6XXX 系铝合金不同热处理状态下低倍组织及硬度分析

　　摘要：通过对6063、6061、6013等几种合金不同热处理状态分析，研究各合金T6状态、固溶状态、以及退火态的低倍组织以及硬度，探讨不同合金热处理状态下的低倍组织的成因及其对于硬度的影响。研究表明，固溶态组织呈现出明显金属色，是辨别产品组织均匀性及检验缺陷的最佳热处理状态之一；退火态硬度最低，适用于冷加工处理；T6态及退火态组织中，析出相颗粒弥散分布是晶界模糊的主要原因。

　　关键词：铝合金；热处理状态；低倍组织；硬度

　　1、引言

　　铝合金具有加工性能极佳、良好的抗腐蚀性、氧化效果优良等特点得以广泛应用[1~3]。在铝型材生产企业中，多采用正向挤压的方法，通过施以挤压力使铸坯通过特定的模孔，成型成不同截面尺寸的产品，可产生较大的经济效益。而正向挤压的缺点也很明显，如缩尾较长、铸坯与挤压筒摩擦较为严重，易产生不同状态的晶粒组织等。生产过程中，检验制品缩尾以及晶粒组织的方法通常采用低倍组织检验方法，

　　即将挤出产品放入碱液中浸泡一段时间，用水冲洗干净，通过目视方

　　法判定组织是否合格以及缩尾是否去除干净等，以确保是否继续生产

　　或废料锯切长度的确定，避免因组织不良或废料长度锯切不足带来的

　　不利影响。除此之外，硬度同样作为铝型材生产企业最为重要的检测

　　手段之一，用以判定制品的性能是否合格。微观组织决定宏观性能，本文通过对6061合金、6013合金以及6063合金的不同热处理状态的低倍组织及各合金状态对应的合金硬度进行分析，探讨各组织状态特征以及其形成原因，以及低倍组织与硬度的对应关系，为生产同行以及下游加工企业提供参考。

　　2、实验方法

　　低倍实验工艺参数：按照国标GB/T3246.2-2000低倍组织测试要

　　求执行。其中氢氧化钠溶液浓度：200g/L，室温下进行，侵蚀15min，用清水清洗，然后酸洗，酸洗工艺：20%（v/V）硝酸溶液。硬度检测：HBS-62.5型小负荷布式硬度仪，载荷：62.5Kgf加载时间30s，压头直径3mm；热处理采用精密温控炉，热处理工艺制度如表一所示。

　　表1 热处理工艺制度

　　表2 合金成分(质量分数：Wt.%)

　　3、实验结果

　　图1 6061低倍组织：a、6061横截面组织；b、6061表面组织

　　图2 6013低倍组织：a、6013横截面组织；b、6013表面组织

　　图3 6063低倍组织：a、6063横截面组织；b、6063表面组织

　　如图分别为6061合金、6013合金以及6063合金的低倍组织照片。几款合金状态低倍组织中，虽然呈现出不同的组织特征，但相同的热处理状态下对比，具有相同规律。其中，横截面组织中，W态组织晶粒易分辨，晶界细小均匀，晶粒干净，呈现出金属色；T6态组织晶界模糊，无金属色；退火态组织相对均匀，金属色介于W态与T6态之间，晶粒分布更加均匀。表面组织中，W态组织晶粒无明显方向性，呈现出均匀细小再结晶的表面；T6以及退火态的表面组织晶粒，呈现出不同程度的方向性，即沿挤压方向晶粒密排，T6态更加明显。

　　对比各合金之间的硬度差别，完全退火态硬度最低，其中6063合金硬度为30HB，而6013以及6061合金硬度最低分别为49HB和40HB。固溶态硬度显示，6063合金为45HB，而6013合金和6061

　　合金分别为72HB和61HB；而T6态则为最高硬度值，其中6063、

　　6061以及6013合金硬度值分别为85HB、107HB以及125HB。

　　4、分析讨论

　　低倍组织检测是铝合金加工行业最重要的检测手段之一，也是判定组织均匀性及缺陷的有效手段之一，其原理是通过铝合金中不同组织与碱性或酸性成分的反应快慢，从而形成色差，进而判定晶粒度、组织界面、杂质、析出相颗粒分布及状态等。经腐蚀后，铝基体通常呈现出金属色特征，而析出相及晶界则呈现出黑色或其他颜色等。固溶处理是将合金加热到一定温度，保温一段时间，并以一定速度冷却的热处理工艺，其目的是使第二相能全部或最大限度的溶入铝基体（固溶体），从而获得所需的性能要求。本文选用合金均为6XXX系合金，其主要的强化相为Mg2Si，为方便对比，采用的加热温度及时间相同。由于第二相粒子的溶解，合金晶粒内部析出相颗粒溶入铝基体，形成金属色，而晶界及析出相等更易腐蚀，呈黑色或灰色。表面组织中，由于合金与模具工作带的摩擦，坯料形成明显的挤压条纹，经高温处理后，形成较为细小的再结晶晶粒组织。

　　T6态即将淬火后的合金在一定温度下，保温一定时间，然后自然冷却的一种工艺制度。针对于6XXX系可热处理强化铝合金，为方便对比，本文所选合金均采用170℃/10h的时效制度。固溶后的组织由于处于过饱和状态，经过时效后，固溶进铝基体的第二相颗粒在高

　　温下弥散析出，且均匀分布，从而在碱蚀后呈现出“模糊”的表面。另外，由于时效析出的原因，析出相弥散分布，提高了材料的耐腐蚀性，尤其是晶界处的耐腐蚀性，因此晶界与析出相的共同作用下，使固溶状态的金属色呈现出模糊状态，各晶粒界限在低倍组织下，不易

　　分辨。完全退火态（O态）目的是获得最低强度及硬度的一种热处理工艺。本实验采用430℃/3h，并随炉冷却的退火制度以获得最低硬度值。第二相粗化是退火组织最显著特征之一。其在随炉冷却过程中，通过高温、慢冷的工艺，使第二相颗粒逐渐析出并粗大化[5]，低倍组织呈现出晶界模糊，且晶粒不易分辨，与T6态低倍组织类似。微观组织决定宏观性能。6XXX系铝合金由于是热处理强化铝合金，其主要强化方式为固溶强化及析出相强化，析出相粒子越小，其强化能力越强。固溶态的铝合金由于析出相固溶于基体，产生晶格畸变，形成固溶强化；后续时效过程过程中，析出相粒子细小析出，通过在变形过程中，对于晶界滑移或位错运动阻碍作用形成强化，进而具有较高的强度及硬度。如果时效温度过高可能形成过时效的特征，即析出相粒子长大，强度会有所降低；而退火态的组织中，由于析出相粒子粗化，因此其硬度最低，也是冷加工最佳的状态，因此常用于冷锻或冷加工。本研究中，时效后的的状态比固溶状态硬度明显提高1倍左右，而固溶态硬度比退火态硬度高10HB左右，表明时效强化是6XXX系铝合金的最重要的强化方式。

　　5、结论

　　1、低倍组织色差是由于铝基体与析出相、晶界、杂质、孔洞等对于碱或酸的腐蚀敏感性不同，形成腐蚀速率的快慢，从而形成色差，用于低倍组织判断。

　　2、固溶态组织由于第二相颗粒溶于基体，低倍组织呈现基体金

　　属特征，晶粒易分辨；T6态及退火态组织，由于第二相的析出，晶

　　界模糊不易分辨。

　　3、时效强化是6XXX系合金最主要的强化方式。