擠壓速度對6082鋁合金圓管顯微組織和機械性能的影響

向 耀，梁豪輝，周晶哲，李一峰，秦 簡，張 海

（1.廣東澳美鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528137；2.蘇大澳美輕金屬研究院，廣東 佛山 528137；3.蘇州大學高性能金屬結(jié)構(gòu)材料研究院，江蘇 蘇州 215006）

擠壓是鋁的三大主要的生產(chǎn)加工方式之一，擠壓速度的快慢直接和生產(chǎn)效率直接相關(guān)，提高擠壓速度是工程技術(shù)人員不懈的追求。

在提高擠壓速度的過程中受到了各種條件的制約，因擠壓過程中由于鑄錠表面與擠壓筒有強烈的摩擦，使得外層多情的變形程度比中心區(qū)高幾十倍，同時外層金屬受到較大的剪切變形，晶粒破碎嚴重，使內(nèi)能增高，再結(jié)晶溫度降低。又因為在擠壓過程的末期復(fù)雜的紊流狀態(tài)。并且制品由前端向后端的變形程度越來越大，使得晶粒越往后越粗大。同時因為模具對材料表面強烈的摩擦產(chǎn)生大量的熱能，并且變形劇烈，使鋁合金表面發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，形成粗晶層。它能引起產(chǎn)品力學性能下降，抗疲勞性能下降。但關(guān)于擠壓速率對擠壓后變形組織和性能的影響的文章較少。

本文重點研究了在擠壓過程中6082鋁合金管格組織的演化過程，擠壓速率對微觀組織和機械性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用的合金棒的生產(chǎn)，采用工業(yè)純鋁（99.7%以上），加硅、鎂、錳等中間合金，使用同水平熱項鑄造，鋁棒直徑178mm。

1.2 擠壓

實驗采用正向擠壓，三分流孔設(shè)計，外徑48mm，壁厚4mm，鋁棒直徑178mm，鋁棒長度600mm擠壓比44，壓余長度20 mm，擠壓機噸位1800噸，鋁棒擠壓溫度：410℃，模具溫度：405℃，時效工藝180℃/5小時。擠壓速度為主缸的活塞速度，由6.5mm/s，7.0 mm/s 7.5mm/s，8.0 mm/s，8.5 mm/s，9.0mm/s，9.5 mm/s，10.0mm/s。在擠壓出口處在線淬火，隨后在180℃時效6小時。

1.3 力學性能測試和顯微組織測試樣品制取

分別在不同擠壓速度的產(chǎn)品的頭中尾取樣，整支料長為24m，頭尾鋸除廢料長度分別為：3m，1m。

顯微組織樣品取橫截面樣品鑲樣，避開焊合線位置，磨拋后進行顯微組織、顯微硬度等觀察。

2 試驗結(jié)果與分析

在此擠壓過程中，變形速率對變形組織的影響如圖1所示。從中可見在低變形速率時變形組織可明顯的區(qū)分為粗晶層和內(nèi)部細晶層。

如前文所述，粗晶層的厚度受變形速率的影響不大，這主要是粗晶層的變形原本就十分劇烈，變形速率雖然有增加但可忽略不計。

但變形速率對中間的細晶層有明顯的影響，從圖1中可知，在低變形速率時內(nèi)部的細晶層包含著大量的等軸晶，其再結(jié)晶機制以連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶為主。隨變形量增加該區(qū)域逐漸出現(xiàn)異常長大的再結(jié)晶晶粒，并且隨著變形速率增大其占比逐漸增多使原本的變形組織由連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)再結(jié)晶組織。

如圖1所示變形速率下的管材的不同變形位置的微觀組織，從中可以看出隨著擠壓過程進行管材與模具摩擦造成的溫升逐漸加劇，致使變形溫度升高從而在細晶層內(nèi)出現(xiàn)異常長大的再結(jié)晶晶粒，并在最后整體發(fā)生了再結(jié)晶。

圖1 變形速率下的管材的不同變形位置的微觀組織

在時效后管材的拉伸性能的測試過程中，我們發(fā)現(xiàn)隨著擠壓速度的逐步提升，頭中尾的抗拉強度，曲服強度，延伸率都有一個降低到升高的過程，見圖2。如前文所述擠壓過程中變形速率的提高造成溫度升高促使再結(jié)晶發(fā)生，降低了缺陷密度，減少了析出相的優(yōu)先形核位置，因此性能逐漸降低。而隨著變形速率增大造成的變形溫度升高達到Mg2Si的溶解溫度促使其固溶回鋁基體中，增加管材在線淬火的過飽和程度，進而在后續(xù)時效過程中獲得更高的性能，因而性能逐漸隨變形速率增大到10mm/s時開始回升。

圖3所示為從管材內(nèi)側(cè)的粗晶環(huán)開始測量直到外側(cè)的粗晶環(huán)的微觀維氏硬度，可見不同速率下的不同位置的微觀硬度并無明顯變化規(guī)律和趨勢。雖然微觀組織有明顯的差別，但影響性能的主要為析出相Mg2Si，因此硬度變化并不規(guī)律。因而可以確定粗晶層對屈服強度和抗拉強度并無消極影響。

圖2 不同速率力學性能變化趨勢

圖3 不同速率的微觀硬度從內(nèi)到外變化規(guī)律

3 結(jié)論

（1）擠壓過程中表層形成的粗晶層是由于鋁材與模具摩擦升溫導(dǎo)致的動態(tài)再結(jié)晶形成的。

（2）在恒定變形速率情況下，由于摩擦升溫提高了變形溫度導(dǎo)致了不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生。

（3）變形速率的增大提高了變形溫度進而使變形組織發(fā)生不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，消除了大量變形導(dǎo)致的缺陷減少了析出相的優(yōu)先形核位置降低了機械性能。但隨著變形速率的進一步加大，變形溫度的進一步升高，促使Mg2Si的溶解提高了固溶體的過飽和度，進而機械性能得到回升。

（4）從微觀組與以微觀硬度的關(guān)系來看，再結(jié)晶組織和粗晶層的存在對性能的影響并無明顯規(guī)律，進而可知加工硬化和晶界強化并不是型材的主要強化方式。