原始組織對(duì)6063型材彎曲后表面質(zhì)量的影響

左慶華，張林虎，梁 磊

(南南鋁業(yè)股份有限公司，廣西 南寧 530022)

Al-Mg-Si合金屬于可熱處理性鋁合金，具有中等強(qiáng)度、優(yōu)良焊接性能及良好耐蝕性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于交通、建筑、機(jī)械、家電等行業(yè)[1-2]。Al-Mg-Si合金常見的熱處理工藝為固溶處理+淬火冷卻+時(shí)效熱處理，旨在從基體中析出彌散細(xì)小的Mg2Si相強(qiáng)化相，其中為半共格析出，強(qiáng)化效果最佳，是最主要的析出強(qiáng)化相[3]。6063鋁合金作為Al-Mg-Si系列中的典型代表，其具有良好的熱加工性能、優(yōu)良的耐蝕性能以及易于著色等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋁合金幕墻、模板、門窗及裝飾型材等領(lǐng)域[4-6]。

近年來，家居市場(chǎng)對(duì)供貨商產(chǎn)品環(huán)保及可持續(xù)回收利用等提出了較高要求，其中鋁合金產(chǎn)品廢料重熔占比為50%～80%。在鋁合金產(chǎn)品廢料重熔占比較大的情況下，由于廢料中雜質(zhì)元素的影響，鋁合金微觀組織也會(huì)產(chǎn)生變化，例如會(huì)產(chǎn)生帶狀條紋、晶粒粗大等問題。對(duì)后續(xù)彎曲等變形加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，經(jīng)陽(yáng)極氧化后因表面色澤偏差明顯而不符合客戶要求，這對(duì)高表面要求鋁合金型材產(chǎn)品是無法接受的。本文利用南南鋁業(yè)股份有限公司的熔鑄生產(chǎn)線及擠壓生產(chǎn)線，以自產(chǎn)6063鋁合金為研究對(duì)象，重點(diǎn)探討了鑄錠原始組織及擠壓速度對(duì)型材彎曲后表面質(zhì)量的影響，旨在為生產(chǎn)工藝提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料為本公司自產(chǎn)的6063鋁合金，其成分見表1。試驗(yàn)用6063鋁合金首先根據(jù)合金內(nèi)控成分計(jì)算需投料數(shù)量，依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)原材料進(jìn)行稱重、配料，將配好的合金、鋁錠及回爐料等置于料斗中，采用天車將料斗中材料投入熔煉爐。原料經(jīng)高溫熔化、扒渣及成分粗測(cè)無誤后由流槽轉(zhuǎn)入靜置爐，在靜置爐中進(jìn)行成分微調(diào)、除氣、除渣、靜置等操作后，經(jīng)在線添加細(xì)化劑、在線除氣、除渣后由半連續(xù)鑄造機(jī)鑄造成擠壓用規(guī)格鑄棒。鑄棒經(jīng)切頭尾、均勻化熱處理后轉(zhuǎn)移至擠壓機(jī)臺(tái)。在擠壓機(jī)臺(tái)經(jīng)鑄棒加熱、剪切、擠壓、冷卻、矯直、切頭尾后取樣進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 6063鋁合金的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

為研究原始組織對(duì)后續(xù)試驗(yàn)的區(qū)別，在半連續(xù)鑄造完成后對(duì)鑄棒進(jìn)行切片取樣，擠壓時(shí)鑄錠加熱溫度為350 ℃，擠壓筒溫度為400 ℃，模具溫度為380 ℃，擠壓比為48，擠壓桿速度分別選擇1、2、4和6 mm/s，擠壓后型材立即水冷至室溫，隨后對(duì)擠壓出型材進(jìn)行取樣，將擠壓后型材進(jìn)行微觀組織分析及壓彎試驗(yàn)。

壓彎后樣品表面粗糙度測(cè)量使用TR100粗糙度測(cè)定儀進(jìn)行表征。微觀組織觀察樣品，首先使用帶鋸將大塊樣品切割為符合觀察要求的尺寸，隨后經(jīng)不同型號(hào)砂紙由粗到細(xì)打磨，每切換打磨砂紙時(shí)，試樣需旋轉(zhuǎn)90°，直至打磨至上道次劃痕不可見為止。打磨完成后采用電解拋光消除樣品表面磨痕。拋光電解液為10%高氯酸酒精溶液，電解參數(shù)為15 V電壓電解20 s。拋光后，樣品風(fēng)干后置于覆膜液中進(jìn)行覆膜，覆膜液成分為2.5%的氟硼酸水溶液，覆膜參數(shù)為15 V電壓電解15 s。將制好的金相樣品風(fēng)干后置于ZEISS Axio vert. A1倒置光學(xué)顯微鏡下觀察、拍照并統(tǒng)計(jì)晶粒度信息。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原始組織

6063鋁合金不同合金成分鑄錠經(jīng)半連續(xù)鑄造后其微觀組織如圖1所示。由圖1可知，合金成分1中枝晶組織并不明顯，晶粒大多呈規(guī)則分布，通過軟件分析可知平均晶粒尺寸為75 μm。合金成分2中存在較為明顯的枝晶組織，晶粒邊界明顯，經(jīng)統(tǒng)計(jì)合金成分2中6063合金鑄態(tài)平均晶粒尺寸為113 μm。所以，合金成分2中晶粒尺寸明顯大于合金成分1，這是源于合金成分1中存在較多的Mn、Cr、Ti等合金元素，這些合金元素能夠與鋁基體形成金屬間化合物[7]，這些化合物在熔體凝固過程中為晶粒形核提供形核核心，促使晶粒發(fā)生非均質(zhì)形核，提高形核數(shù)量，從而促使晶粒細(xì)化[8]。

2.2 合金成分對(duì)鋁型材表面質(zhì)量的影響

合金成分1和合金成分2分別經(jīng)速度為1 mm/s的擠壓桿擠壓后微觀組織如圖2所示，可以看出，合金成分2(見圖2b)中表層無明顯粗大晶粒，晶粒無明顯擇優(yōu)取向，部分晶粒邊界輪廓清晰，這表明該合金成分經(jīng)擠壓后已發(fā)生了明顯再結(jié)晶現(xiàn)象。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，合金成分2經(jīng)擠壓后平均晶粒尺寸約為30 μm。而合金成分1經(jīng)擠壓后晶粒沿水平方向存在明顯拉長(zhǎng)狀態(tài)，晶粒較細(xì)，晶粒邊界不明顯，這屬于典型纖維狀-變形組織特征。這表明合金成分1經(jīng)擠壓后型材未發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象。合金成分1中存在Ti、Cr等合金元素，這些合金元素在均勻化退火后會(huì)形成Al3Ti、Al7Cr粒子，這些粒子能夠釘扎位錯(cuò)和亞晶界，提高再結(jié)晶溫度，從而抑制6063鋁合金再結(jié)晶現(xiàn)象[9]。所以，經(jīng)相同擠壓工藝后合金成分2中出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒，而合金成分1中為變形態(tài)組織。

合金成分1和合金成分2擠壓型材經(jīng)相同彎曲后表面粗糙度分別取相同位置進(jìn)行粗糙度測(cè)量，其表面粗糙度值分別為0.25和0.39 μm。橘皮現(xiàn)象是由于在彎曲過程中各晶粒間變形不均勻?qū)е卤韺泳ЯＭ怀鲈斜砻娑餥10]。

當(dāng)晶粒尺寸較大時(shí)，晶粒間存在的各向異性引起晶粒間變形協(xié)調(diào)能力較差，使得部分晶粒變形遠(yuǎn)大于附近其他晶粒，產(chǎn)生局部嚴(yán)重變形，促使這部分晶粒突出原有平面而出現(xiàn)明顯橘皮現(xiàn)象。然而，細(xì)晶組織變形協(xié)調(diào)能力較強(qiáng)，能夠有效釋放局部應(yīng)力，降低晶粒間不均勻性，使得晶粒間變形均勻，不易出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象。

此外，鋁合金經(jīng)擠壓后易形成沿?cái)D壓方向的擇優(yōu)取向[11]，合金成分1中存在明顯擇優(yōu)取向，晶粒間取向相近，易引起附近晶?；葡甸_動(dòng)，促進(jìn)均勻變形。而再結(jié)晶晶粒無明顯擇優(yōu)取向，晶粒間滑移系開動(dòng)較為困難。綜上所述，不同6063合金成分通過對(duì)擠壓后微觀組織的影響引起彎曲后表面粗糙度的變化。合金成分2擠壓后型材發(fā)生再結(jié)晶且晶粒尺寸較大，降低了晶粒間變形協(xié)調(diào)能力。所以合金成分2經(jīng)彎曲后表面粗糙度值高于合金成分1。

2.3 擠壓速度對(duì)鋁型材表面質(zhì)量的影響

擠壓后型材組織除原始組織的影響外，擠壓工藝也會(huì)對(duì)型材微觀組織產(chǎn)生較大影響。其中擠壓速度快慢對(duì)擠壓型材溫升起決定性影響，溫升過高會(huì)導(dǎo)致型材產(chǎn)生粗晶層、拉裂或者過燒等缺陷。所以本文以合金成分1為試驗(yàn)材料研究擠壓速度對(duì)型材微觀組織的影響。

合金成分1在不同擠壓速度下擠出型材微觀組織如圖3所示。從圖3可以看出，隨著擠壓速度加快，微觀組織發(fā)生明顯變化，具體表現(xiàn)在表層晶粒尺寸和表層粗晶層深度。隨著擠壓速度加快，合金表層晶粒尺寸明顯長(zhǎng)大且表層粗晶層深度逐漸增加。當(dāng)擠壓速度超過2 mm/s時(shí)，表層開始出現(xiàn)粗晶層，其粗晶層深度約為120 μm；而當(dāng)擠壓速度達(dá)到6 mm/s時(shí)，其粗晶層延伸至型材心部。

由于擠壓鑄錠表層與擠壓筒內(nèi)壁直接接觸，受摩擦力影響，表層金屬變形量相較于心部金屬大，表層金屬儲(chǔ)存能較大，有利于再晶粒形核，在擠壓溫度下保溫時(shí)，易發(fā)生晶粒長(zhǎng)大形成粗晶層[12]。此外，擠壓速度提高，金屬變形熱增加，溫升現(xiàn)象明顯，為再結(jié)晶晶粒形核及長(zhǎng)大提供了能量基礎(chǔ)，晶粒容易發(fā)生長(zhǎng)大。由上節(jié)可知，晶粒尺寸通過影響晶粒間變形協(xié)調(diào)能力，引起合金局部不均勻變形，導(dǎo)致彎曲后樣品表面出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象。因此，擠壓速度提高，表層晶粒及粗晶層厚度均增大，使得變形均勻性變差，彎曲后表面粗糙度值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)(見圖3e)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文借助于金相顯微鏡及粗糙度測(cè)定儀等設(shè)備，對(duì)原始組織及擠壓速度對(duì)型材彎曲后表面質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論。

1)Ti、Mn、Cr等合金元素可形成金屬間化合物并作為晶粒形核核心，有利于鑄造后合金晶粒細(xì)化。

2)Ti、Mn、Cr等合金元素形成的金屬間化合物可釘扎位錯(cuò)、亞晶界，有效抑制再結(jié)晶現(xiàn)象，細(xì)化擠壓型材組織。

3)表面粗糙度與微觀組織密切相關(guān)，合金晶粒越細(xì)，晶粒間變形協(xié)調(diào)能力越強(qiáng)，金屬變形越均勻，經(jīng)彎曲后型材表面粗糙度值越小。

4)擠壓速度越快，擠壓后型材粗晶層厚度和表層晶粒尺寸越大，經(jīng)彎曲后表面粗糙度值越大。