曹耿華，余珠華，張大童，寧成云，朱世安，項勝前

(1.廣東豪美新材股份有限公司，廣東 清遠 511540； 2.華南理工大學，廣東 廣州 510640； 3.深圳職業(yè)技術學院 汽車與交通學院，廣東 深圳 518055)

6063 鋁合金屬于低合金化Al-Mg-Si系可熱處理強化鋁合金，具有優(yōu)異的擠壓成型性能，良好的耐腐蝕性能和綜合力學性能，還因其容易氧化著色，被廣泛應用于汽車工業(yè)[1-2]。隨著汽車輕量化趨勢的加快，6063鋁合金擠壓材在汽車工業(yè)上的應用也進一步增加。

擠壓材的組織和性能受到擠壓速度、擠壓溫度和擠壓比等參數(shù)的綜合影響。其中，擠壓比主要由擠壓力、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)設備來確定，當擠壓比較小時，合金變形程度小，組織細化不明顯；增大擠壓比則可以顯著細化晶粒，破碎粗大第二相，獲得均勻組織，提高合金力學性能。

6061[3]和6063[4]鋁合金在擠壓過程中發(fā)生動態(tài)再結晶，當擠壓溫度一定時，隨著擠壓比增大，晶粒尺寸減小，強化相細小彌散分布，合金的抗拉強度及伸長率隨之提高；但是，隨著擠壓比增大，擠壓過程所需擠壓力也變大，引起更大的熱效應，使合金內(nèi)部溫度升高，制品的性能降低。本試驗研究了擠壓比、尤其是大擠壓比對6063鋁合金組織和力學性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗材料為6063鋁合金，化學成分如表1所示。鑄錠原始尺寸為Φ55 mm×165 mm，經(jīng)560 ℃ 6 h均勻化處理后加工成尺寸為Φ50 mm×150 mm的擠壓坯料。坯料加熱到470 ℃保溫，擠壓筒預熱溫度為420 ℃，模具預熱溫度為450 ℃。在擠壓速度(擠壓桿移動速度)V=5 mm/s不變的情況下，進行5組不同擠壓比試驗，擠壓比R分別為17(對應模孔直徑D=12 mm)、25(D=10 mm)、39(D=8 mm)、69(D=6 mm)、156(D=4 mm)。

表1 6063鋁合金的化學成分(質量分數(shù)/%)Table 1 Chemical compositions of 6063 Al alloy (wt/%)

金相試樣經(jīng)砂紙打磨和機械拋光后，采用體積分數(shù)為40%的HF試劑腐蝕25 s左右，在LEICA-5000萊卡光學顯微鏡上觀察試樣金相組織。從擠壓棒材縱截面中心位置截取尺寸為10 mm×10 mm的織構分析試樣，進行機械磨拋與腐蝕以去除表面應力層，采用PANalytical公司的X′Pert Pro MRD X射線衍射分析儀分別測量試樣{111}、{200}、{220}三個晶面族不完整極圖，采用X′Pert Data View和X′Pert Texture軟件對織構進行數(shù)據(jù)處理與分析。

鑄態(tài)合金拉伸試樣取自鑄錠中心，擠壓后拉伸試樣沿著擠壓方向截取，標距區(qū)尺寸為Φ4 mm×28 mm。采用SANS CMT5105型萬能材料試驗機進行拉伸試驗，拉伸速率為2 mm/min，計算3個標準試樣平均值作為力學性能數(shù)據(jù)。采用低倍掃描電子顯微鏡(Quanta 2000, FEI, USA)觀察拉伸試樣斷口形貌。

2 結果與討論

圖1為鑄態(tài)6063鋁合金均勻化處理前后的金相組織照片。由圖1a可見，鑄態(tài)組織中α-Al晶粒尺寸大小不一，晶界處聚集著大量網(wǎng)狀β-Al9Fe2Si2相，晶粒內(nèi)部則存在著大量顆粒狀Mg2Si相。鑄錠經(jīng)560 ℃ 6 h均勻化處理后，合金枝晶間的非平衡共晶相逐漸溶解，合金元素溶入基體中，組織均勻，平均晶粒尺寸約為125 μm(圖1b)。

圖1 6063鋁合金均勻化處理前后的金相組織Fig.1 Metallographic structure of 6063 aluminum alloy before and after homogenization treatment

圖2為6063鋁合金不同擠壓比的棒材外觀形貌。由圖2可見，不同擠壓比擠壓的6063鋁合金棒材表面質量良好，尤其是當擠壓比增大到156時(對應棒材擠壓出口速度為48 m/min)，棒材表面仍未出現(xiàn)裂紋、脫皮等擠壓缺陷，說明6063鋁合金在高速、大擠壓比下也具有很好的熱擠壓成型性能。

圖2 6063鋁合金不同擠壓比的棒材形貌Fig.2 Appearance of 6063 aluminum alloy rods with different extrusion ratios

圖3為6063鋁合金不同擠壓比的棒材縱截面金相組織照片。不同擠壓比的棒材晶粒組織出現(xiàn)了不同程度的拉長或細化。當擠壓比為17時，原始晶粒沿著擠壓方向被拉長的同時，伴隨著少量再結晶晶粒的形成，但晶粒仍較為粗大，平均晶粒尺寸約為85 μm(圖3a)；當擠壓比為25時，晶粒被拉得更為細長，再結晶晶粒數(shù)量增加，平均晶粒尺寸減小至約71 μm(圖3b)；當擠壓比為39時，除了少量的變形晶粒，微觀組織基本由尺寸不均的等軸再結晶晶粒組成，平均晶粒尺寸約為60 μm(圖3c)；當擠壓比為69時，動態(tài)再結晶過程基本完成，粗大的原始晶粒已經(jīng)完全轉變成組織均勻的再結晶晶粒，平均晶粒尺寸細化至約41 μm(圖3d)；當擠壓比為156時，隨著動態(tài)再結晶過程的充分進行，微觀組織更為均勻，晶粒尺寸大幅細化至約32 μm(圖3e)。隨著擠壓比的增大，動態(tài)再結晶過程進行更為充分，合金微觀組織變得更為均勻，晶粒尺寸明顯細化(圖3f)。

圖3 6063鋁合金不同擠壓比的棒材縱截面金相組織及晶粒尺寸Fig.3 Metallographic structure and grain size of longitudinal section of 6063 aluminum alloy rods with different extrusion ratios

圖4為6063鋁合金不同擠壓比的棒材沿擠壓方向的反極圖?？梢钥闯?，不同擠壓比的合金棒材組織都產(chǎn)生了明顯的擇優(yōu)取向。當擠壓比為17時，形成的是強度較弱的<115>+<100>織構(圖4a)；當擠壓比為39時，織構組分主要是強度較大的<100>織構和少量微弱的<115>織構(圖4b)；當擠壓比為156時，織構組分是強度明顯增加的<100>織構，而<115>織構消失(圖4c)。研究表明[5]，面心立方金屬在擠壓拉拔過程中主要形成<111>和<100>絲織構，織構一旦形成，合金的室溫力學性能呈現(xiàn)明顯的各向異性?？棙嫃姸入S著擠壓比增大而增強，說明合金內(nèi)某一晶向平行于擠壓方向的晶粒數(shù)目逐漸增多，合金縱向抗拉強度增大。6063鋁合金熱擠壓材的強化機制包括細晶強化、位錯強化、織構強化等多種機制。在本試驗研究所用的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，提高擠壓比對上述強化機制均有促進作用。

圖4 6063鋁合金不同擠壓比的棒材沿擠壓方向的反極圖Fig.4 Reverse pole diagram of 6063 aluminum alloy rods with different extrusion ratios along the extrusion direction

圖5為6063鋁合金不同擠壓比變形后的拉伸性能直方圖。鑄態(tài)合金抗拉強度為170 MPa，伸長率為10.4%。合金經(jīng)過擠壓后的抗拉強度及斷后伸長率均得到明顯提高，且抗拉強度及伸長率均隨著擠壓比增加而逐漸增大。當擠壓比為156時，合金抗拉強度和斷后伸長率均達到最大值，分別為228 MPa、26.9%，比鑄態(tài)合金的抗拉強度提高了約34%，伸長率提高了約158%。6063鋁合金通過大擠壓比獲得的抗拉強度接近于在4道次等通道轉角擠壓(ECAP)獲得的抗拉強度值(240 MPa)[6]，遠高于1道次ECAP 擠壓6063鋁合金獲得的抗拉強度值(171.1 MPa)[7]。由此可見，大擠壓比可在一定程度上提高合金的力學性能。

擠壓比對合金力學性能的增強主要來自細晶強化，隨著擠壓比增大，晶粒得到細化，位錯密度也增大，單位面積內(nèi)更多的晶界可有效阻礙位錯運動，結合位錯相互運動、纏結等作用，從而提高合金強度[8-10]；且晶粒越細，晶界曲越折，塑性變形也可以分散在更多晶粒內(nèi)進行，不利于形成裂紋，更不利于裂紋的傳播，在斷裂過程中可以吸收更多的能量，從而提高合金塑性。

圖5 鑄態(tài)及擠壓后6063鋁合金的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of 6063 aluminum alloy after casting and extrusion

合金經(jīng)過不同擠壓比變形后的拉伸斷口形貌如圖6所示。在鑄態(tài)試樣斷口形貌中未發(fā)現(xiàn)韌窩(圖6a)，斷口主要由平坦區(qū)和撕裂棱組成，表明鑄態(tài)合金拉伸斷裂機制以脆性斷裂為主。合金經(jīng)過擠壓后的斷口形貌發(fā)生了較大的變化，斷口由大量的等軸韌窩組成，表明合金經(jīng)過擠壓后的斷裂機制由脆性斷裂轉變?yōu)轫g性斷裂。當擠壓比較小時，韌窩較淺且韌窩尺寸較大，分布不均勻；隨著擠壓比增大，韌窩數(shù)量增多，韌窩尺寸更為細小且分布均勻(圖6b～f)，意味著合金塑性更好，這與上文的力學性能測試結果相符合。

3 結 論

本試驗在坯料尺寸、鑄錠加熱溫度、擠壓速度不變的情況下，分析了不同擠壓比對6063鋁合金組織和性能的影響，得到結論如下：

1)6063鋁合金在熱擠壓過程中發(fā)生動態(tài)再結晶，隨著擠壓比的增大，晶粒不斷細化，沿著擠壓方向拉長的晶粒轉變?yōu)榈容S再結晶晶粒，且<100>絲織構強度不斷增大。

2)由于細晶強化的作用，合金的力學性能隨著擠壓比的增大而提高。在本試驗參數(shù)范圍內(nèi)，擠壓比為156時，合金的抗拉強度和伸長率達到最大值，分別為228 MPa和26.9%。

圖6 鑄態(tài)及擠壓后6063鋁合金的拉伸斷口形貌Fig.6 Tensile fracture morphologies of 6063 aluminum alloy after casting and extrusion

3)鑄態(tài)試樣斷口形貌由平坦區(qū)和撕裂棱組成，經(jīng)過擠壓后，斷口由大量等軸韌窩組成，斷裂機制由脆性斷裂轉變?yōu)轫g性斷裂。