擠壓比對(duì)鋁合金棒材組織、力學(xué)與切削性能的影響

張大鵬，范遠(yuǎn)博，蔡月華，牛艷萍

(1.廣東領(lǐng)勝新材料科技有限公司，廣東 佛山 528031；2.廣東精美特種型材有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500；3.廣東省工業(yè)分析檢測(cè)中心，廣東 廣州 510651)

Al-Mg-Si-Cu系變形鋁合金，具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性和優(yōu)異的切削加工性能等，廣泛應(yīng)用于制造各種精密機(jī)械零部件，如汽車制動(dòng)器活塞、空調(diào)壓縮機(jī)活塞、螺釘、鉚釘?shù)萚1,2]。傳統(tǒng)鋁合金中含有低熔點(diǎn)金屬Pb，但Pb屬于重金屬元素，不僅對(duì)人體有害，而且處理含Pb的鋁屑會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，因此，迫切需要開(kāi)發(fā)新型無(wú)Pb的易切削鋁合金[3-7]。本課題通過(guò)在合金中加入微量低熔點(diǎn)元素Bi和Sn，替代Pb的作用，制備了無(wú)鉛易切削的鋁合金，研究擠壓比對(duì)鋁合金棒材組織、力學(xué)與切削性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為無(wú)鉛易切削鋁合金，采用工業(yè)純鋁錠(99.7%，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同)、鎂錠(99.9%)、鋅錠(99.9%)、鉍錠(99.9%)、錫錠(99.9%)、Al-50%Cu合金、Al-20%Si合金和Al-10%Mn合金熔煉配制而成，熔煉設(shè)備為100kg熔鋁爐。將鋁錠放入熔鋁爐內(nèi)于750℃加熱熔化，然后加入Al-50%Cu合金、Al-20%Si合金、Al-10%Mn合金，鎂錠、鋅錠、鉍錠和錫錠，攪拌熔化成鋁合金液，用純度為99.99%的氬氣和占原材料總重量0.5%的精煉劑噴吹精煉10min，進(jìn)行除氣除雜處理，扒渣后再靜置30 min；最后半連續(xù)鑄造成直徑100 mm的鋁合金圓棒，鑄造溫度為690℃，冷卻水壓力為0.8 MPa，鑄造速度為120 mm/min。經(jīng)SPECTROMAXx型直讀光譜測(cè)定，鋁合金的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 1.15，F(xiàn)e 0.35，Cu 0.41，Mg 0.83，Zn 0.15，Sn 0.29，Bi 0.67，Mn 0.68，Al余量。

擠壓設(shè)備為630T擠壓機(jī)，將鋁合金圓棒去表皮后，加熱到420℃，放入擠壓筒分別擠壓成直徑40mm和50mm的鋁合金擠壓棒材，對(duì)應(yīng)的擠壓比分別為6.25和4，擠壓速度為0.55m/min，擠壓筒溫度450℃。

在鋁合金擠壓棒材的橫截面上取樣，試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后，在DMI3000M型金相顯微鏡上進(jìn)行觀察，在SU8220型高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡上進(jìn)行微觀組織觀察和分析，將試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在DNS200型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸測(cè)試，拉伸速度2 mm/min，拉伸試樣的形狀尺寸如圖1所示。在C6232A型車床上進(jìn)行切削性能測(cè)試，進(jìn)刀量1mm，轉(zhuǎn)速1120r/min，切削速度0.25m/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖2為鋁合金擠壓棒材的顯微組織。在擠壓過(guò)程中，鋁合金圓棒表面與擠壓筒內(nèi)壁發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，鋁合金受到大的剪切變形，使顯微組織發(fā)生細(xì)化，且擠壓比越大，鋁合金變形程度越大，組織細(xì)化越明顯。從圖2可見(jiàn)，擠壓比6.25的鋁合金棒材由于受到剪切變形更大，晶粒破碎更嚴(yán)重，第二相化合物分布也更加細(xì)小均勻(圖2(a))；而擠壓比4的鋁合金棒材由于變形程度較小，因此，第二相化合物也相對(duì)更加粗大(圖2(b))。

圖3為鋁合金擠壓棒材的掃描電鏡顯微組織。圖4為掃描電鏡能譜分析結(jié)果。結(jié)合圖4掃描電鏡能譜分析結(jié)果，鋁合金主要由α-Al基體、Mg2Si和CuAl2強(qiáng)化相，以及Sn和Bi單質(zhì)相組成，亮白色顆粒物分別為單質(zhì)Sn與Bi，灰色化合物為CuAl2強(qiáng)化相，黑色化合物為Mg2Si強(qiáng)化相(圖3)。通過(guò)比較可以看到，擠壓比6.25的鋁合金棒材的第二相化合物比擠壓比4的鋁合金擠壓棒材的第二相化合物更加細(xì)小，分布也更加均勻。

2.2 力學(xué)性能

鋁合金棒材擠壓態(tài)的拉伸力學(xué)性能為，擠壓比6.25的其抗拉強(qiáng)度為426.9 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為14.5%；擠壓比4的其抗拉強(qiáng)度為383.9 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為16.9%。圖5為拉伸試樣的斷口形貌。由于擠壓比6.25的鋁合金棒材在擠壓過(guò)程中所受到的變形程度更大，晶粒和第二相都更為細(xì)小，第二相分布也更為均勻，因而抗拉強(qiáng)度更高(426.9 MPa)，斷后伸長(zhǎng)率為14.5%，拉伸試樣斷口的韌窩較深，韌窩數(shù)量較多，如圖5(a)所示。而擠壓比4的鋁合金棒材由于第二相相對(duì)更為粗大，分布均勻性也相對(duì)較差，因而抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低(383.9 MPa)，斷后伸長(zhǎng)率為16.9%，拉伸試樣斷口的韌窩數(shù)量相對(duì)少些，如圖5(b)所示。

2.3 切削性能

圖6為鋁合金擠壓棒材的切屑形貌。Sn熔點(diǎn)為231℃，Bi熔點(diǎn)為271℃，鋁合金擠壓棒材在高速切削加工過(guò)程中，切屑與刀具之間由于高速摩擦迅速生熱，接觸點(diǎn)溫度約370℃，鋁合金中低熔點(diǎn)組成物發(fā)生軟化甚至熔化，切屑發(fā)生斷裂、碎化，達(dá)到切屑不粘刀、不纏刀，加工表面光滑的效果。由于擠壓比6.25的鋁合金棒材內(nèi)部低熔點(diǎn)組成物Sn和Bi更加細(xì)小，分布更加均勻，使擠壓比6.25的鋁合金棒材的切削加工性能更高，切屑更加細(xì)小均勻(圖6(a))。而擠壓比4的鋁合金棒材由于內(nèi)部低熔點(diǎn)組成物Sn和Bi更加粗大且分布不均勻，因而切削加工性能略差，切屑相對(duì)更加粗大，尺寸更長(zhǎng)(圖6(b))。

3 結(jié)論

(1)鋁合金棒材組織由α-Al、Mg2Si、CuAl2和單質(zhì)Sn、Bi相組成，棒材的擠壓比越大，Mg2Si和CuAl2強(qiáng)化相以及單質(zhì)Sn、Bi相的尺寸越細(xì)小，分布越均勻；

(2)擠壓比越大，鋁合金棒材的拉伸力學(xué)性能越高，擠壓比6.25的鋁合金棒材的抗拉強(qiáng)度為426.9MPa，斷后伸長(zhǎng)率為14.5%；

(3)擠壓比越大，鋁合金棒材內(nèi)部低熔點(diǎn)組成物Sn和Bi更加細(xì)小，分布更加均勻，棒材的切削加工性能更好，切屑更加細(xì)小均勻。