℃保温8 h均匀化处理后晶界变细，固溶相弥散分布于基体中，这为合金的后续加工提供了良好的组织基础，有利于保证高的成品率。图3(c)和3(d)所示分别为合金完全退火和T6态的显微组织。从图3(c)可发现：新合金经410 ℃退火之后形成了大量的再结晶组织，溶解物充分沉淀，这种组织可以有效防止自然时效的进行，合金处于硬度低、塑性好和最易加工的状态，可以加工成各种形状复杂的制品。从图3(d)可见：组织呈蜂窝状，垂直于挤压方向上的截面晶粒变窄，晶粒被拉长，与铸态相比晶粒尺寸明显细化，第二相均匀弥散分布在晶体内部。

2.2  X线衍射分析

为方便对比，特将长沙新振升集团有限公司常用的6063合金(成分为Al-0.63Mg-0.46Si)和新合金分别经T6处理后进行X线衍射分析。新合金和6063合金T6状态的X线衍射谱分别如图4和图5所示。

从图4可以看出：新合金T6状态主体相为α(Al)基体，试样中还存在有一定量的Mg₂Si和少量的Cu₃Al₂及杂质相Al₅FeSi，从衍射峰的相对强度上可以半定量地看出Mg₂Si的含量较多。少量的Cu₃Al₂相可能是强化相θ相的过渡相。图5所示为6063合金T6状态的X线衍射谱。从图5中并没有看到Mg₂Si强化相的谱线。因6063合金Mg₂Si含量较少，而X线衍射仪只能检测到含量不小于1%的物相。新合金Mg，Si含量较6063合金高，故含有更多的Mg₂Si强化相。

2.3  断口扫描分析

新合金在520 ℃固溶2 h，再经185 ℃时效8 h的拉伸断口扫描形貌如图6所示。

由图6可见：合金为典型的韧性断裂，具有明显的穿晶断裂特征，断裂类型均属于韧窝-微孔聚集型。韧窝是微孔聚集断裂的基本特征，微孔聚集断裂过程包括微孔成核、长大、聚合直至断裂。微孔是通过第二相或夹杂物与基体界面脱离而成核的，它们是合金在断裂前塑性变形进行到一定程度时产生的。韧窝的大小、深浅及数量取决于材料断裂时夹杂物或第二相粒子的大小、间距、数量及材料的塑性和热处理方式。如果夹杂物或第二相粒子多，材料的塑性较差则断口上形成的韧窝尺寸较小也较浅，反之，则韧窝较大较深。韧窝的深度主要受材料变形能力的影响，材料的塑性变形能力大，韧窝深度大，反之，韧窝深度小^[6]。从图6可以看出：新合金T6状态下断口有大量的韧窝存在，韧窝大而且深，并且单位面积上的大韧窝分布密集，这些特征反映了新合金在T6状态下应该具有较好的塑性。

图3  合金不同状态下的显微组织

Fig.3  Microstructures of new alloy on different conditions

图4  新合金T6状态X线衍射谱

Fig.4  XRD pattern of new alloy on T6

图5  6063合金T6状态X线衍射谱

Fig.5  XRD pattern of 6063 alloy on T6

图6  新合金于185 ℃时效8 h的断口形貌

Fig.6  SEM image of new alloy after aging at 185 ℃ for 8 h

2.4  力学性能

分别对F，O，T4和T6状态下的新合金试样进行拉伸试验，其不同热处理状态下的抗拉强度σ_b、屈服强度σ_0.2和伸长率δ见表1。为便于比较，将 6063合金不同状态的力学性能列于表2。

表1  新合金不同状态下的力学性能(λ=25)

Table 1  Mechanical properties of new alloy on different states

表2  6063合金不同状态下的力学性能

Table 2  Mechanical properties of 6063 alloy on different states

对比表1和表2可知：新合金的强度和塑性都得到了较大提高，新合金T6状态的σ_b，σ_0.2与δ分别为314.32 MPa，223.88 MPa与19.63%，与6063合金相比分别提高了53.3%，27.9%和145.4%。同时新合金T4态的综合性能也比6063合金优越，抗拉强度和伸长率分别提高了1.1倍和1.0倍。

Mg₂Si相是Al-Mg-Si系合金中的主要强化相，它的数量、尺寸和形状对合金性能的影响极大。在理想状态下，Mg与Si按质量比1.73?1.00结合成Mg₂Si，为了获得一定量的Mg₂Si强化相，应控制好合金中镁与硅的含量^[7-8]。从化学成分上分析，新合金Mg和Si含量高于6063合金中的相应含量，故新合金中Mg₂Si含量会比较高，约为1.5%，这也是该合金强度较6063合金强度有较大提高的主要原因。该合金还加入了少量的Cu，Cu在铝合金中生成CuAl₂(θ相)和Q相，这2种相有着明显的时效强化效果，合金的时效强化能力提高^[10]。新合金中m(Mg)/m(Si)=1.50＜1.73，理论上应该有少量的Si富余，富余的少量Si会提高材料的强度而不会对塑性产生较大影响。

本次实验富余Si的存在，使合金的晶粒变小，金属流动性增大，强度和塑性提高。同时，加入少量锌也能够使得材料强度有所提高。在新合金中加入一定量的Mn，铸锭经均匀化处理后，可使针状β-Al₉FeSi相转变为粒状含Mn的α-Al₁₅(FeMn)₃Si₂弥散相，从而消除粗大针状结晶相对合金性能的有害影响，降低杂质元素Fe对材料性能的不利影响，提高合金的塑   性^[10-12]。同时，这些粒状含Mn的α弥散相质点可阻止合金在热挤压变形过程中的再结晶,并促进主要时效强化相β′(Mg₂Si)的析出，细化再结晶晶粒。Mn还能扩大淬火温度上限，增大合金元素的固溶度，从而能提高合金力学性能，改善抗蚀性、冲击韧性和弯曲性能^[13-14]。

一般来说，合金的屈强比(σ_0.2/σ_b)越小，其塑性越好。如高塑性退火铝合金，δ=15%~35%，σ_0.2/σ_b= 0.38~ 0.45；人工时效铝合金δ＜5%，σ_0.2/σ_b= 0.77~0.96^[15]。新合金在T4和T6状态下的σ_0.2/σ_b分别为0.52和0.71，6063合金在T4和T6状态下的σ_0.2/σ_b分别约为0.58和0.85，故新合金的塑性较6063合金塑性强。

从图6可见：新合金T6态的拉伸断口处韧窝大且深，分布十分密集，这反映了材料具有很好的塑性。这一结果也验证了新合金在不同状态下的伸长率高(表1)。

X线衍射分析结果表明：新合金中Mg₂Si强化相含量较6063合金中含量高，同时还存在少量的Cu₃Al₂相，这2种相对新合金强度的提高起了作用，故新合金强度较6063合金强度高。

新合金经挤压加工并在520 ℃固溶2 h后自然时效，合金力学性能随着时效时间变化如图7所示。从图7可以看出：新合金在前48 h强度增加较明显，之后增加速度变慢，时效72 h后强度趋于稳定。新合金在自然时效初期，基体处于脱溶的孕育期，随着时效时间增加，逐渐出现预脱溶的原子偏聚区，之后出现亚稳定的β′相。合金因共格脱溶相β′密度增大并长大变粗而不断强化，这一过程及相应的强化达到一定程度就基本停止发展，合金的力学性能达到稳定值。故新合金较合理的自然时效时间是72 h。

图7  自然时效时间对新合金力学性能的影响

Fig.7  Effects of nature aging time on mechanical properties of new alloy

3  结论

(1) 成分为Al-0.91Mg-0.59Si-0.12Cu-0.26Zn- 0.22Mn-0.09Cr的合金在T6状态的抗拉强度和屈服强度分别为314.32 MPa和223.88 MPa；与6063合金相比，抗拉强度和屈服强度分别提高53.3%和27.9%。该合金在T4状态的抗拉强度和屈服强度分别为277.26 MPa和145.36 MPa，与6063合金相比，抗拉强度和屈服强度分别提高了1.10倍和0.93倍。

(2) 新合金T6和T4状态伸长率分别为19.63%和28.61%，与6063合金相比分别提高1.45倍和1.00倍。合金在T4和T6状态下的屈强比σ_0.2/σ_b均较6063合金的屈服比小。合金的塑性较6063合金的塑性强。

(3) 新合金较合理的自然时效时间为72 h。

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(编辑 陈爱华)

收稿日期：2010-01-18；修回日期：2010-04-12

基金项目：国家科技支撑计划项目(2007BAE38B04)

通信作者：杨伏良(1962-)，女，湖南湘潭人，副教授，从事铝合金研究；电话：13874866909；E-mail: yangfl.csu@163.com