挤压工艺对7046铝合金型材组织与性能的影响

2021-12-29白文全王玉文

轻合金加工技术 2021年8期

孙钊，周伟，白文全，王玉文

(广西南南铝加工有限公司，广西南宁 530031)

7046铝合金属于中等强度铝合金，具有较好韧性，且质量轻，耐腐蚀性和可焊性好，广泛应用于特殊领域的转运平台构件，如交通运输车辆的桁架、杆件、容器，大型热交换器以及体育器材等[1-3]。7046铝合金中w(Zr)=0.10%～0.18%。有文献表明Zr和Al形成ZrAl3化合物，可提高再结晶温度，阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒，且Zr对淬火敏感性的影响较小，使型材在在线淬火中不易析出稳定的第二相，同时仍保留挤压变形组织，从而使强度处于较高水平[4-6]。挤压工艺和在线淬火是铝合金强度的关键工序。挤压温度过低或挤压速度过慢，合金固溶不充分，会影响后续的时效强化效果；挤压温度过高或挤压速度过快，合金发生动、静态回复再结晶，晶粒长大，会减弱固溶强化的效果[7]。因此选择合适的挤压工艺对提高7046铝合金的综合性能十分必要。

本课题研究挤压工艺对7046铝合金型材显微组织和力学性能的影响，以期为7046铝合金挤压工艺优化提供参考。

1 试验过程

1.1 试验材料

熔炼用的原料为原铝锭(纯度为99.8%，质量分数，下同)、原镁锭(纯度为99.9%)、原锌锭(纯度为99.96%)以及Al-5Cr、Al-5Zr、Al-6Ti、Al-10Mn、Al-50Cu等中间合金，晶粒细化剂用Al-5Ti-1B。在保温炉内通入精炼剂进行精炼，后通入氩气除气，采用40ppi(ppi为1英寸长度上的孔数)的陶瓷板过滤熔体，铸造成圆铸锭。7046铝合金铸锭的化学成分见表1。

表1 7046铝合金铸锭化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of 7046 Al alloy ingot(wt/%)

1.2 试验方法

7046铝合金型材的生产工艺流程：熔炼→铸造→铸锭均匀化热处理(470 ℃24 h)→锯切锭坯→车皮→感应炉加热→挤压→型材在线淬火→拉伸→成品锯切→120 ℃24 h人工时效→成品包装。

用75 MN的挤压机挤压，锭坯车皮后直径为380 mm，挤压比为23。 7046铝合金型材横截面如图1所示。在线淬火水压如图2所示，水淬上面的水压为5 MPa，下面的水压为6 MPa，保证型材可以正常淬火，同时确保型材的形位尺寸合格。

图1 挤压型材横截面图Fig.1 Cross section of the extruded profile

图2 在线淬火水压示意图Fig.2 Water pressure of the online quenching

为了探讨挤压温度、挤压速度对7046铝合金型材组织和性能的影响，挤压温度取480 ℃、490 ℃、500 ℃、510 ℃、520 ℃、530 ℃、540 ℃。挤压速度取2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min、6 m/min、7 m/min进行试验。型材在线淬火后进行120 ℃24 h人工时效。

拉伸力学性能检测试样参考国标GB/228.1-2010，利用CMT5305材料试验机测试7046铝合金型材的力学性能，取样方向为挤压方向，每组试验取5个试样的平均值。将型材截面制备的金相试样依次进行600#、1000#、1800#、3000#砂纸水磨，之后进行电解抛光10 s；覆膜溶液配方为氟硼酸溶液(16.8 g/L)，称取117 g硼酸放于塑料容器内，加入500 mL水和333 mL氢氟酸(ρ=1.15 g/mL)，待硼酸溶解完全后冷却，用水稀释至1 L即配成所需氟硼酸溶液，然后进行覆膜，时间为1.5 min；分别在蔡司Axio Vert.A1光学显微镜和蔡司EVO18型扫描电子显微镜对不同挤压工艺参数的 7046铝合金型材试样进行OM、SEM组织分析。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

7046铝合金铸锭在480 ℃～540 ℃的范围内、以挤压速度4 m/min挤压，之后进行120 ℃24 h人工时效的型材力学性能见图3。由图3可知，当挤压温度从480 ℃升高到500 ℃时，合金型材的抗拉强度由552 N/mm2提高到561 N/mm2，屈服强度由515 N/mm2提高到527 N/mm2，伸长率由13%降为12%；当温度由500 ℃继续升高时，合金型材的屈服强度和抗拉强度均随温度的升高而降低，伸长率则上升。因此7046铝合金最佳的挤压温度为500 ℃。

图3 挤压速度4 m/min时挤压温度对7046铝合金型材力学性能的影响Fig.3 Effect of extrusion temperature on mechanical properties of 7046 aluminum alloy profiles at the extrusion speed of 4 m/min

图4为7046铝合金在挤压温度500 ℃、挤压速度2 m/min～7 m/min进行挤压，之后人工时效的力学性能。从图可以看出，当挤压速度从2 m/min提高到4 m/min时，合金型材的抗拉强度由521 N/mm2提高到561 N/mm2，屈服强度由486 N/mm2提高到527 N/mm2，伸长率由13.5%降为12%；当速度由4 m/min增加到5 m/min时，合金型材的屈服强度和抗拉强度略有下降，之后继续提速其强度趋于稳定。因此，挤压速度为4 m/min时力学性能最佳。

图4 挤压温度500 ℃时挤压速度对7046铝合金型材力学性能的影响Fig.4 Effect of extrusion speed on mechanical properties of 7046 aluminum alloy profiles at the extrusion temperature of 500 ℃

2.2 金相组织

2.2.1 挤压温度对金相组织的影响

当挤压速度为4 m/min时，不同挤压温度挤压的7046铝合金型材的金相组织见图5。由图5a可知，当挤压温度较低(480 ℃)时，晶粒基本上保留纤维状变形组织，同时基体内也分布着一定数量的未溶解相；当挤压温度提高到500 ℃时，晶粒尺寸仍保持在较低水平，且呈细小纤维状；随着挤压温度的进一步提高，再结晶晶粒在晶界处形核，基体内出现较多的再结晶晶粒，见图5d和图5e；当继续升温至530 ℃时，基体内出现大量的等轴晶，再结晶已非常充分，见图5f；再继续升温至540 ℃，等轴晶明显长大，见图5g。

图5 挤压速度4 m/min不同挤压温度下7046铝合金型材的金相组织Fig.5 Microstructures of 7046 aluminum alloy profiles at the extrusion speed of 4 m/min and different extrusion temperatures

2.2.2 挤压速度对金相组织的影响

图6为挤压温度500 ℃时，不同挤压速度的7046铝合金型材的金相组织。由图6a和图6b可知，挤压速度越低，晶粒粗化越明显，等轴晶粒较多，基体内分布较大的未溶解相，导致合金的强度降低；但是随着挤压速度的提高，晶粒沿挤压方向被拉长破碎明显，呈现典型的加工纤维状组织，基体内未溶解相较少，合金的加工硬化效果越明显，见图6c和图6d。

图6 挤压温度500 ℃不同挤压速度挤压的7046铝合金型材的金相组织Fig.6 Microstructures of 7046 aluminum alloy profiles extruded at the extrusion temperature of 500 ℃ and different extrusion speeds

2.3 SEM组织

图7为挤压速度4 m/min，不同温度挤压的7046铝合金型材的SEM。从图7a可以看出，合金中存在较大尺寸第二相，说明挤压温度为480 ℃，挤压速度为4 m/min时，合金固溶不充分，后续120 ℃24 h时效时未溶解的第二相起到形核的作用，造成局部第二相的尺寸增大；当继续升温至500 ℃，且以4 m/min的速度进行挤压，合金中的第二相细小弥散，时效强化效果明显；继续升高温度至540 ℃时，合金中第二相的大小基本没有大的变化。

图7 挤压速度4m/min不同挤压温度下7046铝合金型材的SEMFig.7 SEM of 7046 aluminum alloy profiles at the extrusion speed of 4 m/min and different extrusion temperatures

一定范围内提高挤压温度和速度，可增强铝合金的强化效果。这是因为升温、提速均能提高型材淬火温度，使合金元素的扩散速率增大，固溶更充分；时效后析出的第二相更细小、弥散；强化效果明显[8-11]。但继续提高温度，合金中过剩强化相减少，且合金纤维状组织转变为再结晶组织，使得合金强度降低[12-13]。当挤压速度取4 m/min，挤压温度在480 ℃～500 ℃范围内，合金均呈纤维变形组织，且在晶界处存在少量的未溶解相，时效后合金的强化主要是加工硬化和弥散强化；继续升温至510 ℃～540 ℃，再结晶晶粒在晶界处形核长大，且530 ℃时已经发生完全再结晶，合金强度降低，伸长率升高。当挤压温度取500 ℃时，挤压速度越慢(2 m/min～3 m/min)，静态回复再结晶越充分，同时伴随着稳定的第二相析出，使得合金强度降低；当挤压速度为4 m/min时，合金组织呈纤维状；继续提速到5 m/min～7 m/min时，仍呈现纤维组织。