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        均勻化溫度對6005A型材組織與性能影響研究

        2021-06-28 09:56:30楊志勇韓雨桐
        熱處理技術(shù)與裝備 2021年3期
        關(guān)鍵詞:鑄錠型材電導(dǎo)率

        何 金,王 睿,楊志勇,石 嬌,韓雨桐

        (遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽 111003)

        6005A鋁合金屬于Al-Mg-Si系鋁合金,具有中等強度,良好的抗腐蝕性能和焊接性能,被廣泛用于軌道交通等領(lǐng)域[1-2]。由于型材的拉伸和彎曲性能是軌道交通材料的重要性能指標(biāo),本文重點研究均勻化溫度和強淬火冷卻方式對型材組織、硬度、拉伸性能和彎曲性能的影響,為實際生產(chǎn)提供參考。

        1 試驗材料及方法

        試驗材料為φ151 mm×490 mm規(guī)格6005A鋁合金鑄錠,鑄錠采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn),鑄造過程中采用泡沫陶瓷過濾,Al-Ti-B絲細(xì)化晶粒,在線除氣處理。6005A鋁合金鑄錠化學(xué)成分見表1,符合EN 573—3標(biāo)準(zhǔn)要求。

        表1 6005A鋁合金鑄錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of 6005A aluminum alloy ingot (mass fraction,%)

        選取相同鑄造批次的鑄錠分別在510、570 ℃保溫7 h進(jìn)行均勻化退火;然后采用1.25 MN油壓臥式擠壓機,擠壓成40 mm×30 mm、壁厚3 mm的立柱型材,具體擠壓工藝見表2;再將型材放入KWY-103電熱鼓風(fēng)烘箱中進(jìn)行175 ℃保溫8 h的時效處理。將時效處理后的型材按照GB/T 228標(biāo)準(zhǔn)要求加工拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗;按照GB/T 3246.1—2012標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行組織觀察。采用日本島津萬能拉伸試驗機進(jìn)行拉伸試驗;采用GYZJ-934-1巴氏硬度計進(jìn)行硬度測試;采用渦流電導(dǎo)率儀進(jìn)行電導(dǎo)率測試;采用AX10萬能研究級倒置式金相顯微鏡及掃描電子顯微鏡進(jìn)行組織觀察。

        表2 型材擠壓工藝參數(shù)Table 2 Profile extrusion process parameters

        2 試驗結(jié)果

        不同均勻化退火制度下鑄錠的電導(dǎo)率和硬度值分別見表3和表4。從表3可以看出,鑄錠的電導(dǎo)率隨著均勻化溫度的升高而減小。由于均勻化溫度升高,鑄錠凝固時枝晶上粗大的非平衡相逐漸回溶到基體中,使固溶體的過飽和程度增加,對電子的散射能力增強,導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。從表4可以看出,鑄錠的硬度隨著均勻化溫度的升高而減小。這是因為隨著均勻化溫度的升高,鑄錠逐漸發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶等現(xiàn)象,從而硬度降低[3]。硬度的降低可提高鑄錠的可擠壓性,降低了擠壓過程的擠壓力,有利于提高模具壽命和型材產(chǎn)品表面質(zhì)量[4]。

        表3 不同均勻化退火制度下鑄錠電導(dǎo)率(T=17.8 ℃)Table 3 Conductivity of ingot under different homogenizingannealing systems

        表4 不同均勻化退火制度下鑄錠硬度Table 4 Hardness of ingot under different homogenizingannealing systems

        不同均勻化退火制度下6005A鋁合金鑄錠的顯微組織見圖1。可以看出,鑄錠經(jīng)510 ℃×7 h處理后,晶界上的結(jié)晶相回溶到基體中,鑄錠組織存在較多的塊狀相且析出的彌散相較小;鑄錠經(jīng)570 ℃×7 h處理后,晶界上的結(jié)晶相回溶較低溫均勻化處理的更完全,鑄錠組織內(nèi)的塊狀相較少,且彌散相較低溫均勻化處理析出的較多、較大。不同溫度下鑄錠的晶粒度均為4.5級,晶粒未隨均勻化溫度的升高而長大。

        將不同均勻化處理的鑄棒擠壓成立柱型材,經(jīng)在線穿水淬火生產(chǎn)后進(jìn)行175 ℃×8 h時效處理,并對型材拉伸性能進(jìn)行檢驗,結(jié)果見表5。

        表5 型材拉伸性能Table 5 Tensile properties of profiles

        按照ISO7438 金屬材料-彎曲測試方法,彎曲半徑12 mm,彎曲角度180°對型材進(jìn)行彎曲試驗,試驗結(jié)果見圖2。從圖2可以看出,低溫均勻化處理后的型材表面存在輕微桔皮無裂紋,高溫均勻化處理后的型材表面出現(xiàn)較多的小裂紋。

        3 分析及討論

        對不同溫度均勻化處理的6005A鋁合金鑄錠進(jìn)行掃描電鏡觀察,如圖3所示。鑄錠的相成分分析結(jié)果見表6。從表6中可以看出,鑄錠中的相主要為AlMgSi、AlSi、AlFeSi、AlMnFeSi、AlMnCrSi和AlMnCrFeSi。黑色塊狀相為MgSi型結(jié)晶相,多依附于白色結(jié)晶相上。圖3(a)中白色相多為條狀β-AlFeSi相,Mn、Cr元素溶入AlFeSi相形成AlMnFe、Al(MnCr)Fe,析出彌散相呈點狀,尺寸較?。粓D3(b)中枝晶呈網(wǎng)狀分布的β(AlFeSi)相轉(zhuǎn)變?yōu)檩^圓的α-AlFeSi相,Mn、Cr和Fe元素可以互換位置,溶入形成α-Al(MnFe)Si、α-Al(MnCrFe)Si、α-Al(MnCr)Si相[5-7],且析出彌散相呈短桿狀,尺寸較大。

        (a) 510 ℃×7 h,鑄錠邊部;(b)510 ℃×7 h,鑄錠心部; (c) 570 ℃×7 h,鑄錠邊部;(d)570 ℃×7 h,鑄錠心部 ; (e)510 ℃×7 h,晶粒度;(f)570 ℃×7 h,晶粒度圖1 不同均勻化處理后鑄錠的金相組織和晶粒度(a)510 ℃×7 h,at the edge of ingot;(b)510 ℃×7 h,in the core of ingot; (c)570 ℃×7 h,at the edge of ingot;(d)570 ℃×7 h,in the core of ingot; (e)510 ℃×7 h,grain size;(f)570 ℃×7 h,grain sizeFig.1 Microstructure and grain size of ingot after different homogenization treatment

        (a) 510 ℃×7 h; (b) 570 ℃×7 h圖2 不同均勻化處理后型材彎曲試驗結(jié)果Fig.2 Bending testing results of profiles after different homogenizing treatment

        (a) 510 ℃×7 h,金相組織;(b) 570 ℃×7 h,金相組織; (c) 510 ℃×7 h,粗晶層;(d) 570 ℃×7 h,粗晶層圖4 不同均勻化溫度擠出型材的金相組織及晶粒度(a) 510 ℃×7 h,microstructure;(b) 570 ℃×7 h,microstructure; (c) 510 ℃×7 h,grain size;(d) 570 ℃×7 h,grain sizeFig.4 Microstructure and grain size of extruded profiles at different homogenization temperatures

        表6 圖3中掃描電鏡能譜分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù),%)Table 6 Analysis results of SEM energy spectrum infigure 3(atomic fraction,%)

        (a) 510 ℃;(b) 570 ℃圖3 不同均勻化溫度下鑄錠掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM of ingot at different homogenization temperatures

        對6005A鋁合金型材進(jìn)行金相組織和晶粒度觀察,見圖4??梢钥闯觯T錠的結(jié)晶相經(jīng)擠壓后發(fā)生破碎,低溫均勻化處理后型材的結(jié)晶相仍然較高溫均勻化多,且分布較均勻,起到了第二相強化的作用。低溫均勻化處理后擠出型材的彌散相較高溫均勻化析出的彌散相細(xì)小,這些細(xì)小的彌散相在合金熱處理和熱變形過程中釘扎位錯和晶界,阻礙位錯重排及晶界遷移,起到抑制變形晶粒再結(jié)晶及再結(jié)晶晶粒長大的作用[8],由于高溫均勻化的彌散相聚集長大對位錯滑移及再結(jié)晶晶粒的長大的抑制作用降低,從而導(dǎo)致性能下降和晶粒長大。

        由于型材采用穿水快速冷卻,使型材在擠壓過程中晶粒沒有長大的時間,對型材的晶粒大小也起到了控制作用;快速冷卻使型材形成過飽和固溶體,也提高了型材的性能[9]。型材彎曲性能與型材的塑性和組織均勻性有關(guān),低溫均勻化處理后型材表面粗晶較高溫均勻化的細(xì)小,粗晶層也較高溫均勻化的淺。因此型材經(jīng)低溫均勻化處理的力學(xué)性能和彎曲性能優(yōu)于高溫均勻化處理。

        4 結(jié)論

        隨著均勻化溫度的升高,6005A鋁合金鑄錠的電導(dǎo)率和硬度下降,鑄錠中的彌散相析出、聚集長大,對位錯的滑移和再結(jié)晶長大的抑制作用降低,導(dǎo)致型材的拉伸性能和彎曲性能下降。

        6005A鋁合金型材彎曲性能與型材的塑性和組織均勻性有關(guān),晶粒細(xì)小均勻能夠提高型材的表面質(zhì)量。經(jīng)過510 ℃低溫均勻化處理,采用在線穿水快速冷卻淬火方式生產(chǎn)的型材的力學(xué)性能和彎曲性能優(yōu)于570 ℃高溫均勻化處理。

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