袁曉光，孟凡博，林雪健，黃宏軍，崔澤文

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870；2.長城汽車有限公司 哈佛技術(shù)中心，河北 保定 071000)

6061鋁合金是一種可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金，因具有良好的焊接性和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、包裝等行業(yè)[1-6].對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的6061鋁合金構(gòu)件而言，采用鍛造工藝時(shí)，受到工藝繁瑣、成本過高等原因所限，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[7-10]；而采用傳統(tǒng)重力鑄造、低壓鑄造等工藝時(shí)，又因該合金金屬液流動性較差，而存在粗晶、偏析、組織不均等缺陷[11].

液態(tài)模鍛是將金屬液直接注入模具，在糊狀區(qū)施加靜壓力獲得工件的一種新型制備方法，因其具有充型平穩(wěn)、所得部件致密等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[12].近年來國內(nèi)外采用液態(tài)模鍛方法將6061鋁合金制成重載卡車鋁合金車輪，并獲得廣泛應(yīng)用[13].但是由于液態(tài)模鍛時(shí)鋁合金車輪不同部位的冷卻速率和成型時(shí)所受壓力不同，導(dǎo)致液態(tài)模鍛鋁合金車輪不同部位的組織與性能也各不相同.因此，本文研究了液態(tài)模鍛鋁合金輪轂不同部位的組織及性能，以期為車輪的液態(tài)模鍛模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù).

1 材料和方法

利用液態(tài)模鍛機(jī)制備6061鋁合金輪轂，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.利用線切割方法在輪轂不同部位截取試樣進(jìn)行組織觀察和力學(xué)性能測試，鋁合金輪轂的取樣部位示意圖如圖2所示，拉伸試樣尺寸如圖3所示(單位：mm).利用Axiovert 40 MAT型金相顯微鏡觀察6061鋁合金的微觀組織，采用WE-30型拉伸試驗(yàn)機(jī)測試6061鋁合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率.液態(tài)模鍛輪轂用6061鋁合金的化學(xué)成分如表1所示.

圖1 液態(tài)模鍛6061鋁合金輪轂

圖2 輪轂取樣部位示意圖

圖3 拉伸試樣示意圖

表1 6061鋁合金的化學(xué)成分(w)

2 結(jié)果與分析

2.1 輪轂不同部位的微觀組織

對利用液態(tài)模鍛方法制備的6061鋁合金輪轂的內(nèi)輪緣、外輪緣、輪輞和輪輻分別取樣并進(jìn)行微觀組織觀察，結(jié)果如圖4所示.由圖4可見，輪轂不同部位的微觀組織明顯不同，晶粒尺寸也存在較大區(qū)別.由圖4a可見，6061鋁合金輪轂外輪緣部位的晶粒尺寸最細(xì)小，組織最為均勻且均為等軸晶，晶界上存在少量黑色第二相析出物.由圖4b可見，6061鋁合金輪轂內(nèi)輪緣部位的晶粒較細(xì)且晶粒尺寸較為均勻，大部分區(qū)域?yàn)榈容S晶，晶界上的第二相數(shù)量比外輪緣處多.由圖4c可見，6061鋁合金輪轂輪輻部位的晶粒最為粗大且組織不均勻，同時(shí)晶界上第二相數(shù)量也較多，局部晶界區(qū)域存在大塊第二相析出物.由圖4d可見，6061鋁合金輪轂輪輞部位的晶粒大小不均，局部區(qū)域的晶粒較為細(xì)小，但也存在少量晶粒較為粗大的區(qū)域，部分晶粒被拉長變形，晶界上的析出相也相對較多.6061鋁合金為Al-Si-Mg系合金，Mg2Si是鋁合金的增強(qiáng)相.當(dāng)鋁合金凝固時(shí)，Mg2Si相在晶內(nèi)和晶界同時(shí)析出，由于晶界為最后凝固部位，此處低熔點(diǎn)相較多，因而容易與Mg2Si相形成低熔點(diǎn)的共晶組織[5].

圖4 輪轂不同部位的微觀組織

2.2 輪轂不同部位的拉伸性能

在利用液態(tài)模鍛方法制備的6061鋁合金輪轂的內(nèi)輪緣、外輪緣、輪輞和輪輻部位分別截取試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試.輪轂不同部位的抗拉強(qiáng)度和伸長率如圖5所示.

由圖5可見，從外輪緣、內(nèi)輪緣、輪輞到輪輻的抗拉強(qiáng)度和伸長率依次降低，外輪緣的抗拉強(qiáng)度最高，可以達(dá)到371 MPa，而輪輻部位的抗拉強(qiáng)度最低，數(shù)值為346 MPa.外輪緣的伸長率可以達(dá)到16%，輪輻部位的伸長率僅為9%.

圖5 輪轂不同部位的力學(xué)性能

6061鋁合金輪轂不同部位的力學(xué)性能差異主要受微觀組織的影響.霍爾佩奇公式可以表示為

σ=σ0+kd-1/2

(1)

式中：σ為材料的屈服強(qiáng)度；σ0為作用在位錯(cuò)上的摩擦力；k為與材料種類有關(guān)的常數(shù)；d為合金晶粒的直徑.

由式(1)可知，合金的強(qiáng)度與晶粒直徑成反比，晶粒越細(xì)，合金的強(qiáng)度越高.為了測算6061鋁合金輪轂不同部位的晶粒尺寸，采用面積法測量合金晶粒尺寸，將已知面積的矩形測量網(wǎng)格置于晶粒圖像上，選用合適的放大倍數(shù)，然后計(jì)數(shù)完全落在測量網(wǎng)格內(nèi)的晶粒數(shù)N內(nèi)和被網(wǎng)格切割的晶粒數(shù)N交，則該面積內(nèi)的晶粒數(shù)的計(jì)算公式為

(2)

6061鋁合金輪轂不同部位的晶粒尺寸如表2所示.由表2可見，6061鋁合金輪轂外輪緣的平均晶粒尺寸為27.1 μm，相比于輪轂其他部位此處晶粒最為細(xì)??；6061鋁合金輪轂內(nèi)輪緣的平均晶粒尺寸為38.6 μm；6061鋁合金輪轂輪輻處的平均晶粒尺寸為66.9 μm，相比于輪轂其他部位此處晶粒尺寸最大；6061鋁合金輪轂輪輞處的平均晶粒尺寸為39 μm，該數(shù)值與輪轂內(nèi)輪緣的平均晶粒尺寸接近.由霍爾佩奇公式可知，6061鋁合金輪轂外輪緣部位的抗拉強(qiáng)度最高，輪輻部位的抗拉強(qiáng)度最低，且外輪緣的抗拉強(qiáng)度比輪輻高7.2%.

表2 輪轂不同部位的晶粒尺寸

實(shí)際上，合金的伸長率與晶粒尺寸也存在一定關(guān)系[14-15]，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得二者之間的關(guān)系式為

(3)

式中：L0、W0和h0分別為試樣的長度、寬度和厚度；DF為常數(shù)且數(shù)值大于1；γs為晶粒界面能；n為等間距分布的空洞數(shù)量，且當(dāng)任意兩個(gè)空洞發(fā)生橫向連接時(shí)開始斷裂；k為根據(jù)熱力學(xué)第一定律計(jì)算得到的常數(shù).由式(3)可見，合金的晶粒越細(xì)，則伸長率越高.本實(shí)驗(yàn)中6061鋁合金輪轂外輪緣部位的晶粒最小，輪輻處的晶粒最大，因此，外輪緣部位的伸長率最高，輪輻部位的伸長率最低.

2.3 冷卻條件和凝固壓力對晶粒尺寸的影響

值得注意的是，6061鋁合金輪轂輪輞和輪輻部位的晶粒大小不一，尤其是輪輞處晶粒存在被拉長變形的現(xiàn)象，為解釋上述現(xiàn)象，需要對輪轂液態(tài)模鍛過程進(jìn)行分析.在液態(tài)模鍛過程中，合金凝固偏離平衡態(tài)，在非平衡態(tài)條件下結(jié)晶時(shí)，首先結(jié)晶的固相與隨后析出的固相成分來不及擴(kuò)散進(jìn)行均勻化，從而形成一種熱力學(xué)上的亞穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而造成組織不均勻現(xiàn)象.合金在液態(tài)模鍛過程中受到壓力時(shí)，具有不同化學(xué)成分的各顯微區(qū)域形成“帶狀”組織，同時(shí)輪輞部位由于邊壁效應(yīng)[12]的影響而受到摩擦力作用，且摩擦方向與成型運(yùn)動方向相反，使得合金變形程度增強(qiáng)，因而合金晶粒被拉長.此外，上述“帶狀”組織可使工件產(chǎn)生各向異性并增加晶間的斷裂傾向.

由表2中的輪轂不同部位晶粒尺寸可知，6061鋁合金輪轂輪輻處晶粒大小相差最大，最大和最小晶粒尺寸差值與平均晶粒尺寸相差14.8%；輪輞處次之，最大和最小晶粒尺寸差值與平均晶粒尺寸相差10.3%；而內(nèi)、外輪緣處晶粒尺寸大小較均勻，最大和最小晶粒尺寸差值與平均晶粒尺寸相差小于6%.

輪轂不同部位的微觀組織同時(shí)受到合金凝固時(shí)的冷卻速率和模鍛時(shí)的壓力的影響.為了進(jìn)一步分析輪轂不同位置的凝固情況，結(jié)合液態(tài)模鍛工藝過程進(jìn)行分析.6061鋁合金輪轂液態(tài)模鍛過程和產(chǎn)品截面示意圖如圖6所示.由圖6可見，當(dāng)進(jìn)行液態(tài)模鍛時(shí)，合金溶液處于糊狀區(qū)時(shí)受到壓力作用，強(qiáng)迫糊狀合金流動，從而完成輪轂成型.6061鋁合金輪轂的外輪緣和內(nèi)輪緣部位尺寸較小，合金凝固時(shí)放出的潛熱較少，因此，過冷度較大，合金的晶粒較為細(xì)小.然而輪轂輪輻部位較厚，合金在凝固時(shí)放出的潛熱較多，盡管該部位加設(shè)了水冷系統(tǒng)，但是冷卻時(shí)的散熱速度還是相對較慢，導(dǎo)致該處的晶粒較為粗大.6061鋁合金輪轂輪輞部位的尺寸相對較小，合金的潛熱容易通過金屬模具散出，因而合金的晶粒同輪輻相比較為細(xì)小，此外，該部位的合金在凝固時(shí)，還受到金屬液流動時(shí)的沖刷和擠壓作用，合金凝固時(shí)，貼近模具的外層金屬首先凝固，形成一個(gè)薄殼層，隨后糊狀金屬流動時(shí)會對薄殼層的金屬進(jìn)行沖刷并將凝固的枝晶剪斷，斷裂的枝晶又作為新的形核質(zhì)點(diǎn)，因而合金晶粒得以細(xì)化.同時(shí)，由于受到流動的糊狀金屬擠壓作用，輪輞部位的晶粒發(fā)生變形，并沿著金屬流動方向被拉長.

圖6 輪轂液態(tài)模鍛過程和產(chǎn)品截面示意圖

3 結(jié) 論

對液態(tài)模鍛6061鋁合金輪轂不同部位的組織和性能進(jìn)行研究，得到以下主要結(jié)論：

1)液態(tài)模鍛6061鋁合金輪轂不同部位的微觀組織不同，外輪緣處的晶粒最為細(xì)小均勻，輪輻處的晶粒最為粗大.

2)液態(tài)模鍛6061鋁合金輪轂不同部位的抗拉強(qiáng)度和伸長率不同，且按照外輪緣、內(nèi)輪緣、輪輞和輪輻的順序依次降低.

3)液態(tài)模鍛6061鋁合金輪轂輪輞處的合金晶粒大小不一且被拉長變形，這是由于該處糊狀金屬流動時(shí)的沖刷和擠壓所致.