均勻化溫度對(duì)6005A型材組織與性能影響研究

何 金，王 睿，楊志勇，石 嬌，韓雨桐

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6005A鋁合金屬于Al-Mg-Si系鋁合金，具有中等強(qiáng)度，良好的抗腐蝕性能和焊接性能，被廣泛用于軌道交通等領(lǐng)域[1-2]。由于型材的拉伸和彎曲性能是軌道交通材料的重要性能指標(biāo)，本文重點(diǎn)研究均勻化溫度和強(qiáng)淬火冷卻方式對(duì)型材組織、硬度、拉伸性能和彎曲性能的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為φ151 mm×490 mm規(guī)格6005A鋁合金鑄錠，鑄錠采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)，鑄造過程中采用泡沫陶瓷過濾，Al-Ti-B絲細(xì)化晶粒，在線除氣處理。6005A鋁合金鑄錠化學(xué)成分見表1，符合EN 573—3標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 6005A鋁合金鑄錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 6005A aluminum alloy ingot (mass fraction，%)

選取相同鑄造批次的鑄錠分別在510、570 ℃保溫7 h進(jìn)行均勻化退火；然后采用1.25 MN油壓臥式擠壓機(jī)，擠壓成40 mm×30 mm、壁厚3 mm的立柱型材，具體擠壓工藝見表2；再將型材放入KWY-103電熱鼓風(fēng)烘箱中進(jìn)行175 ℃保溫8 h的時(shí)效處理。將時(shí)效處理后的型材按照GB/T 228標(biāo)準(zhǔn)要求加工拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；按照GB/T 3246.1—2012標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行組織觀察。采用日本島津萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；采用GYZJ-934-1巴氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試；采用渦流電導(dǎo)率儀進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試；采用AX10萬能研究級(jí)倒置式金相顯微鏡及掃描電子顯微鏡進(jìn)行組織觀察。

表2 型材擠壓工藝參數(shù)Table 2 Profile extrusion process parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果

不同均勻化退火制度下鑄錠的電導(dǎo)率和硬度值分別見表3和表4。從表3可以看出，鑄錠的電導(dǎo)率隨著均勻化溫度的升高而減小。由于均勻化溫度升高，鑄錠凝固時(shí)枝晶上粗大的非平衡相逐漸回溶到基體中，使固溶體的過飽和程度增加，對(duì)電子的散射能力增強(qiáng)，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。從表4可以看出，鑄錠的硬度隨著均勻化溫度的升高而減小。這是因?yàn)殡S著均勻化溫度的升高，鑄錠逐漸發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶等現(xiàn)象，從而硬度降低[3]。硬度的降低可提高鑄錠的可擠壓性，降低了擠壓過程的擠壓力，有利于提高模具壽命和型材產(chǎn)品表面質(zhì)量[4]。

表3 不同均勻化退火制度下鑄錠電導(dǎo)率(T=17.8 ℃)Table 3 Conductivity of ingot under different homogenizingannealing systems

表4 不同均勻化退火制度下鑄錠硬度Table 4 Hardness of ingot under different homogenizingannealing systems

不同均勻化退火制度下6005A鋁合金鑄錠的顯微組織見圖1。可以看出，鑄錠經(jīng)510 ℃×7 h處理后，晶界上的結(jié)晶相回溶到基體中，鑄錠組織存在較多的塊狀相且析出的彌散相較小；鑄錠經(jīng)570 ℃×7 h處理后，晶界上的結(jié)晶相回溶較低溫均勻化處理的更完全，鑄錠組織內(nèi)的塊狀相較少，且彌散相較低溫均勻化處理析出的較多、較大。不同溫度下鑄錠的晶粒度均為4.5級(jí)，晶粒未隨均勻化溫度的升高而長(zhǎng)大。

將不同均勻化處理的鑄棒擠壓成立柱型材，經(jīng)在線穿水淬火生產(chǎn)后進(jìn)行175 ℃×8 h時(shí)效處理，并對(duì)型材拉伸性能進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 型材拉伸性能Table 5 Tensile properties of profiles

按照ISO7438 金屬材料-彎曲測(cè)試方法，彎曲半徑12 mm，彎曲角度180°對(duì)型材進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，低溫均勻化處理后的型材表面存在輕微桔皮無裂紋，高溫均勻化處理后的型材表面出現(xiàn)較多的小裂紋。

3 分析及討論

對(duì)不同溫度均勻化處理的6005A鋁合金鑄錠進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖3所示。鑄錠的相成分分析結(jié)果見表6。從表6中可以看出，鑄錠中的相主要為AlMgSi、AlSi、AlFeSi、AlMnFeSi、AlMnCrSi和AlMnCrFeSi。黑色塊狀相為MgSi型結(jié)晶相，多依附于白色結(jié)晶相上。圖3(a)中白色相多為條狀β-AlFeSi相，Mn、Cr元素溶入AlFeSi相形成AlMnFe、Al(MnCr)Fe，析出彌散相呈點(diǎn)狀，尺寸較??；圖3(b)中枝晶呈網(wǎng)狀分布的β(AlFeSi)相轉(zhuǎn)變?yōu)檩^圓的α-AlFeSi相，Mn、Cr和Fe元素可以互換位置，溶入形成α-Al(MnFe)Si、α-Al(MnCrFe)Si、α-Al(MnCr)Si相[5-7]，且析出彌散相呈短桿狀，尺寸較大。

(a) 510 ℃×7 h，鑄錠邊部；(b)510 ℃×7 h，鑄錠心部； (c) 570 ℃×7 h，鑄錠邊部；(d)570 ℃×7 h，鑄錠心部 ； (e)510 ℃×7 h，晶粒度；(f)570 ℃×7 h，晶粒度圖1 不同均勻化處理后鑄錠的金相組織和晶粒度(a)510 ℃×7 h，at the edge of ingot；(b)510 ℃×7 h，in the core of ingot； (c)570 ℃×7 h，at the edge of ingot；(d)570 ℃×7 h,in the core of ingot； (e)510 ℃×7 h,grain size；(f)570 ℃×7 h，grain sizeFig.1 Microstructure and grain size of ingot after different homogenization treatment

(a) 510 ℃×7 h； (b) 570 ℃×7 h圖2 不同均勻化處理后型材彎曲試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Bending testing results of profiles after different homogenizing treatment

(a) 510 ℃×7 h，金相組織；(b) 570 ℃×7 h，金相組織； (c) 510 ℃×7 h，粗晶層；(d) 570 ℃×7 h，粗晶層圖4 不同均勻化溫度擠出型材的金相組織及晶粒度(a) 510 ℃×7 h，microstructure；(b) 570 ℃×7 h，microstructure； (c) 510 ℃×7 h，grain size；(d) 570 ℃×7 h，grain sizeFig.4 Microstructure and grain size of extruded profiles at different homogenization temperatures

表6 圖3中掃描電鏡能譜分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù)，%)Table 6 Analysis results of SEM energy spectrum infigure 3(atomic fraction，%)

(a) 510 ℃；(b) 570 ℃圖3 不同均勻化溫度下鑄錠掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM of ingot at different homogenization temperatures

對(duì)6005A鋁合金型材進(jìn)行金相組織和晶粒度觀察，見圖4?？梢钥闯?，鑄錠的結(jié)晶相經(jīng)擠壓后發(fā)生破碎，低溫均勻化處理后型材的結(jié)晶相仍然較高溫均勻化多，且分布較均勻，起到了第二相強(qiáng)化的作用。低溫均勻化處理后擠出型材的彌散相較高溫均勻化析出的彌散相細(xì)小，這些細(xì)小的彌散相在合金熱處理和熱變形過程中釘扎位錯(cuò)和晶界，阻礙位錯(cuò)重排及晶界遷移，起到抑制變形晶粒再結(jié)晶及再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的作用[8]，由于高溫均勻化的彌散相聚集長(zhǎng)大對(duì)位錯(cuò)滑移及再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大的抑制作用降低，從而導(dǎo)致性能下降和晶粒長(zhǎng)大。

由于型材采用穿水快速冷卻，使型材在擠壓過程中晶粒沒有長(zhǎng)大的時(shí)間，對(duì)型材的晶粒大小也起到了控制作用；快速冷卻使型材形成過飽和固溶體，也提高了型材的性能[9]。型材彎曲性能與型材的塑性和組織均勻性有關(guān)，低溫均勻化處理后型材表面粗晶較高溫均勻化的細(xì)小，粗晶層也較高溫均勻化的淺。因此型材經(jīng)低溫均勻化處理的力學(xué)性能和彎曲性能優(yōu)于高溫均勻化處理。

4 結(jié)論

隨著均勻化溫度的升高，6005A鋁合金鑄錠的電導(dǎo)率和硬度下降，鑄錠中的彌散相析出、聚集長(zhǎng)大，對(duì)位錯(cuò)的滑移和再結(jié)晶長(zhǎng)大的抑制作用降低，導(dǎo)致型材的拉伸性能和彎曲性能下降。

6005A鋁合金型材彎曲性能與型材的塑性和組織均勻性有關(guān)，晶粒細(xì)小均勻能夠提高型材的表面質(zhì)量。經(jīng)過510 ℃低溫均勻化處理，采用在線穿水快速冷卻淬火方式生產(chǎn)的型材的力學(xué)性能和彎曲性能優(yōu)于570 ℃高溫均勻化處理。