孙 亮，刘兆伟，张 宇，杨 丽，李延军，王洪卓，贾永强

（辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003）

6系铝合金不仅具有良好的热塑性、优良的耐蚀性及理想的综合力学性能，而且很易氧化着色，因而被广泛用于工业型材、汽车及建筑行业[1-4]，但该合金化学成分范围较宽，生产出的型材力学性能波动很大，有时甚至出现不符合要求的现象，给后续的深加工带来困难[5-8]。由于该合金由Al、Mg和Si 3种主要元素构成，在Al、Mg2Si和Si的3相区内，Mg2Si是唯一的强化相，所以该相的含量、分布及状态对材料性能起着重要的作用[9-11]。为解决这一实际问题，在针对材料的性能设计合理的化学成分时，有必要对该合金的主元素Mg和Si做深入研究，完全生成强化相Mg2Si的Mg和Si元素的正常质量比为1.73[12-13]，大于或小于这个值时组织中都会有过剩的Mg或Si元素存在（实际生产中两者的比值一般小于1.73，使Si元素略有过剩），对于不同性能要求的6系铝合金材料，Mg和Si质量比是不同的[14-15]。

为合理改善6系铝合金材料的组织与性能，扩展铝合金在汽车行业的应用范围。本文在试验的基础上分析了Mg和Si质量比对6系铝合金显微组织、力学性能、导电性以及韧性的影响。

1 试验方法

1.1 试验方案

设计3种不同Mg和Si质量比（分别为0.73，1.19和1.30）的铝合金（成分见表1），采用半连续铸造方法制备铝合金铸锭。由于实际生产时合金中通常含有Fe、Mn等元素，这些元素会抢夺Si元素形成AlFeSi等化合物，从而减少合金中Mg2Si的生成量。为了保证合金强度，设计时必须要有过剩的Si元素来补充Fe、Mn等元素造成的损失。

表1 合金成分（质量分数/%）Tab.1 Compositions of the alloy (mass fraction/%)

采用箱式电阻炉对铝合金铸锭进行均匀化热处理，均匀化制度均为530 ℃×8 h，水冷。随炉放置测温仪对料温进行监控，保持实际料温不超过设定温度±3 ℃。均匀化热处理后的铸锭在2 750 T卧式挤压机进行挤压生产，挤压型材断面为长170.0 mm，宽55.0 mm，壁厚为2.8 mm的方框，挤压工艺参数见表2。对挤压型材进行185 ℃×4 h的时效热处理，然后进行组织与性能检测，静态压溃试样长300.0 mm，压下量为200.0 mm，下压速度100.0 mm·min-1。

1.2 性能测试

在精度为±3 ℃的纳博热N675箱式电阻炉中进行热处理；在AG-X100KN型电子万能试验机上进行室温力学性能测试；在D60K型数字金属电导率测量仪进行电导率测量；使用AX10型光学显微镜（optical microscope,OM）进行显微组织观察，并对粗晶层厚度进行多点测量后取平均值；使用SSX-550型扫描电子显微镜（scanning electron microscop，SEM）观察第二相形貌和分布。

表2 挤压工艺参数Tab.2 Parameters of the extrusion process

2 试验结果及分析

2.1 Mg和Si质量比对组织的影响

对不同Mg和Si质量比的铝合金挤压型材进行粗晶层检测，如图1所示。由图1可知，随着Mg和Si质量比增加，挤压型材的粗晶层厚度降低，边部与心部组织不均匀性降低。由于Mg和Si质量比越小，过剩的Si越多，Si易于在晶界偏析，引起合金脆化、降低塑性，从而使挤压温度升高，晶粒发生长大，导致粗晶层增加。经过测算得知，平均粗晶层厚度分别为 111.86，90.03和 14.89 μm。

图1 不同Mg和Si质量比的挤压型材粗晶层Fig.1 Coarse grain layers of the extruded profiles with different mass ratios of Mg to Si

图2为不同Mg和Si质量比的挤压型材的显微组织。随着Mg和Si质量比增加，尺寸较大的析出相数量有所减少，当Mg和Si质量比为1.30时析出相的尺寸最小。文献[16]研究指出，尺寸较大的析出相可能为富Si相，过剩的Si含量随Mg和Si质量比增大而降低，所以大尺寸析出相减少，细小的弥散析出相数量增加。

2.2 Mg和Si质量比对性能的影响

图2 不同Mg和Si质量比的挤压型材显微组织Fig.2 Microstructures of the extrusion profiles with different mass ratios of Mg to Si

图3为Mg和Si不同质量比的铝合金挤压型材拉伸性能和硬度曲线。当Mg和Si质量比为0.73，1.19和 1.30时，对应的屈服强度为 286，283 和278 MPa，抗拉强度为 313，306 和 300 MPa，维氏硬度为103.5，101.8和97.6。随着比值增加，铝合金的强度有少量下降。一方面是剩余Si含量减少时，剩余Si与其他合金元素形成硬质化合物减少，降低强度；另一方面，Mg和 Si质量比增加时，生成Mg2Si强化相增多，使强度增加。两方面同时作用，导致强度下降幅度很小。同理，硬度随Mg和Si质量比的增加而减小。

图3 Mg和Si质量比对拉伸性能和硬度的影响Fig.3 Effect of mass ratios of Mg to Si on tensile properties and hardness

图4 Mg和Si质量比对弯曲性能的影响Fig.4 Effect of mass ratios of Mg to Si on bending properties

不同Mg和Si质量比铝合金挤压型材的弯曲性能如图 4所示，平均折弯角度分别是 85.2°，98.8°和102.1°。由图4可知，2种方向折弯时最大折弯角度都随Mg和Si质量比增加而增加。由于比值增加，剩余Si含量减少，含Si硬质化合物也减少，强度降低，塑性增加，则最大折弯角度呈上升趋势。挤压效应造成垂直挤压方向的最大折弯角度大于平行挤压方向的，当Mg和Si质量比为1.30时，折弯角度最大，说明此比值下折弯性能较好。

不同Mg和Si质量比的铝合金挤压型材电导率如图5所示，电导率分别是42.51，45.99和51.86%IACS，电导率随Mg和Si质量比增加呈上升趋势。铝合金中合金元素对导电性能的影响很大，主要取决于元素的加入量和存在形式[17]。一般来说，合金元素的加入会降低组织均匀性和纯净度，均不利于导电，并且固溶元素引起的电导率下降远大于析出态的元素。当Mg和Si质量比为1.30时，导电性能最佳，主要因为少量过剩Si能抑制Fe元素向粗大AlFeSi相转化，所以合金的导电能力好。当Mg和Si质量比较小时，Si过剩量增多，则极易出现AlFeSi相粗大化，降低组织均匀性，从而使合金的导电能力下降。

图5 Mg和Si质量比对电导率的影响Fig.5 Effect of mass ratios of Mg to Si on electrical conductivity

图6为不同Mg和Si质量比铝合金静态压溃试验后的表面形貌。由图6可知，随着Mg和Si质量比的增加，抗裂纹性能逐渐提高，当比值为0.73时，出现撕裂状裂纹，长度大于30 mm；当比值增加到1.19时，裂纹尺寸明显减小，长度约为15 mm；当比值为1.30时，裂纹长度约为10 mm。因为基体中过剩Si元素易生成含Si的脆性相，随着比值的增加，脆性相的数量减少，同时组织均匀性增加，受力更加均匀，韧性增加，所以裂纹长度明显减小。

图7为不同Mg和Si质量比的铝合金静态压溃载荷、均值载荷和吸收功曲线。由图7（a）可知，随着Mg和Si质量比的增加，合金压溃的第一峰值载荷呈微弱的先降低后上升的趋势。当比值为0.73时，最大载荷为177.16 kN，第一峰值出现位置无明显变化，说明铝合金从弹性屈服转变到塑性屈服的临界点几乎无变化。由图 7（b）和（c）可知，随Mg和Si质量比的增加，试样均值载荷峰值降低，吸能性能呈先降低后升高的趋势。当比值为1.30时，合金承受的载荷最大，吸收功最大，压溃性能最好。

图6 不同Mg和Si质量比的铝合金静态压溃后形貌Fig.6 Morphologies of the static crushed aluminum alloys with different mass ratios of Mg to Si

图7 Mg和Si质量比对静态压溃载荷、均值载荷、吸收功的影响Fig.7 Effect of mass ratios of Mg to Si on static crushing load,mean load and absorption energy

3 结 论

本文研究了Mg和Si质量比对6系铝合金组织及性能的影响，得到的主要结论如下：

(1) 铝合金组织的粗晶层厚度与析出相的尺寸随Mg和Si质量比的升高而减小。铝合金屈服强度、抗拉强度和硬度随Mg和Si质量比的升高而出现小幅度降低。

(3) 电导率随Mg和Si质量比增加呈上升趋势，当Mg和Si质量比为1.30时，导电性能最佳。

(4) 随着Mg和Si质量比的增加，抗裂纹性能逐渐提高，当比值为1.30时，裂纹长度约为10 mm。

(5) 随着Mg和Si质量比的增加，合金压溃的第一峰值载荷呈微弱的先降低后上升的趋势，当比值为1.30时，铝合金承受的载荷最大，吸收功最大，压溃性能最好。