6×××系铝合金车体型材粗晶的研究进展

但 龙

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 266109)

铝合金作为替代传统钢材的轻量化材料,具有比强度高、塑性好、导热性能优良和表面美观等优点,在轨道列车、汽车零部件以及工程结构件上的应用日益广泛[1-3]。6×××系铝合金(Al-Mg-Si合金)以Mg2Si相为强化相,具有中等强度,耐蚀性高,无应力腐蚀破裂倾向,焊接性能良好,焊接区腐蚀性能不变,成形性和工艺性能良好等优点,可以高速挤压成断面复杂、薄壁、中空的各种结构型材[4]。目前,70%以上的铝合金型材是由6×××系铝合金生产的[5]。

粗晶环是铝合金挤压制品中的主要缺陷之一,挤压大壁厚型材时,自由端位置极易出现粗晶环。粗晶环的存在使材料的力学性能显著降低[6-7]。在轨道交通领域,挤压铝型材一般为多腔异形空心型材,对型材的尺寸和形位公差要求非常严格,对组织性能和使用寿命要求不断提高。因此对粗晶环缺陷的控制要求也越来越高,需要不断改进铝型材生产工艺来提高型材质量。

1 形成粗晶环的原因

从生产工序来看,粗晶环在挤压和热处理过程中容易出现。在粗晶环中,大晶粒的晶界是直的,长大时晶界从曲率中心向外移动,这是一次再结晶所特有的[8],一般认为粗晶环是一次再结晶的结果。

在挤压过程中,受模具形状的约束,圆铸锭内外层金属流动不均匀,圆铸锭外层金属在高压下与挤压筒内壁剧烈摩擦,发生剪切变形,与此同时金属变形产生的热量使圆铸锭温度升高,金属的自由能也随之提高,当温度达到再结晶温度时,在挤压过程中型材便会发生再结晶并长大,形成粗晶组织。挤压制品在热处理过程中形成的粗晶环,除了与不均匀变形的有关外,还与合金的化学成分有关。合金中含有的Mn、Cr等元素可形成金属间化合物,该化合物由于“钉扎作用”可阻止晶粒长大,可获得细晶组织,但是在固溶热处理过程中,第二相粒子溶解,如果热处理温度和保温时间不当,再结晶晶粒长大便形成了粗晶。

2 粗晶环的影响因素及研究进展

一般情况下,轨道车体型材表面粗晶环经常出现在型材壁厚的外部、宽扁状型材宽度方向的两端和空心型材熔合焊缝附近。挤压型材沿长度方向上分布规律是头端浅尾部深,严重情况下在整个截面上都是粗晶环[9]。由前述可知,粗晶环出现的根本原因是再结晶晶粒长大。目前,研究者从化学成分、均匀化退火、挤压工艺和热处理工艺方面进行改进,抑制再结晶过程、细化晶粒,以减小晶粒尺寸和粗晶环厚度。

2.1 化学成分

挤压速度过快,合金的变形会变得更加剧烈,由于变形程度大,合金内部晶粒严重破碎,产生许多亚晶。这种亚晶储存了相当高的能量和无法释放的应力,使这部分金属处于高能状态。当淬火加热时,这部分处于高能状态的金属迅速发生再结晶和晶粒长大,由于多余的能量破坏了原有的晶粒平衡尺寸,晶粒迅速吞并相邻的晶粒而发生异常长大,产生粗晶环。姜珊等[19]对6005A铝合金端梁型材缺陷改进方案进行研究,端梁截面如图6所示,图中圈出部位为易出现粗晶环超标的位置。挤压参数见表6。研究结果表明,工艺2的挤压速度比工艺1的快,粗晶环较厚,这是因为挤压速度越快,金属变形越不均匀,变形产生的热量圆铸锭温度升高越快,型材在挤压过程中更容易发生再结晶并长大,更易形成粗晶组织。

均匀化退火对第二相粒子的存在状态具有较大影响。通过改进均匀化退火,可达到既能改善挤压性能,又能减小挤压粗晶环的效果。6×××系合金铸锭由于非平衡凝固,成分分布不均匀,晶内偏析,导致合金的塑性显著下降;杂质元素Fe在合金的凝固过程中形成硬且脆的AlFeSi化合物,如针状或片状的β-AlFeSi相,粗大的针片状硬脆相可成为应力集中源,降低合金的强度和塑性。通过高温均化退火,合金元素在基体中扩散趋于均匀分布,固溶度提高。同时针状或片状的β-AIFeSi相向圆颗粒状的α-AlFeSi相转变。6×××系铝合金在均质处理过程中,Mn元素可促进β-AlFeSi向α-AlFeSi转变,消除粗大相的不利影响,为合金后续的加工做准备,同时析出Mg2Si和MnAl6弥散颗粒,这些颗粒具有高密度和高热稳定性,能够抑制合金后续变形加工的再结晶过程,细化再结晶晶粒,从而减少粗晶的产生[14]。

图1 地铁用6005A铝合金型材粗晶形态Fig.1 The coarse crystal form of 6005A aluminum alloy profile for subway vehicle body

表1 6005A铝合金的化学成分(质量分数/%)[10]Table 1 Chemical composition of 6005A aluminum alloy (wt/%)

Zr元素的添加也会在铝合金中形成Al3Zr弥散相,阻碍晶粒长大和粗晶产生。Birol等[11]研究了在6082铝合金中Cr和Zr元素对型材晶粒的影响,合金化学成分见表2,与之对应的焊缝内外再结晶区域的面积分数和平均晶粒尺寸见表3。由表3可知,型材焊缝处再结晶区面积和晶粒尺寸随着Cr和Zr浓度的增加而减小,当Cr和Zr的质量分数分别增加到0.15%和0.13%时(合金C),再结晶区域和晶粒尺寸最小、粗晶环更薄。原因是合金中Al(Cr,Mn,Fe)Si和(Al,Si)3Zr的形成抑制了再结晶过程。

表2 三种6082铝合金的化学成分(质量分数/%)[11]Table 2 Chemical composition of three types of 6082 aluminum alloy (wt/%)

表3 三种6082铝合金焊缝内外再结晶区的面积分数和平均晶粒尺寸[11]Table 3 Area fraction and average grain size of recrystallization zones inside and outside three types of 6082 aluminum alloy welds[11]

Forbord等[12]的研究表明,Sc元素的添加与Zr产生协同作用,形成细小且均匀分散的Al3(Sc,Zr)粒子,使合金表现出更高的抑制再结晶能力。李灿等[13]在6082铝合金中添加微量Sc和Zr元素,研究Sc和Zr复合微合金化对合金组织性能的影响,合金主要化学成分见表4,其显微组织形貌见图2。如图2所示,6082铝合金的枝晶网胞尺寸粗大,晶粒大小不均;加入Sc和Zr元素后,晶粒相对细小、均匀,形态多为等轴晶。这是因为偏聚在晶界上的Al3(Sc,Zr)粒子利用晶界对位错的阻碍作用,细化了晶粒;同时还改变了铝合金组元Si,Fe和Mg的形态,减少了针状金属间化合物晶,使之球化。

图2 表4合金的显微组织形貌[13]Fig.2 Microstructure morphology of 6082 aluminum alloy and 6082-0.1Sc-0.1Zr alloy

表4 合金的主要化学成分(质量分数/%)[13]Table 4 Main chemical composition of alloys (wt/%)

2.2 均匀化退火

合金中添加Mn、Cr元素可以提高再结晶温度,形成的MnAl6和CrAl7等金属化合物在热挤压变形过程中产生“钉扎作用”,阻碍再结晶晶粒长大,增加铝基体的变形抗力,降低变形的不均匀程度。李飞庆等[10]研究了Mn、Cr元素含量对地铁用6005A铝合金型材粗晶环的影响,研究合金化学成分见表1。表1的两种合金在挤压温度500 ℃、挤压速度2.5 m/min时,挤出型材的粗晶环形态见图1。由图1可知,在其他条件不变时,适当增加Mn、Cr元素含量,试样的粗晶环厚度则由1.2 mm减小到0.2 mm以下,几乎看不到粗晶环的存在。这是由于在挤压过程中含Mn、Cr的第二相粒子在位错密集处析出,使固溶体的再结晶温度降低,产生一次再结晶,但因第二相由晶内析出后呈弥散质点分布在晶界上,阻碍了晶粒的聚集长大,得到了细晶组织,粗晶环厚度明显减薄。

型材适宜的在线冷却速度能有效控制粗晶环厚度。6×××系铝合金淬火敏感性高,需要较大的淬火冷却速度。制品从前梁出来后必须立即进行在线淬火,减少型材高温停留时间,防止静态再结晶晶粒长大。挤压型材的冷却速度快时,再结晶形核尚未形成或晶粒已经形核但尚未长大,此时不会出现明显的粗晶组织[21]。窦志家等[22]的研究表明,6082铝合金的冷却速度在16 ℃/s～17 ℃/s时为宜。

孙祥彬等[16]研究了均匀化退火温度对6×××系铝合金组织的影响。该铝合金成分(质量分数,%):0.6～0.8Si,0.25Fe,0.1Cu,0.1～0.4Mn,0.75～0.90Mg,0.05Cr,0.05Ti,余量为Al。不同均匀化温度的铸锭挤压制品的粗晶环如图3所示。由图3知,随着均匀化温度的升高,挤压制品的粗晶环厚度随之增加。在均匀化温度较低时,网状枝晶溶解较少,挤压过程中枝晶受力发生破碎,形成第二相质点,能够阻碍晶界或亚晶界的迁移,起到一定抑制再结晶的作用,此时挤压制品的粗晶环较薄;均匀化温度较高时,枝晶网溶解较多,导致挤压后第二相质点数量减少,发生明显再结晶现象,形成粗晶环,制品粗晶环较厚。一方面,为使合金元素完全固溶,提高合金的塑性和强度,就希望均匀化处理温度较高,时间较长些;而另一方面,未完全固溶的第二相粒子在挤压过程中会破碎分散,能起抑制再结晶的作用,此时又希望温度较低些,时间较短些。因此,为使二者达到一个平衡,需要合理的均匀化处理制度。黄继武等[14]研究了不同均匀化处理后的6082铝合金组织性能的变化。试验结果表明,560 ℃6 h为最佳均匀化工艺,此时析出相细小且分布均匀,可最大程度抑制再结晶过程,使合金表现出最优的物理性能。

图3 不同均匀化温度下挤压制品的晶粒度[16]Fig.3 Grain sizes of extruded products at different temperatures

均匀化退火冷却速度也是影响挤压型材粗晶的重要因素。何金等[17]针对轨道客车车体对粗晶的严格要求,研究了均匀化退火冷却速度对6005A铝合金型材粗晶的影响。表5为试验方案,图4为对应型材粗晶环。由图4可知,6#试样的粗晶环最薄。这是由于均匀化冷却速度增加,含Mn、Cr弥散相粒子没有时间聚集长大,减小了含Mn、Cr弥散相粒子的尺寸,增加含Mn、Cr弥散相粒子析出的数量,而合适尺寸和数量的含Mn、Cr弥散相粒子对晶粒长大起到抑制作用。

图4 不同均匀化退火处理后型材粗晶环[17]Fig.4 Coarse grain rings of homogenized samples with different processing parameters

表5 试验方案Table 5 Testing program

挤压速度过快会促进粗晶的产生。图5为6005A铝合金某车体门立柱型材在挤压温度为500 ℃、挤压速度分别为4.2 m/min和3.4 m/min时边缘处的粗晶环情况。由图5可见,型材壁的外部出现了不同程度的粗晶环,其中挤压速度快的试样边部粗晶环厚度较大。

2.3 挤压工艺

在实际生产过程中,挤压工艺的调整是控制铝合金型材粗晶环厚度的重要手段之一。粗晶环的影响因素包括挤压比、挤压速度、铸锭加热温度和冷却速度等。

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曹振华等[18]研究了挤压比对6082铝合金粗晶环的影响。结果表明,适当降低挤压比是解决粗晶环问题的有效途径。挤压时圆铸锭在挤压筒内产生剧烈不均匀变形,挤压比过大则会使合金的不均匀变形程度增加,产生较高的畸变能,从而促进粗晶环的形成。

由此可知,第二相颗粒在合金中存在的状态和分布是抑制再结晶的关键因素。目前,挤压过程中关联因素较多,挤压工艺也不尽相同,目前并没有统一的均匀化制度,需要根据实际生产情况进行调整。

图5 不同挤压速度型材粗晶环Fig.5 Coarse grain ring of profiles at different extrusion speeds

研究表明,Mn、Cr、Sc、Zr等过渡元素可以抑制再结晶,减少挤压制品中粗晶环的产生。

过低的铸锭加热温度会促进粗晶的形成[20]。这是由于过低的铸锭加热温度造成金属变形抗力大。挤压过程中回复程度降低,晶格发生严重畸变。在后续淬火时,变形最激烈的部分晶粒异常长大,形成粗晶。采用高温挤压,使合金处于单相区内可以减少粗晶环深度。但挤压温度过高时,金属变形不均匀性加剧,制品的棱角、边部易开裂,挤压模工作带易粘结金属,造成制品表面不光滑,出现麻点和划痕。一般来说,6082铝合金挤压温度控制在460 ℃～530 ℃。

图6 端梁截面图Fig.6 Cross section of the end-beam

表6 端梁型材挤压参数Table 6 Thermal extrusion parameters of the end-beam profiles

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三是加快中西部地区金融服务体系发展，推动地区之间的技术转移和扩散，促进区域经济的协调发展和产业结构的合理化。

2.4 固溶热处理工艺

固溶温度越高,第二相溶解越充分,型材所获得的力学性能也更优异,但是固溶温度过高和保温时间过长会对晶粒的形核和长大提供更多的能量,因而对粗晶环的控制产生不利影响[21]。

6A02铝合金的固溶温度与保温时间对粗晶环的影响并不明显。于国林等[23]研究了6A02T6铝合金XC065挤压型材固溶热处理工艺对粗晶环的影响,型材热处理工艺与相应的粗晶环厚度见表7。由表7可知,采用不同的固溶温度与保温时间,型材粗晶环厚度都为8 mm左右,粗晶环变化不大。可见控制固溶温度和保温时间,不能消除该合金粗晶环或减少粗晶环厚度,而只能够控制其显现的程度。

表7 型材热处理工艺及试验结果Table 7 Heat treatment processes and test results

6082铝合金却有着不同的结果。向晶等[24]指出,6082铝合金固溶处理温度对粗晶环深度的影响要远远大于保温时间和升温速率的影响,在530～550 ℃范围内,固溶温度越高,粗晶环越厚。提高固溶热处理温度,无论是再结晶晶粒的形核率还是晶粒长大速率都增大,一方面使再结晶形核率提高,从而抑制晶粒长大;另一方面又提高了晶核长大的速率,缩短再结晶完成的时间,使晶粒尺寸增加。为了尽可能减小棒材周边再结晶晶粒尺寸,应采用高温短时的固溶处理制度。李鹏伟等[25]对车体用6082铝合金型材热处理工艺进行了研究,得出了相同的结论。发现固溶温度对型材自由端粗晶尺寸影响最大,随着固溶温度的升高,粗晶尺寸逐渐增大;固溶时间、时效温度和时效时间对型材自由端粗晶尺寸无明显影响。最终确定车体用6082铝合金型材最佳固溶处理制度为(515±5)℃150 min+(170±5)℃10 h。

两组患者治疗前的各项指标无显著差异(P<0.05),而在治疗后组间差异存在统计学意义(P<0.05),详情见表2。

2.5 模具结构

模具结构可以影响合金与模具工作带的摩擦力以及变形程度来影响型材晶粒的大小,从而影响粗晶环的厚度。

表8为不同模具工作带宽度对某断面粗晶环的影响。在挤压速度一定时,模具工作带越宽,粗晶环厚度越大。因此模具设计时,要尽可能减少金属与工作带的摩擦力,可适当减小模具工作带宽度,以减小摩擦温升,从而抑制再结晶晶粒长大。

《数学课程标准》指出：“数学教学活动必须建立在学生的认知发展水平和已有的知识经验之上。”数学知识的系统性很强，任何新知都是前面知识的发展和升华。因此，旧知识的复习，对新课的学习，起到承前启后的作用，使学生不会感到新旧知识脱节，产生知识过渡障碍，又能把新旧知识形成知识链，有利于学生理解掌握，故复习导入法是新课导入的一种既常用又重要的方法。这种方法注重知识衔接，一举多得。它不仅有利于学生对旧知识的巩固，而且能为新知识的学习做好铺垫。任何教学都不能脱离学生已有的知识经验。

表8 不同模具工作带宽度对粗晶环厚度的影响[21]Table 8 Effect of different bearing widths on the coarse grain ring thickness[21]

金属的再结晶温度与金属的预变形程度有关,金属的预变形程度越大,再结晶的温度就越低。这是由于预变形程度越大,金属晶粒的破碎程度便越大,产生的位错等缺陷就越多,组织的不稳定性就越高,因而会在较低的温度下开始再结晶。再结晶后的金属,一般都得到小而均匀的等轴晶粒,如温度继续升高,再结晶后的晶粒又以相互吞并的方式长大,因此造成产品出现粗晶的现象[26]。因此改进模具结构,可使晶粒细小均匀,减少粗晶环厚度。若模具只有一次金属预变形,则型材挤出时的预变形的程度会较大。可采用阶梯式导流结构[27],该结构可使金属经过多次的预变形,提高挤压力,从而提高成形过程中的静水压力。在挤压成形过程中,压应力能降低组织的扩散速度,压应力越大则扩散速度越小从而抑制晶粒的长大,进而获得良好的表面质量和致密的内部组织。对于多腔型材,分流模挤压型材会在焊缝处产生组织晶粒不均匀现象,易出现粗晶组织。要保证焊缝质量,使焊合室焊缝处的金属能充分扩散结合,金属变形程度就要大一些,特别是焊合室某些部位金属变形量要大,以形成较大的压应力[28]。

㉙H．W．詹森:《詹森艺术史》，戴维斯等修订，艺术史组合翻译实验小组译，世界图书出版公司2013年版，第1063页。

教育理论与实践的关系是教育研究的一个基本问题，在微课设计的实践中，微课作者遵循的理论是建构主义和认知负荷理论。

3 结束语

为拓宽6×××系铝合金的应用范围,满足高速轻量化轨道列车的高性能要求,需要减少粗晶的产生。减少粗晶本质上是抑制再结晶过程。合金中添加Mn、Cr、Sc、Zr等抑制再结晶元素为形成有“钉扎作用”的弥散相提供了必要条件;均匀化热处理过程可使弥散相分布更加均匀合理,从而增加抑制效果;通过优化挤压工艺、固溶热处理工艺和模具结构,则可以抑制晶粒本身的长大,与第二相粒子共同作用,阻止晶粒长大。目前人们对于6×××系铝合金粗晶环的研究已经较为深入,其影响因素已基本明确,但在生产中粗晶环未能完全避免。这需要从业人员继续探索,改进传统工艺,开发新的挤压工艺(如伺服挤压成形技术、等通道转角挤压成形技术),总结一套完整的生产工艺理论,使各影响因素最大限度发挥其抑制晶粒长大的作用,从而提高铝型材力学性能。