擠壓速度對6N01鋁合金組織和彎曲性能的影響

馬 旭，程雪婷，肖 棟，程仁寨，王 丹，任偉才

（1.山東南山鋁業(yè)股份有限公司，山東煙臺265700；2.煙臺南山學院，山東煙臺265700）

0 前言

6N01合金屬于Al-Mg-Si系鋁合金，是日本在上世紀70年代為高鐵研制的新型鋁合金，具有高強度、優(yōu)良的焊接性和易成型等優(yōu)點，廣泛應用于制造高速列車車體主體結(jié)構用的復雜截面多孔中空型材[1-3]。隨著軌道交通領域中裝備制造業(yè)的高速發(fā)展，大量的車體結(jié)構件采用6N01合金彎曲成型，因此對擠壓型材的彎曲性能提出更高的要求。一般采用支撐式彎曲法檢測鋁合金型材的彎曲性能，在彎曲試驗后目測，試樣彎曲外表面無可見裂紋則評定為合格[4]。

經(jīng)過多年的研究，6N01型材在彎曲過程中，其表面仍經(jīng)常發(fā)現(xiàn)皺紋、橘皮、裂紋等缺陷。避免型材彎曲過程中的各種缺陷是目前鋁合金行業(yè)研究重點問題。多孔分流模擠壓技術是一種高效的鋁合金生產(chǎn)工藝，在空心型材加工領域已經(jīng)得到普遍使用[5-7]。多孔分流模擠壓過程中，焊縫的形成是金屬流動的固態(tài)焊合，焊縫質(zhì)量取決于模具焊合室內(nèi)的熱力學參數(shù)的組合，其中擠壓工藝參數(shù)的影響起重要作用[8]。在鋁合金擠壓過程中，特別是擠壓速度控制金屬流動行為，影響擠出型材的質(zhì)量。擠壓速度低，增大生產(chǎn)成本；如果過高，會造成金屬流動在焊合室內(nèi)變形，型材易產(chǎn)生焊合質(zhì)量差、扭擰、彎曲等表面缺陷[9-11]。

本文設定擠壓溫度為515～535℃，分別以1、2、3、4 m/min的擠壓速度在82MN擠壓機上進行試驗，然后對6N01型材組織和彎曲性能變化進行分析，優(yōu)化擠壓鋁合金的擠壓工藝參數(shù)，為高速列車用鋁合金的性能改善提供參考。

1 試驗材料及方法

本試驗選取φ485 mm擠壓棒坯，采用半連續(xù)鑄造生產(chǎn)，經(jīng)550℃×13h均勻化處理后，使用82MN油壓雙動臥式鋁擠壓機進行試驗。大型6N01鋁合金型材截面見圖1。在型材不同位置取樣，制成標準試驗樣本。

圖1 鋁合金型材截面

金相腐蝕劑采用混合酸（HF∶HCI∶HNO=2∶3∶5）溶液，通過Olympus光學顯微鏡、JSM掃描電鏡進行顯微組織和拉伸斷口形貌分析。實驗合金的平均晶粒尺寸均采用截線法測量。用D8型X射線衍射儀的Cu靶材對合金進行物相分析。型材的彎曲試驗按照EN485標準的要求進行，如圖2所示。彎曲試驗后，將型材表面清洗干燥，噴滲透劑和顯影劑，觀察型材表面是否產(chǎn)生彎曲，并進行等級判定，如表1所示。

表1 試驗型材彎曲缺陷等級標準

圖2 型材彎曲試驗示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 合金的顯微組織

圖3為6N01鋁合金鑄棒均勻化顯微組織。鋁錠均勻化處理后，組織呈粗大的等軸晶，晶粒尺寸約為198 μm。在晶界和晶內(nèi)還存在大量二次相，它們是高熔點金屬間化合物。這類相的尺寸較大，大體分為兩類：一是主要分布在晶內(nèi)，也有少量在晶界上的顆粒狀黑點；二是沿晶界分布，甚至貫穿兩個晶粒的桿狀析出物。結(jié)合XRD圖，顆粒狀析出物應該為Mg2Si相，桿狀析出物是Al5FeSi相。

圖3 6N01鋁合金均勻化顯微組織和XRD圖

圖4 為不同擠壓速度下的6N01鋁合金顯微組織。在任何一個擠壓速度下，合金組織都有明顯細化。擠壓變形過程中，合金溫度升高，組織的畸變能增大，在較短的時間產(chǎn)生回復與再結(jié)晶，導致晶粒長大，大量等軸晶沿擠壓方向被拉長。擠壓速度不同，晶粒的長大程度和位錯密度也不同，致使合金組織在回復和再結(jié)晶階段中的亞晶粒變化不同。當擠壓速度為1m/min時，型材組織的晶粒較鑄棒明顯細化，通過截線法測量其晶粒平均尺寸為85.1μm，在大晶粒的晶界處有很多小等軸晶粒。隨著擠壓速度的升高，合金組織晶粒細化程度增大且逐漸均勻化，晶粒平均尺寸為78.2 μm，見圖3（b）。擠壓速度繼續(xù)升高，晶粒細化和均勻程度都呈上升趨勢。當擠壓速度達到4m/min時，合金組織晶粒有長大趨勢，晶粒較擠壓速度為3m/min時的略大。因為擠壓速度增大，合金在模具焊合室的變形區(qū)停留的時間減小，組織再結(jié)晶過程中，晶粒來不及長大。而擠壓速度增大會使合金組織儲存能升高，當合金的能量達到極限時就會發(fā)生再結(jié)晶[7]。

圖4不同擠壓速度下6N01鋁合金的顯微組織

2.2 合金的力學性能及強化機理

圖5 為不同擠壓速度下6N01型材的室溫力學性能。型材的抗拉強度隨著擠壓溫度升高先升高后略有降低。當擠壓速度為3m/min時，型材的抗拉強度達到最大值，為288.56MPa；當擠壓速度繼續(xù)升高時，抗拉強度略有下降；當擠壓速度為4m/min時，抗拉強度為283.24MPa。合金伸長率與抗拉強度呈反比例關系，當擠壓速度為1m/min時，達到最大值，為12.2%。

型材的伸長率和彎曲裂紋等級之間存在較為明顯的線性關系[12]，型材的彎曲過程如圖1所示。彎曲過程中型材伸長率可表示為：

式中，t為型材厚度，r為型材彎曲半徑。在彎曲試驗過程中，型材伸長率與型材厚度呈正比，而與型材彎曲半徑呈反比。可見，提高型材塑性可以降低彎曲缺陷。圖6為6N01型材伸長率和彎曲缺陷等級（Q）關系圖。從圖中可知，伸長率越高，型材彎曲性能就越好。當型材伸長率達到12.2%時，合金彎曲試驗后，達到1級標準。

圖5 不同擠壓速度下6N01鋁合金的力學性能

圖6 6N01鋁合金彎曲裂紋等級和伸長率之間的關系

圖7 為6N01鋁合金彎曲斷口分析圖。根據(jù)形貌的不同，可將圖分為三個區(qū)域：型材表面、粗晶區(qū)和細晶區(qū)。在粗晶區(qū)上呈現(xiàn)較為明顯沿晶斷裂形貌，且斷口比較圓滑，無明顯韌窩，可見一定數(shù)量的不明顆粒。細晶區(qū)斷口表面呈現(xiàn)出比較明顯的韌窩形貌，且韌窩既小又淺，符合鋁合金等塑性材料沿晶斷裂的形貌。利用EDS對斷口上顆粒物質(zhì)進行成分分析。發(fā)現(xiàn)含有較多的O和Ca，為非金屬夾雜，尤其是分布于晶界的非金屬夾雜，主要來源于熔鑄過程，表明鋁合金熔體的純凈度不夠，夾雜在金屬凝固過程中因與熔體潤濕性較差被推到晶界位置。非金屬夾雜的存在嚴重破壞了金屬的連續(xù)性，會對晶界強度產(chǎn)生十分不利的影響。

圖7 6N01鋁合金彎曲斷口分析圖

3 結(jié)論

（1） 6N01鋁合金鑄棒均勻化顯微組織呈粗大的等軸晶，在晶界和晶內(nèi)還存在大量顆粒狀和桿狀相。結(jié)合XRD圖分析，小顆粒狀析出物應該為Mg2Si相，桿狀析出物是Al5FeSi相。

（2） 6N01鋁合金顯微組織隨著擠壓速度的升高，明顯細化。當擠壓速度達到3m/min時，擠壓溫升促使再結(jié)晶晶粒長大的因素取得主導，晶粒略大。

（3） 6N01鋁合金伸長率隨著擠壓速度的增加，呈下降趨勢。通常合金的伸長率和彎曲裂紋等級（Q）之間存正比例關系，伸長率越高，型材材彎曲性能越好。彎曲斷裂的斷裂類型為沿晶開裂。斷口晶界上分布有較多的含鐵相與非金屬夾雜，劣化了型材的彎曲性能。