任月路，覃秋慧，鄭忱奕，韋 昌

(1.廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031； 2.廣西南南鋁航空交通鋁合金新材料與應用研究院，廣西 南寧 530031； 3.廣西鋁合金材料與加工重點實驗室，廣西 南寧 530031)

6061是常用的可熱處理強化鋁合金，具有良好的可成形性、可焊接性、可機械加工性和耐腐蝕性，同時具有中等強度，主要應用于軌道交通、內裝飾、電子產品等領域[1-3]。目前6061鋁合金普遍應用的狀態(tài)為T6、T651[4]，O態(tài)產品較少，且O態(tài)產品主要為冷軋下線的薄板。由于T6、T651狀態(tài)的強度較高，因此并不利于成形。而O態(tài)產品強度低、伸長率高，有利于加工成形，成形后再進行固溶時效處理以提高產品強度，因此近年來6061-O鋁合金中厚板產品的需求越來越大。對于可熱處理強化鋁合金，退火過程中不僅會發(fā)生再結晶，還會產生“淬火效應”，這兩種過程使合金的強度并不是隨著退火溫度的升高而持續(xù)下降[5-7]。本實驗探討了熱軋6061鋁合金退火過程中的再結晶及淬火效應，確定了制備6061-O鋁合金中厚板的工藝要點。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

實驗材料為6061鋁合金熱軋板材，化學成分(質量分數/%)：Si 0.56～0.70，Fe 0.20～0.35，Cu 0.20～0.35，Mn 0.09～0.14，Mg 0.90～1.20，Cr 0.20～0.30，Zn不大于0.15，Ti不大于0.10，余量為Al。熱軋開軋溫度460 ℃。終軋溫度、熱軋板厚度、力學性能及硬度如表1所示。

表1 試樣軋制厚度、終軋溫度及退火前性能Table 1 Rolling thickness, final rolling temperature and properties before annealing of the samples

1.2 退火工藝

試樣隨爐升溫至退火溫度，保溫結束后采用空冷或爐冷方式冷卻至室溫，退火工藝如表2所示。

表2 各試樣退火工藝Table 2 Annealing process of each sample

1.3 檢測方法

拉伸測試按ASTM B557標準取樣及標定，在德國Zwick公司生產的Z100 THW型材料試驗機上檢測。硬度測試按ASTM E10標準取樣，在北京時代之峰科技有限公司生產的THBP-62.5型布氏硬度計上檢測。

高倍晶粒度試樣經研磨后在高氯酸體積∶無水乙醇體積配比為1∶9的試劑中電解拋光10 s，隨后在1.8%氧硼酸溶液中陽極覆膜90 s，再在Zeiss Axio Vert.A1型倒置金相顯微鏡上觀察。

2 實驗結果

2.1 1#及4#試樣退火后的力學性能

1#試樣的終軋溫度最低，為263 ℃，其退火工藝及退火后的力學性能如表3所示。1#試樣在360 ℃及380 ℃退火就能達到O態(tài)力學性能要求，且兩種溫度下的力學性能沒有明顯差異。退火溫度升至400 ℃時，抗拉強度變化不明顯，而屈服強度有較明顯下降，伸長率升高，退火時間從3 h延長至5 h時，強度略有下降。

表3 1#試樣退火后的力學性能Table 3 Mechanical properties of 1# sample after annealing

4#試樣的終軋溫度最高，為381 ℃，其退火工藝及退火后的力學性能如表4所示。與1#試樣相比，使用相同400 ℃ 3 h空冷的退火工藝，4#試樣的強度比1#試樣的高得多。為使4#試樣能達到O態(tài)硬度要求，進一步提高了退火溫度，并增加爐冷的冷卻方式。由表4可以看出，空冷試樣的強度先隨著退火溫度的升高而明顯下降，在450℃左右達到最低值，之后抗拉強度卻隨著退火溫度的升高持續(xù)上升；屈服強度隨退火溫度的升高先下降之后趨于穩(wěn)定。保溫5 h試樣的強度相對于保溫3 h的差別不大。450℃爐冷試樣與空冷試樣相比，抗拉強度差別不大，而屈服強度升高，伸長率和硬度有所下降。

表4 不同工藝退火后4#試樣的力學性能Table 4 Mechanical properties of 4# sample after annealing in different processes

2.2 2#及3#試樣退火后的力學性能

為確認終軋溫度，即確定動態(tài)再結晶程度對后續(xù)退火過程的影響，取終軋溫度介于1#與4#試樣之間的2#(T終=300 ℃)及3#(T終=347 ℃)試樣進行退火實驗及力學性能檢測，結果如表5所示。從表5可見，終軋溫度較低的2#試樣在380 ℃退火后就可達到O態(tài)強度及硬度要求，但終軋溫度較高的3#試樣在440 ℃退火時強度依然比2#試樣的高，且硬度不滿足不大于40HB的要求。爐冷處理試樣的抗拉強度比空冷試樣的稍低，而屈服強度、伸長率和硬度差別不大。

表5 2#及3#試樣退火后的力學性能Table 5 Mechanical properties of 2# and 3# samples after annealing

2.3 不同試樣及其退火后的晶粒度

圖1為1～4#試樣熱軋板材及其各自經過相應退火工藝后的縱截面晶粒組織。從圖1可以看到，熱軋板材都還保留著明顯的軋制纖維組織，終軋溫度最低的1#試樣的組織較2#、3#、4#的細小。經過退火之后，各試樣的晶粒明顯增大，但軋制纖維組織未能完全消除，且終軋溫度越高的試樣，其退火后的軋制纖維組織越明顯(晶粒越長)。在相同的退火工藝下，終軋溫度較低的試樣其晶粒尺寸比終軋溫度較高的小，如1#試樣的晶粒尺寸比2#試樣的小，3#試樣的晶粒尺寸比4#試樣的小。此外，隨著退火溫度的升高，晶粒尺寸有所增加。

3 分析討論

3.1 鋁合金的再結晶行為

再結晶是將冷變形后的金屬材料加熱到一定溫度，在變形金屬中重新生成無畸變的新晶粒的過程，其驅動力為冷變形時產生的儲能[8-9]。而熱軋是金屬材料在再結晶溫度以上的加工變形，熱加工過程中材料內部同時進行著加工硬化和回復再結晶軟化兩個過程[10]。軋制溫度越高，則動態(tài)再結晶進行得越充分，儲能釋放得越多，相應的軟化效果就越明顯。但由于熱軋生產過程節(jié)奏較快，金屬板材沒有充分的時間進行再結晶，且鋁及鋁合金的層錯能較高，熱軋時主要以動態(tài)回復為主[11-13]，未能發(fā)生充分再結晶，因此還保留著軋制形成的變形纖維組織，如圖1a、c、e、g各不同終軋溫度的6061鋁合金試樣熱軋后的晶粒所示。強度也比O態(tài)的高(表1各6061鋁合金試樣退火前的性能)。

3.2 可熱處理強化鋁合金退火過程中的再結晶及淬火效應

熱軋時發(fā)生了動態(tài)回復，消耗了一部分儲能，使板材在后續(xù)退火過程中的再結晶驅動力不足，無法達到完全再結晶狀態(tài)，因此退火后還依然可看到纖維狀的軋制組織，如圖1b、d、f、h所示。且終軋溫度越高，退火后的軋制組織越明顯，并伴隨著晶粒長大過程。但若再結晶驅動力足夠大，即熱軋終軋溫度較低，板材未發(fā)生明顯的動態(tài)回復和再結晶時，則合金再結晶程度較高，力學性能更接近于O態(tài)力學性能要求，如表3和表5中，6061鋁合金終軋溫度較低的1#(T終=263 ℃)及2#(T終=300 ℃)試樣，它們在380 ℃左右退火就可達到O態(tài)力學性能要求。另一方面，可熱處理強化鋁合金主要通過固溶+時效處理提高強度[2]。固溶時合金被加熱到單相區(qū)，許多溶質原子及第二相溶入基體當中，并在后續(xù)的時效過程中脫溶產生強化基體的第二相，使合金的強度明顯升高。固溶溫度越高，則合金固溶得越充分，時效強化越明顯。對于可熱處理強化鋁合金，在退火過程中，再結晶軟化及淬火效應同時發(fā)生，溫度較低時淬火效應不明顯，此階段隨溫度的升高，強度有明顯下降，如表4所示的6061鋁合金在不大于450 ℃退火時，強度隨著退火溫度的提高而持續(xù)降低。但若再結晶驅動力不足，即終軋溫度較高時，板材再結晶程度降低，即使加熱到很高溫度，板材性能也不能繼續(xù)降低，而此時淬火效應越發(fā)明顯，強于再結晶軟化效應，因而退火溫度較高時強度反而隨著溫度的上升而提高，即6061鋁合金在大于450 ℃退火時，終軋溫度最高(381 ℃)的4#試樣的強度反而隨著退火溫度的升高而增大(表4)。

圖1 不同試樣及其退火后的晶粒大小Fig.1 Grain sizes of different samples after annealing

4 結 論

1)熱軋過程中軋制溫度較高，加工硬化與回復再結晶軟化過程同時發(fā)生，而可熱處理強化鋁合金在退火過程中則同時發(fā)生再結晶軟化和淬火效應。終軋溫度(不大于300 ℃)較低時，6061鋁合金在較低溫度退火即可達到O態(tài)的力學性能要求；而終軋溫度(381 ℃)較高時，合金的強度隨著退火溫度的升高先降低后升高，這是由于高溫時合金發(fā)生淬火效應所致。

2)為達到6061-O鋁合金板材的力學性能及較小的晶粒度，6061鋁合金中厚板熱軋時應采用較低的終軋溫度，且在不超過450 ℃的溫度進行退火。