6005鋁合金方管彎曲性能研究

劉麗瑜，張 健，董必堅，王 俊，張歧宸，孫 響

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著現(xiàn)代建筑工具的快速發(fā)展，在實際安裝使用時對材料的輕便型、耐蝕性及便攜性要求越來越高。鋁合金制品因其質(zhì)量輕、耐腐蝕性能好、拉伸性能高等特點而成為建筑及交通用工具的首選材料[1]。6005鋁合金屬于中高強Al-Mg-Si系鋁合金，為可熱處理強化鋁合金，主要用于制造既要有高強度又要有高斷裂韌性的焊接結(jié)構(gòu)，如建筑用鋁合金旋梯，其強度高于常用的6063鋁合金[2]。根據(jù)客戶提出的相關(guān)技術(shù)性能要求，在保證較高強度的情況下，三點彎曲試驗不發(fā)生斷裂。我們對此進行了前期的工藝設(shè)計及試制生產(chǎn)，總結(jié)出符合客戶要求的工藝制度。

1 材料及試驗設(shè)備

1.1 試驗材料

試驗用鋁合金方管信息為，產(chǎn)品型號SOMA-A000350，合金狀態(tài)6005-T5，機臺噸位800T，定尺長度500mm，壁厚3mm，斷面如圖1所示。

圖1 斷面圖Fig.1 Sections

1.2 試驗設(shè)備

試驗用設(shè)備為電子萬能試驗機，型號AG-X 250kN，壓頭直徑90mm，跨距300mm，彎曲過程如圖2所示。

圖2 彎曲過程示意圖Fig.2 Diagram of bending process

2 試驗方案

2.1 生產(chǎn)信息

本次試驗主要使用8.8MN油壓雙動臥式鋁擠壓機進行擠壓生產(chǎn)，鑄錠規(guī)格為120mm×510mm，鑄錠加熱溫度為480℃～500℃，擠壓速度為5.0m/min～5.5m/min，采用穿水的淬火方式，生產(chǎn)后將產(chǎn)品取回進行彎曲試驗。

2.2 熱處理制度

在生產(chǎn)過程中產(chǎn)品已得到充分固溶，通過控制時效過程來改變材料的性能，從而控制其彎曲性能。因此，將實驗材料分別進行欠時效、峰值時效、過時效等幾種時效狀態(tài)，分組進行彎曲試驗并觀察其彎曲性能及力學性能的變化情況。根據(jù)時效狀態(tài)，將材料進行分組實驗并分別按照表1中時效制度實施。

表1 熱處理制度

將方管進行峰值時效，并根據(jù)峰值時效情況，上下浮動分別進行欠時效和過時效處理，通過觀察實驗結(jié)果適當調(diào)節(jié)時效制度，使其能滿足客戶要求。

3 試驗過程

3.1 彎曲狀態(tài)及時效制度對彎曲的影響

將不同熱處理制度的方管在250kN的壓力試驗機上進行彎曲試驗，跨距為300mm，試驗用壓頭為90mm，彎曲角度為135°。

第一組試驗分別采用175℃×4h、175℃×8h、175℃×12h的時效制度，時效后測得韋氏硬度均為15HW～16HW。將時效后的試樣分別進行彎曲試驗，試驗后均發(fā)生斷裂現(xiàn)象，如圖3所示。試驗過程中，由于材料強度較大，彎曲程度較差，方管在彎曲過程中呈脆性開裂現(xiàn)象。

圖3 175℃峰值時效處理Fig.3 Peak aging treatment of 175 ℃

第二組試驗采用過時效處理，時效制度分別為203℃×3h、203℃×3h、203℃×5h、203℃×6h，時效后測得的韋氏硬度分別為15.1HW～15.2HW、14.8HW～15HW、14.5HW～14.8HW、13.5HW～14.2HW。將時效后的試樣分別進行彎曲試驗，試驗后均發(fā)生斷裂現(xiàn)象，如圖4所示。本組試驗的主要目的是降低產(chǎn)品的強度及硬度，使其韌性提高，并能夠滿足客戶要求，然而在彎曲試驗中，試驗料樣均發(fā)生脆性斷裂，其彎曲效果較差。

圖4 203℃過時效處理(斷裂)Fig.4 203 ℃ aging treatment (fracture)

第三組試驗采用欠時效處理，時效制度分別為145℃×4h、145℃×5h、145℃×6h、145℃×7h，時效后測得的韋氏硬度分別為13.2HW～13.6HW、14.2HW～15HW、15.5HW、15.2HW～15.5HW。將時效后的試樣分別進行彎曲試驗，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)1#和2#產(chǎn)品其內(nèi)外角均無裂紋(圖5(a)和圖5(b))，而3#和4#產(chǎn)品則發(fā)生斷裂現(xiàn)象(圖5(c))，由此可見采用欠時效處理，在一定范圍內(nèi)其彎曲效果良好。

根據(jù)第三組試驗結(jié)果，將時效制度上下浮動調(diào)節(jié)，觀察其性能及彎曲情況，由此確定其時效時間的范圍區(qū)間，而進行第四組試驗。

在第四組試驗中分別采用145℃×3h、145℃×3.5h、145℃×5.5h的時效制度進行試驗，時效后測得韋氏硬度分別為12.5HW、13.0HW、14.0HW～15.0HW。彎曲試驗后其檢測結(jié)果均為內(nèi)外角無裂紋現(xiàn)象，如圖6所示，其彎曲效果良好，但時效制度為145℃×3h料樣，其硬度值不符合13HW～15HW范圍要求。

(a)外角；(b)內(nèi)角；(c)斷裂圖5 145℃欠時效處理Fig.5 145 ℃ owe aging treatment

(a)外角；(b)內(nèi)角圖6 調(diào)整后的145℃欠時效處理Fig.6 145℃ owe aging treatment after adjustment

經(jīng)過這一系列彎曲試驗可以得出，采用欠時效制度在145℃×3.5h～145℃×5.5h范圍區(qū)間內(nèi)，其彎曲效果良好。

3.2 性能檢測結(jié)果

上述4組試驗所對應(yīng)力學性能檢測結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出以下幾點：

(1)從第一組試驗可以看出，相對于峰值時效，欠時效較過時效，其延伸率相對有所提升，但屈服強度而有所下降，其屈強比較低；

(2)對比第二組與第三組實驗結(jié)果可以看出，過時效的屈服強度明顯高于欠時效，屈強比明顯較大，而斷面延伸率卻相反，同時在彎曲試驗中第三組試驗的1#、2#料樣未發(fā)生斷裂現(xiàn)象且其性能滿足客戶提出的抗拉強度≥245MPa的要求，由此可知延伸率及屈強比的大小對彎曲性能的影響較大。

(3)第三組試驗的1#、2#料樣和第四組試驗的2#、3#料樣的各項性能均能滿足客戶要求且均未發(fā)生斷裂現(xiàn)象，由此可以確定時效溫度為145℃時其時效時間在3.5h～5.5h的區(qū)間范圍內(nèi)可滿足客戶要求。

3.3 成分檢測

成分檢測結(jié)果見表3。

表2 力學性能檢測情況

表3 6005合金成分檢測值 (質(zhì)量分數(shù)，%)

3.4 高倍組織

該合金的晶粒度檢測結(jié)果如圖7((a)50X,(b)100X所示，晶粒度等級評為2級，合金中再結(jié)晶抑制元素Mn、Cr含量均較少，晶粒較為粗大。

圖7 高倍晶粒度Fig.7 High grain size

4 結(jié)論

1)合金的屈強比較高，延伸率較差容易發(fā)生脆性斷裂，而過時效相對于欠時效處理，其屈強比較高，延伸率較差，呈脆性斷裂，彎曲效果較差；

2)晶粒越細小，越有利于合金變形，延伸率越好，可以考慮增加再結(jié)晶抑制元素，采用Mn、Cr含量相對較高的6005A合金，其彎曲效果會更好；

3)該合金可采用145℃×(3.5h～5.5h)的時效制度，彎曲效果較好，各項性能均能滿足客戶要求。