6061鋁合金中厚板退火過程中的再結(jié)晶及淬火效應(yīng)

任月路，覃秋慧，鄭忱奕，韋 昌

(1.廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031； 2.廣西南南鋁航空交通鋁合金新材料與應(yīng)用研究院，廣西 南寧 530031； 3.廣西鋁合金材料與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530031)

6061是常用的可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有良好的可成形性、可焊接性、可機(jī)械加工性和耐腐蝕性，同時(shí)具有中等強(qiáng)度，主要應(yīng)用于軌道交通、內(nèi)裝飾、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域[1-3]。目前6061鋁合金普遍應(yīng)用的狀態(tài)為T6、T651[4]，O態(tài)產(chǎn)品較少，且O態(tài)產(chǎn)品主要為冷軋下線的薄板。由于T6、T651狀態(tài)的強(qiáng)度較高，因此并不利于成形。而O態(tài)產(chǎn)品強(qiáng)度低、伸長(zhǎng)率高，有利于加工成形，成形后再進(jìn)行固溶時(shí)效處理以提高產(chǎn)品強(qiáng)度，因此近年來6061-O鋁合金中厚板產(chǎn)品的需求越來越大。對(duì)于可熱處理強(qiáng)化鋁合金，退火過程中不僅會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，還會(huì)產(chǎn)生“淬火效應(yīng)”，這兩種過程使合金的強(qiáng)度并不是隨著退火溫度的升高而持續(xù)下降[5-7]。本實(shí)驗(yàn)探討了熱軋6061鋁合金退火過程中的再結(jié)晶及淬火效應(yīng)，確定了制備6061-O鋁合金中厚板的工藝要點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為6061鋁合金熱軋板材，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)：Si 0.56～0.70，F(xiàn)e 0.20～0.35，Cu 0.20～0.35，Mn 0.09～0.14，Mg 0.90～1.20，Cr 0.20～0.30，Zn不大于0.15，Ti不大于0.10，余量為Al。熱軋開軋溫度460 ℃。終軋溫度、熱軋板厚度、力學(xué)性能及硬度如表1所示。

表1 試樣軋制厚度、終軋溫度及退火前性能Table 1 Rolling thickness, final rolling temperature and properties before annealing of the samples

1.2 退火工藝

試樣隨爐升溫至退火溫度，保溫結(jié)束后采用空冷或爐冷方式冷卻至室溫，退火工藝如表2所示。

表2 各試樣退火工藝Table 2 Annealing process of each sample

1.3 檢測(cè)方法

拉伸測(cè)試按ASTM B557標(biāo)準(zhǔn)取樣及標(biāo)定，在德國(guó)Zwick公司生產(chǎn)的Z100 THW型材料試驗(yàn)機(jī)上檢測(cè)。硬度測(cè)試按ASTM E10標(biāo)準(zhǔn)取樣，在北京時(shí)代之峰科技有限公司生產(chǎn)的THBP-62.5型布氏硬度計(jì)上檢測(cè)。

高倍晶粒度試樣經(jīng)研磨后在高氯酸體積∶無水乙醇體積配比為1∶9的試劑中電解拋光10 s，隨后在1.8%氧硼酸溶液中陽極覆膜90 s，再在Zeiss Axio Vert.A1型倒置金相顯微鏡上觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 1#及4#試樣退火后的力學(xué)性能

1#試樣的終軋溫度最低，為263 ℃，其退火工藝及退火后的力學(xué)性能如表3所示。1#試樣在360 ℃及380 ℃退火就能達(dá)到O態(tài)力學(xué)性能要求，且兩種溫度下的力學(xué)性能沒有明顯差異。退火溫度升至400 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度變化不明顯，而屈服強(qiáng)度有較明顯下降，伸長(zhǎng)率升高，退火時(shí)間從3 h延長(zhǎng)至5 h時(shí)，強(qiáng)度略有下降。

表3 1#試樣退火后的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of 1# sample after annealing

4#試樣的終軋溫度最高，為381 ℃，其退火工藝及退火后的力學(xué)性能如表4所示。與1#試樣相比，使用相同400 ℃ 3 h空冷的退火工藝，4#試樣的強(qiáng)度比1#試樣的高得多。為使4#試樣能達(dá)到O態(tài)硬度要求，進(jìn)一步提高了退火溫度，并增加爐冷的冷卻方式。由表4可以看出，空冷試樣的強(qiáng)度先隨著退火溫度的升高而明顯下降，在450℃左右達(dá)到最低值，之后抗拉強(qiáng)度卻隨著退火溫度的升高持續(xù)上升；屈服強(qiáng)度隨退火溫度的升高先下降之后趨于穩(wěn)定。保溫5 h試樣的強(qiáng)度相對(duì)于保溫3 h的差別不大。450℃爐冷試樣與空冷試樣相比，抗拉強(qiáng)度差別不大，而屈服強(qiáng)度升高，伸長(zhǎng)率和硬度有所下降。

表4 不同工藝退火后4#試樣的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of 4# sample after annealing in different processes

2.2 2#及3#試樣退火后的力學(xué)性能

為確認(rèn)終軋溫度，即確定動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度對(duì)后續(xù)退火過程的影響，取終軋溫度介于1#與4#試樣之間的2#(T終=300 ℃)及3#(T終=347 ℃)試樣進(jìn)行退火實(shí)驗(yàn)及力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果如表5所示。從表5可見，終軋溫度較低的2#試樣在380 ℃退火后就可達(dá)到O態(tài)強(qiáng)度及硬度要求，但終軋溫度較高的3#試樣在440 ℃退火時(shí)強(qiáng)度依然比2#試樣的高，且硬度不滿足不大于40HB的要求。爐冷處理試樣的抗拉強(qiáng)度比空冷試樣的稍低，而屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度差別不大。

表5 2#及3#試樣退火后的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of 2# and 3# samples after annealing

2.3 不同試樣及其退火后的晶粒度

圖1為1～4#試樣熱軋板材及其各自經(jīng)過相應(yīng)退火工藝后的縱截面晶粒組織。從圖1可以看到，熱軋板材都還保留著明顯的軋制纖維組織，終軋溫度最低的1#試樣的組織較2#、3#、4#的細(xì)小。經(jīng)過退火之后，各試樣的晶粒明顯增大，但軋制纖維組織未能完全消除，且終軋溫度越高的試樣，其退火后的軋制纖維組織越明顯(晶粒越長(zhǎng))。在相同的退火工藝下，終軋溫度較低的試樣其晶粒尺寸比終軋溫度較高的小，如1#試樣的晶粒尺寸比2#試樣的小，3#試樣的晶粒尺寸比4#試樣的小。此外，隨著退火溫度的升高，晶粒尺寸有所增加。

3 分析討論

3.1 鋁合金的再結(jié)晶行為

再結(jié)晶是將冷變形后的金屬材料加熱到一定溫度，在變形金屬中重新生成無畸變的新晶粒的過程，其驅(qū)動(dòng)力為冷變形時(shí)產(chǎn)生的儲(chǔ)能[8-9]。而熱軋是金屬材料在再結(jié)晶溫度以上的加工變形，熱加工過程中材料內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行著加工硬化和回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個(gè)過程[10]。軋制溫度越高，則動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行得越充分，儲(chǔ)能釋放得越多，相應(yīng)的軟化效果就越明顯。但由于熱軋生產(chǎn)過程節(jié)奏較快，金屬板材沒有充分的時(shí)間進(jìn)行再結(jié)晶，且鋁及鋁合金的層錯(cuò)能較高，熱軋時(shí)主要以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主[11-13]，未能發(fā)生充分再結(jié)晶，因此還保留著軋制形成的變形纖維組織，如圖1a、c、e、g各不同終軋溫度的6061鋁合金試樣熱軋后的晶粒所示。強(qiáng)度也比O態(tài)的高(表1各6061鋁合金試樣退火前的性能)。

3.2 可熱處理強(qiáng)化鋁合金退火過程中的再結(jié)晶及淬火效應(yīng)

熱軋時(shí)發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)，消耗了一部分儲(chǔ)能，使板材在后續(xù)退火過程中的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力不足，無法達(dá)到完全再結(jié)晶狀態(tài)，因此退火后還依然可看到纖維狀的軋制組織，如圖1b、d、f、h所示。且終軋溫度越高，退火后的軋制組織越明顯，并伴隨著晶粒長(zhǎng)大過程。但若再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力足夠大，即熱軋終軋溫度較低，板材未發(fā)生明顯的動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶時(shí)，則合金再結(jié)晶程度較高，力學(xué)性能更接近于O態(tài)力學(xué)性能要求，如表3和表5中，6061鋁合金終軋溫度較低的1#(T終=263 ℃)及2#(T終=300 ℃)試樣，它們?cè)?80 ℃左右退火就可達(dá)到O態(tài)力學(xué)性能要求。另一方面，可熱處理強(qiáng)化鋁合金主要通過固溶+時(shí)效處理提高強(qiáng)度[2]。固溶時(shí)合金被加熱到單相區(qū)，許多溶質(zhì)原子及第二相溶入基體當(dāng)中，并在后續(xù)的時(shí)效過程中脫溶產(chǎn)生強(qiáng)化基體的第二相，使合金的強(qiáng)度明顯升高。固溶溫度越高，則合金固溶得越充分，時(shí)效強(qiáng)化越明顯。對(duì)于可熱處理強(qiáng)化鋁合金，在退火過程中，再結(jié)晶軟化及淬火效應(yīng)同時(shí)發(fā)生，溫度較低時(shí)淬火效應(yīng)不明顯，此階段隨溫度的升高，強(qiáng)度有明顯下降，如表4所示的6061鋁合金在不大于450 ℃退火時(shí)，強(qiáng)度隨著退火溫度的提高而持續(xù)降低。但若再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力不足，即終軋溫度較高時(shí)，板材再結(jié)晶程度降低，即使加熱到很高溫度，板材性能也不能繼續(xù)降低，而此時(shí)淬火效應(yīng)越發(fā)明顯，強(qiáng)于再結(jié)晶軟化效應(yīng)，因而退火溫度較高時(shí)強(qiáng)度反而隨著溫度的上升而提高，即6061鋁合金在大于450 ℃退火時(shí)，終軋溫度最高(381 ℃)的4#試樣的強(qiáng)度反而隨著退火溫度的升高而增大(表4)。

圖1 不同試樣及其退火后的晶粒大小Fig.1 Grain sizes of different samples after annealing

4 結(jié) 論

1)熱軋過程中軋制溫度較高，加工硬化與回復(fù)再結(jié)晶軟化過程同時(shí)發(fā)生，而可熱處理強(qiáng)化鋁合金在退火過程中則同時(shí)發(fā)生再結(jié)晶軟化和淬火效應(yīng)。終軋溫度(不大于300 ℃)較低時(shí)，6061鋁合金在較低溫度退火即可達(dá)到O態(tài)的力學(xué)性能要求；而終軋溫度(381 ℃)較高時(shí)，合金的強(qiáng)度隨著退火溫度的升高先降低后升高，這是由于高溫時(shí)合金發(fā)生淬火效應(yīng)所致。

2)為達(dá)到6061-O鋁合金板材的力學(xué)性能及較小的晶粒度，6061鋁合金中厚板熱軋時(shí)應(yīng)采用較低的終軋溫度，且在不超過450 ℃的溫度進(jìn)行退火。