6系易切削铝合金的综合性能研究

6系易切削铝合金的综合性能研究

王岗，杨舜明，陈杰

(广亚铝业有限公司，广东佛山，528237)

摘要

采用硬度测试、室温拉伸测试、金相分析、电导率测试、晶间腐蚀试验和切削试验等研究了6043和6262A易切削铝合金的力学性能、显微组织、耐腐蚀性能和切削性能。结果表明：在力学性能方面，6043合金的峰值时效制度为160℃×7h，峰值硬度为131.2HV，对应的抗拉强度为352MPa，屈服强度为287MPa，延伸率为16.5%；6262A合金的峰值时效制度为170℃×9h，峰值硬度为124.2HV，对应的抗拉强度为298Mpa，屈服强度为275Mpa，延伸率为16.5%。在显微组织方面，虽然6043合金的晶粒尺寸比6262A大，但分布相对更均匀。在耐晶间腐蚀性能方面，6262A合金的耐晶间腐蚀性能最好，其次是6061合金，6043合金最差。在切削性能方面，6262A合金比6043合金的切削能力好，两者皆比6061合金的好。合金成分影响着三种合金的耐晶间腐蚀性能和切削性能。

关键词：

易切削铝合金；力学性能；显微组织；晶间腐蚀；切削性能

Study on Comprehensive Properties of 6 Series Free Cutting Aluminum Alloy

Gang Wang, Shunming Yang, Jie Chen

（Guangya Aluminum Industry Co., Ltd, Foshan, 528237）

Abstract

The mechanical properties, microstructure, corrosion resistance and machinability of 6043 and 6262A free cutting aluminum alloys were investigated by hardness test, tensile test, metallographic analysis, electrical conductivity test, intergranular corrosion test and cutting test. The results show that in terms of mechanical properties, the peak aging system of 6043 alloy is 160℃×7h, the peak hardness is 131.2HV, the corresponding tensile strength is 352MPa, the yield strength is 287MPa, and the elongation is 16.5%. The peak aging system of 6262A alloy is 170℃×9h, the peak hardness is 124.2HV, the corresponding tensile strength is 298Mpa, the yield strength is 275Mpa, and the elongation is 16.5%. In terms of microstructure, although the grain size of 6043 alloy is larger than that of 6262A, the distribution is relatively more uniform. In terms of intergranular corrosion resistance, 6262A alloy has the best intergranular corrosion resistance, followed by 6061 alloy and 6043 alloy. In terms of cutting performance, the cutting ability of 6262A alloy is better than 6043 alloy, and both are better than 6061 alloy. The alloy composition affects the intergranular corrosion resistance and machinability of the three alloys.

Key words: Free cutting aluminium alloy; Mechanical properties; Microstructure；Intergranular corrosion; Performance of cutting

易切削铝合金主要用于制作汽车传动阀、刹车活塞、空调压缩机活塞、电子产品连接件等。在2XXX和6XXX系合金的基础上加入少量的铅和铋制成的传统易切削铝合金由于欧盟ROHS发布的法令，已经逐渐被无铅易切削铝合金代替。无铅易切削铝合金是向铝合金中添加不溶于基体的低熔点金属Sn、Bi等代替有毒的Pb形成低熔点组织组成物，在切削加工过程中吸收刀具和工件摩擦所产生的热量，当温度接近或超过低熔点组织组成物的熔点时，切屑易断不连续，呈现出良好的切削加工性能

[1-8]。

晶间腐蚀是一种沿着金属晶粒间的分界面向内部扩展的局部腐蚀，是由晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在引起的。它严重破坏了晶粒间的结合，大大降低金属的机械强度，但腐蚀发生后金属和合金的表面仍保持一定的金属光泽，看不出被破坏的迹象，因此对服役金属危害极大[9-10]。随着无铅易切削铝合金的研发和应用越来越广泛，人们对其综合性能的要求越来越高，尤其是在海洋、弱酸碱环境下，除了要求其具有较高的强度还需要保证一定的耐腐蚀性能，高强度、耐腐蚀的易切削铝合金具有广阔前景。

本文对6系易切削铝合金中的6043合金和6262A合金的力学性能、显微组织及其耐腐蚀性能和切削性能进行了研究，并与6061合金的耐腐蚀性能和切削性能进行对比，分析讨论了这些性能的影响因素，为其他6系易切削铝合金的研发提供思路。

1 实验材料及方法 

实验采用Al-20Cu合金、Al-20Si合金、Al-65Cr合金和纯度为99.8%的铝锭、纯度为99.9%的镁锭、纯度为99.9%的铋锭、纯度为99.9%的锡锭作为原材料，制备的6043、6262A易切削铝合金和6061铝合金的具体成分如表1所示。各合金的熔炼温度控制在730-750℃，待金属彻底熔化后进行多次精炼并保温静置30分钟。使用半连续铸造设备铸造成Φ178的铸锭，进行570℃×8h的均匀化退火处理，然后挤压成型材。其中，铸锭温度为440-460℃，挤压筒温度为390-410℃，模具温度为430-450℃，挤压速度为3-5mm/s，挤压后试样直接以大于335℃/min的冷却速度水冷到室温。

对各合金进行540*1h的固溶处理后，分别进行以下人工时效：对于6043和6262A合金，分别在160℃、170℃、180℃保温5h、6h、7h、8h、9h（6262A合金补充了180℃*10h/11h时效）；对于6061合金，采用常规最优工艺180℃*8h。本实验以6061合金为对照样品，比较其与6043和6262A合金的耐腐蚀性能和切削性能。

时效后的试样在310HVS-5维氏硬度计进行硬度测试，在GP-IS2000M电子式万能试验机上进行拉伸试验。使用Sigma 2008A型数字涡流金属电导率仪测试力学性能最优工艺下各合金的电导率，试以此评估其耐腐蚀性能。

根据GB/T 7998标准对各样品进行晶间腐蚀试验[11]，样品为1/4圆柱，单个表面积为3080mm2，将待测试面打磨光亮后用乙醇擦拭、分别使用NaOH溶液（1:9）和硝酸溶液（3:7）进行前处理，光亮后取出水洗。腐蚀介质为1L水+30gNaCl+10mlHCl的混合溶液，试验温度为35+-2℃，腐蚀总时间为24h。腐蚀后的样品在垂直主变形方向的一端切除5mm后在DC500金相显微镜中观察。

切削试验在CW6163E车床进行，设置转速为1000r/min，走刀量为0.2mm/r，分别对三种合金进行进刀量为1mm/r和2mm/r的切削试验，观察切削后铝屑的尺寸形貌。

表1三种6xxx铝合金的化学成分/（质量分数，%）

2 实验结果

2.1 力学性能

6043合金和6262A合金在不同时效温度下，分别保温5-9h和5-11h后测得的硬度曲线如图1所示。

对于6043合金，其160℃曲线变化较为剧烈，硬度最高点出现在7h，达到131.2HV，随后硬度快速下降，到9h时甚至降至119.1HV。而170℃和180℃曲线则变化相对平缓，硬度最高点分别出现在7h和8h，为125.7HV和124.3HV。综上，6043铝合金的峰值时效制度为160℃×7h，测得合金此时的抗拉强度为352MPa，屈服强度为287MPa，延伸率为16.5%，分别超国标要求25.7%、14.8%和106.3%。

对于6262A合金，其170℃曲线明显比其他两条曲线硬度值更高，其硬度最高点出现在9h，达到124.2HV，而160℃和180℃曲线的硬度值比较接近，硬度最高点出现在8h，都是120.5HV。综上，6262A铝合金的峰值时效制度为170℃*9h，测得合金此时的抗拉强度为298Mpa，屈服强度为275Mpa，延伸率为16.5%，分别超国标要求14.6%、14.6%和65%。明显地，相比 6262A合金，6043合金具有更高的峰值时效硬度和强度。

图1 不同温度下合金硬度随时效时间的变化曲线。（a）6043铝合金、（b）6262A铝合金

2.2 显微组织

根据最佳力学性能结果，取6043合金的160℃*7h、和6262A合金的170℃*9h试样进行金相分析，其中对6043合金进行放大倍数为100x、200x和500x的金相观察，对6262A合金进行放大倍数为200x和500x的金相观察，如图2所示。对比6043的160℃*7h和6262A的170℃*9h试样的200x和500x金相发现，明显6262A合金晶粒比6043的更小，测得6043和6262A晶粒尺寸分别为119.7µm和41.5µm。但结合6043的160℃*7h试样的100x金相，发现6043合金的晶粒分布比6262A的更均匀。

         6043 160℃*7h 500x                 6262A 170℃*9h 500x

          6043 160℃*7h 200x                 6262A 170℃*9h 200x

     6043 160℃*7h 100x

图2 6043合金和6262A合金不同放大倍数的金相图

2.3 耐腐蚀性能

取6043合金的160℃*7h、和6262A合金的170℃*9h试样进行晶间腐蚀试验，并与6061的180℃*8h试样对比，显微镜放大倍数为100倍，如图3所示。同时，测得6262A、6061、6043样品的电导率分别为：26.65Ms/m、27.54Ms/m、26.43Ms/m。从图中可以看出，6043合金的耐晶间腐蚀能力最弱，晶间腐蚀深度高达432.5µm，且明显看出表面已发生严重破碎；其次是6061合金，其晶间腐蚀深度为312.2µm，表面出现大面积的深坑；耐晶间腐蚀能力最强的是6262A合金，晶间腐蚀深度只有71.5µm，表面相对保持平整。综上，耐晶间腐蚀能力是6262A>6061>6043，且耐晶间腐蚀能力与电导率没有相关性。

            6043 160℃*7h 6262A 170℃*9h

6061 180℃*8h

图3 三种6xxx铝合金的晶间腐蚀程度金相图

2.4 切削性能

切削性能根据车削试验产生铝屑的尺寸形貌判断。铝屑越破碎，尺寸越小，切削性能越好。分别对6061、6043和6262A合金进行车削，其不同进刀量时铝屑的形貌如图4所示。进刀量为1mm/r时：三种合金的铝屑皆断裂成长条状，其中6043条状铝屑相比6262A和6061的更卷曲，6061的条状铝屑最粗；进刀量为2mm/r时：6043和6061的铝屑总体变短、变粗，其中6061的铝屑比6043的更粗，而6262A铝屑整体呈碎片状，但仍存在轻微卷曲。明显的，6262A更快实现铝屑碎化。综合来说，6262A比6043切削性能好，两者皆比6061的好。

6043-1mm/r   6043-2mm/r

6262A-1mm/r                           6262A-2mm/r

  6061-1mm/r                             6061-2mm/r                                        

图3 三种6xxx合金在不同进刀量时的铝屑形貌

3 分析与讨论

3.1 工艺对力学性能的影响

普遍认为 6 系铝合金的时效过程是过饱和固溶体的脱溶分解过程，基本析出序列为：过饱和固溶体→团簇→G.P区→亚稳β〞相→亚稳β′相→平衡稳定相 β (Mg2Si)。时效形成的G.P区、β〞相与基体保持共格的关系，都有效阻碍了金属晶体的变形，但β〞相比G.P畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，强度得到提高。随着时效时间的延长，形成的过渡相 β′与基体半共格，对位错运动的阻碍作用减小，表现在合金性能上硬度开始下降。随着合金进入过时效状态，这时形成的β相完全脱离了母相，与基体的共格关系完全破坏，并形成了自己独立的晶格，合金的强度进一步下降[12-14]。

合金经过峰值时效处理以后，晶内析出相主要为 GP 区和β〞相，细小弥散且密度很高的沉淀强化相是该时效处理状态下合金具有高强度的主要原因。时效温度提高，GP区和β〞相析出的速度加快，但更高的时效温度会使第二相更容易粗化，强化效果下降。随着时效时间延长，在不同时效温度下合金强度达到的峰值不一样。对于6043合金和6262A，其最高强度对应的峰值时效制度分别是160℃*7h和170℃*9h，此时弥散细小的GP 区和β〞相最多，继续延长时效时间或者提高时效温度，析出相粗化，强度会有所降低。

6043合金峰值时效时的抗拉强度为352MPa，屈服强度为287MPa，延伸率为16.5%，6262合金峰值时效时的抗拉强度为298Mpa，屈服强度为275Mpa，延伸率为16.5%。6043合金比6262A合金的强度更高。从显微组织金相图可知，虽然6043合金的晶粒比6262A更粗大，但晶粒分布更均匀，这可能是其强度更高的原因。

3.2 成分对晶间腐蚀性能的影响

6系铝合金的组要成分是Mg和Si，还有少量的Cu。不同的合金元素对铝合金的腐蚀电位影响不同，对Al-Mg-Si-Cu合金来说，Mg元素会降低合金的腐蚀电位，而Si和Cu 元素会使合金的腐蚀电位升高。Mg和Si主要形成Mg2Si相，当Mg/Si＞1.73时，6系铝合金只能在晶界形成不连续分布的Mg2Si粒子，不能形成连续的腐蚀通道，且Mg2Si颗粒的电位和基体的电位比较接近，电偶腐蚀小，因此合金不表现出晶间腐蚀倾向。Mg/Si＜1.73时，6系铝合金的晶界上会同时析出Mg

2Si相与Si颗粒，腐蚀首先会在Mg2Si相表面和Si粒子边缘的无沉淀带产生，然后沿晶界Mg2Si相与Si颗粒边缘的无沉淀带发展，Si粒子的存在会加速Mg2Si相与基体的极性转换过程，从而促进Mg2Si相边缘的无沉淀析出带溶解，导致合金表现出严重的晶间腐蚀敏感性。Cu元素的加入能提高合金的强度，但同时降低了合金的耐腐蚀性能。当Cu元素的质量分数为0.05%-0.1%时，热处理的铝合金有晶间腐蚀倾向。Cu的质量分数越高，合金的晶间腐蚀程度越严重[15]。

6043合金、6262A合金和6061合金的Mg/Si分别是1.35、1.61和1.50，皆小于1.73，因此三种合金皆表现出晶间腐蚀倾向。从晶间腐蚀金相图可以看出，晶间腐蚀程度为6043>6061>6262A，与Mg/Si大小成反比。6043合金发生了严重的晶间腐蚀，表面已发生严重破碎，6262A合金则只发生了点腐蚀，表面基本上保持完整。另外，6043合金的Cu元素为0.587%，远高于6262A合金和6061合金，这也是造成6043合金晶间腐蚀程度高于其他两种合金的原因之一。尤其是6262A合金与6061合金的Mg/Si接近，Cu元素是主要的影响因素。

3.2 成分对切削性能的影响

易切削铝合金的原理是在铝合金中添加不溶于基体的低熔点元素使其形成低熔点组织组成物，并在铝基体中以球状粒子弥散分布。在切削加工过程中，由于刀具和工件间的摩擦作用产生大量的热，导致低熔点物质的软化和熔化，从而增强了合金的断屑性能。从环保角度考虑，含Pb易切削铝合金逐渐被含Bi、Sn易切削铝合金代替。然而，Bi在Al-Mg-Si易切削铝合金中更加容易与Mg结合形成Mg3Bi2，阻止或者延缓主要强化相Mg2Si的形成，会在一定程度上影响合金的强度。因此需要将Bi、Sn和Mg的含量相应控制在一定的成分范围内[16-18]。

6061合金不含低熔点元素Bi和Sn，在不同进刀量的切削试验中，其铝屑皆比6043合金和6262A合金的粗和长，切削性能最差。6262A合金与6043合金的Bi含量接近，但6262A合金的Sn含量为0.529%，高于6043合金的0.329%，其切削性能更好。从图3可以看出，6262A合金切削时更快产生形貌细小的铝屑。

4 结论

（1）6043合金的峰值时效制度为160℃×7h，峰值硬度为131.2HV，对应的抗拉强度为352MPa，屈服强度为287MPa，延伸率为16.5%；6262A合金的峰值时效制度为170℃×9h，峰值硬度为124.2HV，对应的抗拉强度为298Mpa，屈服强度为275Mpa，延伸率为16.5%。在显微组织方面，虽然6043合金的晶粒尺寸比6262A大，但分布相对更均匀。

（2）比较了6043合金、6262A合金和6061合金的耐晶间腐蚀性能和切削性能，发现耐晶间腐蚀性能大小为：6262A>6061>6043。在切削性能方面，6262A合金比6043合金的切削能力好，两者皆比6061合金的好。合金成分影响着三种合金的耐晶间腐蚀性能和切削性能。

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通讯作者：

杨舜明（1990-），男，硕士学历，工程师，主要从事金属材料加工与技术管理工作等。Tel：18707564808，E-mail：564077147@qq.com