鋁合金管材晶粒度的細化研究

王義斌，武維煜，潘 巖，楊 明

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6063屬于低合金成分Al-Mg-Si系高塑性合金，6063鋁合金主要強化相為Mg2Si，屬于可熱處理強化鋁合金[1-2]，具有良好的熱塑性、可焊性、抗腐蝕性能以及無應力腐蝕傾向，主要應用在汽車框架等需要折彎沖壓等部位[3-4]。隨著汽車制造技術的高速發展，鋁合金以其質量輕、強度適中、高吸能等眾多優點，越來越多的應用在汽車結構件方面[5]，對于傳統的6063合金提出了更多的性能要求，特別是晶粒度方面的需求，向更加細小均勻方向發展。目前在國內鋁擠壓行業，6063鋁合金由于其本身化學成分的限定，決定了其晶粒尺寸水平基本在200μm左右，很難達到100μm以下的國外客戶要求，嚴重制約了我國高端鋁管材的出口。

1 開發目標

管材規格為直徑60mm，壁厚為5mm，要求T4狀態下屈服強度達60MPa～80MPa，抗拉強度達130MPa～170MPa，斷后延伸率≥23%，同時平均晶粒尺寸≤100μm。我公司采用鑄棒高溫短時的均質制度，同時擠壓使用低溫快速的工藝，配合模具去掉前室的設計方式來滿足客戶的各項標準要求。

2 試驗材料與方法

采用Φ60mm×5mm圓管管材，整體工藝流程為，鑄棒的均質→模具、擠壓筒、鑄棒的加熱→擠壓→冷卻→拉伸矯直→成品鋸切→性能檢測。鑄棒均質方案選擇560℃×8h與580℃×5h兩種均質制度，為方便進行對比，同時對未均質的鑄棒也進行電導率及硬度檢測。模具設計方案選擇下模帶前室與不帶前室兩種方法(圖1)。

(a)模具設計帶前室 (b)模具無前室設計

擠壓工藝設計選擇高溫慢速與低溫高速兩種方式，通過不同的工藝參數路徑，制備滿足性能要求的產品。采用ARL-MA283直讀光譜儀對管材合金成分進行定量分析(表1)。依照GB/T3246.1-2012的要求，取樣尺寸為25mm×15mm×15mm，檢測面為垂直于擠壓方向的橫截面即15mm×15mm面，進行磨制、拋光、腐蝕后，使用萬能研究級倒置式材料顯微鏡觀察不同工藝條件下管材平均晶粒尺寸。使用SMP-10電導率檢測儀，在20±3℃條件下對不同均質制度的鑄棒電導率進行檢測。使用瑞士恩斯特omnitest布氏硬度檢測儀，對不同均質制度鑄棒進行檢測。使用AG-X 100KN電子萬能試驗機檢測不同工藝條件下的力學性能。

表1 6063鋁合金材料成分 (質量分數，%)

3 試驗結果分析

3.1 鑄棒分析

對兩種均質制度處理后的鑄棒進行電導率、布氏硬度及晶粒度檢測，如圖2和圖3所示。可知，高溫短時均質(580℃×5h)相比于中溫長時(560℃×8h)及未均質的鑄棒電導率和硬度都要低，有很好的匹配性。鑄棒的均質過程主要是一個非平衡過剩相的溶解過程，溶解進基體越充分其溶質濃度就越高，晶格畸變相對增加，使基體點陣中的電子散射源的數量和密度增加，導電電子的平均自由程減小，因而電導率降低[8]，從而說明高溫短時均質制度已使非平衡過剩相充分溶解，鑄棒均質充分，同時其硬度較低，有很好的可擠壓性。雖然580℃均質的溫度比560℃要高，但其均質時間較短，晶粒長大的程度也不高。由圖3可見，高溫短時均質后鑄棒本身的晶粒尺寸相比中溫長時均質的要小，雖然未均質的鑄棒晶粒相對更小些，但其硬度較高致使其可擠壓性差，因此接下來的試驗不會采用未均質的鑄棒。在擠壓管材的生產過程中，晶粒尺寸方面具有遺傳性，采用較小晶粒尺寸的鑄棒有利于生產出晶粒細小的管材產品。

圖2 不同均質制度下鑄棒的電導率及硬度

(a)580℃×5h，平均晶粒度120μm；(b) 560℃×8h，平均晶粒度135μm；(c) 未均質，平均晶粒度115μm

3.2 管材分析

管材的整體生產試驗方式主要為三種變量，分別為均質制度、模具設計方式及擠壓工藝三方面，試驗工藝參數及結果見表2。第一階段試驗首先采用的是中溫長時均質，模具帶前室的設計方式配合高溫慢速及低溫高速的擠壓工藝，由平均晶粒尺寸可以看出，其晶粒均較大(200μm左右)。調整模具設計方式后其平均晶粒減少到150μm左右，說明去掉模具前室，減少模具變形量后可使擠壓管材的晶粒減少，同時可以看出低溫高速的擠壓工藝晶粒尺寸要明顯好于高溫低速；較低的鑄棒溫度可減少晶粒長大的驅動力，配合高的擠壓速度可使鑄棒晶粒得到成分的破碎，并且迅速進行淬火在高溫停留的時間短，晶粒不易長大[6]，達到細化晶粒的作用，不同工藝條件下的平均晶粒度如圖4所示。

表2 不同工藝條件的試驗參數

(a)560℃×8h，帶前室，高溫慢速，205μm； (b)560℃×8h，帶前室，低溫高速，185μm；(c)560℃×8h，無前室，高溫慢速 160μm；(d)560℃×8h，無前室，低溫高速，140μm；(e)580℃×5h，無前室，高溫慢速，120μm；(f) 580℃×5h，無前室，低溫高速，90μm

通過第一階段試驗可以得出，模具去前室的設計方式及低溫高速的擠壓工藝均有利于減少平均晶粒尺寸。結合鑄棒分析結果制定了第二階段整體生產工藝，該階段試驗鑄棒采用高溫短時的均質制度，配合下模去前室設計及低溫高速的擠壓工藝，成功生產出平均晶粒尺寸為90μm的擠壓管材，平均晶粒度如圖5所示(客戶檢測結果)。同時檢測該工藝下整個管材的頭中尾三個位置的力學性能，其均滿足T4狀態下鋁合金管材力學性能的標準要求，力學性能結果見表3。

(a)全壁厚晶粒；(b) 平均晶粒度90μm

表3 材料的力學性能

4 結論

(1)鑄棒采用580℃×5h的高溫短時均質制度，組織中過剩相得到充分溶解，硬度相對較低，具有較好的可擠壓性，而且較短的保溫時間可使鑄棒的晶粒尺寸相對較小，鑄棒晶粒尺寸較小有利于生產出晶粒細小的管材產品。

(2)模具去前室的設計方式可以減少金屬在模具中的流動及變形量，有利于減小平均晶粒尺寸。

(3)擠壓工藝采用低溫高速的生產方式，較低的鑄棒溫度可減少晶粒長大的驅動力，配合高的擠壓速度可使鑄棒晶粒得到成分的破碎，達到細化晶粒的作用。