呂慶玉

（龍口市叢林鋁材有限公司，龍口市 265700）

0 前言

6061 合金屬Al-Mg-Si 系合金，中等強度，具有良好的塑性和優(yōu)良的耐蝕性。特別是無應(yīng)力腐蝕開裂傾向，其焊接性能優(yōu)良，耐蝕性及冷加工性能好，應(yīng)用范圍廣是一種很有前途的合金?？申枠O氧化著色，也可噴漆處理，適用作建筑裝飾材料。其含有少量Cu，因而強度高于6063 合金，但淬火敏感性也比6063 高，擠壓之后需要經(jīng)過高強度的固溶淬火，才能獲得較高的強度[1]。

王峰[2]等研究了Cu 對熱擠壓Al-Mg-Si 合金拉伸性能及導(dǎo)電率的影響，向Al-0.35Si-0.45Mg-0.13Fe 合金中添入微量Cu 元素后，Mg2Si 析出相得到細化且時效強度提高，隨著Cu 元素含量的增加，峰值時效時間縮短，合金抗拉強度不斷提高，但伸長率逐漸降低。當Cu含量為0.06%時，合金抗拉強度達到最大值145.7 MPa。合金導(dǎo)電率隨著Cu元素含量的增加先升后降，當Cu含量為0.03%時達到最大值60.18%IACS。

潘青林[3]等研究了微量Mn 對Al-Mg-Si 合金的微觀組織與拉伸性能的影響，結(jié)果表明，微量Mn在Al-Mg-Si合金中主要以粒狀α-Al15（FeMn）3Si2彌散相的形式存在，尺寸為12 μm～210 μm，均勻、彌散分布在基體中，有效地釘扎位錯和亞晶界，抑制合金熱擠壓變形過程中的再結(jié)晶；均勻化處理過程中微量Mn 可促進長針狀β-Al9FeSi 相向粒狀α-Al15（FeMn）3Si2相轉(zhuǎn)變，這種含Mn 的α 相彌散顆?？勺鳛楹辖饡r效強化相β′（Mg2Si）的非均勻成核位置，促進β′相的析出，從而強化合金，使合金獲得較好的強塑性配合。

目前國內(nèi)鋁合金研究機構(gòu)、鋁擠壓行業(yè)對Cr元素含量對6061 合金的性能組織影響研究較少，基于此現(xiàn)狀，結(jié)合我司承接的出口國外擠壓型材，客戶要求6061 合金型材抗拉強度≥320 MPa，強度指標要求較普通工業(yè)材高很多，為了滿足客戶特殊要求，在GB/T 3190 成分范圍內(nèi)，設(shè)計成分配比方案，開展試驗研究，以期滿足客戶要求，并為鋁擠壓行業(yè)同行提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗材料為?120 mm 規(guī)格圓鋁棒，長度為3 000 mm。在GB/T 3190 的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計兩種合金成分，見表1。在1 000 t機臺生產(chǎn)線進行擠壓，生產(chǎn)的棒材直徑為?20 mm，米重為0.847 kg·m-1。

表1 6061合金化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

圓鋁棒鑄造工藝流程如下：

試驗用兩種合金1#、2#經(jīng)過均勻化退火處理，退火工藝采用單級均勻化制度。首先設(shè)定（560±5）℃，升溫150 min，溫度達到設(shè)定溫度范圍后保溫48 min轉(zhuǎn)入冷卻爐冷卻，強風急冷30 min后，調(diào)水壓為0.15 MPa冷卻80 min，出爐后自然冷卻至室溫[4]。

均勻化退火后的圓鋁棒，切除頭部100 mm、尾部切除120 mm，兩端取樣進行檢測分析。低倍組織無裂紋、氣孔、羽毛晶、非金屬夾雜等缺陷，晶粒度、疏松一級，氫氣含量0.14 g/100g·Al。

1.2 實施方案

在1 000 t機臺上進行擠壓試驗生產(chǎn)，試驗方案見表2。采用一套模具，控制模具溫度在450 ℃～480 ℃，擠壓筒溫度控制在430 ℃～450 ℃，第一根引棒緩慢擠壓，不鋸切成品。成分1#、成分2#各擠壓5根，定尺鋁棒長度是500 mm，具體擠壓數(shù)據(jù)見表3。

表2 試驗方案

表3 擠壓數(shù)據(jù)

擠壓在線淬火后的產(chǎn)品，在鋁棒與鋁棒擠壓型材交接位置中斷鋸切，然后進行拉伸矯直，拉伸率約1.2%。經(jīng)過定尺鋸切裝筐，為了便于時效時通風順暢，產(chǎn)品用3 mm 厚度橫梁隔開。為了消除停放自然時效對產(chǎn)品拉伸性能的影響，最終獲得高強度產(chǎn)品，進行如下操作：擠壓停放20 h 內(nèi)裝爐進行人工時效，采用燃氣縱向大循環(huán)時效爐進行時效，溫度設(shè)定（170±3）℃，升溫時間不超1.5 h，保溫7 h，出爐后進行空冷，冷卻至室溫后取樣檢測。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 拉伸性能、硬度

拉伸試樣參照GB/T 228—2010 標準加工制作，加工成圓形比例試樣。采用日本島津UH-F300KNX液壓萬能試驗機、美國英斯特朗AG0278-107 布氏硬度計進行試驗檢測，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同成分方案時效后的拉伸性能、硬度對比

成分1#、成分2#擠壓型材，在同等條件下擠壓、固溶淬火和人工時效，根據(jù)檢測結(jié)果來看兩者有明顯差異，添加0.22%Cr 元素的成分2#產(chǎn)品抗拉強度平均高約40 MPa，屈服強度平均高約50 MPa，斷后伸長率平均高約4%，硬度平均高約15.5 HBW。分析兩種成分產(chǎn)生的差異原因，在Si和Mg及Cu含量固定不變的情況下，起主要強化作用的Mg2Si總含量是1.59%，含有0.06%過剩Si，并含有一定量的Al2Cu，這些析出相對時效后產(chǎn)品強度起主要強化作用[5]。6061 合金中添加的0.22%Cr，Cr在鋁基體中形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金屬間化合物，能有效阻礙晶粒長大，提高再結(jié)晶溫度和范圍，并對產(chǎn)品強度有一定的貢獻[6]。

2.2 顯微組織

試樣經(jīng)過加工、研磨、電解拋光，腐蝕劑采用法國NF A04-503 標準，氫氟酸∶鹽酸∶水=1∶2∶22，腐蝕時間約2 min。清洗后采用德國卡爾蔡司AXIO 金相顯微鏡對兩種成分的擠壓產(chǎn)品進行檢測分析，具體見圖1和圖2。

圖1 成分1#顯微組織

圖2 成分2#顯微組織

成分1#擠壓產(chǎn)品的組織，晶粒均勻性較差，且邊部存在大尺寸再結(jié)晶晶粒，厚度約3 mm。成分2#擠壓產(chǎn)品的組織，邊部存在粗晶層，厚度約800 μm；基體晶粒細小均勻，晶粒度級別6～7 級。從顯微組織來看，成分2#擠壓的制品組織優(yōu)異，基體晶粒因為添加0.22%Cr的原因有明顯改善，這也是產(chǎn)品拉伸性能和硬度有很大提升的根本原因。

3 分析討論

在6×××系A(chǔ)l-Mg-Si鋁合金中，6061是一種較老的合金，屬于中等強度可熱處理強化鋁合金，其淬火敏感性比6063 合金高，需采用較高的淬火強度，后續(xù)才能經(jīng)過人工時效實現(xiàn)強化。其強化相主要是Mg2Si，Mg2Si的Mg與Si之比為1.73，為了獲得更高的強度，提高成形性能及焊接性能，大部分合金設(shè)計時含有一定量的過剩Si。合金中添加Cu，能明顯提高時效強度，隨著Cu 元素含量的增加，峰值時效時間縮短，合金抗拉強度不斷提高，但伸長率逐漸降低。GB/T 3190 中6061 合金Mn 元素最大允許含量0.15%，所以在生產(chǎn)實踐中很少單獨作為合金化元素添加。

本文研究的方向和內(nèi)容，基于Cr 元素含量對6061 合金的組織和性能的影響，因為合金中添加Cr 元素，可以作為Fe 的中和劑，消除Fe 的壞作用，鑄態(tài)組織(基體和晶界上)出現(xiàn)中尺寸小于5 μm的含Cr相，在鋁中形成（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金屬間化合物，能有效阻礙再結(jié)晶的形核和長大過程，對合金有一定的強化作用，還能改善合金韌性和降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。為了滿足高強度材料性能和細晶組織，本文試驗采用在線水冷淬火，形成過飽和固溶體，然后進行人工時效。最后經(jīng)過檢測分析，試驗結(jié)果達到了預(yù)期效果。

4 結(jié)論

（1）6061 合金隨著Cr 含量的增加，經(jīng)過后續(xù)的人工時效可以獲得優(yōu)良的產(chǎn)品，抗拉強度高約40 MPa，屈服強度提高約50 MPa，硬度提高約15 HBW。

（2）含有0.22%Cr元素的6061合金，對擠壓型材的顯微組織有明顯的改善作用，Cr 能形成（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金屬間化合物，阻礙晶粒長大，對基體晶粒起到能很好的細化作用，改善產(chǎn)品的綜合性能。