6061鋁合金擠壓棒材粗晶問題研究

高 爽，劉建生，王 睿，李延軍，楊 明，遠繼才

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著車體輕量化的發(fā)展，鋁合金以其質(zhì)量輕、可強化、比強度高等優(yōu)點得到了廣泛重視。6061鋁合金為典型的中等強度Al-Mg-Si系鋁合金，具有良好的塑形和優(yōu)良的抗蝕性和可焊性，主要應(yīng)用于需要良好耐蝕性能及強度的大型結(jié)構(gòu)件、卡車、船舶、鐵道車輛等結(jié)構(gòu)件中[1]。國內(nèi)很多學(xué)者對6061鋁合金粗晶問題做了大量研究。李煒煒[2]等人發(fā)現(xiàn)反擠壓時，減少Mn、Cr等元素，增大擠壓比和擠壓速度都會增大粗晶環(huán)的深度。張紅梅[3]等人發(fā)現(xiàn)大棒徑的6061鋁合金擠壓棒材尾端中心區(qū)的粗大晶粒是不完全再結(jié)晶組織，是由于擠壓后期接近殘料的尾端表面金屬和死區(qū)金屬與中心金屬卷在一起進入制品中心或金屬變形梯度的劇烈變化所致。而對正向擠壓6061鋁合金小棒材產(chǎn)品，通過均質(zhì)制度及固溶熱處理制度來解決粗晶問題的報道較少。在實際生產(chǎn)中，鋁合金的粗晶問題對產(chǎn)品的性能有很大影響，本研究為了獲得高強度、無粗晶的6061棒材產(chǎn)品，采用Mn、Cr含量較高的6061成分，通過使用鑄錠均質(zhì)與否、固溶熱處理制度等方面進行試驗，并對正向擠壓后的棒材低倍組織進行觀察分析，從中找到各個工藝參數(shù)對6061棒材粗晶影響的規(guī)律，同時為以后該合金的進一步研究打下基礎(chǔ)。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

試驗使用半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的兩種6061合金鑄錠，一種是未做均質(zhì)處理，一種經(jīng)過560℃±5℃×8h的均質(zhì)處理，規(guī)格均為Φ174mm×600mm。試驗設(shè)備包括18MN臥式單動擠壓機、便攜式側(cè)溫表、放大鏡、金相顯微鏡、電子萬能試驗機。

1.2 試驗過程

1.2.1 擠壓生產(chǎn)過程

采用18MN臥式單動擠壓機進行在線水冷生產(chǎn)，棒材斷面為Φ44mm的圓形；擠壓工藝參數(shù)為，棒材溫度490℃±10℃，模具溫度450℃±10℃，擠壓筒溫度420℃～460℃，擠壓速度3.0m/min～4.0m/min，冷卻方式水冷。

1.2.2 宏觀及微觀檢測過程

將生產(chǎn)后的棒材沿擠壓方向取長度為50mm的試樣，固溶制度分別采用510℃×1h、520℃×1h、530℃×1h。將固溶后的試樣按照GB/T3246.1處理后，使用金相顯微鏡觀察其顯微組織；將固溶后的試樣按照GB/T3246.2處理后，觀察其宏觀組織。

1.2.3 力學(xué)性能檢測過程

將生產(chǎn)后的棒材沿擠壓方向取長度為200mm的試樣，固溶制度分別采用510℃×1h、520℃×1h、530℃×1h，將固溶熱處理后的力學(xué)試樣進行時效處理，時效制度為175℃×8h。將時效后的試樣按照GB/T228.1處理后，使用電子萬能試驗機對力學(xué)試樣進行拉伸試驗，獲得試樣力學(xué)性能值。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 宏觀組織檢測

采用未均火、均火鑄錠擠壓生產(chǎn)后的棒材，沿擠壓方向切取的試樣分別經(jīng)510℃×1h、520℃×1h及530℃×1h的制度淬火處理后，對試樣按照GB/T3246.2處理，觀察其橫斷面的粗晶環(huán)厚度，試樣的低倍檢測結(jié)果如表1所示，部分宏觀組織如圖1所示。 從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，(1)采用均質(zhì)棒擠壓后的試樣粗晶環(huán)厚度小于使用未均質(zhì)鑄錠生產(chǎn)；(2)采用均質(zhì)鑄錠擠壓并經(jīng)510℃×1h 或520℃×1h的固溶制度后的粗晶環(huán)厚度為0mm；(3)在使用同種狀態(tài)的鑄錠生產(chǎn)時，經(jīng)低溫固溶熱處理制度后的粗晶環(huán)明顯減少。

表1 低倍組織檢測結(jié)果

(a)未均火鑄錠+510℃×1h；(b)未均火鑄錠+520℃×1h；(c)未均火鑄錠+530℃×1h；(d)均火鑄錠+510℃×1h；(e)均火鑄錠+520℃×1h；(f)均火鑄錠+530℃×1h圖1 宏觀組織Fig.1 Macrostructure organization

圖1中(a)、(b)及(c)為采用未均火鑄錠擠壓棒材的尾端試樣；(a)經(jīng)510℃×1h的固溶熱處理后，經(jīng)堿蝕后觀察其端面出現(xiàn)明顯的環(huán)狀粗晶組織，粗晶環(huán)厚度約為0.8mm；(b)經(jīng)520℃×1h固溶熱處理經(jīng)堿蝕后，端面出現(xiàn)厚度約為2mm的環(huán)形粗晶組織；(c)經(jīng)530℃×1h固溶熱處理經(jīng)堿蝕后，端面出現(xiàn)厚度約為3mm的環(huán)形粗晶組織。圖1中(d)、(e)及(f)為采用均火鑄錠擠壓棒材的尾端試樣；(d)經(jīng)510℃×1h的固溶熱處理后，端面未出現(xiàn)粗晶組織；(e)經(jīng)520℃×1h的固溶熱處理后，端面未出現(xiàn)粗晶組織；(f)經(jīng)530℃×1h的固溶熱處理后，試樣端面出現(xiàn)約為0.2mm的環(huán)狀粗晶組織。

2.2 微觀組織檢測

對熱處理后的試樣按照GB/T3246.1處理后，使用金相顯微鏡觀察其顯微組織，部分晶粒度檢測結(jié)果如圖2所示，晶粒度評級如表2所示。從檢測結(jié)果可以看出，(1)棒材的心部晶粒度均無明顯差別；(2)未均質(zhì)鑄錠生產(chǎn)的棒材，經(jīng)固溶熱處理后，邊部有粗大晶粒，晶粒度等級小于-0.5級；(3)采用均質(zhì)鑄錠，低溫固溶后，試樣邊部晶粒細小均勻，與心部晶粒度等級相近。

(a)2W2心部晶粒度6.5級 ；(b)2T1心部晶粒度7級；(c)2T1 邊部晶粒度-0.5級；(d)4W2 心部晶粒度6.5級；(e)7T1邊部晶粒度7.5級；(f)7W2 邊部晶粒度1級；(g)8W2 心部晶粒度7級；(h)8W2 邊部晶粒度7級圖2 試樣晶粒度等級Fig.2 Sample grain degree grade

表2 晶粒度檢測結(jié)果

2.3 力學(xué)性能檢測

根據(jù)宏觀及微觀檢測結(jié)果可以看出，在兩種固溶制度下，使用均火鑄錠生產(chǎn)的棒材粗晶環(huán)明顯小于未均火棒，后期僅對使用均火鑄錠的試樣進行175℃×8h時效處理。將時效后的試樣按照GB/T228.1處理后，使用電子萬能試驗機對力學(xué)試樣進行拉伸試驗，試樣力學(xué)性能值如表3所示。

表3 力學(xué)性能檢測結(jié)果

從檢測結(jié)果可以看出，(1)使用均火鑄錠生產(chǎn)的棒材，隨著固溶溫度的升高，棒材的力學(xué)性能增大，固溶溫度為520℃及530℃時，試樣的力學(xué)性能差別較小；(2)在固溶制度為520℃×1h時，棒材已達到充分固溶的狀態(tài)。

2.4 鑄錠是否均勻化對棒材粗晶影響分析

從表1及表2 的檢測結(jié)果可以看出，在擠壓工藝及固溶熱處理制度相同時，使用均質(zhì)鑄錠的棒材粗晶環(huán)厚度小甚至無粗晶。這是由于鑄錠經(jīng)均勻化處理后，鑄棒內(nèi)部組織更均勻，第二相能夠充分溶解到基體中，在擠壓生產(chǎn)時變形抗力小，變形均勻，使擠壓后的棒材內(nèi)部晶粒均勻細小，降低晶粒界面能，抑制棒材在固溶熱處理時發(fā)生二次再結(jié)晶，減少粗晶層厚度。

2.5 固溶溫度對棒材粗晶影響分析

從宏觀及微觀組織檢測結(jié)果可以看出，使用相同的鑄錠及擠壓工藝，隨著固溶溫度的升高，棒材粗晶環(huán)厚度增加。這是由于在經(jīng)擠壓后的棒材內(nèi)部有較高的形變儲能，進行固溶熱處理時，棒材內(nèi)原子運動加劇，激發(fā)晶粒發(fā)生再結(jié)晶，固溶溫度過高會促使棒材再結(jié)晶晶粒繼續(xù)長大，吞并周邊晶粒，發(fā)生二次再結(jié)晶，形成粗大晶粒，在棒材低倍組織上顯示出粗晶環(huán)缺陷。

3 結(jié)論

(1)粗晶環(huán)的厚度與鑄錠的狀態(tài)有關(guān)，采用均質(zhì)鑄錠擠壓后的棒材性能優(yōu)于使用未均質(zhì)鑄錠的；

(2)采用Mn、Cr含量較高的6061成分均質(zhì)鑄錠擠壓，經(jīng)520℃×1h的固溶熱處理后，棒材已充分固溶，經(jīng)時效后屈服強度能夠達到360MPa、抗拉強度能夠達到390MPa、延伸率15%，此時棒材的粗晶環(huán)厚度最小。