Cr元素对6061合金挤压型材组织和性能的影响

2023-06-26吕庆玉

铝加工 2023年3期

吕庆玉

（龙口市丛林铝材有限公司，龙口市 265700）

0 前言

6061 合金属Al-Mg-Si 系合金，中等强度，具有良好的塑性和优良的耐蚀性。特别是无应力腐蚀开裂倾向，其焊接性能优良，耐蚀性及冷加工性能好，应用范围广是一种很有前途的合金。可阳极氧化着色，也可喷漆处理，适用作建筑装饰材料。其含有少量Cu，因而强度高于6063 合金，但淬火敏感性也比6063 高，挤压之后需要经过高强度的固溶淬火，才能获得较高的强度[1]。

王峰[2]等研究了Cu 对热挤压Al-Mg-Si 合金拉伸性能及导电率的影响，向Al-0.35Si-0.45Mg-0.13Fe 合金中添入微量Cu 元素后，Mg2Si 析出相得到细化且时效强度提高，随着Cu 元素含量的增加，峰值时效时间缩短，合金抗拉强度不断提高，但伸长率逐渐降低。当Cu含量为0.06%时，合金抗拉强度达到最大值145.7 MPa。合金导电率随着Cu元素含量的增加先升后降，当Cu含量为0.03%时达到最大值60.18%IACS。

潘青林[3]等研究了微量Mn 对Al-Mg-Si 合金的微观组织与拉伸性能的影响，结果表明，微量Mn在Al-Mg-Si合金中主要以粒状α-Al15（FeMn）3Si2弥散相的形式存在，尺寸为12 μm～210 μm，均匀、弥散分布在基体中，有效地钉扎位错和亚晶界，抑制合金热挤压变形过程中的再结晶；均匀化处理过程中微量Mn 可促进长针状β-Al9FeSi 相向粒状α-Al15（FeMn）3Si2相转变，这种含Mn 的α 相弥散颗粒可作为合金时效强化相β′（Mg2Si）的非均匀成核位置，促进β′相的析出，从而强化合金，使合金获得较好的强塑性配合。

目前国内铝合金研究机构、铝挤压行业对Cr元素含量对6061 合金的性能组织影响研究较少，基于此现状，结合我司承接的出口国外挤压型材，客户要求6061 合金型材抗拉强度≥320 MPa，强度指标要求较普通工业材高很多，为了满足客户特殊要求，在GB/T 3190 成分范围内，设计成分配比方案，开展试验研究，以期满足客户要求，并为铝挤压行业同行提供参考。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验材料为ϕ120 mm 规格圆铝棒，长度为3 000 mm。在GB/T 3190 的基础上，分别设计两种合金成分，见表1。在1 000 t机台生产线进行挤压，生产的棒材直径为ϕ20 mm，米重为0.847 kg·m-1。

表1 6061合金化学成分（质量分数/%）

圆铝棒铸造工艺流程如下：

试验用两种合金1#、2#经过均匀化退火处理，退火工艺采用单级均匀化制度。首先设定（560±5）℃，升温150 min，温度达到设定温度范围后保温48 min转入冷却炉冷却，强风急冷30 min后，调水压为0.15 MPa冷却80 min，出炉后自然冷却至室温[4]。

均匀化退火后的圆铝棒，切除头部100 mm、尾部切除120 mm，两端取样进行检测分析。低倍组织无裂纹、气孔、羽毛晶、非金属夹杂等缺陷，晶粒度、疏松一级，氢气含量0.14 g/100g·Al。

1.2 实施方案

在1 000 t机台上进行挤压试验生产，试验方案见表2。采用一套模具，控制模具温度在450 ℃～480 ℃，挤压筒温度控制在430 ℃～450 ℃，第一根引棒缓慢挤压，不锯切成品。成分1#、成分2#各挤压5根，定尺铝棒长度是500 mm，具体挤压数据见表3。

表2 试验方案

表3 挤压数据

挤压在线淬火后的产品，在铝棒与铝棒挤压型材交接位置中断锯切，然后进行拉伸矫直，拉伸率约1.2%。经过定尺锯切装筐，为了便于时效时通风顺畅，产品用3 mm 厚度横梁隔开。为了消除停放自然时效对产品拉伸性能的影响，最终获得高强度产品，进行如下操作：挤压停放20 h 内装炉进行人工时效，采用燃气纵向大循环时效炉进行时效，温度设定（170±3）℃，升温时间不超1.5 h，保温7 h，出炉后进行空冷，冷却至室温后取样检测。

2 试验结果及分析

2.1 拉伸性能、硬度

拉伸试样参照GB/T 228—2010 标准加工制作，加工成圆形比例试样。采用日本岛津UH-F300KNX液压万能试验机、美国英斯特朗AG0278-107 布氏硬度计进行试验检测，具体数据见表4。

表4 不同成分方案时效后的拉伸性能、硬度对比

成分1#、成分2#挤压型材，在同等条件下挤压、固溶淬火和人工时效，根据检测结果来看两者有明显差异，添加0.22%Cr 元素的成分2#产品抗拉强度平均高约40 MPa，屈服强度平均高约50 MPa，断后伸长率平均高约4%，硬度平均高约15.5 HBW。分析两种成分产生的差异原因，在Si和Mg及Cu含量固定不变的情况下，起主要强化作用的Mg2Si总含量是1.59%，含有0.06%过剩Si，并含有一定量的Al2Cu，这些析出相对时效后产品强度起主要强化作用[5]。6061 合金中添加的0.22%Cr，Cr在铝基体中形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金属间化合物，能有效阻碍晶粒长大，提高再结晶温度和范围，并对产品强度有一定的贡献[6]。

2.2 显微组织

试样经过加工、研磨、电解抛光，腐蚀剂采用法国NF A04-503 标准，氢氟酸∶盐酸∶水=1∶2∶22，腐蚀时间约2 min。清洗后采用德国卡尔蔡司AXIO 金相显微镜对两种成分的挤压产品进行检测分析，具体见图1和图2。

图1 成分1#显微组织

图2 成分2#显微组织

成分1#挤压产品的组织，晶粒均匀性较差，且边部存在大尺寸再结晶晶粒，厚度约3 mm。成分2#挤压产品的组织，边部存在粗晶层，厚度约800 μm；基体晶粒细小均匀，晶粒度级别6～7 级。从显微组织来看，成分2#挤压的制品组织优异，基体晶粒因为添加0.22%Cr的原因有明显改善，这也是产品拉伸性能和硬度有很大提升的根本原因。

3 分析讨论

在6×××系Al-Mg-Si铝合金中，6061是一种较老的合金，属于中等强度可热处理强化铝合金，其淬火敏感性比6063 合金高，需采用较高的淬火强度，后续才能经过人工时效实现强化。其强化相主要是Mg2Si，Mg2Si的Mg与Si之比为1.73，为了获得更高的强度，提高成形性能及焊接性能，大部分合金设计时含有一定量的过剩Si。合金中添加Cu，能明显提高时效强度，随着Cu 元素含量的增加，峰值时效时间缩短，合金抗拉强度不断提高，但伸长率逐渐降低。GB/T 3190 中6061 合金Mn 元素最大允许含量0.15%，所以在生产实践中很少单独作为合金化元素添加。

本文研究的方向和内容，基于Cr 元素含量对6061 合金的组织和性能的影响，因为合金中添加Cr 元素，可以作为Fe 的中和剂，消除Fe 的坏作用，铸态组织(基体和晶界上)出现中尺寸小于5 μm的含Cr相，在铝中形成（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金属间化合物，能有效阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。为了满足高强度材料性能和细晶组织，本文试验采用在线水冷淬火，形成过饱和固溶体，然后进行人工时效。最后经过检测分析，试验结果达到了预期效果。