Cr元素對(duì)6061合金擠壓型材組織和性能的影響

呂慶玉

（龍口市叢林鋁材有限公司，龍口市 265700）

0 前言

6061 合金屬Al-Mg-Si 系合金，中等強(qiáng)度，具有良好的塑性和優(yōu)良的耐蝕性。特別是無(wú)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向，其焊接性能優(yōu)良，耐蝕性及冷加工性能好，應(yīng)用范圍廣是一種很有前途的合金。可陽(yáng)極氧化著色，也可噴漆處理，適用作建筑裝飾材料。其含有少量Cu，因而強(qiáng)度高于6063 合金，但淬火敏感性也比6063 高，擠壓之后需要經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度的固溶淬火，才能獲得較高的強(qiáng)度[1]。

王峰[2]等研究了Cu 對(duì)熱擠壓Al-Mg-Si 合金拉伸性能及導(dǎo)電率的影響，向Al-0.35Si-0.45Mg-0.13Fe 合金中添入微量Cu 元素后，Mg2Si 析出相得到細(xì)化且時(shí)效強(qiáng)度提高，隨著Cu 元素含量的增加，峰值時(shí)效時(shí)間縮短，合金抗拉強(qiáng)度不斷提高，但伸長(zhǎng)率逐漸降低。當(dāng)Cu含量為0.06%時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值145.7 MPa。合金導(dǎo)電率隨著Cu元素含量的增加先升后降，當(dāng)Cu含量為0.03%時(shí)達(dá)到最大值60.18%IACS。

潘青林[3]等研究了微量Mn 對(duì)Al-Mg-Si 合金的微觀組織與拉伸性能的影響，結(jié)果表明，微量Mn在Al-Mg-Si合金中主要以粒狀α-Al15（FeMn）3Si2彌散相的形式存在，尺寸為12 μm～210 μm，均勻、彌散分布在基體中，有效地釘扎位錯(cuò)和亞晶界，抑制合金熱擠壓變形過(guò)程中的再結(jié)晶；均勻化處理過(guò)程中微量Mn 可促進(jìn)長(zhǎng)針狀β-Al9FeSi 相向粒狀α-Al15（FeMn）3Si2相轉(zhuǎn)變，這種含Mn 的α 相彌散顆粒可作為合金時(shí)效強(qiáng)化相β′（Mg2Si）的非均勻成核位置，促進(jìn)β′相的析出，從而強(qiáng)化合金，使合金獲得較好的強(qiáng)塑性配合。

目前國(guó)內(nèi)鋁合金研究機(jī)構(gòu)、鋁擠壓行業(yè)對(duì)Cr元素含量對(duì)6061 合金的性能組織影響研究較少，基于此現(xiàn)狀，結(jié)合我司承接的出口國(guó)外擠壓型材，客戶(hù)要求6061 合金型材抗拉強(qiáng)度≥320 MPa，強(qiáng)度指標(biāo)要求較普通工業(yè)材高很多，為了滿(mǎn)足客戶(hù)特殊要求，在GB/T 3190 成分范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)成分配比方案，開(kāi)展試驗(yàn)研究，以期滿(mǎn)足客戶(hù)要求，并為鋁擠壓行業(yè)同行提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為?120 mm 規(guī)格圓鋁棒，長(zhǎng)度為3 000 mm。在GB/T 3190 的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)兩種合金成分，見(jiàn)表1。在1 000 t機(jī)臺(tái)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行擠壓，生產(chǎn)的棒材直徑為?20 mm，米重為0.847 kg·m-1。

表1 6061合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

圓鋁棒鑄造工藝流程如下：

試驗(yàn)用兩種合金1#、2#經(jīng)過(guò)均勻化退火處理，退火工藝采用單級(jí)均勻化制度。首先設(shè)定（560±5）℃，升溫150 min，溫度達(dá)到設(shè)定溫度范圍后保溫48 min轉(zhuǎn)入冷卻爐冷卻，強(qiáng)風(fēng)急冷30 min后，調(diào)水壓為0.15 MPa冷卻80 min，出爐后自然冷卻至室溫[4]。

均勻化退火后的圓鋁棒，切除頭部100 mm、尾部切除120 mm，兩端取樣進(jìn)行檢測(cè)分析。低倍組織無(wú)裂紋、氣孔、羽毛晶、非金屬夾雜等缺陷，晶粒度、疏松一級(jí)，氫氣含量0.14 g/100g·Al。

1.2 實(shí)施方案

在1 000 t機(jī)臺(tái)上進(jìn)行擠壓試驗(yàn)生產(chǎn)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。采用一套模具，控制模具溫度在450 ℃～480 ℃，擠壓筒溫度控制在430 ℃～450 ℃，第一根引棒緩慢擠壓，不鋸切成品。成分1#、成分2#各擠壓5根，定尺鋁棒長(zhǎng)度是500 mm，具體擠壓數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)方案

表3 擠壓數(shù)據(jù)

擠壓在線(xiàn)淬火后的產(chǎn)品，在鋁棒與鋁棒擠壓型材交接位置中斷鋸切，然后進(jìn)行拉伸矯直，拉伸率約1.2%。經(jīng)過(guò)定尺鋸切裝筐，為了便于時(shí)效時(shí)通風(fēng)順暢，產(chǎn)品用3 mm 厚度橫梁隔開(kāi)。為了消除停放自然時(shí)效對(duì)產(chǎn)品拉伸性能的影響，最終獲得高強(qiáng)度產(chǎn)品，進(jìn)行如下操作：擠壓停放20 h 內(nèi)裝爐進(jìn)行人工時(shí)效，采用燃?xì)饪v向大循環(huán)時(shí)效爐進(jìn)行時(shí)效，溫度設(shè)定（170±3）℃，升溫時(shí)間不超1.5 h，保溫7 h，出爐后進(jìn)行空冷，冷卻至室溫后取樣檢測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉伸性能、硬度

拉伸試樣參照GB/T 228—2010 標(biāo)準(zhǔn)加工制作，加工成圓形比例試樣。采用日本島津UH-F300KNX液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、美國(guó)英斯特朗AG0278-107 布氏硬度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 不同成分方案時(shí)效后的拉伸性能、硬度對(duì)比

成分1#、成分2#擠壓型材，在同等條件下擠壓、固溶淬火和人工時(shí)效，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)看兩者有明顯差異，添加0.22%Cr 元素的成分2#產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度平均高約40 MPa，屈服強(qiáng)度平均高約50 MPa，斷后伸長(zhǎng)率平均高約4%，硬度平均高約15.5 HBW。分析兩種成分產(chǎn)生的差異原因，在Si和Mg及Cu含量固定不變的情況下，起主要強(qiáng)化作用的Mg2Si總含量是1.59%，含有0.06%過(guò)剩Si，并含有一定量的Al2Cu，這些析出相對(duì)時(shí)效后產(chǎn)品強(qiáng)度起主要強(qiáng)化作用[5]。6061 合金中添加的0.22%Cr，Cr在鋁基體中形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金屬間化合物，能有效阻礙晶粒長(zhǎng)大，提高再結(jié)晶溫度和范圍，并對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度有一定的貢獻(xiàn)[6]。

2.2 顯微組織

試樣經(jīng)過(guò)加工、研磨、電解拋光，腐蝕劑采用法國(guó)NF A04-503 標(biāo)準(zhǔn)，氫氟酸∶鹽酸∶水=1∶2∶22，腐蝕時(shí)間約2 min。清洗后采用德國(guó)卡爾蔡司AXIO 金相顯微鏡對(duì)兩種成分的擠壓產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)分析，具體見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 成分1#顯微組織

圖2 成分2#顯微組織

成分1#擠壓產(chǎn)品的組織，晶粒均勻性較差，且邊部存在大尺寸再結(jié)晶晶粒，厚度約3 mm。成分2#擠壓產(chǎn)品的組織，邊部存在粗晶層，厚度約800 μm；基體晶粒細(xì)小均勻，晶粒度級(jí)別6～7 級(jí)。從顯微組織來(lái)看，成分2#擠壓的制品組織優(yōu)異，基體晶粒因?yàn)樘砑?.22%Cr的原因有明顯改善，這也是產(chǎn)品拉伸性能和硬度有很大提升的根本原因。

3 分析討論

在6×××系A(chǔ)l-Mg-Si鋁合金中，6061是一種較老的合金，屬于中等強(qiáng)度可熱處理強(qiáng)化鋁合金，其淬火敏感性比6063 合金高，需采用較高的淬火強(qiáng)度，后續(xù)才能經(jīng)過(guò)人工時(shí)效實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。其強(qiáng)化相主要是Mg2Si，Mg2Si的Mg與Si之比為1.73，為了獲得更高的強(qiáng)度，提高成形性能及焊接性能，大部分合金設(shè)計(jì)時(shí)含有一定量的過(guò)剩Si。合金中添加Cu，能明顯提高時(shí)效強(qiáng)度，隨著Cu 元素含量的增加，峰值時(shí)效時(shí)間縮短，合金抗拉強(qiáng)度不斷提高，但伸長(zhǎng)率逐漸降低。GB/T 3190 中6061 合金Mn 元素最大允許含量0.15%，所以在生產(chǎn)實(shí)踐中很少單獨(dú)作為合金化元素添加。

本文研究的方向和內(nèi)容，基于Cr 元素含量對(duì)6061 合金的組織和性能的影響，因?yàn)楹辖鹬刑砑覥r 元素，可以作為Fe 的中和劑，消除Fe 的壞作用，鑄態(tài)組織(基體和晶界上)出現(xiàn)中尺寸小于5 μm的含Cr相，在鋁中形成（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金屬間化合物，能有效阻礙再結(jié)晶的形核和長(zhǎng)大過(guò)程，對(duì)合金有一定的強(qiáng)化作用，還能改善合金韌性和降低應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性。為了滿(mǎn)足高強(qiáng)度材料性能和細(xì)晶組織，本文試驗(yàn)采用在線(xiàn)水冷淬火，形成過(guò)飽和固溶體，然后進(jìn)行人工時(shí)效。最后經(jīng)過(guò)檢測(cè)分析，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)論

（1）6061 合金隨著Cr 含量的增加，經(jīng)過(guò)后續(xù)的人工時(shí)效可以獲得優(yōu)良的產(chǎn)品，抗拉強(qiáng)度高約40 MPa，屈服強(qiáng)度提高約50 MPa，硬度提高約15 HBW。

（2）含有0.22%Cr元素的6061合金，對(duì)擠壓型材的顯微組織有明顯的改善作用，Cr 能形成（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金屬間化合物，阻礙晶粒長(zhǎng)大，對(duì)基體晶粒起到能很好的細(xì)化作用，改善產(chǎn)品的綜合性能。