文章编号：1004-0609(2015)08-2040-09

GW01铝合金管材的热处理工艺

李龙飞^{1, 4}，邢书明¹，杨金山²，王井玲^{1, 3}，马洪岩²，刘  华²，郭  凯²

(1. 北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044；

2. 金轮天大数控机床有限公司，天津 301709；

3. 天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津 300222；

4. 中色(天津)有色金属有限公司，天津 300393)

摘  要：GW01铝合金是在6061铝合金基础上研发的一种新型高强铝合金。采用三因素三水平的正交实验，研究了固溶温度-时间、时效温度、时效时间三因素对GW01铝合金T6处理后力学性能的影响规律。结果表明：随着固溶温度的提高和固溶时间的缩短，GW01铝合金的抗拉强度、屈服强度和硬度均有大幅度提高，其伸长率则先降低后升高；随着时效温度的升高，GW01铝合金的抗拉强度、屈服强度、硬度以及伸长率均不断降低；GW01铝合金的抗拉强度、屈服强度以及硬度均对时效时间不敏感，随时效时间的延长只有小幅度的降低，其伸长率则随时效时间的延长有一定幅度的提高。(510 ℃，3 h，水淬)+(170 ℃，18 h，空冷)的T6热处理可以使GW01铝合金管材获得良好的综合力学性能。

关键词：GW01铝合金；固溶处理；时效处理；力学性能；正交试验

中图分类号：TG166.3      　    　     文献标志码：A

Heat treatment process of GW01 aluminum alloy pipe

LI Long-fei^{1, 4}, XING Shu-ming¹, YANG Jin-shan², WANG Jing-ling^{1, 3}, MA Hong-yan², LIU Hua², GUO Kai²

(1. School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;

2. Jinluntianda CNC Machine Tool Co., Ltd., Tianjin 301709, China;

3. School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China;

4. China Nonferrous Metals Mining (Group) Tianjin Co., Ltd., Tianjin 300393, China)

Abstract: GW01 aluminum alloy is a new type of high-strength aluminum alloys researched and developed based on 6061 aluminum alloy. The effects of solid solution temperature-time, aging temperature and aging time on mechanical properties of GW01 aluminum alloy after T6 treatment were investigated by orthogonal experiment of three factors and three levels. The results show that, with the solution temperature increasing and solution time decreasing, the tensile strength, yield strength and hardness of GW01 aluminum alloy are improved greatly, and the elongation increases after a certain amount of decline. With the aging temperature increasing, the tensile strength, yield strength, hardness and elongation of GW01 aluminum alloy decrease constantly. The tensile strength, yield strength and hardness of GW01 aluminum alloy are all insensitive to aging time, which means that they only decreases a little with aging time extending. The elongation increases with aging time extending. The good mechanical properties of GW01 aluminum alloy pipe are obtained after T6 treatment process of (510 ℃, 3 h, water quenching)+(170 ℃, 18 h, air cooling).

Key words: GW01 aluminum alloy; solid solution treatment; aging treatment; mechanical property; orthogonal experiment

GW01铝合金是在6061铝合金基础上研发的一种新型Al-Mg-Si-Cu系高强铝合金，已经申报了专利。GW01铝合金的合金设计思想是：选用较小的镁硅比，生成强化相Mg₂Si的同时，尚有剩余的硅提高强度；合金中含有锰和微量铬，可改善其耐蚀性能、细化晶粒、提高强度，其中含有的一定量的铜也可提高合金强度。同时，添加微量锆和钛可细化晶粒，提高合金塑性和强度。GW01铝合金保持了6061铝合金优异的可加工性能，且其力学性能比6061铝合金的要高出30%~60%，可用于制作对材料性能要求较高的结构件。

GW01是Al-Mg-Si-Cu系铝合金，属于可热处理强化的合金，但由于其中的合金元素复杂，难以按现有热处理理论直接设计其热处理工艺。采用6061铝 合金的最优T6工艺处理GW01铝合金，其强度只有380 MPa，伸长率为13%；采用6066铝合金的最优T6工艺处理GW01铝合金，其强度虽高达410 MPa，但伸长率较低，疲劳性能不满足自行车安全骑行的要求。研究者们^[1-3]曾研究过与GW01成分类似的6061、6063、6066等Al-Mg-Si-Cu系铝合金的T6处理工艺，认为合金获得较高综合力学性能的固溶处理和时效处理工艺分别为450~570 ℃保温0.5~8 h后水淬+ 150~220 ℃保温2~20 h后空冷。林高用等^[4]的研究表明，对于其自主研发的Al-Si-Cu-Mg合金，随固溶温度从465 ℃提升到495 ℃，合金硬度不断提高，但是更高的固溶温度对硬度的影响程度及规律并不清楚。李元东等^[5]的研究表明，对于流变压铸2024铝合金，时效温度一定时，合金强度随时效时间延长而降低，但是时效时间对合金强度的影响程度并不明确。LOUCIF等^[6]曾研究Al-Mg-Si系合金的时效处理工艺，他们认为随时效温度从165 ℃提升到185 ℃，合金的伸长率先增大后减小，同样，文中并未表明更高的时效温度对伸长率的影响程度及规律。可见，这些研究对于新型铝合金材料GW01的T6工艺研究有一定的参考价值。但是，其工艺参数范围很宽，而且各工艺参数对性能的影响程度及规律并不十分清楚。为充分发掘该合金的性能潜力，有必要探究其热处理工艺参数对性能的影响规律和程度，进而获得综合性能最优的热处理工艺。本文作者采用正交实验方法，来探究固溶处理和时效处理的主要工艺参数对GW01铝合金挤压管材T6后力学性能的影响规律及程度，并归纳出获得良好综合力学性能的热处理工艺。

1  实验

在RKQ3-100B型可倾斜式铝合金熔炼炉中将配好的金属原料进行熔炼，炉前采用SPECTRO MAXx LMX05分光仪检测合金成分，满足表1所示的成分要求后，将720 ℃的铝液浇铸到预先刷好涂料并预热到260~280 ℃的金属型中，金属型示意图如图1所示，待铝液在铸型中凝固后将铝棒从铸型中取出，空冷至室温得到如图2所示的试棒。

表1  GW01铝合金的成分

Table 1  Composition of GW01 aluminum alloy (mass fraction, %)

图1  金属型的示意图

Fig. 1  Schematic diagram of metal mold (Unit: mm)

图2  试棒毛坯照片

Fig. 2  Photo of cast rod

切除试棒的浇冒口并预热到480 ℃，在630T卧式挤压机上将铝棒挤压成22.2 mm×1.8 mm(外径×壁厚)的管材，挤压杆速度为2.8~3.2 mm/s。挤压管材矫直后剪裁为长230 mm的拉伸试样，按表2所示的正交实验表，每组5个试样，在RX3-15-6型热处理炉中进行T6处理(固溶处理和人工时效)。固溶处理中，工件出炉至入水时间3~5 s，水温20~25 ℃，固溶处理后至时效处理入炉的时间间隔22 h。

热处理之后的拉伸试样均在24~30 h之内采用W-20的铝合金韦氏硬度计完成硬度测试，并在WEW-300B型微机控制液压万能试验机上完成拉伸测试。每组试样性能测试结果的平均值如表2所示。

2  实验结果

为了能将实验中由于实验条件改变引起的数据波动同实验误差引起的数据波动区分开来，同时得出各因素对实验结果影响大小的精确数量估计，实验结果的分析选用方差分析法。下面分别针对性能指标硬度、强度和伸长率，分析各实验因素对其影响程度和规律。

首先计算表2中各列各水平的K值、各列各水平对应数据之和K_ij及其平方K_ij²。然后根据式(1)和(2)计算各列偏差平方和S_j：

                            (1)

式中

                  (2)

各列的自由度相等：df_A=df_B=df_C=df_e=3-1=2

于是，根据式(3)计算因素固溶温度-时间A、时效温度B、时效时间C及空列e的方差

                                    (3)

2.1  工艺参数对硬度的影响规律

1) 显著性检验

各因素对硬度影响作用的计算结果列于表3。根据表3的数据，进行显著性检验，列出方差分析表，如表4所列。

由表4可见，F_A＞F_B＞F_C，说明影响硬度最显著的因素是固溶温度-时间(A因素)，其次是时效温度(B因素)，时效时间(C因素)的影响不显著。3个因素对材料硬度的影响作用的显著程度之比为20.6:13.3:1。

2) 各因素对硬度的影响趋势

GW01铝合金T6处理后的硬度与固溶温度-时间(A因素)、时效温度(B因素)、时效时间(C因素)的关系如图3所示。由图3可看出，随着固溶温度的提高、固溶时间的缩短、时效温度的降低以及时效时间的缩短，GW01铝合金T6处理后的硬度提高。提高固溶温度和缩短固溶时间，硬度提升幅度最大；缩短时效时间，硬度提升幅度最小。

3) 硬度最高时热处理工艺条件的确定

一般来说，硬度与强度是正相关的，因此，试验指标韦氏硬度越大越好。K_Ax表示A因素的x水平所对应的韦氏硬度之和，因此，根据表3中K_A1、K_A2、K_A3的大小可以判断各水平A₁、A₂、A₃对韦氏硬度的影响大小，而K_A3＞K_A2＞K_A1，所以可确定A₃为A因素的优水平。同理，可以确定B、C因素的优水平分别为B₁、C₁；因素C的水平改变对硬度影响较小，从降低热处理成本角度考虑，时效温度一定时，时效时间越短，生产成本越低，也应选C₁。3个因素的优水平组合A₃B₁C₁为本试验指标韦氏硬度的最优水平组合，即硬度最高的T6处理工艺为510 ℃条件下保温3 h后水淬，之后，在170 ℃条件下保温4 h再空冷。

2.2  工艺参数对抗拉强度的影响规律

抗拉强度方差分析方式与韦氏硬度方差分析方式相同，同理可得抗拉强度方差分析结果，如表5所示。

表2  GW01铝合金T6工艺参数及T6合金的性能

Table 2  T6 process parameters and properties of aluminum alloy GW01 after T6 heat treatment

表3  试验方案及韦氏硬度结果分析表

Table 3  Experimental program and test results analysis table of Webster hardness

表4  韦氏硬度方差分析表

Table 4  Variance analysis table of Webster hardness

图3  时效处理工艺参数对硬度和伸长率的影响

Fig. 3  Influence of experimental factors on hardness and elongation

由表5可见，影响抗拉强度的三因素的主次顺序与影响硬度的因素主次顺序相同，其中固溶温度-时间(A因素)和时效温度(B因素)对抗拉强度的影响显著，时效时间(C因素)对抗拉强度的影响不显著，3个因素对材料抗拉强度的影响作用的显著程度之比为83.8:59.3:1。GW01铝合金T6处理后的抗拉强度与固溶温度-时间、时效温度、时效时间的关系如图4所示。各因素对抗拉强度的影响规律与其对硬度的影响规律相同。本试验指标抗拉强度越大越好，其最优水平组合为A₃B₁C₁，即抗拉强度最高的T6处理工艺为510 ℃条件下保温3 h水淬，之后在170 ℃条件下保温4 h空冷。

2.3  工艺参数对屈服强度的影响规律

屈服强度方差分析方式与韦氏硬度的方差分析方式亦相同，同理可得屈服强度方差分析结果，如表6所示。

表5  抗拉强度方差分析表

Table 5  Variance analysis table of tensile strength

图4  实验因素对各性能指标的影响

Fig. 4  Influence of experimental factors on tensile strength and yield strength

由表6可见，影响屈服强度的三因素的主次顺序与影响抗拉强度的因素主次顺序以及各因素的显著性水平均相同，3个因素对屈服强度的影响作用的显著程度之比为48.7:31.7:1。GW01铝合金T6处理后的屈服强度与固溶温度-时间、时效温度、时效时间的关系如图4所示。固溶温度-时间和时效温度对屈服强度的影响规律与其对硬度的影响规律相同，时效时间对屈服强度影响不显著，屈服强度随时效时间的延长先小幅度升高，然后较大幅度降低。本试验指标屈服强度越大越好，其最优水平组合为A₃B₁C₂，即屈服强度最高的T6处理工艺为510 ℃条件下保温3 h后水淬，之后在170 ℃条件下保温10 h再空冷。

2.4  工艺参数对伸长率的影响规律

伸长率方差分析方式与韦氏硬度的方差分析方式相同，同理可得伸长率方差分析结果，如表7所示。

由表7可见，影响伸长率的三因素主次顺序依次为时效时间(C因素)、固溶温度-时间(A因素)、时效温度(B因素)，三因素A、B、C对伸长率的影响均不显著，其影响作用的显著程度之比为5.6:4.0:1。GW01铝合金T6处理后的伸长率与固溶温度-时间、时效温度、时效时间的关系如图3所示。T6后伸长率随固溶温度的提高和固溶时间的缩短先减小后增大，且在510 ℃、3 h时获得最大伸长率；随时效温度的升高，伸长率降低；时效时间对伸长率的影响最大，随着时效时间的延长，伸长率呈增大趋势。本试验指标伸长率越大越好，其最优水平组合为A₃B₁C₃，即伸长率最高的T6处理工艺为510 ℃条件下保温3 h后水淬，之后在170 ℃条件下保温18 h再空冷。

3  分析与讨论

3.1  GW01综合性能较好的T6处理工艺

由实验结果可以看出，针对不同的性能指标可以得到不同的最优工艺；A、B、C三因素对4项性能指标的影响大小及规律不尽相同，随着固溶温度的提高和固溶时间的缩短，材料的力学性能有较大的变化，主要表现在抗拉强度、屈服强度和硬度的大幅度提高，以及伸长率的先降低再升高；随着时效温度的升高，该材料的抗拉强度、屈服强度、硬度以及伸长率均不断降低；该材料的抗拉强度、屈服强度以及硬度对时效时间均不敏感，随时效时间的延长只有小幅度的降低，伸长率随时效时间的延长有一定幅度的提高。

作为自行车车架管使用的GW01铝合金要求有适当的强度和较高的塑性，以保证成品车架疲劳测试合格。针对这一要求，根据上述试验结果，其最恰当的T6处理工艺应当是：510 ℃条件下保温3h水淬，之后在170 ℃条件下保温18 h空冷。采用这一工艺得到的1.2 mm壁厚的GW01管材车架，按EN14766标准进行如图5所示的水平力疲劳测试，其循环次数可达10.5~11万次，高于EN14766标准中要求的5万次，现行1.8 mm壁厚的6061管材车架水平力疲劳测试次数只有3~4万次。

表6  屈服强度方差分析表

Table 6  Variance analysis table of yield strength

表7  伸长率方差分析表

Table 7  Variance analysis table of elongation

图5  自行车车架水平力疲劳测试

Fig. 5  Horizontal force fatigue testing of bicycle frame

对于用于静载荷条件下使用的GW01铝合金，要求有高强度和恰当的伸长率，这时最恰当的T6处理工艺是：510 ℃条件下保温3h水淬，之后在170 ℃条件下保温4 h空冷。这时的抗拉强度可达405 MPa，伸长率为13.5%。

3.2  GW01的热处理强韧化机制

1) 第二相强化

GW01为Al-Mg-Si-Cu系合金，时效过程中析出的Mg₂Si相为其中的主要强化相，使合金得到强化，在形成Mg₂Si的同时，合金中尚有剩余的Si，可进一步提高合金强度。合金中加入了一定量的Cu，Cu在合金中形成CuAl₂(O相)和Q相^[7]，可促进了合金时效初期GP区的形成^[8-9]，合金的时效强化能力提高。

合金中的Mn有助于针状Al₉FeSi相转变为粒状含Mn的Al₅(FeMn)₃Si₂弥散相^[10-11]，从而消除粗大针状结晶相对合金性能的有害影响，提高合金的塑性。固溶的微量Er在随后的时效处理过程中会以细小弥散的第二相形式析出，成为铝合金中的有效强化相^[12]，提高合金强度。

该合金经过不同时效处理时间后的力学特性如图4(c)和图3(c)所示，可见，随时效时间的延长，抗拉强度和屈服强度变化较小，韦氏硬度从15.8降低到15.2，伸长率逐渐升高，由13.7%升至15.2%，变化较大。根据时效硬化规律^[13-14]，合金的强度性能随着G.P.区的形成而增大，过渡相的形成使合金的强度性能进一步增加而达到峰值，稳定相的形成使合金的强度性能降低，而合金的塑性始终随着过饱和固溶体的分解而降低。时效4~18 h时，该合金内G.P.区已经形成，过渡相不断增加，稳定相随时间的推移从无到有地形成，使得该合金的强度随失效时间从4~18 h延长时，变化不明显。而该合金伸长率随时效时间的变化趋势与时效硬化规律相反，可能是由于Ti、Zr、Cr、Er等微量元素使合金微观结构发生了特殊的变化，改变了合金的特性。该新型合金在510 ℃保温3h水淬，随后170 ℃保温18 h空冷，抗拉强度和断后伸长率分别为403 MPa、16.4%，综合力学性能较好。

2) 细晶强化

通常，在常温下晶粒细小的金属，受到外力发生塑性变形时，外力可分散在更多的晶粒内，金属塑性变形较均匀，应力集中较小，塑性更高。此外，晶界面积大，晶界曲折，不利于裂纹的扩展，强度更高。GW01合金中微量元素Cr、Ti、Zr产生了极强烈的晶粒细化效果，其细化机理为含有Cr的原子团簇作为Al₃Ti、Al₃Zr共同形核的基底使Al₃(Ti_xZr_1-x)形核，Al₃(Ti_xZr_1-x)使α(Al)形核^[15]。微量的Er可以以颗粒状Al₃Er化合物的形式断续或连续分布在晶界上，沿晶界分布的粒状Al₃Er可以起到阻碍晶粒长大的作用^[12]。Cr、Ti、Zr、Er等微量元素均有细化晶粒的作用，同时，也提高合金强度和塑性，其细化效果如图6所示，GW01管材T6处理后的平均晶粒直径为56 μm，明显小于没有添加微量元素Ti、Zr、B、Er合金管材T6处理后的平均晶粒直径(87 μm)，而通常只添加Ti细化晶粒的6061铝合金管材经T6处理后的平均晶粒直径为70~90 μm。

图6  T6热处理后合金管材晶粒尺寸的对比

Fig. 6  Comparison of grain sizes of alloy pipe after T6 heat treatment

3) 固溶强化

铝合金的固溶强化主要源于过饱和固溶体在基体中的溶解，GW01合金中的Mn可以扩大淬火温度上限，增大合金元素的固溶度，从而提高合金力学性能，改善抗蚀性、冲击韧性和弯曲性能^[16-18]。GW01合金强度随着固溶温度的升高和固溶时间的缩短而提高。固溶温度较高时，合金中各原子更加活跃，能使合金中粗大的第二相尽可能地溶入到基体中，提高溶质原子在基体中的固溶度，进而增加时效过程中强化相的相变驱动力，以便时效过程中析出尽可能多的第二相，使得合金强化。同时，促进合金中粗大Mg₂Si相的溶解^[19]以及富Cu、Mn、Cr等相的溶解。另外，固溶温度较高时，固溶体的溶解时间必然缩短。因此，该合金强度随着固溶温度的升高和固溶时间的缩短而提高。

4  结论

1) 固溶处理是影响GW01合金抗拉强度和伸长率的最显著因素，随着固溶温度的提高和固溶时间的缩短，抗拉强度、屈服强度和硬度大幅度提高，伸长率先降低再升高。

2) 时效温度是影响GW01合金抗拉强度和伸长率的重要因素，随着时效温度的升高，GW01的抗拉强度、屈服强度、硬度以及伸长率均不断降低。因此，应选择较低的时效温度。

3) GW01的抗拉强度、屈服强度以及硬度对时效时间均不敏感，但伸长率随时效时间的延长有一定幅度的提高。在实际生产中，考虑到提高生产效益和提高材料伸长率不能同时兼顾，因此，时效温度应根据该材料的使用要求灵活选择。

4) 获得良好综合力学性能的最优热处理工艺为510 ℃条件下保温3 h后水淬，之后在170 ℃条件下保温18 h再空冷。

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(编辑  李艳红)

基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2013AA031001)；吉林省攻关计划资助项目(20130206035GX)

收稿日期：2014-11-21；修订日期：2015-03-11

通信作者：邢书明，教授，博士；电话：010-51682036；E-mail: smxing@bjtu.edu.cn