無鉛易切削鋁合金擠壓棒材的組織與性能研究

牛艷萍，王登峰，蔡月華，周春榮

（1.廣東領勝新材料科技有限公司，佛山528031；2.廣東精美特種型材有限公司，清遠511500）

0 前言

鋁合金因具有密度小、比強度高、耐腐蝕、可回收利用等優點而廣泛用于電子電器、交通運輸、機械裝備等領域[1]。眾多的鋁合金零部件，如汽車傳動閥、制動器活塞、空調壓縮機活塞、輪盤等在生產制造過程中都需要經歷車、銑、鉆等切削加工[2-3]。易切削的鋁合金可以采用更高的切削速度或者更大的進刀量進行加工，從而顯著提高切削加工的生產效率，獲得表面更光潔、尺寸精度更高的精密鋁合金零部件[4-6]。

易切削鋁合金是指切屑易斷、不粘刀、不纏刀且排屑方便的鋁合金[7]。傳統易切削鋁合金是在2×××系和6×××系鋁合金基礎上通過添加低熔點金屬鉛來提高鋁合金的切削加工性能。但鉛是有毒性的重金屬元素，對人體健康和生態環境會帶來嚴重的危害。許多國家對含鉛的鋁合金零部件設置了嚴格的技術壁壘，歐盟已經禁止生產和銷售含有鉛、鎘、汞等有害物質的電子電器產品[8-9]。因此，迫切需要開發無鉛環保的易切削鋁合金。

金屬錫和鉍均屬于無毒性的低熔點元素，不會對人體健康和生態環境帶來危害。本課題用錫、鉍替代鉛制備2011和6026兩種無鉛易切削的鋁合金擠壓棒材，研究兩種無鉛易切削鋁合金擠壓棒材的顯微組織、拉伸力學性能與切削加工性能。

1 試驗材料與方法

試驗材料為無鉛易切削的2011和6026鋁合金，采用工業純鋁錠、鎂錠、錫錠、鉍錠、Al-10Mn合金、Al-20Si合金和Al-50Cu合金熔煉配制而成。試驗設備為5 kg坩堝熔鋁爐。將鋁錠放入坩堝熔鋁爐中加熱熔化，升溫到760℃后，分別加入鎂錠、錫錠、鉍錠、Al-10Mn合金、Al-20Si合金和Al-50Cu合金，攪拌熔化成鋁合金液后再用鋁合金精煉劑和高純氮氣對鋁合金液噴吹精煉10 min進行除氣除雜處理，扒去鋁合金液表面的浮渣后，再靜置20 min。最后用金屬型模具分別鑄造成直徑100 mm的2011和6026鋁合金圓棒，澆鑄溫度為710℃，模具預熱溫度為250℃。經ARL-4460型光電直讀光譜儀測定，2011和6026鋁合金圓棒的成分如表1所示。

表1 2011和6026鋁合金的化學成分（質量分數/%）

擠壓試驗設備為630 t擠壓機。將2011和6026鋁合金圓棒去表皮后，分別加熱到430℃，再分別放入擠壓筒內擠壓成?40 mm的鋁合金棒材。擠壓筒溫度為440℃，擠壓速度為0.6 m/min。試驗完成后，分別在2011和6026鋁合金擠壓棒材上取樣。試樣經磨制、拋光和腐蝕后，在萊卡DM4000M型金相顯微鏡和日立SU8220型高分辨場發射掃描電子顯微鏡上進行微觀組織觀察和能譜分析。將2011、6026鋁合金擠壓棒材分別在520℃和535℃下固溶2 h，淬水冷卻至室溫后再在170℃下時效8 h，最后隨爐冷卻至室溫。在熱處理后的鋁合金擠壓棒材上取樣，將試樣加工成標準拉伸試樣，并在DNS200型電子拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為2 mm/min，拉伸試樣的形狀及尺寸如圖1所示。在JGK-550S型高速車床上進行切削加工試驗，進刀量為0.5 mm，轉速為2 500 r/min，切削速度為0.5 m/min。

圖1 拉伸試樣的形狀尺寸

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖2 為2011鋁合金擠壓棒材的顯微組織。從圖2可看到，由于2011鋁合金圓棒在擠壓過程中產生劇烈的塑性變形，使鑄態α-Al晶粒發生破碎細化，晶粒內部位錯增加，內能上升，部分α-Al晶粒發生了再結晶形成細小的等軸狀α-Al晶粒[10]，如圖2（a）所示。結合掃描電鏡能譜分析結果可知，2011鋁合金擠壓棒材的顯微組織由α-Al基體、CuAl2相、Al7Cu2Fe相和低熔點金屬SnBi共晶相組成。其中，CuAl2相呈灰色細小條形狀，Al7Cu2Fe相呈灰色方塊狀，SnBi共晶相呈亮白色顆粒狀；CuAl2相、Al7Cu2Fe相和SnBi共晶相均勻彌散分布在α-Al基體上，如圖2（b）所示。

圖2 2011鋁合金擠壓棒材的顯微組織

圖3 為6026鋁合金擠壓棒材的顯微組織。從圖3中可看到，由于6026鋁合金圓棒在擠壓過程中產生劇烈的塑性變形，使鑄態α-Al晶粒發生破碎[11]，但α-Al晶粒未發生再結晶，第二相化合物均勻彌散分布在α-Al基體上，如圖3（a）所示。結合掃描電鏡能譜分析結果可知，6026鋁合金擠壓棒材的顯微組織由α-Al基體、Mg2Si強化相、CuAl2強化相和低熔點金屬SnBi共晶相組成，Mg2Si、CuAl2強化相和SnBi共晶相彌散分布在α-Al基體上。其中，Mg2Si相呈黑色顆粒狀，CuAl2相呈灰色條狀或方塊狀，SnBi共晶相呈亮白色顆粒狀，如圖3（b）所示。

圖3 6026鋁合金擠壓棒材的顯微組織

2.2 力學性能

表2 為2011和6026鋁合金擠壓棒材的拉伸力學性能，圖4和圖5分別為2011和6026鋁合金擠壓棒材的拉伸試樣斷口形貌。從表2可看到，由于擠壓產生的劇烈塑性變形，使α-Al晶粒發生破碎細化，強化相CuAl2和Mg2Si均勻彌散分布在α-Al基體上，顯著增強了鋁合金擠壓棒材的強度和塑性變形能力，使其具有較高的拉伸力學性能。其中，2011鋁合金擠壓棒材的抗拉強度為486.1 MPa，屈服強度為421.5 MPa，伸長率為10.4%；6026鋁合金擠壓棒材的抗拉強度為358.7 MPa，屈服強度為296.4 MPa，伸長率為13.8%。鋁合金擠壓棒材拉伸試樣的斷口韌窩都較深，韌窩數量較多，如圖4和圖5 所示。

表2 2011和6026鋁合金擠壓棒材的拉伸力學性能

圖4 2011鋁合金擠壓棒材的拉伸試樣斷口形貌

圖5 6026鋁合金擠壓棒材的拉伸試樣斷口形貌

2.3 切削性能

圖6 和圖7分別為2011和6026鋁合金擠壓棒材的車屑形貌。由于Sn、Bi元素與Al均互補相溶，在鋁合金中添加Sn、Bi元素后，Sn、Bi元素以SnBi共晶相形式在鋁合金中出現。Sn元素的熔點為231.9℃，Bi元素的熔點為271.3℃，而SnBi共晶相的熔點為139℃[7]。對鋁合金擠壓棒材進行高速切削加工時，鋁合金擠壓棒材與刀具之間的高速摩擦使機械能轉變成熱能，使鋁合金擠壓棒材的溫度升高。當與刀具接觸點附近的切屑溫度達到或接近低熔點組元SnBi共晶相的熔點時，這些低熔點SnBi共晶相發生軟化甚至熔化，可使鋁合金切屑發生斷裂，達到切屑不粘刀、不纏刀、排屑方便的效果[8]。具有優異切削加工性能的鋁合金可以采用更高的速度或者更大的進刀量進行加工，顯著提高切削加工的生產效率，從而獲得表面光潔、尺寸精度高的精密鋁合金零部件。從圖6和圖7可看到，由于2011和6026鋁合金擠壓棒材中皆均勻彌散分布有大量低熔點金屬SnBi共晶相，使2011和6026鋁合金擠壓棒材都具有良好的切削加工性能。同時，高速車削過程中未見車屑粘刀、纏刀現象，車屑尺寸細小。

圖6 2011鋁合金擠壓棒材的車屑形貌

圖7 6026鋁合金擠壓棒材的車屑形貌

3 結論

（1）以Sn、Bi替代Pb制備的2011和6026鋁合金擠壓棒材具有良好的拉伸力學性能和切削加工性能。

（2）2011鋁合金擠壓棒材的抗拉強度為486.1 MPa，屈服強度為421.5 MPa，伸長率為10.4%。

（3）6026鋁合金擠壓棒材的抗拉強度為358.7 MPa，屈服強度為296.4 MPa，伸長率為13.8%。