萬(wàn) 里，劉榮超，鄧濤濤

（佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，佛山 528000）

0 前言

鋁合金由于具有高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的冷/熱加工性能、焊接性能及抗腐蝕性能等特點(diǎn)，在自行車制造領(lǐng)域上得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。早期自行車主要采用6063 和6061 中強(qiáng)鋁合金制造車架、輪轂及把手等，且所涉及到的管材都以無(wú)縫管為主以確保行駛中的安全。隨著熱擠壓模具技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，無(wú)縫管逐漸被有縫管代替以降低生產(chǎn)成本。近年來(lái)越來(lái)越多中高強(qiáng)、高強(qiáng)鋁合金（如6013、6066、6069 及7003、7075 等）應(yīng)用更加廣泛，滿足了市場(chǎng)對(duì)輕量化的需求[5]。同時(shí)，采用鍛造代替整體機(jī)加工的工藝方法以提升部件的物理性能、減少制造過(guò)程中原材料的損耗，并最終提升產(chǎn)品服役時(shí)間、降低生產(chǎn)成本[6]。而鍛造工藝特別是冷鍛工藝對(duì)原材料的組織和性能提出了較高的要求，材料往往需同時(shí)具備細(xì)晶組織和退火狀態(tài)才能確保其在冷鍛過(guò)程中材料不發(fā)生表面起皮和開(kāi)裂現(xiàn)象。本文以6061 鋁合金為對(duì)象，重點(diǎn)研究了合金成分、熱擠壓溫度和熱擠壓速度對(duì)擠壓棒材組織的影響，展示了棒材不同的組織狀態(tài)對(duì)冷鍛后花轂部件的質(zhì)量影響，以期為降低生產(chǎn)成本、提高6×××系合金在汽車上的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

采用工業(yè)化生產(chǎn)用的25 t熔煉爐制備?230 mm的A、B、C 3 種不同合金成分的6061 鋁合金圓鑄錠，化學(xué)成分如表1所示。鑄造全程進(jìn)行在線除氣除渣處理。鑄造完成后將鑄錠轉(zhuǎn)移至容量為30 t的均質(zhì)爐中進(jìn)行560 ℃/8 h 的均勻化處理，均勻化處理完成后迅速將鑄錠轉(zhuǎn)移至冷卻室快速冷卻至室溫，冷卻速度大于250 ℃/h。在25 MN 擠壓機(jī)上將上述3 種合金成分的6061 鋁合金圓鑄錠擠壓成?40 mm的棒材，通過(guò)在擠壓機(jī)出口對(duì)擠出棒材進(jìn)行在線穿水的冷卻方式使棒材在2 min 內(nèi)迅速冷卻至50 ℃以內(nèi)。通過(guò)堿洗（100 g/L）→水洗→酸洗（V（65%HNO3）∶V（H2O）=1∶4）→水洗流程檢驗(yàn)擠壓棒材低倍組織，在ZEISS AX10 金相顯微鏡下對(duì)棒材進(jìn)行金相組織觀察。

表1 實(shí)驗(yàn)用6061鋁合金鑄棒的實(shí)際化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 合金成分對(duì)棒材組織的影響

圖1 展示了不同合金成分鑄棒在加熱溫度為480 ℃，出料速度為3 m/min 條件下棒材的晶粒組織照片。從圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）可以看出，隨著Cr和Mn元素添加量的增加，擠出棒材粗晶環(huán)的深度逐漸減小，其中A合金棒材的粗晶環(huán)深度約5.5 mm，B 合金棒材的粗晶環(huán)深度約0.5 mm，C 合金棒材沒(méi)有形成粗晶環(huán)組織。圖1（d）、圖1（e）、圖1（f）進(jìn)一步展示了不同Cr和Mn元素添加量對(duì)晶粒組織形貌的影響，從圖中可以看出，A合金棒材的粗晶層組織為形狀不規(guī)則的粗大晶粒組成，內(nèi)部晶粒組織則為沿?cái)D壓方向拉長(zhǎng)的纖維組織。與A合金相比，B合金的粗晶層為沿?cái)D壓方向長(zhǎng)條狀的粗大晶粒，棒材中間位置的晶粒組織仍為沿?cái)D壓方向一致的纖維組織。同時(shí)表面粗晶層與芯部纖維晶間存在一個(gè)細(xì)晶區(qū)，該區(qū)域的晶粒尺寸在20 μm 以內(nèi)。Cr 和Mn 含量最高的C 合金，在該擠壓工藝條件下，棒材的表面沒(méi)有形成粗晶環(huán)組織，為細(xì)晶組織，晶粒尺寸在10 μm以內(nèi)，而芯部則與A、B 合金一致，為沿?cái)D壓方向的纖維組織。不同Cr 和Mn 含量合金在相同擠壓工藝條件下材料內(nèi)部組織產(chǎn)生的差異主要是因?yàn)閿D壓時(shí)鑄棒與模具接觸并劇烈摩擦產(chǎn)生了大量的熱量，擠出棒材表面溫度急劇升高，誘導(dǎo)再結(jié)晶發(fā)生并長(zhǎng)大。對(duì)于A 合金，由于其Cr 和Mn 添加量較低，基體中形成的少量CrAl7和MnAl6高溫相粒子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用有限，擠出棒材表層發(fā)生的再結(jié)晶急劇長(zhǎng)大，最終形成較厚的粗晶層。而對(duì)于B 合金，由于其Cr 和Mn 添加量的增加，對(duì)再結(jié)晶后晶粒長(zhǎng)大的抑制作用增強(qiáng)，擠壓棒材表層滿足再結(jié)晶長(zhǎng)大的區(qū)域縮小，同時(shí)表層與芯部間形成一片發(fā)生再結(jié)晶但無(wú)法長(zhǎng)大的細(xì)晶區(qū)域。對(duì)于進(jìn)一步添加Cr 和Mn 元素的C 合金，由于基體中存在大量的CrAl7和MnAl6高溫相粒子，其對(duì)再結(jié)晶后晶粒長(zhǎng)大的抑制作用得到進(jìn)一步強(qiáng)化，擠出棒材表層無(wú)粗晶層出現(xiàn)，整體表現(xiàn)為細(xì)晶組織，且芯部纖維組織較A、B 合金更細(xì)。因此，通過(guò)添加Cr和Mn元素，與基體形成CrAl7和MnAl6高溫相粒子，利用該高溫相粒子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，有效地阻礙了熱擠壓過(guò)程中擠出棒材表層再結(jié)晶長(zhǎng)大過(guò)程，且Cr和Mn元素的添加量越大，作用越明顯。

圖1 不同合金成分棒材的低倍與高倍組織照片

綜上所述，通過(guò)添加一定量的Cr和Mn合金元素可使擠壓后棒材的表層出現(xiàn)無(wú)粗晶環(huán)狀態(tài)，可滿足棒材冷鍛加工工藝的需求。但大量的Cr和Mn元素的添加不但增加了生產(chǎn)時(shí)的能耗，同時(shí)也增加了原材料成本。因此，在該合金國(guó)標(biāo)成分允許范圍內(nèi)，盡量少添加Cr和Mn元素。通過(guò)調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)以滿足冷鍛加工工藝對(duì)材料內(nèi)部組織的需求值得深入研究。

2.2 擠壓溫度對(duì)棒材組織的影響

圖2 展示了低Cr 和Mn 元素的A 合金鑄棒在加熱溫度分別為420 ℃、480 ℃和520 ℃，出料速度為3 m/min 條件下擠出棒材的晶粒組織照片。從圖中可以看出，擠壓溫度從480 ℃降低至420 ℃后，由于整個(gè)體系能量的降低，達(dá)到材料再結(jié)晶激活能的區(qū)域減小，僅在與模具工作面發(fā)生劇烈摩擦的棒材表層發(fā)生了再結(jié)晶過(guò)程，棒材粗晶環(huán)的深度得到明顯改善，由原來(lái)的5.5 mm 減小至1.3 mm，但棒材表層晶粒尺寸增大。由于粗大晶粒的延展性較差容易造成冷鍛過(guò)程中制品表面開(kāi)裂，所以不利于材料的冷鍛加工成形。而當(dāng)擠壓溫度從480 ℃提高至520 ℃后，由于整個(gè)體系能量的增加，更多區(qū)域達(dá)到了材料發(fā)生再結(jié)晶的條件。因此發(fā)生再結(jié)晶過(guò)程的區(qū)域擴(kuò)大，棒材粗晶環(huán)深度增大，由原來(lái)的5.5 mm增加至8.2 mm，但粗晶環(huán)區(qū)域特別是棒材表層的晶粒尺寸得到細(xì)化，其有利于材料的冷鍛加工成形。

圖2 A合金鑄棒分別在420 ℃、480 ℃和520 ℃加熱溫度下的低倍與高倍組織照片

2.3 擠壓速度對(duì)棒材組織的影響

為了進(jìn)一步改善擠出A 合金鑄棒內(nèi)部的晶粒組織，在擠壓溫度保持在520 ℃的條件下將擠壓速度進(jìn)行大幅提升，分別達(dá)到5 m/min、10 m/min和15 m/min，其擠出棒材的晶粒組織照片如圖3 所示。從圖中可以看出，隨著擠壓速度的提升，擠出棒材內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶的區(qū)域逐步擴(kuò)大。擠壓速度為5 m/min 條件下再結(jié)晶深度達(dá)到10 mm，擠壓速度為10 m/min條件下再結(jié)晶深度達(dá)到13 mm，擠壓速度為15 m/min條件下擠出棒材整個(gè)截面均發(fā)生再結(jié)晶。除5 m/min條件下仍表現(xiàn)為粗晶環(huán)外，10 m/min和15 m/min條件下棒材內(nèi)部雖然發(fā)生再結(jié)晶的區(qū)域在逐漸擴(kuò)大，但其晶粒大小已達(dá)到細(xì)晶組織狀態(tài)，平均晶粒尺寸約300 μm。

圖3 A合金鑄棒分別在5 m/min、10 m/min和15 m/min擠壓速度下的低倍與高倍組織照片

2.4 晶粒組織對(duì)鍛打質(zhì)量的影響

分別選取圖1（b）、圖2（b）及圖3（c）的3 個(gè)狀態(tài)試樣（分別命名為D-1，D-2，D-3），通過(guò)400 ℃保溫2 h 的完全退火后進(jìn)行冷鍛處理，其表面質(zhì)量結(jié)果如圖4 所示。從圖中可以看出。3 個(gè)狀態(tài)試樣都能順利完成冷鍛成形過(guò)程。其中D-1試樣鍛造后成品的表層存在明顯晶斑，且在部分轉(zhuǎn)角位存在沿晶開(kāi)裂的現(xiàn)象；D-2試樣鍛造后由于表面的粗晶層使得整個(gè)產(chǎn)品表面都表現(xiàn)出粗糙質(zhì)感，特別在自由變形部分表現(xiàn)得更加明顯；而整個(gè)截面呈細(xì)晶狀態(tài)的D-3試樣，其鍛造后產(chǎn)品的表面質(zhì)量最佳，能完全滿足冷鍛工藝對(duì)原材料內(nèi)部組織品質(zhì)的需求。同時(shí)，鍛打后的D-3 試樣在530 ℃/1 h 固溶水淬和180 ℃/8 h 時(shí)效熱處理后抗拉強(qiáng)度為342 MPa、屈服強(qiáng)度為328 MPa、延伸率為11.5%，遠(yuǎn)超GB/T 6892對(duì)6061T6鋁合金的力學(xué)性能需求。

圖4 不同合金及狀態(tài)下擠壓棒材的冷鍛效果

3 結(jié)論

（1）添加Cr 和Mn 合金元素能顯著改善擠出棒材的內(nèi)部晶粒組織形貌，減少粗晶環(huán)的深度。

（2）隨著擠壓溫度的增加，低Cr 和Mn 合金擠出棒材粗晶環(huán)深度越厚，粗晶區(qū)的晶粒尺寸越小。

（3）隨著擠壓速度的增加，低Cr 和Mn 合金擠出棒材粗晶環(huán)深度越厚，快的擠壓速度可以使擠出棒材整個(gè)截面形成完全再結(jié)晶狀態(tài)，且晶粒尺寸得到細(xì)化。

（4）采用低Cr 和Mn 的合金配比，并聯(lián)合高溫高速的擠壓工藝，不但可完全滿足冷鍛工藝對(duì)原材料內(nèi)部組織的需求，同時(shí)也能大幅提升該類產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，是最經(jīng)濟(jì)、有效的工業(yè)化生產(chǎn)方案。