退火工藝對(duì)鞋內(nèi)包頭用6061鋁合金板材組織和性能的影響

何小峰，莫肇月，莫灼強(qiáng)，黃 奎，鄧松云

（1.廣西南南鋁加工有限公司，南寧530031；2.廣西鋁合金材料與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧530031）

0 前言

勞保鞋又叫安全鞋，屬于安防用品。根據(jù)使用的場(chǎng)地不同，勞保鞋分不同的種類(lèi)，但都有防止物體砸傷腳面和腳趾的功能，其防護(hù)功能主要依靠鞋內(nèi)金屬材質(zhì)的內(nèi)包頭來(lái)實(shí)現(xiàn)[1-2]。傳統(tǒng)的勞保鞋一般采用鋼材制作內(nèi)包頭，但鋼制勞保鞋較笨重，穿戴不方便。隨著人們對(duì)勞保鞋輕便及舒適度需求的提高，密度輕、強(qiáng)度高的鋁合金內(nèi)包頭受到越來(lái)越多的關(guān)注。

6061 鋁合金因其具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高及良好的成形加工性能已逐漸應(yīng)用于勞保鞋內(nèi)包頭。目前工業(yè)化生產(chǎn)的6061 鋁合金板材由于沖壓性能較差，在后續(xù)沖制過(guò)程中易出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足勞保鞋內(nèi)包頭的后續(xù)沖壓使用要求。為了提高勞保鞋內(nèi)包頭用6061 鋁合金板材的沖壓成形性能，本文研究了退火工藝參數(shù)對(duì)板材組織和性能的影響，并制定出合理的退火溫度和保溫時(shí)間。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行，采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)6061 鋁合金鑄錠，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。6061 鋁合金鑄錠經(jīng)過(guò)均勻化退火、鋸切、銑面、熱軋、冷軋等工藝加工成2 mm 厚板材，然后剪切制成2.0 mm×200 mm×300 mm的試驗(yàn)板材。

表1 6061合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

選用箱式電阻爐對(duì)6061 鋁合金板材進(jìn)行退火試驗(yàn)，退火溫度分別為300 ℃、340 ℃、380 ℃、420 ℃、460 ℃、500 ℃，保溫時(shí)間為0.5 h、1 h、2 h、4 h，保溫結(jié)束后出爐空冷。

力學(xué)性能測(cè)試按GB/T 228.1-2010 規(guī)定在GMT5305材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，每組試驗(yàn)取3個(gè)試樣的平均值。將截取的金相試樣依次使用400#、800#、1 000#、2 000#水磨砂紙預(yù)磨后進(jìn)行機(jī)械拋光。陽(yáng)極覆膜后使用ZEISS Axio vert.A1倒置光學(xué)顯微鏡觀察其組織形貌。按照GB/T 4156-2007 要求制備試樣并在GBS-60E 杯突試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行杯突試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖1為6061鋁合金板材在不同退火溫度下保溫1 h 后的顯微組織。由圖1 可知，隨著退火溫度的升高，6061 鋁合金的顯微組織發(fā)生了明顯的變化。其原因如下：由于6061 鋁合金板材經(jīng)過(guò)冷加工變形后，點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)等晶格缺陷密度增加，晶格畸變能增大，合金處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)；加熱時(shí)隨著退火溫度的升高，合金內(nèi)部發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶，纖維狀加工組織減少，再結(jié)晶組織增加，直至發(fā)生完全再結(jié)晶。

圖1 是不同退火溫度下保溫1 h 后6061 鋁合金板材的顯微組織。從圖中可以看出，當(dāng)退火溫度較低時(shí)，只有少量的大角度晶界發(fā)生遷移，在某些畸變程度較大的區(qū)域優(yōu)先產(chǎn)生新的無(wú)畸變的晶核，生成少量細(xì)小的晶粒[3-4]，合金依舊保留著較多的纖維狀加工組織，如圖1（a）所示；隨著退火溫度的升高，形核率及晶核長(zhǎng)大速率增加，再結(jié)晶程度不斷增大，合金由纖維狀加工組織逐漸向再結(jié)晶組織轉(zhuǎn)變，如圖1（b）所示；在380 ℃退火時(shí)，合金基本完成了再結(jié)晶過(guò)程，纖維狀加工組織已經(jīng)完成消失，取而代之的是細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，如圖1（c）所示。隨著退火溫度進(jìn)一步升高，晶粒之間通過(guò)晶界的遷移發(fā)生吞并現(xiàn)象，導(dǎo)致晶粒粗大化，如圖1（e）和（f）所示。

圖1 不同退火溫度保溫1h后6061鋁合金板材的顯微組織

圖2為6061鋁合金板材在380 ℃條件下保溫不同時(shí)間的顯微組織?？梢钥闯觯?.5 h 時(shí)合金組織中出現(xiàn)了許多細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，保溫1 h 時(shí)合金已基本完成了再結(jié)晶過(guò)程。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，再結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行得更加充分，但部分已完成再結(jié)晶的晶粒開(kāi)始粗大化，如圖2（d）所示。

2.2 力學(xué)性能

圖3（a）為退火溫度對(duì)6061 鋁合金板材力學(xué)性能的影響。從圖中可以看出，板材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先隨著退火溫度的升高而降低，在380 ℃時(shí)強(qiáng)度降到最低點(diǎn)（抗拉強(qiáng)度為137 MPa，屈服強(qiáng)度為55 MPa），伸長(zhǎng)率同時(shí)升到最高點(diǎn)（伸長(zhǎng)率為28%），這說(shuō)明在380 ℃左右退火時(shí)合金的再結(jié)晶過(guò)程已基本完成，強(qiáng)度降到最低點(diǎn)；而后強(qiáng)度隨著退火溫度進(jìn)一步升高而增大，當(dāng)溫度升高到500 ℃時(shí)，板材的強(qiáng)度顯著增加，伸長(zhǎng)率明顯降低。這是由于此時(shí)部分Mg2Si 相溶入基體發(fā)生固溶強(qiáng)化，從而使強(qiáng)度迅速升高[5-7]。因此，成品退火溫度不宜選擇過(guò)高，應(yīng)以合金發(fā)生完全再結(jié)晶為宜。

在退火溫度為380 ℃時(shí)，分析不同保溫時(shí)間對(duì)6061鋁合金板材力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖3（b）所示。從圖中可以看出，合金的力學(xué)性能隨退火時(shí)間的變化并不明顯，合金保溫1 h 后，再結(jié)晶過(guò)程基本完成，且隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，再結(jié)晶晶粒發(fā)生粗化，強(qiáng)度發(fā)生小幅度下降。

2.3 成形性能

杯突試驗(yàn)常用來(lái)評(píng)價(jià)板材的脹形成形性能，融合了脹形和拉深的特點(diǎn)，試樣所受的應(yīng)力狀態(tài)和所產(chǎn)生的變形都與真實(shí)的沖壓加工工藝相同[8-9]。杯突值IE 的大小可表征板材的脹形成形能力，IE 值越大，表明板材的沖壓性能越好。圖4（a）為6061鋁合金板材在不同退火溫度下保溫1 h 后的杯突值。從該圖中可以看出，6061 鋁合金板材的杯突值先隨著退火溫度的升高而增加，在380 ℃后杯突值增加緩慢；隨著退火溫度進(jìn)一步升高，當(dāng)溫度升高到460 ℃以上時(shí)，由于固溶強(qiáng)化效果加強(qiáng)，杯突值顯著降低。6061鋁合金板材在380 ℃下不同保溫時(shí)間退火后的杯突值如圖4（b）所示?？梢钥闯觯?061 鋁合金板材的杯突值隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)變化并不明顯。

圖4 6061鋁合金板材不同退火工藝下的杯突值

3 結(jié)論

（1）隨著退火溫度的升高，鞋內(nèi)包頭用6061鋁合金的強(qiáng)度先降低后增大，伸長(zhǎng)率和杯突值先增大后降低；保溫時(shí)間對(duì)力學(xué)性能和成形性能的影響較小。

（2）6061 鋁合金的最佳退火工藝為380 ℃下保溫1 h，此時(shí)抗拉強(qiáng)度為137 MPa，屈服強(qiáng)度為55 MPa，伸長(zhǎng)率為28%，杯突值為7.46 mm。在此參數(shù)工藝下，6061 鋁合金的顯微組織、力學(xué)性能及成形性能的配合較好，滿(mǎn)足沖壓成形性能的要求，滿(mǎn)足勞保鞋內(nèi)包頭用合金板材的生產(chǎn)要求。