周廣宇，胡 皓，劉 學(xué)，尚 文，孫 巍

（遼寧忠旺鋁合金精深加工有限公司，遼陽 111003）

0 前言

隨著鋁合金在各行業(yè)尤其是在軌道交通中的廣泛應(yīng)用，且高速和節(jié)能始終是交通運(yùn)輸應(yīng)用中亟待解決的重要課題，所以輕量化的鋁型材無疑是首選[1]。6×××系合金主要以Mg和Si為主要強(qiáng)化元素，并且形成Mg2Si強(qiáng)化相，屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金，因其具有中等強(qiáng)度、耐腐蝕性高、無應(yīng)力腐蝕破裂傾向、焊接性能良好、成形性和工藝性能良好等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空航天、軌道交通、造船及建筑建材等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，6×××系鋁合金經(jīng)過擠壓后往往還需后續(xù)深加工處理，然后才能投入實(shí)際應(yīng)用。煨彎就是一種典型的后續(xù)深加工處理工藝。所謂煨彎，原意指把管加工成彎頭的工藝過程，多用于鋼管的生產(chǎn)中。田晨超等[5]人研究了加熱溫度對煨彎鋼管組織和力學(xué)性能的影響，曹曉燕等[6]人則探究了熱煨彎管產(chǎn)生裂紋的原因并進(jìn)行了分析。而車體用鋁型材煨彎工藝問題的研究分析卻幾乎鮮有報道。本實(shí)驗(yàn)針對生產(chǎn)出的車體用煨彎型材在彎曲處出現(xiàn)開裂的問題，通過嘗試更改合金化學(xué)成分、時效熱處理制度等方法探究了該問題的成因及其解決方案。

1 試驗(yàn)方法與材料

選用1 250 t擠壓機(jī)，從同一型材兩種成分鑄錠入手，結(jié)合不同時效制度進(jìn)行試驗(yàn)。工藝方面選用高溫和低溫兩種工藝對比，淬火方式選擇水冷，擠壓筒溫度為420～440℃，模具加熱溫度為480～500℃，擠壓速度為6～8 m/min。試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計了兩種不同化學(xué)成分（如表2所示），以探究其對車體型材煨彎的影響。

表2 試驗(yàn)用1#和2#成分對比

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能對比

分別選用不同參數(shù)，深入探究不同工藝參數(shù)對車用鋁型材力學(xué)性能的影響。力學(xué)性能結(jié)果如表3與圖1所示。

表3 不同工藝（成分、擠壓溫度和時效制度）力學(xué)性能對比

圖1 不同工藝力學(xué)性能對比

（1）合金成分對力學(xué)性能的影響。分別對比A/B和D/E四組試驗(yàn)并結(jié)合表3和圖1發(fā)現(xiàn)，在擠壓溫度和時效制度相同的前提下，4組型材的力學(xué)性能接近，2#成分的屈強(qiáng)比略高于1#成分。結(jié)合表2發(fā)現(xiàn)，1#成分中強(qiáng)化相Mg2Si的含量高于2#成分。合金中Mg/Si<1.73，說明合金中存有過剩Si。Mg2Si相使合金具有一定的人工時效硬化能力，Cu的加入使一部分Mg2Si相被Cu2Mg8Si6Al5取代，該相具有一定的自然時效能力，兩者均有提高合金力學(xué)性能的作用[7]。結(jié)合表3和圖1中A/B和D/E四組實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雖然Mg、Si和Cu均有所差異，但力學(xué)性能相差不大。同時2#合金成分中的Mn和Cr高于1#成分，Mn和Cr作用類似，可抑制Mg2Si相在晶界析出，延緩再結(jié)晶，并細(xì)化晶粒[8]，改變了合金的屈強(qiáng)比。

（2）擠壓溫度對力學(xué)性能的影響。分別對比B/C和E/F四組試驗(yàn)，并結(jié)合表3和圖1發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選用2#成分且時效制度相同時，低溫生產(chǎn)的力學(xué)性能略低于高溫生產(chǎn)，但相差不大，而屈強(qiáng)比接近。

（3）時效制度對力學(xué)性能的影響。分別對比A/D、B/E和C/F六組試驗(yàn)并結(jié)合表3和圖1發(fā)現(xiàn)，時效制度選用175℃×3.5 h的型材力學(xué)性能均低于175℃×8 h下的力學(xué)性能，但屈強(qiáng)比趨勢相同。在欠時效工藝條件下，材料的脫溶處于GP區(qū)階段，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度差值達(dá)到最大，即欠時效合金具有較低的初始變形抗力[9]，導(dǎo)致屈強(qiáng)比最大，產(chǎn)品的煨彎性能最為適宜，型材更有利于折彎。

根據(jù)對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論采用何種工藝生產(chǎn)出的型材均符合力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)。屈強(qiáng)比是可以用來衡量合金強(qiáng)度儲備的一個重要參數(shù)，即若屈強(qiáng)比過高，容易造成脆性破壞；屈強(qiáng)比太低容易產(chǎn)生塑形變形，材料不會輕易發(fā)生斷裂，更有助于提高型材煨彎時的合格率。通過時效制度與力學(xué)性能對比可知，在欠時效（175℃×3.5 h）制度且達(dá)到力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，降低型材的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比更有助于提高型材的煨彎性能。

2.2 高倍晶粒度對比

為進(jìn)一步確定型材煨彎性能，對欠時效試樣進(jìn)行高倍檢測，以分析晶粒粗晶情況對型材煨彎的影響。高倍晶粒度結(jié)果如圖2和表4所示。

圖2 高倍晶粒度對比

D/E/F試樣均為175℃×3.5 h時效試樣。由圖2和表4高倍檢測結(jié)果對比可知：D試樣為1#成分，棒溫為510～530℃，高倍檢測其邊部橫向最大晶粒尺寸為0.520 mm×0.068 mm，縱向最大晶粒尺寸為1.450 mm×0.700 mm，樣品煨彎后開裂；E試樣為2#成分，棒溫為510～530℃，高倍檢測其邊部橫向無粗大晶粒，縱向最大晶粒尺寸為0.777 mm×0.312 mm，樣品煨彎后無開裂；F試樣為1#成分，棒溫為490～510℃，高倍檢測其邊部橫向和縱向均無粗大晶粒，且試樣煨彎后均無開裂。

對比1#和2#合金的化學(xué)成分發(fā)現(xiàn)，二者微量添加元素的主要區(qū)別在于Cr和Mn的含量。1#合金按照Mn+Cr＜0.25進(jìn)行設(shè)計，2#合金則按照0.40＜Mn+Cr＜0.50，并且Cr/Mn比值在0.6～0.67之間。1#合金細(xì)晶元素較少，目的是為了擠壓后獲得再結(jié)晶相對充分的組織；2#合金中抑制再結(jié)晶元素較多，其目的是為了獲得再結(jié)晶細(xì)小的晶粒組織。設(shè)計不同合金成分對比的目的在于探索出哪類合金在實(shí)際中更適用于煨彎處理。Mn和Cr除在凝固過程中參與形成結(jié)晶相化合物之外，還有部分溶解于基體中形成過飽和固溶體，并在隨后的熱處理過程中析出細(xì)小彌散相。這些彌散相具有高密度和高熱穩(wěn)定性，在合金熱處理和熱形變過程中釘扎位錯，起到抑制變形晶粒再結(jié)晶及再結(jié)晶長大的作用[10]。合金經(jīng)固溶處理后可以獲得細(xì)小的晶粒尺寸和纖維狀未再結(jié)晶晶粒，這對合金能起到細(xì)晶強(qiáng)化和層狀強(qiáng)化的作用[10-11]。

2.3 煨彎處理對比

對型材進(jìn)行煨彎處理后，在前期工藝參數(shù)（鑄錠溫度490～510℃）與熱處理制度（175℃×3.5 h）相同的前提下，1#成分均質(zhì)棒與2#成分均質(zhì)棒所生產(chǎn)的成品在煨彎后出現(xiàn)如圖4所示的不同效果。圖4（a）為1#成分生產(chǎn)的型材，煨彎加工后開裂，型材邊部延伸，橫向開裂明顯，并伴有橘皮；圖4（b）為2#成分均質(zhì)棒生產(chǎn)的型材，煨彎之后表面橘皮不明顯，沒有開裂現(xiàn)象，符合客戶要求。

圖4 煨彎處理型材對比

3 結(jié)論

（1）當(dāng)0.92＜Mg/Si<1.72、1.25%＜ω（Mg+Si）＜1.60%時，采用欠時效既可保證型材的力學(xué)性能，并且屈強(qiáng)比也較小。同時，通過提高M(jìn)n和Cr元素的含量可抑制變形晶粒再結(jié)晶及長大，可以此控制橘皮的發(fā)生。

（2）對于屈強(qiáng)比的影響因素，鑄錠溫度影響甚微，時效制度影響最大，成分次之。

（3）當(dāng)采用2#成分均質(zhì)棒、鑄錠溫度490～510℃、擠壓速度6～8 m/min、水冷、時效制度175℃×3.5 h時，型材的煨彎效果最佳。