高 爽，劉建生，王 睿，李延軍，楊 明，遠(yuǎn)繼才

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

隨著車體輕量化的發(fā)展，鋁合金以其質(zhì)量輕、可強(qiáng)化、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛重視。6061鋁合金為典型的中等強(qiáng)度Al-Mg-Si系鋁合金，具有良好的塑形和優(yōu)良的抗蝕性和可焊性，主要應(yīng)用于需要良好耐蝕性能及強(qiáng)度的大型結(jié)構(gòu)件、卡車、船舶、鐵道車輛等結(jié)構(gòu)件中[1]。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)6061鋁合金粗晶問(wèn)題做了大量研究。李煒煒[2]等人發(fā)現(xiàn)反擠壓時(shí)，減少M(fèi)n、Cr等元素，增大擠壓比和擠壓速度都會(huì)增大粗晶環(huán)的深度。張紅梅[3]等人發(fā)現(xiàn)大棒徑的6061鋁合金擠壓棒材尾端中心區(qū)的粗大晶粒是不完全再結(jié)晶組織，是由于擠壓后期接近殘料的尾端表面金屬和死區(qū)金屬與中心金屬卷在一起進(jìn)入制品中心或金屬變形梯度的劇烈變化所致。而對(duì)正向擠壓6061鋁合金小棒材產(chǎn)品，通過(guò)均質(zhì)制度及固溶熱處理制度來(lái)解決粗晶問(wèn)題的報(bào)道較少。在實(shí)際生產(chǎn)中，鋁合金的粗晶問(wèn)題對(duì)產(chǎn)品的性能有很大影響，本研究為了獲得高強(qiáng)度、無(wú)粗晶的6061棒材產(chǎn)品，采用Mn、Cr含量較高的6061成分，通過(guò)使用鑄錠均質(zhì)與否、固溶熱處理制度等方面進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)正向擠壓后的棒材低倍組織進(jìn)行觀察分析，從中找到各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)6061棒材粗晶影響的規(guī)律，同時(shí)為以后該合金的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的兩種6061合金鑄錠，一種是未做均質(zhì)處理，一種經(jīng)過(guò)560℃±5℃×8h的均質(zhì)處理，規(guī)格均為Φ174mm×600mm。試驗(yàn)設(shè)備包括18MN臥式單動(dòng)擠壓機(jī)、便攜式側(cè)溫表、放大鏡、金相顯微鏡、電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 擠壓生產(chǎn)過(guò)程

采用18MN臥式單動(dòng)擠壓機(jī)進(jìn)行在線水冷生產(chǎn)，棒材斷面為Φ44mm的圓形；擠壓工藝參數(shù)為，棒材溫度490℃±10℃，模具溫度450℃±10℃，擠壓筒溫度420℃～460℃，擠壓速度3.0m/min～4.0m/min，冷卻方式水冷。

1.2.2 宏觀及微觀檢測(cè)過(guò)程

將生產(chǎn)后的棒材沿?cái)D壓方向取長(zhǎng)度為50mm的試樣，固溶制度分別采用510℃×1h、520℃×1h、530℃×1h。將固溶后的試樣按照GB/T3246.1處理后，使用金相顯微鏡觀察其顯微組織；將固溶后的試樣按照GB/T3246.2處理后，觀察其宏觀組織。

1.2.3 力學(xué)性能檢測(cè)過(guò)程

將生產(chǎn)后的棒材沿?cái)D壓方向取長(zhǎng)度為200mm的試樣，固溶制度分別采用510℃×1h、520℃×1h、530℃×1h，將固溶熱處理后的力學(xué)試樣進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效制度為175℃×8h。將時(shí)效后的試樣按照GB/T228.1處理后，使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)力學(xué)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得試樣力學(xué)性能值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 宏觀組織檢測(cè)

采用未均火、均火鑄錠擠壓生產(chǎn)后的棒材，沿?cái)D壓方向切取的試樣分別經(jīng)510℃×1h、520℃×1h及530℃×1h的制度淬火處理后，對(duì)試樣按照GB/T3246.2處理，觀察其橫斷面的粗晶環(huán)厚度，試樣的低倍檢測(cè)結(jié)果如表1所示，部分宏觀組織如圖1所示。 從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，(1)采用均質(zhì)棒擠壓后的試樣粗晶環(huán)厚度小于使用未均質(zhì)鑄錠生產(chǎn)；(2)采用均質(zhì)鑄錠擠壓并經(jīng)510℃×1h 或520℃×1h的固溶制度后的粗晶環(huán)厚度為0mm；(3)在使用同種狀態(tài)的鑄錠生產(chǎn)時(shí)，經(jīng)低溫固溶熱處理制度后的粗晶環(huán)明顯減少。

表1 低倍組織檢測(cè)結(jié)果

(a)未均火鑄錠+510℃×1h；(b)未均火鑄錠+520℃×1h；(c)未均火鑄錠+530℃×1h；(d)均火鑄錠+510℃×1h；(e)均火鑄錠+520℃×1h；(f)均火鑄錠+530℃×1h圖1 宏觀組織Fig.1 Macrostructure organization

圖1中(a)、(b)及(c)為采用未均火鑄錠擠壓棒材的尾端試樣；(a)經(jīng)510℃×1h的固溶熱處理后，經(jīng)堿蝕后觀察其端面出現(xiàn)明顯的環(huán)狀粗晶組織，粗晶環(huán)厚度約為0.8mm；(b)經(jīng)520℃×1h固溶熱處理經(jīng)堿蝕后，端面出現(xiàn)厚度約為2mm的環(huán)形粗晶組織；(c)經(jīng)530℃×1h固溶熱處理經(jīng)堿蝕后，端面出現(xiàn)厚度約為3mm的環(huán)形粗晶組織。圖1中(d)、(e)及(f)為采用均火鑄錠擠壓棒材的尾端試樣；(d)經(jīng)510℃×1h的固溶熱處理后，端面未出現(xiàn)粗晶組織；(e)經(jīng)520℃×1h的固溶熱處理后，端面未出現(xiàn)粗晶組織；(f)經(jīng)530℃×1h的固溶熱處理后，試樣端面出現(xiàn)約為0.2mm的環(huán)狀粗晶組織。

2.2 微觀組織檢測(cè)

對(duì)熱處理后的試樣按照GB/T3246.1處理后，使用金相顯微鏡觀察其顯微組織，部分晶粒度檢測(cè)結(jié)果如圖2所示，晶粒度評(píng)級(jí)如表2所示。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，(1)棒材的心部晶粒度均無(wú)明顯差別；(2)未均質(zhì)鑄錠生產(chǎn)的棒材，經(jīng)固溶熱處理后，邊部有粗大晶粒，晶粒度等級(jí)小于-0.5級(jí)；(3)采用均質(zhì)鑄錠，低溫固溶后，試樣邊部晶粒細(xì)小均勻，與心部晶粒度等級(jí)相近。

(a)2W2心部晶粒度6.5級(jí) ；(b)2T1心部晶粒度7級(jí)；(c)2T1 邊部晶粒度-0.5級(jí)；(d)4W2 心部晶粒度6.5級(jí)；(e)7T1邊部晶粒度7.5級(jí)；(f)7W2 邊部晶粒度1級(jí)；(g)8W2 心部晶粒度7級(jí)；(h)8W2 邊部晶粒度7級(jí)圖2 試樣晶粒度等級(jí)Fig.2 Sample grain degree grade

表2 晶粒度檢測(cè)結(jié)果

2.3 力學(xué)性能檢測(cè)

根據(jù)宏觀及微觀檢測(cè)結(jié)果可以看出，在兩種固溶制度下，使用均火鑄錠生產(chǎn)的棒材粗晶環(huán)明顯小于未均火棒，后期僅對(duì)使用均火鑄錠的試樣進(jìn)行175℃×8h時(shí)效處理。將時(shí)效后的試樣按照GB/T228.1處理后，使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)力學(xué)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣力學(xué)性能值如表3所示。

表3 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，(1)使用均火鑄錠生產(chǎn)的棒材，隨著固溶溫度的升高，棒材的力學(xué)性能增大，固溶溫度為520℃及530℃時(shí)，試樣的力學(xué)性能差別較?。?2)在固溶制度為520℃×1h時(shí)，棒材已達(dá)到充分固溶的狀態(tài)。

2.4 鑄錠是否均勻化對(duì)棒材粗晶影響分析

從表1及表2 的檢測(cè)結(jié)果可以看出，在擠壓工藝及固溶熱處理制度相同時(shí)，使用均質(zhì)鑄錠的棒材粗晶環(huán)厚度小甚至無(wú)粗晶。這是由于鑄錠經(jīng)均勻化處理后，鑄棒內(nèi)部組織更均勻，第二相能夠充分溶解到基體中，在擠壓生產(chǎn)時(shí)變形抗力小，變形均勻，使擠壓后的棒材內(nèi)部晶粒均勻細(xì)小，降低晶粒界面能，抑制棒材在固溶熱處理時(shí)發(fā)生二次再結(jié)晶，減少粗晶層厚度。

2.5 固溶溫度對(duì)棒材粗晶影響分析

從宏觀及微觀組織檢測(cè)結(jié)果可以看出，使用相同的鑄錠及擠壓工藝，隨著固溶溫度的升高，棒材粗晶環(huán)厚度增加。這是由于在經(jīng)擠壓后的棒材內(nèi)部有較高的形變儲(chǔ)能，進(jìn)行固溶熱處理時(shí)，棒材內(nèi)原子運(yùn)動(dòng)加劇，激發(fā)晶粒發(fā)生再結(jié)晶，固溶溫度過(guò)高會(huì)促使棒材再結(jié)晶晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大，吞并周邊晶粒，發(fā)生二次再結(jié)晶，形成粗大晶粒，在棒材低倍組織上顯示出粗晶環(huán)缺陷。

3 結(jié)論

(1)粗晶環(huán)的厚度與鑄錠的狀態(tài)有關(guān)，采用均質(zhì)鑄錠擠壓后的棒材性能優(yōu)于使用未均質(zhì)鑄錠的；

(2)采用Mn、Cr含量較高的6061成分均質(zhì)鑄錠擠壓，經(jīng)520℃×1h的固溶熱處理后，棒材已充分固溶，經(jīng)時(shí)效后屈服強(qiáng)度能夠達(dá)到360MPa、抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到390MPa、延伸率15%，此時(shí)棒材的粗晶環(huán)厚度最小。