截面幾何形狀對鋁材淬火后粗晶環厚度的影響

單鐵城，陳念東，孫巧玉，李亞靜，董必堅，付學丹

（1.沈陽非晶金屬材料制造有限公司，遼寧 沈陽110000；2.遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003）

隨著汽車工業的高速發展，產品不斷更新換代，越來越多的鋁制品被投入到汽車配件加工產業中。由于汽車配件對質量要求較高，金屬缺陷控制較嚴這一特點，對鍛造用擠壓棒粗晶層厚度這一影響鍛件質量的缺陷有明確限制。實際生產中影響因素眾多，擠壓過程情況復雜。李飛慶[1，2]等人發現增加(Mg、Cr、Si)等元素的含量及降低擠壓速度可降低鋁合金粗晶環厚度。筆者結合生產實際，總結了不同直徑的擠壓棒及不同斷面形狀的鋁合金擠壓產品粗晶環形貌的產生規律。

1 試驗目的

本實驗的創新點在于從斷面幾何形狀及尺寸的角度出發，結合粗晶環產生的經典理論，驗證粗晶環的形成原因。并從工業批量生產的角度，提出控制粗晶組織厚度的建議方法，從而達到實現批量生產，提高成品率的目的。本次試驗分為如下2個方向：

（1）對比不同直徑的鋁合金棒材粗晶環厚度的差異。

（2）對比不同形狀的鋁合金擠壓產品粗晶環形貌的差異。

2 試驗過程

2.1 試驗準備

截面尺寸為φ20mm、φ25mm、φ32mm的鋁合金圓棒及邊長為40mm的鋁合金方棒。

2.2 試驗過程

2.2.1 在線擠壓過程

擠壓過程如下：

將模具、擠壓筒、鑄棒加熱后，采用18MN、20MN及27.5MN擠壓機進行在線擠壓，擠壓參數如表1所示。

表1 擠壓工藝參數

2.2.2 宏觀組織檢測

將各個形狀鋁材的低倍料樣按照GB/T3246.2-2012進行機械加工及浸蝕處理后，觀察其宏觀組織。

3 試驗結果與分析

3.1 宏觀組織檢測

宏觀組織檢測如圖1所示。（a）～（d）為棒材，（e）～（h）為管材及型材。

3.2 檢測結果

全部試樣測量后結果如表2所示。所有鋁材料樣經宏觀組織檢測全部出現粗晶。所有出現的粗晶組織沿產品外壁向內側襯度逐漸降低，形成粗晶環。φ20～φ32的圓棒粗晶層厚度為0.1mm～0.4mm，邊長40的方棒粗晶層厚度為10mm～15mm。方管不同位置的粗晶層厚度為3mm～4mm。其余斷面的型材粗晶層厚度為1.4mm～10mm。

表2 粗晶測量結果

4 探討

由檢測結果可知：①不同形狀斷面的鋁材粗晶層厚度差異明顯。對比圓棒與方棒及型材不難發現：圓棒粗晶層厚度均勻程度較高；方棒及方管次之；斷面為不規則圖形的梯形管及型材等粗晶層厚度均勻程度最低，且不同位置粗晶層厚度差異明顯。粗晶層厚度最大位置為角，腳等斷面厚度相差較大，金屬變形不均勻程度較高處。由此可以發現，鋁材粗晶組織多產生于擠壓成型過程中與模具工作帶接觸位置，隨著偏離幾何中心位置距離增大而逐漸加深（如圖1-h），斷面幾何圖形越規則，最大粗晶層厚度越低且越均勻。因此可以認為，粗晶組織產生原因是由于擠壓制品邊部與模具工作帶發生劇烈摩擦，引起變形不均勻所致。張勝華[3]采用透射電鏡對LY12合金擠壓棒的粗晶組織進行觀察后將其解釋為鋁材粗晶組織產生原因是擠壓成型過程中，與工作帶接觸的鑄錠發生剪切變形，儲備了很高的畸變能，促使形成的切變區內金屬第二相粒子聚集，釘扎作用消失，導致晶界遷移運動，晶粒在沒有阻力的情況下迅速長大，形成粗晶組織。周令德[4]采用雙孔模具將5A06合金鑄錠擠壓成為φ30的棒材，同樣得到類似結論。②對比不同直徑的棒材可以發現，粗晶層厚度并未隨棒徑改變而大幅明顯改變。③對比厚5角材、梯形管及厚3方管的擠壓工藝可知，當采用較低的棒溫和較高的擠壓速度時，粗晶層厚度較高；采用較高的棒溫較低的擠壓速度，粗晶層厚度較低。分析認為棒溫較高時，變形溫度較高，變形均勻程度較高，因此粗晶層厚度較低，反之亦然。曹光澤[5]通過提升擠壓筒溫度至510℃，采用約500℃的棒溫擠壓6A02合金管材同樣使粗晶層厚度的到了明顯的控制。④對比φ32㎜6082合金圓棒和邊長40mm6060合金方棒可知，使用較高的棒溫時，使用較高成分的合金，對粗晶環的控制效果較為明顯，這與曹振華[2]等人的試驗結果一致。因此可以認為，針對不同成分合金鋁材宜采用不同擠壓工藝，變形溫度不宜過高或過低。

5 結論

（1）鋁材粗晶層厚度與變形均勻程度有關，變形均勻程度較低的位置，鋁材粗晶層厚度較高。

（2）斷面形狀對鋁材粗晶層厚度的影響較尺寸影響更為明顯。

（3）為最大限度降低粗晶層厚度，建議提高變形前溫度以保證變形均勻程度。