祝 葉，李 愛

(1.武漢職業(yè)技術學院,湖北 武漢,430074; 2.重慶大學 材料科學與工程學院,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、鋼結構雖然結實、穩(wěn)固，但自重大、耐力不持久、綜合性能差。鋁合金結構優(yōu)勢更大，自重輕、比強度高、色澤美觀、耐腐蝕、利用率高、損耗低、可回收等優(yōu)點，因而受到了建筑行業(yè)的青睞，應用越來越廣泛[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，有助于提高合金強度和耐腐蝕性能。但是目前關于添加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，鑄造適宜加工復雜薄壁件，鑄件性能卻欠佳，而鍛造雖然能生產出高性能鍛件，可是較難成形復雜的零部件[5]。鑄鍛復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，并在高溫下直接進行鍛造。該方法可生產出質量佳的復雜壁薄件，具有工藝設備簡單、節(jié)省材料、生產成本低、適合批量化生產等優(yōu)點[6-8]。我國鑄鍛復合成形技術起步較晚，在技術和水平上尚有提升空間。在鑄鍛復合成形的過程中，鍛壓應力是極其重要的工藝參數(shù)。因此，本試驗采用不同的鍛壓應力對加Cr的6061鋁合金進行鑄鍛復合成形，并對其力學性能和耐腐蝕性能進行測試和分析，以期加速加Cr的6061鋁合金的工業(yè)化應用。

1 試驗材料及方法

研究對象為鑄鍛復合成形加Cr的6061鋁合金(以下簡稱試驗合金)，合金的化學成分如表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，鑄鍛復合成形設備選用6 000 kN鑄鍛復合成形機。預熱模具至250 ℃，在鑄鍛復合成形機作用下進行合模、澆注、壓鑄、模鍛，最后開模取件，得到試驗合金鑄鍛復合成形件，尺寸為120 mm×68 mm×10 mm。為了研究鍛壓應力對鑄鍛復合成形試驗合金性能的影響，試驗過程中保持沖頭壓射速度60 mm/s、模具預熱溫度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，僅改變鍛壓應力。各試樣的鍛壓應力如表2所示。 所有試樣進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 試驗合金的化學成分(質量分數(shù)/%) Table 1 Chemical composition of the tested alloy(wt/%)

表2 試驗合金的鍛壓應力Table 2 Forging stress of the tested alloy

拉伸試驗在WDW-200萬能試驗機上進行，拉伸速率1.5 mm/min。為減少試驗誤差，在試驗合金鑄鍛復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個試件力學性能測試值的算術平均值作為試樣測試值。拉伸試驗后用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。記錄單位面積質量損失量，以3個試件測試值的算術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 試驗結果

2.1 力學性能檢測

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

圖1 鍛壓應力對試驗合金力學性能的影響Fig.1 Effect of forging stress on mechanical properties of the tested alloy

2.2 拉伸斷口形貌

不同鍛壓應力的試驗合金拉伸斷口形貌如圖2所示。從圖2可以看出，當鍛壓應力為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，力學性能最差；當鍛壓應力增大到130 N/mm2時，試樣的韌窩圓潤、細小、深度大，撕裂棱細淺，塑性好，力學性能最佳；而(7#試樣)150 N/mm2鍛壓應力下拉伸斷口的韌窩撕裂棱均介于1#試樣、5#試樣之間，力學性能居中。再結合之前不同鍛壓應力下試驗合金的力學性能測試結果可以知，從優(yōu)化鑄鍛復合成形建筑用試驗合金的力學性能出發(fā)，鍛壓應力優(yōu)選為130 N/mm2。

圖2 不同鍛壓應力鑄鍛試驗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是不同鍛壓應力對試驗合金腐蝕試驗單位面積質量損失量的影響。根據(jù)圖3可見，隨著鍛壓應力的增大，試驗合金單位面積質量損失量先減小后再緩慢增大。當鍛壓應力為90 N/mm2時，合金的耐腐蝕性能最差，單位面積質量損失量最大值29 g/cm2；當鍛壓應力達到130 N/mm2時，合金的耐腐蝕性能處于最好狀態(tài)，單位面積質量損失量最小、為13 g/cm2，較90 N/mm2鍛壓應力鑄鍛成形的減小了55.17%；當鍛壓應力繼續(xù)增大，合金的單位面積質量損失量趨于增大，試樣的耐腐蝕性能趨于下降。

圖3 鍛壓應力對試驗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

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

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

3 試驗結果分析

鑄鍛復合成形充分結合了鑄造和鍛造兩種工藝的優(yōu)點，能夠成形復雜的薄壁件，極大地增加鋁合金的組織致密度、強度等性能。在鑄鍛復合成形的過程中，鍛壓應力是極其重要的工藝參數(shù)。從試驗結果可知，當90 N/mm2鍛壓應力下，試驗合金的強度最小，腐蝕試驗單位面積質量損失量最大，拉伸伸長率最大，此時力學強度性能和耐腐蝕性能最差；當鍛壓應力達到130 N/mm2時，試驗合金的抗拉強度、屈服強度處于峰值，腐蝕試驗單位面積質量損失量和拉伸斷后伸長率均為最小值，此時力學強度性能和耐腐蝕性能最佳；當鍛壓應力超過130 N/mm2后，合金的力學性能和耐腐蝕性能均趨于下降。這是因為鍛壓應力過小時，鑄坯固相分數(shù)也過低，雖能較好控制外形，但是鍛壓后鑄坯再次進行凝固收縮，合金的晶粒粗大，組織會出現(xiàn)縮孔、疏松，強度低，產生裂紋，腐蝕程度極為嚴重。當鍛壓應力增大，試驗合金鑄坯固相分數(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，進行充填、補縮，減少收縮裂紋，組織致密，強度提高，力學性能和耐腐蝕性能會得到顯著增強。但鍛壓應力的增加也有度，過高的鍛壓應力并不是好的選擇，這是因為鍛壓應力過大，枝晶組織便融為一體，合金內部組織破碎后產生很多細小的裂紋，由于沒有液相進一步補充，因而無法彌補裂紋，因此強度有所下降，力學性能和耐腐蝕性能均會有所下降。故為了優(yōu)化鑄鍛復合成形建筑用試驗合金的綜合性能，鑄鍛復合成形時鍛壓應力優(yōu)選為130 N/mm2。

4 結 論

本試驗對加Cr的6061鋁合金進行了鑄鍛復合成形試驗，并分析了不同鍛壓應力下的試樣的力學性能和耐腐蝕性能，得出如下結論：

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

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

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