曹耿華，余珠華，張大童，寧成云，朱世安，項(xiàng)勝前

(1.廣東豪美新材股份有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511540； 2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640； 3.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，廣東 深圳 518055)

6063 鋁合金屬于低合金化Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有優(yōu)異的擠壓成型性能，良好的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能，還因其容易氧化著色，被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)[1-2]。隨著汽車輕量化趨勢(shì)的加快，6063鋁合金擠壓材在汽車工業(yè)上的應(yīng)用也進(jìn)一步增加。

擠壓材的組織和性能受到擠壓速度、擠壓溫度和擠壓比等參數(shù)的綜合影響。其中，擠壓比主要由擠壓力、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)設(shè)備來(lái)確定，當(dāng)擠壓比較小時(shí)，合金變形程度小，組織細(xì)化不明顯；增大擠壓比則可以顯著細(xì)化晶粒，破碎粗大第二相，獲得均勻組織，提高合金力學(xué)性能。

6061[3]和6063[4]鋁合金在擠壓過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，當(dāng)擠壓溫度一定時(shí)，隨著擠壓比增大，晶粒尺寸減小，強(qiáng)化相細(xì)小彌散分布，合金的抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率隨之提高；但是，隨著擠壓比增大，擠壓過(guò)程所需擠壓力也變大，引起更大的熱效應(yīng)，使合金內(nèi)部溫度升高，制品的性能降低。本試驗(yàn)研究了擠壓比、尤其是大擠壓比對(duì)6063鋁合金組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為6063鋁合金，化學(xué)成分如表1所示。鑄錠原始尺寸為Φ55 mm×165 mm，經(jīng)560 ℃ 6 h均勻化處理后加工成尺寸為Φ50 mm×150 mm的擠壓坯料。坯料加熱到470 ℃保溫，擠壓筒預(yù)熱溫度為420 ℃，模具預(yù)熱溫度為450 ℃。在擠壓速度(擠壓桿移動(dòng)速度)V=5 mm/s不變的情況下，進(jìn)行5組不同擠壓比試驗(yàn)，擠壓比R分別為17(對(duì)應(yīng)?？字睆紻=12 mm)、25(D=10 mm)、39(D=8 mm)、69(D=6 mm)、156(D=4 mm)。

表1 6063鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of 6063 Al alloy (wt/%)

金相試樣經(jīng)砂紙打磨和機(jī)械拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為40%的HF試劑腐蝕25 s左右，在LEICA-5000萊卡光學(xué)顯微鏡上觀察試樣金相組織。從擠壓棒材縱截面中心位置截取尺寸為10 mm×10 mm的織構(gòu)分析試樣，進(jìn)行機(jī)械磨拋與腐蝕以去除表面應(yīng)力層，采用PANalytical公司的X′Pert Pro MRD X射線衍射分析儀分別測(cè)量試樣{111}、{200}、{220}三個(gè)晶面族不完整極圖，采用X′Pert Data View和X′Pert Texture軟件對(duì)織構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

鑄態(tài)合金拉伸試樣取自鑄錠中心，擠壓后拉伸試樣沿著擠壓方向截取，標(biāo)距區(qū)尺寸為Φ4 mm×28 mm。采用SANS CMT5105型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm/min，計(jì)算3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣平均值作為力學(xué)性能數(shù)據(jù)。采用低倍掃描電子顯微鏡(Quanta 2000, FEI, USA)觀察拉伸試樣斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

圖1為鑄態(tài)6063鋁合金均勻化處理前后的金相組織照片。由圖1a可見(jiàn)，鑄態(tài)組織中α-Al晶粒尺寸大小不一，晶界處聚集著大量網(wǎng)狀β-Al9Fe2Si2相，晶粒內(nèi)部則存在著大量顆粒狀Mg2Si相。鑄錠經(jīng)560 ℃ 6 h均勻化處理后，合金枝晶間的非平衡共晶相逐漸溶解，合金元素溶入基體中，組織均勻，平均晶粒尺寸約為125 μm(圖1b)。

圖1 6063鋁合金均勻化處理前后的金相組織Fig.1 Metallographic structure of 6063 aluminum alloy before and after homogenization treatment

圖2為6063鋁合金不同擠壓比的棒材外觀形貌。由圖2可見(jiàn)，不同擠壓比擠壓的6063鋁合金棒材表面質(zhì)量良好，尤其是當(dāng)擠壓比增大到156時(shí)(對(duì)應(yīng)棒材擠壓出口速度為48 m/min)，棒材表面仍未出現(xiàn)裂紋、脫皮等擠壓缺陷，說(shuō)明6063鋁合金在高速、大擠壓比下也具有很好的熱擠壓成型性能。

圖2 6063鋁合金不同擠壓比的棒材形貌Fig.2 Appearance of 6063 aluminum alloy rods with different extrusion ratios

圖3為6063鋁合金不同擠壓比的棒材縱截面金相組織照片。不同擠壓比的棒材晶粒組織出現(xiàn)了不同程度的拉長(zhǎng)或細(xì)化。當(dāng)擠壓比為17時(shí)，原始晶粒沿著擠壓方向被拉長(zhǎng)的同時(shí)，伴隨著少量再結(jié)晶晶粒的形成，但晶粒仍較為粗大，平均晶粒尺寸約為85 μm(圖3a)；當(dāng)擠壓比為25時(shí)，晶粒被拉得更為細(xì)長(zhǎng)，再結(jié)晶晶粒數(shù)量增加，平均晶粒尺寸減小至約71 μm(圖3b)；當(dāng)擠壓比為39時(shí)，除了少量的變形晶粒，微觀組織基本由尺寸不均的等軸再結(jié)晶晶粒組成，平均晶粒尺寸約為60 μm(圖3c)；當(dāng)擠壓比為69時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程基本完成，粗大的原始晶粒已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變成組織均勻的再結(jié)晶晶粒，平均晶粒尺寸細(xì)化至約41 μm(圖3d)；當(dāng)擠壓比為156時(shí)，隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程的充分進(jìn)行，微觀組織更為均勻，晶粒尺寸大幅細(xì)化至約32 μm(圖3e)。隨著擠壓比的增大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行更為充分，合金微觀組織變得更為均勻，晶粒尺寸明顯細(xì)化(圖3f)。

圖3 6063鋁合金不同擠壓比的棒材縱截面金相組織及晶粒尺寸Fig.3 Metallographic structure and grain size of longitudinal section of 6063 aluminum alloy rods with different extrusion ratios

圖4為6063鋁合金不同擠壓比的棒材沿?cái)D壓方向的反極圖?？梢钥闯?，不同擠壓比的合金棒材組織都產(chǎn)生了明顯的擇優(yōu)取向。當(dāng)擠壓比為17時(shí)，形成的是強(qiáng)度較弱的<115>+<100>織構(gòu)(圖4a)；當(dāng)擠壓比為39時(shí)，織構(gòu)組分主要是強(qiáng)度較大的<100>織構(gòu)和少量微弱的<115>織構(gòu)(圖4b)；當(dāng)擠壓比為156時(shí)，織構(gòu)組分是強(qiáng)度明顯增加的<100>織構(gòu)，而<115>織構(gòu)消失(圖4c)。研究表明[5]，面心立方金屬在擠壓拉拔過(guò)程中主要形成<111>和<100>絲織構(gòu)，織構(gòu)一旦形成，合金的室溫力學(xué)性能呈現(xiàn)明顯的各向異性?？棙?gòu)強(qiáng)度隨著擠壓比增大而增強(qiáng)，說(shuō)明合金內(nèi)某一晶向平行于擠壓方向的晶粒數(shù)目逐漸增多，合金縱向抗拉強(qiáng)度增大。6063鋁合金熱擠壓材的強(qiáng)化機(jī)制包括細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、織構(gòu)強(qiáng)化等多種機(jī)制。在本試驗(yàn)研究所用的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，提高擠壓比對(duì)上述強(qiáng)化機(jī)制均有促進(jìn)作用。

圖4 6063鋁合金不同擠壓比的棒材沿?cái)D壓方向的反極圖Fig.4 Reverse pole diagram of 6063 aluminum alloy rods with different extrusion ratios along the extrusion direction

圖5為6063鋁合金不同擠壓比變形后的拉伸性能直方圖。鑄態(tài)合金抗拉強(qiáng)度為170 MPa，伸長(zhǎng)率為10.4%。合金經(jīng)過(guò)擠壓后的抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率均得到明顯提高，且抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率均隨著擠壓比增加而逐漸增大。當(dāng)擠壓比為156時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均達(dá)到最大值，分別為228 MPa、26.9%，比鑄態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度提高了約34%，伸長(zhǎng)率提高了約158%。6063鋁合金通過(guò)大擠壓比獲得的抗拉強(qiáng)度接近于在4道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)獲得的抗拉強(qiáng)度值(240 MPa)[6]，遠(yuǎn)高于1道次ECAP 擠壓6063鋁合金獲得的抗拉強(qiáng)度值(171.1 MPa)[7]。由此可見(jiàn)，大擠壓比可在一定程度上提高合金的力學(xué)性能。

擠壓比對(duì)合金力學(xué)性能的增強(qiáng)主要來(lái)自細(xì)晶強(qiáng)化，隨著擠壓比增大，晶粒得到細(xì)化，位錯(cuò)密度也增大，單位面積內(nèi)更多的晶界可有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合位錯(cuò)相互運(yùn)動(dòng)、纏結(jié)等作用，從而提高合金強(qiáng)度[8-10]；且晶粒越細(xì)，晶界曲越折，塑性變形也可以分散在更多晶粒內(nèi)進(jìn)行，不利于形成裂紋，更不利于裂紋的傳播，在斷裂過(guò)程中可以吸收更多的能量，從而提高合金塑性。

圖5 鑄態(tài)及擠壓后6063鋁合金的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of 6063 aluminum alloy after casting and extrusion

合金經(jīng)過(guò)不同擠壓比變形后的拉伸斷口形貌如圖6所示。在鑄態(tài)試樣斷口形貌中未發(fā)現(xiàn)韌窩(圖6a)，斷口主要由平坦區(qū)和撕裂棱組成，表明鑄態(tài)合金拉伸斷裂機(jī)制以脆性斷裂為主。合金經(jīng)過(guò)擠壓后的斷口形貌發(fā)生了較大的變化，斷口由大量的等軸韌窩組成，表明合金經(jīng)過(guò)擠壓后的斷裂機(jī)制由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。當(dāng)擠壓比較小時(shí)，韌窩較淺且韌窩尺寸較大，分布不均勻；隨著擠壓比增大，韌窩數(shù)量增多，韌窩尺寸更為細(xì)小且分布均勻(圖6b～f)，意味著合金塑性更好，這與上文的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果相符合。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)在坯料尺寸、鑄錠加熱溫度、擠壓速度不變的情況下，分析了不同擠壓比對(duì)6063鋁合金組織和性能的影響，得到結(jié)論如下：

1)6063鋁合金在熱擠壓過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，隨著擠壓比的增大，晶粒不斷細(xì)化，沿著擠壓方向拉長(zhǎng)的晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S再結(jié)晶晶粒，且<100>絲織構(gòu)強(qiáng)度不斷增大。

2)由于細(xì)晶強(qiáng)化的作用，合金的力學(xué)性能隨著擠壓比的增大而提高。在本試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，擠壓比為156時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值，分別為228 MPa和26.9%。

圖6 鑄態(tài)及擠壓后6063鋁合金的拉伸斷口形貌Fig.6 Tensile fracture morphologies of 6063 aluminum alloy after casting and extrusion

3)鑄態(tài)試樣斷口形貌由平坦區(qū)和撕裂棱組成，經(jīng)過(guò)擠壓后，斷口由大量等軸韌窩組成，斷裂機(jī)制由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。