退火工藝對鞋內包頭用6061鋁合金板材組織和性能的影響

何小峰，莫肇月，莫灼強，黃 奎，鄧松云

（1.廣西南南鋁加工有限公司，南寧530031；2.廣西鋁合金材料與加工重點實驗室，南寧530031）

0 前言

勞保鞋又叫安全鞋，屬于安防用品。根據使用的場地不同，勞保鞋分不同的種類，但都有防止物體砸傷腳面和腳趾的功能，其防護功能主要依靠鞋內金屬材質的內包頭來實現[1-2]。傳統的勞保鞋一般采用鋼材制作內包頭，但鋼制勞保鞋較笨重，穿戴不方便。隨著人們對勞保鞋輕便及舒適度需求的提高，密度輕、強度高的鋁合金內包頭受到越來越多的關注。

6061 鋁合金因其具有質量輕、強度高及良好的成形加工性能已逐漸應用于勞保鞋內包頭。目前工業化生產的6061 鋁合金板材由于沖壓性能較差，在后續沖制過程中易出現開裂問題，無法滿足勞保鞋內包頭的后續沖壓使用要求。為了提高勞保鞋內包頭用6061 鋁合金板材的沖壓成形性能，本文研究了退火工藝參數對板材組織和性能的影響，并制定出合理的退火溫度和保溫時間。

1 試驗材料與方法

本試驗結合工業生產進行，采用半連續鑄造方法生產6061 鋁合金鑄錠，其化學成分見表1。6061 鋁合金鑄錠經過均勻化退火、鋸切、銑面、熱軋、冷軋等工藝加工成2 mm 厚板材，然后剪切制成2.0 mm×200 mm×300 mm的試驗板材。

表1 6061合金化學成分（質量分數/%）

選用箱式電阻爐對6061 鋁合金板材進行退火試驗，退火溫度分別為300 ℃、340 ℃、380 ℃、420 ℃、460 ℃、500 ℃，保溫時間為0.5 h、1 h、2 h、4 h，保溫結束后出爐空冷。

力學性能測試按GB/T 228.1-2010 規定在GMT5305材料試驗機上進行，每組試驗取3個試樣的平均值。將截取的金相試樣依次使用400#、800#、1 000#、2 000#水磨砂紙預磨后進行機械拋光。陽極覆膜后使用ZEISS Axio vert.A1倒置光學顯微鏡觀察其組織形貌。按照GB/T 4156-2007 要求制備試樣并在GBS-60E 杯突試驗機上進行杯突試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖1為6061鋁合金板材在不同退火溫度下保溫1 h 后的顯微組織。由圖1 可知，隨著退火溫度的升高，6061 鋁合金的顯微組織發生了明顯的變化。其原因如下：由于6061 鋁合金板材經過冷加工變形后，點缺陷、位錯等晶格缺陷密度增加，晶格畸變能增大，合金處于熱力學不穩定狀態；加熱時隨著退火溫度的升高，合金內部發生了回復與再結晶，纖維狀加工組織減少，再結晶組織增加，直至發生完全再結晶。

圖1 是不同退火溫度下保溫1 h 后6061 鋁合金板材的顯微組織。從圖中可以看出，當退火溫度較低時，只有少量的大角度晶界發生遷移，在某些畸變程度較大的區域優先產生新的無畸變的晶核，生成少量細小的晶粒[3-4]，合金依舊保留著較多的纖維狀加工組織，如圖1（a）所示；隨著退火溫度的升高，形核率及晶核長大速率增加，再結晶程度不斷增大，合金由纖維狀加工組織逐漸向再結晶組織轉變，如圖1（b）所示；在380 ℃退火時，合金基本完成了再結晶過程，纖維狀加工組織已經完成消失，取而代之的是細小的再結晶晶粒，如圖1（c）所示。隨著退火溫度進一步升高，晶粒之間通過晶界的遷移發生吞并現象，導致晶粒粗大化，如圖1（e）和（f）所示。

圖1 不同退火溫度保溫1h后6061鋁合金板材的顯微組織

圖2為6061鋁合金板材在380 ℃條件下保溫不同時間的顯微組織。可以看出，保溫0.5 h 時合金組織中出現了許多細小的再結晶晶粒，保溫1 h 時合金已基本完成了再結晶過程。隨著保溫時間的延長，再結晶過程進行得更加充分，但部分已完成再結晶的晶粒開始粗大化，如圖2（d）所示。

2.2 力學性能

圖3（a）為退火溫度對6061 鋁合金板材力學性能的影響。從圖中可以看出，板材的抗拉強度和屈服強度先隨著退火溫度的升高而降低，在380 ℃時強度降到最低點（抗拉強度為137 MPa，屈服強度為55 MPa），伸長率同時升到最高點（伸長率為28%），這說明在380 ℃左右退火時合金的再結晶過程已基本完成，強度降到最低點；而后強度隨著退火溫度進一步升高而增大，當溫度升高到500 ℃時，板材的強度顯著增加，伸長率明顯降低。這是由于此時部分Mg2Si 相溶入基體發生固溶強化，從而使強度迅速升高[5-7]。因此，成品退火溫度不宜選擇過高，應以合金發生完全再結晶為宜。

在退火溫度為380 ℃時，分析不同保溫時間對6061鋁合金板材力學性能的影響，結果如圖3（b）所示。從圖中可以看出，合金的力學性能隨退火時間的變化并不明顯，合金保溫1 h 后，再結晶過程基本完成，且隨著保溫時間的延長，再結晶晶粒發生粗化，強度發生小幅度下降。

2.3 成形性能

杯突試驗常用來評價板材的脹形成形性能，融合了脹形和拉深的特點，試樣所受的應力狀態和所產生的變形都與真實的沖壓加工工藝相同[8-9]。杯突值IE 的大小可表征板材的脹形成形能力，IE 值越大，表明板材的沖壓性能越好。圖4（a）為6061鋁合金板材在不同退火溫度下保溫1 h 后的杯突值。從該圖中可以看出，6061 鋁合金板材的杯突值先隨著退火溫度的升高而增加，在380 ℃后杯突值增加緩慢；隨著退火溫度進一步升高，當溫度升高到460 ℃以上時，由于固溶強化效果加強，杯突值顯著降低。6061鋁合金板材在380 ℃下不同保溫時間退火后的杯突值如圖4（b）所示。可以看出，6061 鋁合金板材的杯突值隨保溫時間的延長變化并不明顯。

圖4 6061鋁合金板材不同退火工藝下的杯突值

3 結論

（1）隨著退火溫度的升高，鞋內包頭用6061鋁合金的強度先降低后增大，伸長率和杯突值先增大后降低；保溫時間對力學性能和成形性能的影響較小。

（2）6061 鋁合金的最佳退火工藝為380 ℃下保溫1 h，此時抗拉強度為137 MPa，屈服強度為55 MPa，伸長率為28%，杯突值為7.46 mm。在此參數工藝下，6061 鋁合金的顯微組織、力學性能及成形性能的配合較好，滿足沖壓成形性能的要求，滿足勞保鞋內包頭用合金板材的生產要求。