均質(zhì)工藝對(duì)6082鋁合金組織和性能的影響

王興瑞，曹善鵬，汲慶濤，龐廣鑫，王永紅

（1.山東南山鋁業(yè)股份有限公司，煙臺(tái) 265700；2.山東南山鋁業(yè)股份有限公司國(guó)家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心，煙臺(tái) 265700）

0 引言

鋁合金作為汽車輕量化的首選材料，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸提高[1-2]。6×××系鋁合金具有良好的比強(qiáng)度及加工特性，還有良好的熱塑性、優(yōu)良的耐蝕性及理想的綜合力學(xué)性能，而且很易氧化著色，因此在汽車、建筑等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。6082鋁合金是典型的可熱處理處理6×××系鋁合金，具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐蝕性、良好的焊接性、良好的擠壓性能以及優(yōu)良的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于汽車、高速軌道列車、船舶工業(yè)領(lǐng)域。

汽車懸架控制臂是6082 鋁合金的典型應(yīng)用之一，該類產(chǎn)品作為汽車中重要零件之一（見(jiàn)圖1），用于傳遞車輪所需各向支撐力，以及承受全部的前后方向應(yīng)力[6]。它是底盤系統(tǒng)的重要安全件，在設(shè)計(jì)中要求強(qiáng)度高、可靠性好，它的強(qiáng)度直接關(guān)系到車輛和人員的安全。懸架控制臂的典型加工工藝為鍛造后機(jī)加工，所用鍛坯為擠壓圓棒。由于該部件在使用過(guò)程中承受疲勞載荷，因此對(duì)該部件的性能要求較高（特別是中高端車型）。對(duì)于鍛坯（擠壓圓棒）的要求也極為苛刻，典型要求包括擠壓態(tài)圓棒粗晶層深度≤0.5 mm，固溶熱處理時(shí)效后縱向拉伸力學(xué)性能高出國(guó)標(biāo)30 MPa，且對(duì)于鍛后零件內(nèi)粗晶層和力學(xué)性能也要求極高。

圖1 懸架控制臂

黃繼武[7]等研究了490～560 ℃條件下均勻化熱處理中β相和α相的轉(zhuǎn)變情況，以及非平衡析出物魚骨狀共晶形態(tài)的變化，并基于這些化合物的轉(zhuǎn)變和尺寸分布確定出最佳的均質(zhì)工藝為560 ℃保溫6 h。謝怡純[8]等人采用差熱分析、光鏡、電鏡、電導(dǎo)率儀和硬度計(jì)，研究了Mn 含量0.45%的6082 合金在550 ℃條件下4～10 h 保溫時(shí)間內(nèi)，鑄錠內(nèi)部第二相形態(tài)分布、硬度和電導(dǎo)率數(shù)值，以硬度最佳、電導(dǎo)率最低為篩選依據(jù)，確定出550 ℃/8 h 為最佳均質(zhì)工藝。孫亮[9]等研究了6082 合金在490 ℃、525 ℃和560 ℃條件下均勻化鑄錠對(duì)正向擠壓型材的顯微組織相分布、拉伸性能和電導(dǎo)率的影響，結(jié)果表明，均勻化制度525 ℃×12 h時(shí)，機(jī)制的型材性能最佳。Chenglu Liu[10]等人對(duì)不同Mn和/或Cr元素含量的6082合金中的彌散相形核、長(zhǎng)大和粗化過(guò)程進(jìn)行了SEM 和TEM 表征，并從Fe 和Mn 元素?cái)U(kuò)散角度對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了解釋。結(jié)果表明：Mn/Cr元素有利于彌散相的析出，且Mn含量≤0.75%時(shí)，彌散相析出與均質(zhì)工藝有直接關(guān)系，均質(zhì)溫度越高時(shí)間越長(zhǎng)，彌散相析出的數(shù)量減少但尺寸長(zhǎng)大。

可見(jiàn)，目前學(xué)者對(duì)6082 鋁合金均質(zhì)工藝研究多集中在基于化合物的轉(zhuǎn)變、鑄錠電導(dǎo)率、鑄錠硬度、正向擠壓型材顯微組織和性能等方面，以此來(lái)篩選最佳的均質(zhì)工藝，同時(shí)也對(duì)均質(zhì)過(guò)程中彌散相的析出進(jìn)行了系統(tǒng)機(jī)理性研究。但較少有學(xué)者研究均質(zhì)工藝對(duì)反向擠壓6082 合金鍛打棒的粗晶層和力學(xué)性能，以及鍛打后產(chǎn)品粗晶環(huán)的影響。

本文通過(guò)對(duì)6082 鋁合金圓鑄錠采用不同的均質(zhì)工藝并結(jié)合金相觀察、低倍檢查、力學(xué)性能測(cè)試等手段，探討兩種不同均質(zhì)工藝對(duì)鑄錠組織、擠壓圓棒粗晶層及T6 態(tài)力學(xué)性能的影響，并揭示了其中的影響機(jī)理，從而得出最佳的均質(zhì)工藝。

1 試驗(yàn)材料和方法

本文試驗(yàn)所用圓鑄錠直徑為330 mm，圓鑄錠均質(zhì)在生產(chǎn)線熱處理爐中進(jìn)行，均質(zhì)完成后自然冷卻至280 ℃，隨后風(fēng)冷至室溫。均質(zhì)工藝1為保溫（510±5） ℃、保溫時(shí)間15 h；均質(zhì)工藝2 為保溫（530±5）℃、保溫時(shí)間10 h。對(duì)所用鑄錠的切片采用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 6082鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

對(duì)均質(zhì)完成后的圓鑄錠，按照工藝作業(yè)文件要求切頭去尾后，切取切片并制備金相試樣進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察，對(duì)顯微組織中的晶粒尺寸采用直線法進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并按照GB/T3246.1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了晶粒級(jí)別指數(shù)的評(píng)定。

為對(duì)比不同均質(zhì)工藝圓鑄錠擠出圓棒的低倍和T6態(tài)力學(xué)性能差異，對(duì)不均質(zhì)、均質(zhì)工藝1和均質(zhì)工藝2對(duì)應(yīng)圓鑄錠采用反向擠壓技術(shù)進(jìn)行了擠壓生產(chǎn)，擠壓工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 擠壓工藝參數(shù)

使用以上三種圓鑄錠制備的擠壓態(tài)圓棒，分別在切頭600 mm 和切尾1 500 mm 后進(jìn)行低倍粗晶層檢查，并在低倍切取完成后取長(zhǎng)度300 mm 試樣進(jìn)行離線固溶淬火和時(shí)效。固溶熱處理工藝為保溫（545±5）℃、保溫時(shí)間150 min，保溫結(jié)束后浸水淬火（水溫約28 ℃）。低倍檢查所用標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3246.2，拉伸力學(xué)性能所用標(biāo)準(zhǔn)為GB/T228.1。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同均質(zhì)工藝對(duì)應(yīng)圓鑄錠的均勻化效果

鋁合金圓鑄錠擠壓前均質(zhì)熱處理的目的是將鑄態(tài)不均勻不平衡組織均勻化，通過(guò)合金元素的原子的擴(kuò)散來(lái)消除或減少晶內(nèi)化學(xué)成分和組織的不均勻性，來(lái)改善圓鑄錠的內(nèi)部組織，從而消除內(nèi)部殘余應(yīng)力，提高合金的熱擠壓性能及型材組織均勻性[10]。

圖2所示為6082鋁合金鑄錠在均勻化過(guò)程中不同保溫溫度后的金相照片。從未腐蝕的金相圖中可以看出，6082 鋁合金顯微組織由α-Al 基體相和不連續(xù)鏈狀組織組成，鏈狀組織由兩種相構(gòu)成，一種是呈現(xiàn)魚骨狀的灰色組織，第二種是呈現(xiàn)短棒狀的黑色組織，兩種相均偏聚于枝晶間，如圖2（a）、圖2（c）所示。而且在兩種溫度下，均勻化組織中都存在縮松現(xiàn)象。在510 ℃下，圖2（b）鑄態(tài)組織中存在明顯的二次枝晶，在比較高的530 ℃下保溫的鑄態(tài)組織，如圖2（d）所示，顯微偏析得到了部分消除，二次枝晶不明顯。

圖2 不同均勻化熱處理后的金相組織

圖3所示為6082鋁合金鑄錠510 ℃和530 ℃保溫下的掃描電鏡照片及能譜分析結(jié)果，從圖中可以看出合金中主要存在兩種晶間析出相，對(duì)圖3（c）中箭頭所指物相進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖3（d）、圖3（e），能譜結(jié)果顯示這兩種析出相分別為Al（FeMnSi）和Mg2Si。使用Imagine J軟件對(duì)圖3（a）和圖3（b）中物相進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，510 ℃均質(zhì)鑄錠中Al（FeMnSi）占比2.28%，Mg2Si 相+縮松占比0.57%，而530 ℃均質(zhì)鑄錠中Al（FeMnSi）相占比1.94%，Mg2Si 相+縮松占比0.68%?？梢?jiàn)，530 ℃/10 h均勻化熱處理效果優(yōu)于510 ℃/15 h。

圖3 掃描電鏡照片，能譜分析位置及結(jié)果

2.2 不同均質(zhì)工藝對(duì)6082 擠壓圓棒低倍和力學(xué)性能的影響

使用同一鑄次不均質(zhì)、510 ℃/15 h 和530 ℃/10 h均質(zhì)的圓鑄錠，在表2所示的工藝條件下擠壓生產(chǎn)圓棒，并進(jìn)行擠壓態(tài)和離線固溶熱處理后的低倍檢查，并時(shí)效至T6態(tài)開(kāi)展力學(xué)性能測(cè)試。

低倍檢查結(jié)果表明：以上三種鑄錠所生產(chǎn)圓棒的擠壓態(tài)和固溶淬火態(tài)試樣的低倍組織均無(wú)明顯粗晶環(huán)，但兩種均質(zhì)工藝對(duì)應(yīng)6082-F 圓棒交付至終端客戶進(jìn)行鍛造后，鍛件截面粗晶層厚度存在明顯差異，530 ℃/10 h均質(zhì)鑄錠對(duì)應(yīng)鍛件的粗晶層明顯大于510 ℃/15 h均質(zhì)鑄錠的（見(jiàn)圖4）。

圖4 不同均質(zhì)工藝生產(chǎn)圓棒對(duì)應(yīng)鍛件粗晶層數(shù)值

由此可見(jiàn)，不均質(zhì)、510 ℃/15 h和530 ℃/10 h均質(zhì)圓鑄錠，對(duì)于擠壓態(tài)圓棒的粗晶層控制無(wú)明顯影響，但是會(huì)顯著影響鍛造后的粗晶層厚度。均質(zhì)溫度越高，對(duì)應(yīng)鍛件中的粗晶層控制難度越大，這主要是由于擠壓態(tài)圓棒的粗晶層主要與擠壓比、模具工作帶長(zhǎng)度及其他擠壓工藝參數(shù)有關(guān)，本研究中使用反向擠壓工藝，圓棒表面區(qū)域變形量不足以發(fā)生明顯再結(jié)晶。但是，即使是在相同成分條件下，相比高溫均質(zhì)而言，采用更低溫度均質(zhì)的鑄錠能夠析出更多細(xì)小的含Mn彌散相，這些彌散相在鋁合金變形過(guò)程中能夠使鋁合金發(fā)生均勻變形，從而避免鍛造中以及鍛后固溶熱處理過(guò)程中再結(jié)晶。同時(shí)，該類彌散相對(duì)晶粒長(zhǎng)大時(shí)晶界遷移也具有明顯的阻礙作用，這使得鍛件中的粗晶層能得到很好的控制。

圖5示出了在530 ℃/10 h均質(zhì)鑄錠中觀察到的典型含Mn 彌散相，其尺寸為納米級(jí)別。且根據(jù)Chenglu Liu[10]等人的研究，均勻化熱處理溫度越低，含Mn 彌散相形成的尺寸越小，數(shù)量越多，這與本研究中低溫均勻化熱處理圓鑄錠生產(chǎn)棒材對(duì)應(yīng)鍛件粗晶層厚度更低具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 530℃/10h均質(zhì)鑄錠中的含Mn彌散相

采用以上三種鑄錠，按表2所述擠壓工藝參數(shù)分別擠壓了6082圓棒，并在擠出圓棒頭端切除800 mm工藝廢料后連續(xù)切取3 個(gè)力學(xué)試樣T1、T2 和T3。隨后在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了固溶熱處理和人工時(shí)效，相關(guān)熱處理參數(shù)為：固溶保溫溫度（545±5）℃保溫時(shí)間150 min，保溫結(jié)束后浸水淬火（水溫約28 ℃），時(shí)效參數(shù)為（175±5）℃/8 h。相應(yīng)室溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從表3 可以看出，不均質(zhì)、510 ℃/15 h均質(zhì)和530 ℃/10 h均質(zhì)圓鑄錠對(duì)應(yīng)圓棒抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度依次提升，不均質(zhì)條件下圓棒的伸長(zhǎng)率最低。

表3 不同均質(zhì)工藝處理圓鑄錠所生產(chǎn)棒材T6態(tài)力學(xué)性能

為研究抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度存在差異的原因，對(duì)三種圓鑄錠切片進(jìn)行了電導(dǎo)率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。從表4 中電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果可以看出，不均質(zhì)和均質(zhì)圓鑄錠的電導(dǎo)率存在明顯差異，不均質(zhì)圓鑄錠的電導(dǎo)率明顯更低。這主要是由于，對(duì)于未均質(zhì)圓鑄錠而言，其內(nèi)含Mn、Cr和Fe元素的化合物在晶界呈現(xiàn)針狀或片狀連續(xù)分布，且在晶界處Mg 和Si元素聚集嚴(yán)重，阻礙了電子的自由運(yùn)動(dòng)，從而降低了電導(dǎo)率；而對(duì)于均質(zhì)后的鑄錠而言，Mg 和Si元素的微觀偏析得到大幅改善，晶界處Mn、Cr 和Fe 元素的化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榱藬嗬m(xù)鏈狀分布，部分含Mn 和Cr 元素形成納米級(jí)的彌散相分布在晶內(nèi)，使得鑄錠內(nèi)部整體阻礙電子運(yùn)動(dòng)的能力降低，從而提高了電導(dǎo)率。由此可見(jiàn)，均質(zhì)效果越好的鑄錠，其內(nèi)部Mg 和Si 等元素在基體內(nèi)的分布越均勻，在擠壓后相同的固溶條件下能夠有更多的Mg 和Si 元素回溶至鋁基體中，從而在相同時(shí)效工藝制度下能夠有更多的MgxSiy類強(qiáng)化相析出，使抗拉和屈服強(qiáng)度提高。

表4 不同均質(zhì)工藝處理圓鑄錠對(duì)應(yīng)切片的電導(dǎo)率

對(duì)于斷后伸長(zhǎng)率的差異，主要是受到鋁合金內(nèi)部粗大化合物數(shù)量、尺寸和分布的影響。對(duì)于均質(zhì)效果越好的鑄錠，其晶界金屬間化合物鏈化或球化越明顯，使其在拉伸測(cè)試過(guò)程中變形更加均勻，不會(huì)因大尺寸條狀金屬間化合物附近的應(yīng)力集中和位錯(cuò)塞積導(dǎo)致過(guò)早斷裂，從而改善了材料的塑性。反之，對(duì)于不均質(zhì)圓鑄錠所生產(chǎn)圓棒而言，其內(nèi)部化合物數(shù)量多、尺寸大且基本分布在晶界位置，在拉伸過(guò)程中形成裂紋源和裂紋擴(kuò)展路徑，從而使斷后伸長(zhǎng)率降低。

3 結(jié)論

（1）510 ℃/15 h 和530 ℃/10 h 均質(zhì)后鑄錠內(nèi)部晶粒尺寸略有差異，但這一差異與均質(zhì)無(wú)關(guān)；530 ℃/10 h均質(zhì)效果更佳。

（2）不均質(zhì)鑄錠和兩種均質(zhì)條件下鑄錠擠壓后的圓棒粗晶層無(wú)明顯差異，但低溫均質(zhì)鑄錠對(duì)相同工藝擠出的圓棒鍛后低倍粗晶層控制有很大改善，這主要與低溫均質(zhì)鑄錠中析出更多的含Mn 彌散相有關(guān)。

（3）均質(zhì)溫度越高，擠壓棒材固溶時(shí)效至T6態(tài)后對(duì)應(yīng)的抗拉和屈服強(qiáng)度越高，伸長(zhǎng)率越好。