1、前言
6063为6×××系铝合金中典型的可热处理强化合金，具有中等强度、优良的挤压性能，对应力腐蚀不敏感，良好的热塑性及焊接性能及后续的五金加工性能。可以高速挤压成结构复杂的各种民用或军用型材或锻造成结构复杂的结构件[1-5]。在6063 铝合金的化学成分中, Mg、Si元素为其主要的合金元素，其在铝基体中主要生成Mg2Si强化相，根据合金元素的配比，6063铝合金中Mg2Si含量为1.2%左右，Mg、Si含量按形成Mg2Si需要的量，即Mg:Si=1.73:1而设计，若Mg过剩，Mg2Si在铝中的溶解度会显著减小，强化效果降低。若Si过剩，会降低合金抗蚀效果[6, 7]。
在如今铝型材生产及加工产品竞争日益激烈的今天，为了在保证质量的前提下降低生产成本，提高竞争力，铝型材五金加工客户对铝型材生产厂家提出更为苛刻的要求，特别是一些中小型的铝型材五金加工客户，由于实际条件所限，需尽量减少生产工艺。如铝型材在进行大变量弯曲加工时，常规方法是在购入铝型材后进行固溶时效，再进行冷加工，而后人工时效，即所谓的T8状态，而现在五金加工厂则提出采用T4、T5、T7状态，以降低生产成本，提高效率。这就要求铝型材生产厂家能够用适合的热处理工艺延缓时效效果，保持产品冷加工前的塑性，又能在冷加工后提高产品的抗拉强度。本公司生产的汽车天窗系列（如图1所示）产品就遇到上述情况，通过对其长期研究发现，欠时效工艺能很好的解决上述产品遇到的问题。
图1 6063汽车天窗系列型材产品实物图
2、材料及试验方法
试验用材料为本公司自主生产的6063铝合金热挤压型材，化学成分如下：
表1 合金成分W﹙％﹚
通过成份分析可发现，Mg:Si比为1.22，小于常规的Mg:Si比，基体中Mg过低，从而可实现产品在到达五金加工厂冷加工时相对低的屈服强度，这就为产品后续的冷弯曲时较好的塑性而不开裂提供了先决条件。
同时为了提高产品冷弯曲后较高的抗拉强度，保证产品的正常使用，产品在出厂前进行了在线固熔处理，强风冷却淬火，降至室温后进行人工时效的处理工艺。分为在0、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、150 min时间段分别取样研究。冷却后测量其韦氏硬度，结果如图2所示，其于图2结果，对所得样品依次用微机控制电子万能试验机测定了其拉伸力学性能（为了保证实验的精度与可靠性，每组样口实验3次，取平均值），起始应变速率为2.0×10-3 mm/s，所得结果如图3所示。
3、试验结果及分析
6063铝合金产品在190 oC时效的硬度-时效时间曲线示于图2。由图可知，该合金产品在190 oC、2.5 h内硬度逐步上升到HW13，在时效的前20 min内其硬度与HW3迅速增加到HW9，硬度的提高速度很快，在后续的2个多小时内，其强度缓慢的增加到HW13，硬度提高速度很慢。从上述曲线的形状来看，其硬度的增加速度在后期越来越慢，这就能为其后期的五金加工争取时间。
图2 铝合金在190℃温度下的硬度-时间曲线
6063铝合金在190 oC下时效硬度-强度曲线于图3。由图可知，在190 oC温度下欠时效阶段中，6063铝合金的抗拉强度和屈服强度均为在时效的初始阶段快速上升，且抗拉强度的上升速度大于屈服强度的上升速度；而在时效后的中后期，抗拉强度和屈服强度的上升速度则有了显著区别，抗拉强度的上升速度明显小于屈服强度的上升速度，客户要求本产品在一定强度下（σb＞180 Mpa）降低其屈服强度。从图3中可发现，通过190 oC下的欠时效处理，180 Mpa的抗拉强度处于时效的初始阶段，即抗拉强度的上升速度大于屈服强度的上升速度的时期，这就相当于在抗拉强度一定的条件下，相应了减小了屈服强度。
为了对图3有更清楚的认识，对抗拉强度与屈服强度的差值进行对比分析，如图4所示。从图中可以发现，两者的差值在初始时效阶段越来越大，在时效30 min时达到最大，这与图3抗拉强度的上升速度大于屈服强度的上升相一致。在时效30 min以后，两者的差值越来越小，说明屈服强度的上升速度比抗拉强度的上升要快，这图3的时效中后期结果一致。在时效30-50 min内的时间，该产品的抗拉强度约在180 Mpa左右，而其屈服强度的增长也处于最低阶段，这就为客户后期的冷弯加工提供了可能，所以为满足客户要求，在190 oC人工时效30-50 min时最为适宜。客户也可以在弯加工之后，再进行时效提高产品性能。
图3 铝合金在190℃温度下时效强度-时间曲线
图4 铝合金在190℃温度下强度差-时间曲线
6063铝合金热处理可强化相β（Mg2Si）相，在线固熔后，合金为过饱和固熔体。对其人工时效脱熔序列为α过饱和固熔体→GP区→β〞相→β＇相→β相。时效初期Mg、Si原子在铝基体的晶面上聚集，形成溶质原子富集区即G.P区，与基体保持共格关系，边界上的原子为母相A和G.P区所共有。为了同时适应两种不同原子排列形式，共格边界附近产生弹性应变，正是这种晶格的严重畸变阻碍了位错运动，从而提高了合金的硬度。随着时效温度的提高或时效时间的延长，Mg、Si原子进一步富集并趋向有序化，迅速长大成针状或棒状即为β〞相，其C轴方向的弹性共格结合引起的应变场最大，它的弹性应力也最高，当β〞相长大到一定尺寸，它的应力场遍布整个基体，应变区几乎相连，此时合金的硬度最高；随着时效过程的进一步发展在β〞相的基础上，Mg、Si原子进一步富集形成局部共格的β＇过渡相，其周围基体的弹性应变有所减轻，对位错运动的阻碍减少，此时强度达到最大值，硬度已有所下降。
时效后期在β＇相与基体界面上形成稳定的β相，失去了与基体之间的共格联系，完全从基体中脱离出来，共格应变消失，硬度下降[6, 7]。从6063时效强化理论可看出，在Mg元素量不饱和，且欠时效的情况下，脱熔序列依次为α过饱和固熔体→GP区→β〞相，在固溶阶段形成的α过饱和固熔体在时效的初始阶段开始有Mg、Si原子在基体晶面上的聚集，随着时效时间的延长聚集的原子形成Mg2Si相，形成β〞相，如果在欠时效和短时间的人工时效时间（30-50 min），则得到的相为GP区相，在该相时材料的抗拉强度与屈服强度有最大的差值。
4、结论
研究了6063铝合金在欠时效热处理时不同时间对6063铝合金硬度、抗拉强度和屈服强度的影响。在190 oC的欠时效条件下， 2.5 h内分段取样研究，发现采用190 oC、30~50 min的人工欠时效的时效制度可达到抗拉强度与屈服强度的差值最大，可实现时效后的产品进行后续冷弯曲加工。
（1）6063铝合金在人工时效时，材料的硬度、抗拉强度与屈服强度随时效时间的延长而增加，且在不同的时效时间内增长的速度不一样。
（2）在进行欠时效工艺条件下，30-50 min的短时间时效可使材料处于GP区相，材料的抗拉强度与屈服强度的差值达到最大，产品性能最为适宜，满足客户要求。
