锻压应力对铸锻复合成形加Cr的6061铝合金性能的影响

2021-05-13祝叶，李爱

轻合金加工技术 2021年2期

祝叶，李爱

(1.武汉职业技术学院,湖北武汉,430074; 2.重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400044)

近年来，我国的建筑业发展迅速，并且受轻量化、绿色环保发展观等影响，建筑用材料也在不断优化中，“绿色建筑”已成为建筑发展的必然趋势[1]。传统的混凝土、钢结构虽然结实、稳固，但自重大、耐力不持久、综合性能差。铝合金结构优势更大，自重轻、比强度高、色泽美观、耐腐蚀、利用率高、损耗低、可回收等优点，因而受到了建筑行业的青睐，应用越来越广泛[2-4]。6061铝合金是建筑行业常用的铝合金，但是存在力学性能不够理想、耐腐蚀性能不够好等问题。在铝合金中添加合金元素Cr，有助于提高合金强度和耐腐蚀性能。但是目前关于添加Cr的6061铝合金的研究鲜有报道。另外，铸造是铝合金常用的成形方式，铸造适宜加工复杂薄壁件，铸件性能却欠佳，而锻造虽然能生产出高性能锻件，可是较难成形复杂的零部件[5]。铸锻复合成形工艺是集挤压铸造与锻造为一体的新型成形方法，先将模具预热到一定温度，然后将液态金属浇入铸锻模型腔里，用挤压铸造的方法使其在高压下凝固、保压、成型，并在高温下直接进行锻造。该方法可生产出质量佳的复杂壁薄件，具有工艺设备简单、节省材料、生产成本低、适合批量化生产等优点[6-8]。我国铸锻复合成形技术起步较晚，在技术和水平上尚有提升空间。在铸锻复合成形的过程中，锻压应力是极其重要的工艺参数。因此，本试验采用不同的锻压应力对加Cr的6061铝合金进行铸锻复合成形，并对其力学性能和耐腐蚀性能进行测试和分析，以期加速加Cr的6061铝合金的工业化应用。

1 试验材料及方法

研究对象为铸锻复合成形加Cr的6061铝合金(以下简称试验合金)，合金的化学成分如表1所示。按照表1所示成分配料，将铝合金熔炼炉加热至300 ℃时加入纯铝，炉温达到720 ℃时加入Al-Cu中间合金和速溶Si，炉温730 ℃时加入Al-5Ti-1B和Cr，均匀搅拌，待熔融后精炼、静置除渣，然后加入少许覆盖剂，将铝箔包覆的纯镁锭加入、搅拌、熔化后静置除渣。模具选用带有锻芯(具有锻造功能)的压铸模具，铸锻复合成形设备选用6 000 kN铸锻复合成形机。预热模具至250 ℃，在铸锻复合成形机作用下进行合模、浇注、压铸、模锻，最后开模取件，得到试验合金铸锻复合成形件，尺寸为120 mm×68 mm×10 mm。为了研究锻压应力对铸锻复合成形试验合金性能的影响，试验过程中保持冲头压射速度60 mm/s、模具预热温度250 ℃、启锻时间3 s、充型压力150 N/mm2、浇注温度750 ℃、保压时间20 s，仅改变锻压应力。各试样的锻压应力如表2所示。所有试样进行了相同工艺的热处理：530 ℃固溶4 h，水淬， 180 ℃6 h人工时效，空冷。

表1 试验合金的化学成分(质量分数/%) Table 1 Chemical composition of the tested alloy(wt/%)

表2 试验合金的锻压应力Table 2 Forging stress of the tested alloy

拉伸试验在WDW-200万能试验机上进行，拉伸速率1.5 mm/min。为减少试验误差，在试验合金铸锻复合成形件试样的两端和中部分别切取拉伸试块，拉伸试件平行段尺寸70 mm×10 mm×4 mm，以3个试件力学性能测试值的算术平均值作为试样测试值。拉伸试验后用JSM-820型扫描电镜观察试样表面的断口形貌。耐腐蚀性能测试采用中性盐雾腐蚀方法，在盐雾腐蚀箱中以间歇喷雾方式进行，腐蚀溶液选用w(NaCl)=5%的NaCl水溶液，室温，腐蚀时间72 h，喷雾压力0.8 N/mm2，沉降量0.05 mL/(h·cm2)。为减少试验误差，在每个试样的两端和中部分别切割3个腐蚀试件，试件为圆片状，尺寸为φ25 mm×4 mm。记录单位面积质量损失量，以3个试件测试值的算术平均值作为试样测试值，并用JSM-820型扫描电镜观察试样腐蚀后的形貌。

2 试验结果

2.1 力学性能检测

图1是不同锻压应力对铸锻复合成形建筑用试验合金抗拉强度、屈服强度和断后伸长率的影响。由图1可见，随着锻压应力的增大，试验合金的抗拉强度和屈服强度均是先增大再缓慢减小，伸长率则是先减小再缓慢增大。当锻压应力为90 N/mm2时，试验合金的力学性能最差，抗拉强度和屈服强度均为最小值，分别为251 N/mm2、230 N/mm2，伸长率则为12.8 %；当锻压应力达到130 N/mm2，合金的力学性能处于最好状态，抗拉强度和屈服强度均为最大值，各为288 N/mm2、267 N/mm2，伸长率则降至9.5%。锻压应力继续增大，合金的强度降低，伸长率增大。

图1 锻压应力对试验合金力学性能的影响Fig.1 Effect of forging stress on mechanical properties of the tested alloy

2.2 拉伸断口形貌

不同锻压应力的试验合金拉伸断口形貌如图2所示。从图2可以看出，当锻压应力为90 N/mm2(1#试样)时，拉伸断口的韧窝极为粗大，撕裂棱显著，此时韧性不好，力学性能最差；当锻压应力增大到130 N/mm2时，试样的韧窝圆润、细小、深度大，撕裂棱细浅，塑性好，力学性能最佳；而(7#试样)150 N/mm2锻压应力下拉伸断口的韧窝撕裂棱均介于1#试样、5#试样之间，力学性能居中。再结合之前不同锻压应力下试验合金的力学性能测试结果可以知，从优化铸锻复合成形建筑用试验合金的力学性能出发，锻压应力优选为130 N/mm2。

图2 不同锻压应力铸锻试验合金的拉伸断口形貌Fig.2 Tensile fracture morphologies of cast-forging alloy with different forging stresses

2.3 耐腐蚀性能检测

图3是不同锻压应力对试验合金腐蚀试验单位面积质量损失量的影响。根据图3可见，随着锻压应力的增大，试验合金单位面积质量损失量先减小后再缓慢增大。当锻压应力为90 N/mm2时，合金的耐腐蚀性能最差，单位面积质量损失量最大值29 g/cm2；当锻压应力达到130 N/mm2时，合金的耐腐蚀性能处于最好状态，单位面积质量损失量最小、为13 g/cm2，较90 N/mm2锻压应力铸锻成形的减小了55.17%；当锻压应力继续增大，合金的单位面积质量损失量趋于增大，试样的耐腐蚀性能趋于下降。

图3 锻压应力对试验合金耐腐蚀性能的影响Fig.3 Effect of forging stress on corrosion resistance of the tested alloy

2.4 腐蚀形貌

不同锻压应力铸锻试验合金试样的腐蚀形貌如图4所示。从图4可看出，当锻压应力90 N/mm2时，试样的腐蚀程度最严重，有很多团状的腐蚀坑及密集的腐蚀点产生，腐蚀坑深度大；当锻压应力增大到130 N/mm2，试样的腐蚀程度最轻微，仅产生了少许的腐蚀点；当锻压应力150 N/mm2时，试样的腐蚀点、腐蚀坑均介于1#试样、5#试样之间，耐腐蚀性能居中。再结合之前不同锻压应力下加微量Cr的6061铝合金试样的耐腐蚀性能测试结果可以得知，从优化铸锻复合成形建筑用试验合金的耐腐蚀性能出发，锻压应力优选为130 N/mm2。

图4 不同锻压应力铸锻试验合金试样的腐蚀形貌Fig.4 Corrosion morphologies of cast-forging alloy samples with different forging stresses

3 试验结果分析

铸锻复合成形充分结合了铸造和锻造两种工艺的优点，能够成形复杂的薄壁件，极大地增加铝合金的组织致密度、强度等性能。在铸锻复合成形的过程中，锻压应力是极其重要的工艺参数。从试验结果可知，当90 N/mm2锻压应力下，试验合金的强度最小，腐蚀试验单位面积质量损失量最大，拉伸伸长率最大，此时力学强度性能和耐腐蚀性能最差；当锻压应力达到130 N/mm2时，试验合金的抗拉强度、屈服强度处于峰值，腐蚀试验单位面积质量损失量和拉伸断后伸长率均为最小值，此时力学强度性能和耐腐蚀性能最佳；当锻压应力超过130 N/mm2后，合金的力学性能和耐腐蚀性能均趋于下降。这是因为锻压应力过小时，铸坯固相分数也过低，虽能较好控制外形，但是锻压后铸坯再次进行凝固收缩，合金的晶粒粗大，组织会出现缩孔、疏松，强度低，产生裂纹，腐蚀程度极为严重。当锻压应力增大，试验合金铸坯固相分数也逐渐提高，凝固时慢慢会形成枝晶骨架，共晶能够缓慢深入枝晶骨架的缝隙，进行充填、补缩，减少收缩裂纹，组织致密，强度提高，力学性能和耐腐蚀性能会得到显著增强。但锻压应力的增加也有度，过高的锻压应力并不是好的选择，这是因为锻压应力过大，枝晶组织便融为一体，合金内部组织破碎后产生很多细小的裂纹，由于没有液相进一步补充，因而无法弥补裂纹，因此强度有所下降，力学性能和耐腐蚀性能均会有所下降。故为了优化铸锻复合成形建筑用试验合金的综合性能，铸锻复合成形时锻压应力优选为130 N/mm2。