6061铝合金挤压棒材粗晶问题研究

高 爽，刘建生，王 睿，李延军，杨 明，远继才

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

随着车体轻量化的发展，铝合金以其质量轻、可强化、比强度高等优点得到了广泛重视。6061铝合金为典型的中等强度Al-Mg-Si系铝合金，具有良好的塑形和优良的抗蚀性和可焊性，主要应用于需要良好耐蚀性能及强度的大型结构件、卡车、船舶、铁道车辆等结构件中[1]。国内很多学者对6061铝合金粗晶问题做了大量研究。李炜炜[2]等人发现反挤压时，减少Mn、Cr等元素，增大挤压比和挤压速度都会增大粗晶环的深度。张红梅[3]等人发现大棒径的6061铝合金挤压棒材尾端中心区的粗大晶粒是不完全再结晶组织，是由于挤压后期接近残料的尾端表面金属和死区金属与中心金属卷在一起进入制品中心或金属变形梯度的剧烈变化所致。而对正向挤压6061铝合金小棒材产品，通过均质制度及固溶热处理制度来解决粗晶问题的报道较少。在实际生产中，铝合金的粗晶问题对产品的性能有很大影响，本研究为了获得高强度、无粗晶的6061棒材产品，采用Mn、Cr含量较高的6061成分，通过使用铸锭均质与否、固溶热处理制度等方面进行试验，并对正向挤压后的棒材低倍组织进行观察分析，从中找到各个工艺参数对6061棒材粗晶影响的规律，同时为以后该合金的进一步研究打下基础。

1 试验过程

1.1 试验材料

试验使用半连续铸造生产的两种6061合金铸锭，一种是未做均质处理，一种经过560℃±5℃×8h的均质处理，规格均为Φ174mm×600mm。试验设备包括18MN卧式单动挤压机、便携式侧温表、放大镜、金相显微镜、电子万能试验机。

1.2 试验过程

1.2.1 挤压生产过程

采用18MN卧式单动挤压机进行在线水冷生产，棒材断面为Φ44mm的圆形；挤压工艺参数为，棒材温度490℃±10℃，模具温度450℃±10℃，挤压筒温度420℃～460℃，挤压速度3.0m/min～4.0m/min，冷却方式水冷。

1.2.2 宏观及微观检测过程

将生产后的棒材沿挤压方向取长度为50mm的试样，固溶制度分别采用510℃×1h、520℃×1h、530℃×1h。将固溶后的试样按照GB/T3246.1处理后，使用金相显微镜观察其显微组织；将固溶后的试样按照GB/T3246.2处理后，观察其宏观组织。

1.2.3 力学性能检测过程

将生产后的棒材沿挤压方向取长度为200mm的试样，固溶制度分别采用510℃×1h、520℃×1h、530℃×1h，将固溶热处理后的力学试样进行时效处理，时效制度为175℃×8h。将时效后的试样按照GB/T228.1处理后，使用电子万能试验机对力学试样进行拉伸试验，获得试样力学性能值。

2 试验结果及分析

2.1 宏观组织检测

采用未均火、均火铸锭挤压生产后的棒材，沿挤压方向切取的试样分别经510℃×1h、520℃×1h及530℃×1h的制度淬火处理后，对试样按照GB/T3246.2处理，观察其横断面的粗晶环厚度，试样的低倍检测结果如表1所示，部分宏观组织如图1所示。 从表1中的数据可以看出，(1)采用均质棒挤压后的试样粗晶环厚度小于使用未均质铸锭生产；(2)采用均质铸锭挤压并经510℃×1h 或520℃×1h的固溶制度后的粗晶环厚度为0mm；(3)在使用同种状态的铸锭生产时，经低温固溶热处理制度后的粗晶环明显减少。

表1 低倍组织检测结果

(a)未均火铸锭+510℃×1h；(b)未均火铸锭+520℃×1h；(c)未均火铸锭+530℃×1h；(d)均火铸锭+510℃×1h；(e)均火铸锭+520℃×1h；(f)均火铸锭+530℃×1h图1 宏观组织Fig.1 Macrostructure organization

图1中(a)、(b)及(c)为采用未均火铸锭挤压棒材的尾端试样；(a)经510℃×1h的固溶热处理后，经碱蚀后观察其端面出现明显的环状粗晶组织，粗晶环厚度约为0.8mm；(b)经520℃×1h固溶热处理经碱蚀后，端面出现厚度约为2mm的环形粗晶组织；(c)经530℃×1h固溶热处理经碱蚀后，端面出现厚度约为3mm的环形粗晶组织。图1中(d)、(e)及(f)为采用均火铸锭挤压棒材的尾端试样；(d)经510℃×1h的固溶热处理后，端面未出现粗晶组织；(e)经520℃×1h的固溶热处理后，端面未出现粗晶组织；(f)经530℃×1h的固溶热处理后，试样端面出现约为0.2mm的环状粗晶组织。

2.2 微观组织检测

对热处理后的试样按照GB/T3246.1处理后，使用金相显微镜观察其显微组织，部分晶粒度检测结果如图2所示，晶粒度评级如表2所示。从检测结果可以看出，(1)棒材的心部晶粒度均无明显差别；(2)未均质铸锭生产的棒材，经固溶热处理后，边部有粗大晶粒，晶粒度等级小于-0.5级；(3)采用均质铸锭，低温固溶后，试样边部晶粒细小均匀，与心部晶粒度等级相近。

(a)2W2心部晶粒度6.5级 ；(b)2T1心部晶粒度7级；(c)2T1 边部晶粒度-0.5级；(d)4W2 心部晶粒度6.5级；(e)7T1边部晶粒度7.5级；(f)7W2 边部晶粒度1级；(g)8W2 心部晶粒度7级；(h)8W2 边部晶粒度7级图2 试样晶粒度等级Fig.2 Sample grain degree grade

表2 晶粒度检测结果

2.3 力学性能检测

根据宏观及微观检测结果可以看出，在两种固溶制度下，使用均火铸锭生产的棒材粗晶环明显小于未均火棒，后期仅对使用均火铸锭的试样进行175℃×8h时效处理。将时效后的试样按照GB/T228.1处理后，使用电子万能试验机对力学试样进行拉伸试验，试样力学性能值如表3所示。

表3 力学性能检测结果

从检测结果可以看出，(1)使用均火铸锭生产的棒材，随着固溶温度的升高，棒材的力学性能增大，固溶温度为520℃及530℃时，试样的力学性能差别较小；(2)在固溶制度为520℃×1h时，棒材已达到充分固溶的状态。

2.4 铸锭是否均匀化对棒材粗晶影响分析

从表1及表2 的检测结果可以看出，在挤压工艺及固溶热处理制度相同时，使用均质铸锭的棒材粗晶环厚度小甚至无粗晶。这是由于铸锭经均匀化处理后，铸棒内部组织更均匀，第二相能够充分溶解到基体中，在挤压生产时变形抗力小，变形均匀，使挤压后的棒材内部晶粒均匀细小，降低晶粒界面能，抑制棒材在固溶热处理时发生二次再结晶，减少粗晶层厚度。

2.5 固溶温度对棒材粗晶影响分析

从宏观及微观组织检测结果可以看出，使用相同的铸锭及挤压工艺，随着固溶温度的升高，棒材粗晶环厚度增加。这是由于在经挤压后的棒材内部有较高的形变储能，进行固溶热处理时，棒材内原子运动加剧，激发晶粒发生再结晶，固溶温度过高会促使棒材再结晶晶粒继续长大，吞并周边晶粒，发生二次再结晶，形成粗大晶粒，在棒材低倍组织上显示出粗晶环缺陷。

3 结论

(1)粗晶环的厚度与铸锭的状态有关，采用均质铸锭挤压后的棒材性能优于使用未均质铸锭的；

(2)采用Mn、Cr含量较高的6061成分均质铸锭挤压，经520℃×1h的固溶热处理后，棒材已充分固溶，经时效后屈服强度能够达到360MPa、抗拉强度能够达到390MPa、延伸率15%，此时棒材的粗晶环厚度最小。