《1 前言》

1 前言

作为汽车轻量化材料的重要一员，铝合金材料用于汽车的比重不断增加。汽车中重量最大的部件是汽车车身，其重量为整个汽车重量的 30 %左右。用铝合金材料来制造汽车车身板，要求材料既具有一定的强度性能，又具有良好的冲压成形性能，还必须具有良好的抗凹性能。目前，用于汽车车身板的铝合金主要有 Al-Cu 系、Al-Mg 系和 AlMg-Si系合金。Al-Cu系合金和Al-Mg系合金为不可热处理合金。Al-Cu系合金作为覆盖件在烘烤时会发生软化现象，不利于覆盖件的抗凹性能，Al-Mg 系合金在冲压过程中的表面质量差，而Al-Mg-Si系合金成形后既有烘烤硬化性能，又具有良好的表面质量，因而是用作汽车覆盖件的最佳铝合金材料[1，2] 。铝合金用于汽车覆盖件，除了能减轻覆盖件的质量之外，碰撞时还能减少对行人的伤害[3，4] 。

可热处理强化的6016铝合金可用于制备汽车覆盖件，该铝合金板材在冲压前具有较低的强度和较好的成形性，冲压后进行烘烤使屈服强度进一步增加，从而使其制成的覆盖件的抗凹性能增加。铝合金板材在生产后到冲压成为产品的过程中，会发生自然时效现象，该现象发生会使材料的强度增加，从而使冲压成形性能降低，并使随后烘烤时出现软化现象[5，6] 。一些研究表明，铝合金板材经固溶处理后，在一定温度条件下立即进行短时间的预时效处理，可以增加板材的抗时效稳定性并提高板材的成形性能，成形后的烘烤硬化性能也能显著提高[7~10] 。本工作旨在研究 6016 铝合金的热处理工艺，通过研究板材的显微硬度、力学性能和烘烤硬化性能，获得性能优异的热处理工艺，为该铝合金板材实际生产时热处理工艺的制定提供依据。

《2 试验用材及方法》

2 试验用材及方法

《2.1 试验材料制备》

2.1 试验材料制备

熔炼合金的原料为 99.9 %高纯铝、电解铜、工业纯镁、工业纯锌以及Al-5%Ti-0.2%C等中间合金，上述原料以一定顺序在20 t熔炼炉中熔炼后浇注为宽 1 450 mm、厚 500 mm的铸坯。铸坯的化学成分见表1。铸坯经均匀化处理和去头尾、切边处理后，进行热轧，热轧终轧板坯的厚度为4.5 mm。热轧板再结晶退火后进行冷轧，冷轧板厚度从4.5 mm轧制到1 mm。冷轧后将板材开卷较平，然后进行热处理工艺试验。

《表1》

表1 合金的化学成分

Table 1 Chemical composition of alloys     

                                                                             %（质量分数）

注：Bal.为余下分数

《2.2 固溶工艺探索》

2.2 固溶工艺探索

固溶处理工艺探索采用边长为 15 mm 的方形试样，固溶淬火方式为室温水淬（温度25 ℃）。试样淬火后室温停留不超过 5 min，进行人工预时效处理。热处理后测试试样显微硬度，获得不同固溶工艺的硬度分布。

制定热处理工艺时，考虑到实际的成本及生产效率等因素，固溶的温度和时间不宜过长，因此本工作选取的固溶温度为 540 ℃和 520 ℃，固溶时间分别为5 min、10 min、15 min、20 min和30 min。固溶处理后进行预时效处理，预时效温度分别为 80 ℃、100 ℃和 170 ℃，预时效时间分别为 0 min、 10 min、30 min 以及 50 min。根据预时效处理后试样的硬度分布来确定适当的固溶工艺。

《2.3 预时效工艺探索》

2.3 预时效工艺探索

采用边长为 15 mm 方形试样在确定的工艺条件下固溶处理，水淬后停留时间不超过5 min，进行预时效处理。短时预时效可以有效提高板材的抗时效敏感性，并增加成形后的烘烤硬化能力。本工作选取的预时效温度为60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃、 140 ℃和 170 ℃，时效时间为 0 min（即 T4 态）、 5 min、10 min和30 min。预时效处理后分别测试预时效试样和预时效+170 ℃×30 min烘烤试样的显微硬度。根据显微硬度结果，确定较优的预时效工艺。

《2.4 性能测试》

2.4 性能测试

热处理试样进行显微硬度测试时均使用自凝牙托粉、牙托水进行冷镶。显微硬度测试设备为 HVS-1000 型数显显微硬度计，加载载荷为 0.5 kg，加载时间10 s，保压时间20 s。

根据确定的热处理工艺对A80试样（试样的取样方向与轧制方向一致）进行热处理，按照 GB/T 228.1—2010金属材料拉伸试验方法规定，在SANS CMT5305拉伸试验机上测试试样的力学性能，按照 GB/T 5027—2007 和 GB/T 5028—2008 分别测试试样的加工硬化指数n 和塑性应变比r。

试样在拉伸机上沿轧向进行2 %预变形，获得 2 %预变形时的强度，随后将2 %预变形拉伸试样在170 ℃烘烤 30 min。烘烤后，进行拉伸试验，按照 BS EN 10325—2006 测试热处理试样的烘烤硬化性能。

《3 试验结果与分析》

3 试验结果与分析

《3.1 固溶工艺的确定》

3.1 固溶工艺的确定

冷轧板经不同固溶工艺处理+不同的预时效工艺热处理后获得的硬度分布结果如图 1~图 3 所示。图中T4表示自然时效状态，PAG表示预时效。图1所示为合金不同条件下固溶+80 ℃预时效后的硬度分布，从图中可以看出，当固溶温度从520 ℃增加到540 ℃时，试样的显微硬度显著增加；在固溶处理初期随着固溶时间增加，试样的显微硬度显著增加，当固溶时间增加到一定程度时，试样的显微硬度接近峰值而趋于稳定。这是由于在固溶初期，固溶温度或者固溶时间的增加使合金中强化元素在αAl基体中的溶解程度增加，水淬后基体中的溶质原子过饱和度增大，从而使试样的显微硬度增加。当固溶温度一定时，增加固溶时间，基体中溶质的固溶度达到一定程度后便不再增加，所以试样的显微硬度在固溶一段时间后达到峰值。

《图1》

图1 合金不同条件下固溶+80 ℃预时效后的硬度分布

Fig.1 Hardness of alloys after different solution and 80 ℃ pre-aging processes

图 2 和图 3 所示为合金不同条件下固溶后在 100 ℃和170 ℃预时效后的硬度分布，其硬度变化规律与80 ℃预时效后的规律一致，即显微硬度随着固溶温度升高以及固溶时间的增加而增加，但试样的显微硬度在一定时间固溶后达到峰值。比较3个不同的预时效硬度分布可知，试样的硬度值均在20 min 固溶后达到峰值。固溶温度升高有利于增加基体的过饱和度，使基体中溶质原子浓度增大，基体抵抗局部变形能力提高，更有利于变形均匀[11，12] 。因此综合考虑确定本合金的合适的固溶工艺为 540 ℃×20 min。

《图2》

图2 合金不同条件下固溶+100 ℃预时效后的硬度分布

Fig.2 Hardness of alloys after different solution and 100 ℃ pre-aging processes

《图3》

图3 合金不同条件下固溶+170 ℃预时效后的硬度分布

Fig.3 Hardness of alloys after different solution and 170 ℃ pre-aging processes

《3.2 预时效工艺的确定》

3.2 预时效工艺的确定

合金在540 ℃×20 min条件下固溶水淬后，分别在 60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃、170 ℃进行 5 min、10 min和30 min的短时预时效处理，其硬度分布如图 4 所示。当合金在 60~170 ℃进行短时预时效时，均出现硬度明显低于原始T4态合金板材硬度的现象，即发生回归现象，且其硬度值降低随预时效温度升高而增加，在较低温度条件下短时保温时，硬度的下降量很小，在较高温度条件下保温时，硬度的下降量增大，最大下降量约12 HV。

预时效初期发生合金的硬度降低现象，预时效时间约5~10 min时，硬度达到最小值（除60 ℃预时效外），随后合金的硬度随着预时效时间增加而增加，尤其是在 170 ℃时，当合金的硬度达到最小值后，随着预时效时间的增加，合金的硬度显著增加。

《图4》

图4 合金不同工艺预时效后的硬度分布

Fig.4 Hardness of alloys after different pre-aging processes

合金不同工艺预时效+170 ℃×30 min烘烤后的硬度分布如图 5 所示。合金在 60 ℃时预时效的硬度值随着预时效的时间增加而降低。这一现象与预时效温度有关，当预时效温度过低时，预时效时过饱和基本中析出少量的溶质元素，由于溶质元素析出的量少，其析出强化效果低于固溶强化效果，引起合金软化，所以合金在60 ℃预时效的硬度降低，由于预时效过程没有形成一定尺寸和数量的原子集团（为β″形成的核心），所以在预时效后的烘烤过程中没有形成使合金硬度增加的β″相，反而溶解了预时效过程中析出的尺寸较小原子集团而导致硬度下降。其他预时效温度条件下，随着预时效时间增加，T4P合金烘烤后的硬度增加。在较低温度条件下，包括 80 ℃、100 ℃和 120 ℃，合金预时效 10 min 后达到峰值硬度，而当温度升高到 140 ℃和 170 ℃时，预时效增加，合金的硬度不断增加。

《图5》

图5 合金不同工艺预时效+170 ℃×30 min烘烤后的硬度分布

Fig.5 Hardness of alloys after different pre-aging processes and 170 ℃×30 min baking

铝合金板材用于汽车覆盖件时，在冲压前要求板材具有良好的成形性，强度不能太高，而成形后要有良好的烤漆硬化能力。根据合金预时效和烘烤硬化的硬度分布结果可以看出，在 120 ℃进行 10 min预时效时，合金的硬度很低，而随后170 ℃× 30 min烘烤后，合金的烘烤硬化效果最好，与其他预时效工艺相比，该工艺热处理的板材最能符合制备覆盖件的要求。因此确定适合合金的预时效工艺为120 ℃×10 min。

《3.3 力学性能及烘烤硬化性能》

3.3 力学性能及烘烤硬化性能

沿板材轧制方向制备 A80拉伸试样，将试样在 540 ℃×20 min 条件下固溶水淬后，进行 120 ℃× 10 min预时效处理，合金热处理后的拉伸结果如表2 所示。合金热处理后的屈服强度较低，屈强比为 0.48，断后延伸率为23 %。合金的n 值较高，有利于板材在冲压过程中的均匀变形，r 值较高，有利于板材冲压时厚度方向的稳定。T4P合金2 %预变形后的强度及 2 %预变形+烘烤后的屈服强度如表 3 所示。材料预变形并烘烤后，其强度显著增加，烘烤硬化值也显著增加。

《表2》

表2 合金预处理后的力学性能

Table 2 Mechanical property of alloy after pre-treatment

注：Rp为屈服强度；Rm为抗拉强度；A为延伸率

《表3》

表3 合金的烘烤硬化性能

Table 3 Baking hardening property of alloy

注：R t2.0为2 %应变对应的强度；BH2为烘烤硬化值

拉伸试验和烘烤硬化处理的结果表明，合金经确定的热处理工艺，即 540 ℃×20 min 固溶水淬+ 120 ℃×10 min预时效热处理后，其成形性能良好， 2 %预变形+170 ℃×30 min烘烤结果表明，试样的屈服强度显著增加，即试样的烘烤硬化性能良好，有利于覆盖件的抗凹性能提高，因此，6016冷轧板采用本工作的工艺热处理后，其成形性能、烘烤硬化性能均能满足制备覆盖件的要求。

《4 结语》

4 结语

1）6016 合金的硬度随着固溶温度升高和固溶时间延长而增加。

2）6016合金进行预时效处理时，随着预时效时间的增加硬度出现先降低后升高的现象，且预时效温度越高，硬度下降值越大。

3）满足覆盖件性能要求的6016合金的热处理工艺为：540 ℃×20 min固溶水淬+120 ℃×10 min预时效处理。