祝 葉，李 愛

(1.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 武漢,430074; 2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400044)

近年來，我國的建筑業(yè)發(fā)展迅速，并且受輕量化、綠色環(huán)保發(fā)展觀等影響，建筑用材料也在不斷優(yōu)化中，“綠色建筑”已成為建筑發(fā)展的必然趨勢[1]。傳統(tǒng)的混凝土、鋼結(jié)構(gòu)雖然結(jié)實(shí)、穩(wěn)固，但自重大、耐力不持久、綜合性能差。鋁合金結(jié)構(gòu)優(yōu)勢更大，自重輕、比強(qiáng)度高、色澤美觀、耐腐蝕、利用率高、損耗低、可回收等優(yōu)點(diǎn)，因而受到了建筑行業(yè)的青睞，應(yīng)用越來越廣泛[2-4]。6061鋁合金是建筑行業(yè)常用的鋁合金，但是存在力學(xué)性能不夠理想、耐腐蝕性能不夠好等問題。在鋁合金中添加合金元素Cr，有助于提高合金強(qiáng)度和耐腐蝕性能。但是目前關(guān)于添加Cr的6061鋁合金的研究鮮有報道。另外，鑄造是鋁合金常用的成形方式，鑄造適宜加工復(fù)雜薄壁件，鑄件性能卻欠佳，而鍛造雖然能生產(chǎn)出高性能鍛件，可是較難成形復(fù)雜的零部件[5]。鑄鍛復(fù)合成形工藝是集擠壓鑄造與鍛造為一體的新型成形方法，先將模具預(yù)熱到一定溫度，然后將液態(tài)金屬澆入鑄鍛模型腔里，用擠壓鑄造的方法使其在高壓下凝固、保壓、成型，并在高溫下直接進(jìn)行鍛造。該方法可生產(chǎn)出質(zhì)量佳的復(fù)雜壁薄件，具有工藝設(shè)備簡單、節(jié)省材料、生產(chǎn)成本低、適合批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。我國鑄鍛復(fù)合成形技術(shù)起步較晚，在技術(shù)和水平上尚有提升空間。在鑄鍛復(fù)合成形的過程中，鍛壓應(yīng)力是極其重要的工藝參數(shù)。因此，本試驗(yàn)采用不同的鍛壓應(yīng)力對加Cr的6061鋁合金進(jìn)行鑄鍛復(fù)合成形，并對其力學(xué)性能和耐腐蝕性能進(jìn)行測試和分析，以期加速加Cr的6061鋁合金的工業(yè)化應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料及方法

研究對象為鑄鍛復(fù)合成形加Cr的6061鋁合金(以下簡稱試驗(yàn)合金)，合金的化學(xué)成分如表1所示。按照表1所示成分配料，將鋁合金熔煉爐加熱至300 ℃時加入純鋁，爐溫達(dá)到720 ℃時加入Al-Cu中間合金和速溶Si，爐溫730 ℃時加入Al-5Ti-1B和Cr，均勻攪拌，待熔融后精煉、靜置除渣，然后加入少許覆蓋劑，將鋁箔包覆的純鎂錠加入、攪拌、熔化后靜置除渣。模具選用帶有鍛芯(具有鍛造功能)的壓鑄模具，鑄鍛復(fù)合成形設(shè)備選用6 000 kN鑄鍛復(fù)合成形機(jī)。預(yù)熱模具至250 ℃，在鑄鍛復(fù)合成形機(jī)作用下進(jìn)行合模、澆注、壓鑄、模鍛，最后開模取件，得到試驗(yàn)合金鑄鍛復(fù)合成形件，尺寸為120 mm×68 mm×10 mm。為了研究鍛壓應(yīng)力對鑄鍛復(fù)合成形試驗(yàn)合金性能的影響，試驗(yàn)過程中保持沖頭壓射速度60 mm/s、模具預(yù)熱溫度250 ℃、啟鍛時間3 s、充型壓力150 N/mm2、澆注溫度750 ℃、保壓時間20 s，僅改變鍛壓應(yīng)力。各試樣的鍛壓應(yīng)力如表2所示。 所有試樣進(jìn)行了相同工藝的熱處理：530 ℃固溶4 h，水淬， 180 ℃6 h人工時效，空冷。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%) Table 1 Chemical composition of the tested alloy(wt/%)

表2 試驗(yàn)合金的鍛壓應(yīng)力Table 2 Forging stress of the tested alloy

拉伸試驗(yàn)在WDW-200萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率1.5 mm/min。為減少試驗(yàn)誤差，在試驗(yàn)合金鑄鍛復(fù)合成形件試樣的兩端和中部分別切取拉伸試塊，拉伸試件平行段尺寸70 mm×10 mm×4 mm，以3個試件力學(xué)性能測試值的算術(shù)平均值作為試樣測試值。拉伸試驗(yàn)后用JSM-820型掃描電鏡觀察試樣表面的斷口形貌。耐腐蝕性能測試采用中性鹽霧腐蝕方法，在鹽霧腐蝕箱中以間歇噴霧方式進(jìn)行，腐蝕溶液選用w(NaCl)=5%的NaCl水溶液，室溫，腐蝕時間72 h，噴霧壓力0.8 N/mm2，沉降量0.05 mL/(h·cm2)。為減少試驗(yàn)誤差，在每個試樣的兩端和中部分別切割3個腐蝕試件，試件為圓片狀，尺寸為φ25 mm×4 mm。記錄單位面積質(zhì)量損失量，以3個試件測試值的算術(shù)平均值作為試樣測試值，并用JSM-820型掃描電鏡觀察試樣腐蝕后的形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能檢測

圖1是不同鍛壓應(yīng)力對鑄鍛復(fù)合成形建筑用試驗(yàn)合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率的影響。由圖1可見，隨著鍛壓應(yīng)力的增大，試驗(yàn)合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均是先增大再緩慢減小，伸長率則是先減小再緩慢增大。當(dāng)鍛壓應(yīng)力為90 N/mm2時，試驗(yàn)合金的力學(xué)性能最差，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均為最小值，分別為251 N/mm2、230 N/mm2，伸長率則為12.8 %；當(dāng)鍛壓應(yīng)力達(dá)到130 N/mm2，合金的力學(xué)性能處于最好狀態(tài)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均為最大值，各為288 N/mm2、267 N/mm2，伸長率則降至9.5%。鍛壓應(yīng)力繼續(xù)增大，合金的強(qiáng)度降低，伸長率增大。

圖1 鍛壓應(yīng)力對試驗(yàn)合金力學(xué)性能的影響Fig.1 Effect of forging stress on mechanical properties of the tested alloy

2.2 拉伸斷口形貌

不同鍛壓應(yīng)力的試驗(yàn)合金拉伸斷口形貌如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)鍛壓應(yīng)力為90 N/mm2(1#試樣)時，拉伸斷口的韌窩極為粗大，撕裂棱顯著，此時韌性不好，力學(xué)性能最差；當(dāng)鍛壓應(yīng)力增大到130 N/mm2時，試樣的韌窩圓潤、細(xì)小、深度大，撕裂棱細(xì)淺，塑性好，力學(xué)性能最佳；而(7#試樣)150 N/mm2鍛壓應(yīng)力下拉伸斷口的韌窩撕裂棱均介于1#試樣、5#試樣之間，力學(xué)性能居中。再結(jié)合之前不同鍛壓應(yīng)力下試驗(yàn)合金的力學(xué)性能測試結(jié)果可以知，從優(yōu)化鑄鍛復(fù)合成形建筑用試驗(yàn)合金的力學(xué)性能出發(fā)，鍛壓應(yīng)力優(yōu)選為130 N/mm2。

圖2 不同鍛壓應(yīng)力鑄鍛試驗(yàn)合金的拉伸斷口形貌Fig.2 Tensile fracture morphologies of cast-forging alloy with different forging stresses

2.3 耐腐蝕性能檢測

圖3是不同鍛壓應(yīng)力對試驗(yàn)合金腐蝕試驗(yàn)單位面積質(zhì)量損失量的影響。根據(jù)圖3可見，隨著鍛壓應(yīng)力的增大，試驗(yàn)合金單位面積質(zhì)量損失量先減小后再緩慢增大。當(dāng)鍛壓應(yīng)力為90 N/mm2時，合金的耐腐蝕性能最差，單位面積質(zhì)量損失量最大值29 g/cm2；當(dāng)鍛壓應(yīng)力達(dá)到130 N/mm2時，合金的耐腐蝕性能處于最好狀態(tài)，單位面積質(zhì)量損失量最小、為13 g/cm2，較90 N/mm2鍛壓應(yīng)力鑄鍛成形的減小了55.17%；當(dāng)鍛壓應(yīng)力繼續(xù)增大，合金的單位面積質(zhì)量損失量趨于增大，試樣的耐腐蝕性能趨于下降。

圖3 鍛壓應(yīng)力對試驗(yàn)合金耐腐蝕性能的影響Fig.3 Effect of forging stress on corrosion resistance of the tested alloy

2.4 腐蝕形貌

不同鍛壓應(yīng)力鑄鍛試驗(yàn)合金試樣的腐蝕形貌如圖4所示。從圖4可看出，當(dāng)鍛壓應(yīng)力90 N/mm2時，試樣的腐蝕程度最嚴(yán)重，有很多團(tuán)狀的腐蝕坑及密集的腐蝕點(diǎn)產(chǎn)生，腐蝕坑深度大；當(dāng)鍛壓應(yīng)力增大到130 N/mm2，試樣的腐蝕程度最輕微，僅產(chǎn)生了少許的腐蝕點(diǎn)；當(dāng)鍛壓應(yīng)力150 N/mm2時，試樣的腐蝕點(diǎn)、腐蝕坑均介于1#試樣、5#試樣之間，耐腐蝕性能居中。再結(jié)合之前不同鍛壓應(yīng)力下加微量Cr的6061鋁合金試樣的耐腐蝕性能測試結(jié)果可以得知，從優(yōu)化鑄鍛復(fù)合成形建筑用試驗(yàn)合金的耐腐蝕性能出發(fā)，鍛壓應(yīng)力優(yōu)選為130 N/mm2。

圖4 不同鍛壓應(yīng)力鑄鍛試驗(yàn)合金試樣的腐蝕形貌Fig.4 Corrosion morphologies of cast-forging alloy samples with different forging stresses

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

鑄鍛復(fù)合成形充分結(jié)合了鑄造和鍛造兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，能夠成形復(fù)雜的薄壁件，極大地增加鋁合金的組織致密度、強(qiáng)度等性能。在鑄鍛復(fù)合成形的過程中，鍛壓應(yīng)力是極其重要的工藝參數(shù)。從試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)90 N/mm2鍛壓應(yīng)力下，試驗(yàn)合金的強(qiáng)度最小，腐蝕試驗(yàn)單位面積質(zhì)量損失量最大，拉伸伸長率最大，此時力學(xué)強(qiáng)度性能和耐腐蝕性能最差；當(dāng)鍛壓應(yīng)力達(dá)到130 N/mm2時，試驗(yàn)合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度處于峰值，腐蝕試驗(yàn)單位面積質(zhì)量損失量和拉伸斷后伸長率均為最小值，此時力學(xué)強(qiáng)度性能和耐腐蝕性能最佳；當(dāng)鍛壓應(yīng)力超過130 N/mm2后，合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能均趨于下降。這是因?yàn)殄憠簯?yīng)力過小時，鑄坯固相分?jǐn)?shù)也過低，雖能較好控制外形，但是鍛壓后鑄坯再次進(jìn)行凝固收縮，合金的晶粒粗大，組織會出現(xiàn)縮孔、疏松，強(qiáng)度低，產(chǎn)生裂紋，腐蝕程度極為嚴(yán)重。當(dāng)鍛壓應(yīng)力增大，試驗(yàn)合金鑄坯固相分?jǐn)?shù)也逐漸提高，凝固時慢慢會形成枝晶骨架，共晶能夠緩慢深入枝晶骨架的縫隙，進(jìn)行充填、補(bǔ)縮，減少收縮裂紋，組織致密，強(qiáng)度提高，力學(xué)性能和耐腐蝕性能會得到顯著增強(qiáng)。但鍛壓應(yīng)力的增加也有度，過高的鍛壓應(yīng)力并不是好的選擇，這是因?yàn)殄憠簯?yīng)力過大，枝晶組織便融為一體，合金內(nèi)部組織破碎后產(chǎn)生很多細(xì)小的裂紋，由于沒有液相進(jìn)一步補(bǔ)充，因而無法彌補(bǔ)裂紋，因此強(qiáng)度有所下降，力學(xué)性能和耐腐蝕性能均會有所下降。故為了優(yōu)化鑄鍛復(fù)合成形建筑用試驗(yàn)合金的綜合性能，鑄鍛復(fù)合成形時鍛壓應(yīng)力優(yōu)選為130 N/mm2。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)對加Cr的6061鋁合金進(jìn)行了鑄鍛復(fù)合成形試驗(yàn)，并分析了不同鍛壓應(yīng)力下的試樣的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，得出如下結(jié)論：

1)隨鍛壓應(yīng)力增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先增大后緩慢減小，拉伸伸長率和腐蝕試驗(yàn)單位面積質(zhì)量損失量先減小后緩慢增大，力學(xué)強(qiáng)度性能和耐腐蝕性能先提高后下降。

2)與90 N/mm2鍛壓應(yīng)力相比，130 N/mm2鍛壓應(yīng)力使合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均增大了37 N/mm2，伸長率減小3.3 %，腐蝕試驗(yàn)單位面積質(zhì)量損失量減小了55.17 %。

3)從提高加Cr的6061鋁合金力學(xué)性能和耐腐蝕性能出發(fā)，鑄鍛復(fù)合成形工藝的鍛壓應(yīng)力優(yōu)選130 N/mm2。