擠壓工藝對7046鋁合金型材組織與性能的影響

孫 釗，周 偉，白文全，王玉文

(廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031)

7046鋁合金屬于中等強(qiáng)度鋁合金，具有較好韌性，且質(zhì)量輕，耐腐蝕性和可焊性好，廣泛應(yīng)用于特殊領(lǐng)域的轉(zhuǎn)運(yùn)平臺構(gòu)件，如交通運(yùn)輸車輛的桁架、桿件、容器，大型熱交換器以及體育器材等[1-3]。7046鋁合金中w(Zr)=0.10%～0.18%。有文獻(xiàn)表明Zr和Al形成ZrAl3化合物，可提高再結(jié)晶溫度，阻礙再結(jié)晶過程，細(xì)化再結(jié)晶晶粒，且Zr對淬火敏感性的影響較小，使型材在在線淬火中不易析出穩(wěn)定的第二相，同時(shí)仍保留擠壓變形組織，從而使強(qiáng)度處于較高水平[4-6]。擠壓工藝和在線淬火是鋁合金強(qiáng)度的關(guān)鍵工序。擠壓溫度過低或擠壓速度過慢，合金固溶不充分，會(huì)影響后續(xù)的時(shí)效強(qiáng)化效果；擠壓溫度過高或擠壓速度過快，合金發(fā)生動(dòng)、靜態(tài)回復(fù)再結(jié)晶，晶粒長大，會(huì)減弱固溶強(qiáng)化的效果[7]。因此選擇合適的擠壓工藝對提高7046鋁合金的綜合性能十分必要。

本課題研究擠壓工藝對7046鋁合金型材顯微組織和力學(xué)性能的影響，以期為7046鋁合金擠壓工藝優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

熔煉用的原料為原鋁錠(純度為99.8%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、原鎂錠(純度為99.9%)、原鋅錠(純度為99.96%)以及Al-5Cr、Al-5Zr、Al-6Ti、Al-10Mn、Al-50Cu等中間合金，晶粒細(xì)化劑用Al-5Ti-1B。在保溫爐內(nèi)通入精煉劑進(jìn)行精煉，后通入氬氣除氣，采用40ppi(ppi為1英寸長度上的孔數(shù))的陶瓷板過濾熔體，鑄造成圓鑄錠。7046鋁合金鑄錠的化學(xué)成分見表1。

表1 7046鋁合金鑄錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 7046 Al alloy ingot(wt/%)

1.2 試驗(yàn)方法

7046鋁合金型材的生產(chǎn)工藝流程：熔煉→鑄造→鑄錠均勻化熱處理(470 ℃24 h)→鋸切錠坯→車皮→感應(yīng)爐加熱→擠壓→型材在線淬火→拉伸→成品鋸切→120 ℃24 h人工時(shí)效→成品包裝。

用75 MN的擠壓機(jī)擠壓，錠坯車皮后直徑為380 mm，擠壓比為23。 7046鋁合金型材橫截面如圖1所示。在線淬火水壓如圖2所示，水淬上面的水壓為5 MPa，下面的水壓為6 MPa，保證型材可以正常淬火，同時(shí)確保型材的形位尺寸合格。

圖1 擠壓型材橫截面圖Fig.1 Cross section of the extruded profile

圖2 在線淬火水壓示意圖Fig.2 Water pressure of the online quenching

為了探討擠壓溫度、擠壓速度對7046鋁合金型材組織和性能的影響，擠壓溫度取480 ℃、490 ℃、500 ℃、510 ℃、520 ℃、530 ℃、540 ℃。擠壓速度取2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min、6 m/min、7 m/min進(jìn)行試驗(yàn)。型材在線淬火后進(jìn)行120 ℃24 h人工時(shí)效。

拉伸力學(xué)性能檢測試樣參考國標(biāo)GB/228.1-2010，利用CMT5305材料試驗(yàn)機(jī)測試7046鋁合金型材的力學(xué)性能，取樣方向?yàn)閿D壓方向，每組試驗(yàn)取5個(gè)試樣的平均值。將型材截面制備的金相試樣依次進(jìn)行600#、1000#、1800#、3000#砂紙水磨，之后進(jìn)行電解拋光10 s；覆膜溶液配方為氟硼酸溶液(16.8 g/L)，稱取117 g硼酸放于塑料容器內(nèi)，加入500 mL水和333 mL氫氟酸(ρ=1.15 g/mL)，待硼酸溶解完全后冷卻，用水稀釋至1 L即配成所需氟硼酸溶液，然后進(jìn)行覆膜，時(shí)間為1.5 min；分別在蔡司Axio Vert.A1光學(xué)顯微鏡和蔡司EVO18型掃描電子顯微鏡對不同擠壓工藝參數(shù)的 7046鋁合金型材試樣進(jìn)行OM、SEM組織分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能

7046鋁合金鑄錠在480 ℃～540 ℃的范圍內(nèi)、以擠壓速度4 m/min擠壓，之后進(jìn)行120 ℃24 h人工時(shí)效的型材力學(xué)性能見圖3。由圖3可知，當(dāng)擠壓溫度從480 ℃升高到500 ℃時(shí)，合金型材的抗拉強(qiáng)度由552 N/mm2提高到561 N/mm2，屈服強(qiáng)度由515 N/mm2提高到527 N/mm2，伸長率由13%降為12%；當(dāng)溫度由500 ℃繼續(xù)升高時(shí)，合金型材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨溫度的升高而降低，伸長率則上升。因此7046鋁合金最佳的擠壓溫度為500 ℃。

圖3 擠壓速度4 m/min時(shí)擠壓溫度對7046鋁合金型材力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of extrusion temperature on mechanical properties of 7046 aluminum alloy profiles at the extrusion speed of 4 m/min

圖4為7046鋁合金在擠壓溫度500 ℃、擠壓速度2 m/min～7 m/min進(jìn)行擠壓，之后人工時(shí)效的力學(xué)性能。從圖可以看出，當(dāng)擠壓速度從2 m/min提高到4 m/min時(shí)，合金型材的抗拉強(qiáng)度由521 N/mm2提高到561 N/mm2，屈服強(qiáng)度由486 N/mm2提高到527 N/mm2，伸長率由13.5%降為12%；當(dāng)速度由4 m/min增加到5 m/min時(shí)，合金型材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略有下降，之后繼續(xù)提速其強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。因此，擠壓速度為4 m/min時(shí)力學(xué)性能最佳。

圖4 擠壓溫度500 ℃時(shí)擠壓速度對7046鋁合金型材力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of extrusion speed on mechanical properties of 7046 aluminum alloy profiles at the extrusion temperature of 500 ℃

2.2 金相組織

2.2.1 擠壓溫度對金相組織的影響

當(dāng)擠壓速度為4 m/min時(shí)，不同擠壓溫度擠壓的7046鋁合金型材的金相組織見圖5。由圖5a可知，當(dāng)擠壓溫度較低(480 ℃)時(shí)，晶粒基本上保留纖維狀變形組織，同時(shí)基體內(nèi)也分布著一定數(shù)量的未溶解相；當(dāng)擠壓溫度提高到500 ℃時(shí)，晶粒尺寸仍保持在較低水平，且呈細(xì)小纖維狀；隨著擠壓溫度的進(jìn)一步提高，再結(jié)晶晶粒在晶界處形核，基體內(nèi)出現(xiàn)較多的再結(jié)晶晶粒，見圖5d和圖5e；當(dāng)繼續(xù)升溫至530 ℃時(shí)，基體內(nèi)出現(xiàn)大量的等軸晶，再結(jié)晶已非常充分，見圖5f；再繼續(xù)升溫至540 ℃，等軸晶明顯長大，見圖5g。

圖5 擠壓速度4 m/min不同擠壓溫度下7046鋁合金型材的金相組織Fig.5 Microstructures of 7046 aluminum alloy profiles at the extrusion speed of 4 m/min and different extrusion temperatures

2.2.2 擠壓速度對金相組織的影響

圖6為擠壓溫度500 ℃時(shí)，不同擠壓速度的7046鋁合金型材的金相組織。由圖6a和圖6b可知，擠壓速度越低，晶粒粗化越明顯，等軸晶粒較多，基體內(nèi)分布較大的未溶解相，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度降低；但是隨著擠壓速度的提高，晶粒沿?cái)D壓方向被拉長破碎明顯，呈現(xiàn)典型的加工纖維狀組織，基體內(nèi)未溶解相較少，合金的加工硬化效果越明顯，見圖6c和圖6d。

圖6 擠壓溫度500 ℃不同擠壓速度擠壓的7046鋁合金型材的金相組織Fig.6 Microstructures of 7046 aluminum alloy profiles extruded at the extrusion temperature of 500 ℃ and different extrusion speeds

2.3 SEM組織

圖7為擠壓速度4 m/min，不同溫度擠壓的7046鋁合金型材的SEM。從圖7a可以看出，合金中存在較大尺寸第二相，說明擠壓溫度為480 ℃，擠壓速度為4 m/min時(shí)，合金固溶不充分，后續(xù)120 ℃24 h時(shí)效時(shí)未溶解的第二相起到形核的作用，造成局部第二相的尺寸增大；當(dāng)繼續(xù)升溫至500 ℃，且以4 m/min的速度進(jìn)行擠壓，合金中的第二相細(xì)小彌散，時(shí)效強(qiáng)化效果明顯；繼續(xù)升高溫度至540 ℃時(shí)，合金中第二相的大小基本沒有大的變化。

圖7 擠壓速度4m/min不同擠壓溫度下7046鋁合金型材的SEMFig.7 SEM of 7046 aluminum alloy profiles at the extrusion speed of 4 m/min and different extrusion temperatures

一定范圍內(nèi)提高擠壓溫度和速度，可增強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)化效果。這是因?yàn)樯郎?、提速均能提高型材淬火溫度，使合金元素的擴(kuò)散速率增大，固溶更充分；時(shí)效后析出的第二相更細(xì)小、彌散；強(qiáng)化效果明顯[8-11]。但繼續(xù)提高溫度，合金中過剩強(qiáng)化相減少，且合金纖維狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)樵俳Y(jié)晶組織，使得合金強(qiáng)度降低[12-13]。當(dāng)擠壓速度取4 m/min，擠壓溫度在480 ℃～500 ℃范圍內(nèi)，合金均呈纖維變形組織，且在晶界處存在少量的未溶解相，時(shí)效后合金的強(qiáng)化主要是加工硬化和彌散強(qiáng)化；繼續(xù)升溫至510 ℃～540 ℃，再結(jié)晶晶粒在晶界處形核長大，且530 ℃時(shí)已經(jīng)發(fā)生完全再結(jié)晶，合金強(qiáng)度降低，伸長率升高。當(dāng)擠壓溫度取500 ℃時(shí)，擠壓速度越慢(2 m/min～3 m/min)，靜態(tài)回復(fù)再結(jié)晶越充分，同時(shí)伴隨著穩(wěn)定的第二相析出，使得合金強(qiáng)度降低；當(dāng)擠壓速度為4 m/min時(shí)，合金組織呈纖維狀；繼續(xù)提速到5 m/min～7 m/min時(shí)，仍呈現(xiàn)纖維組織。

3 結(jié) 論

1)當(dāng)7046鋁合金擠壓速度為4 m/min時(shí)，擠壓溫度為480 ℃、490 ℃、500 ℃，合金晶粒呈纖維組織；繼續(xù)升溫至530 ℃時(shí)，晶粒在晶界處形核長大，發(fā)生完全再結(jié)晶。

2)當(dāng)擠壓溫度為500 ℃時(shí)，擠壓速度取2 m/min、3 m/min，晶粒粗化明顯等軸晶較多, 且基體內(nèi)分布較大的未溶解相；繼續(xù)提高擠壓速度至4 m/min～7 m/min，晶粒沿?cái)D壓方向破碎明顯，呈典型的加工纖維組織，基體內(nèi)未溶解相較少。

3)當(dāng)擠壓溫度為500 ℃，擠壓速度為4 m/min時(shí)，7046鋁合金型材綜合性能最好，此時(shí)合金室溫屈服強(qiáng)度527 N/mm2，抗拉強(qiáng)度561 N/mm2，伸長率為12%。