中空擠壓鋁型材焊合位置組織和性能試驗

李恩波 張富亮 陸宏韜 樊 晨

遼寧忠旺集團有限公司 遼寧遼陽 111003

1 試驗背景

隨著新能源汽車行業的不斷進步和發展,汽車輕量化成為主要研究課題之一。鋁合金作為理想輕質材料的一員,對鋁合金服役性能的要求也越來越高。全鋁車身框架主要以中空擠壓鋁型材為主,型材在擠壓過程中,首先圓形鑄錠在擠壓力的作用下,經分流橋被分為幾股金屬流流入焊合室,在高溫高壓條件下重新焊合,最后被擠壓出模孔,形成含有焊縫的中空鋁型材。

對于中空鋁型材來說,焊合位置的性能往往是比較薄弱的區域,模具設計不當或不合理的擠壓工藝都會對焊合位置的質量造成影響。其中,擠壓速度還會間接影響焊合壓力和料坯溫升,同時擠壓的快慢還關乎著生產效率。因此,有必要進一步研究擠壓速度對中空擠壓鋁型材焊合位置的組織和性能的影響規律,為型材的擠壓生產工藝提供參考。

2 試驗材料

將汽車用6005A中空擠壓鋁型材作為試驗材料,化學成分見表1。采用半連續鑄造方法,泡沫陶瓷過濾,Al-Ti-B絲細化,直徑規格為572 mm。均勻化處理后,使用12 500 t擠壓機進行擠壓加工。使用相同模具和擠壓工藝、不同擠壓速度進行擠壓生產,擠壓速度分別為10 mm/s、15 mm/s、20 mm/s、25 mm/s。型材斷面焊合位置如圖1所示。

表1 6005A化學成分

圖1 型材橫斷面焊合位置

擠壓后型材采用在線水霧淬火工藝,拉伸矯直變形率為0.5%～1.5%。切去頭尾拉伸變形區后,在時效爐內進行8 h、175 ℃人工時效。時效后用線切割方法切取料樣,對型材焊合位置進行晶粒度檢測、布氏顯微硬度檢測和低倍斷口檢測。

3 試驗結果

3.1 晶粒度檢測

檢測晶粒度的試樣經磨制和拋光后,進行陽極覆膜,覆膜液中HBF4與H2O比值為3.4∶96.6,使用金相顯微鏡觀察型材焊合位置a1處晶粒形貌。不同擠壓速度對應的型材焊合位置晶粒形貌如圖2所示。可見,隨著擠壓速度的增大,鋁合金的平均晶粒尺寸呈現先減小后增大的變化規律。擠壓速度為10 mm/min的型材焊合處晶粒分布的均勻性較差,有較多的大尺寸晶粒,鋁合金的晶粒度級別為6.5。當擠壓速度增大到15 mm/s時,細小的晶粒數量增多,粗大的晶粒組織減少,鋁合金中晶粒的均勻性也變好。20 mm/s擠壓速度對應的型材焊合位置的晶粒最為細小均勻,晶粒度級別為7。擠壓速度繼續增大到25 mm/s時,組織中小尺寸晶粒開始減少,大尺寸晶粒逐漸增多,且均勻性變差。

圖2 不同擠壓速度焊合位置晶粒形貌

3.2 布氏顯微硬度檢測

對型材焊合位置a1處及附近的基體區域進行硬度測試,每個測試點相隔0.5 mm,使用壓頭直徑為1 mm的多功能硬度計,設定試驗力為100 N,加載時間為5 s,保持時間為10 s。檢測不同擠壓速度下型材的硬度值,結果如圖3所示。在不同擠壓速度下,型材的基體和焊合位置的硬度都是呈現先增大后減小的變化趨勢。擠壓速度為10 mm/s、15 mm/s、20 mm/s、25 mm/s時,型材基體部分布氏硬度(HBW)依次為96.7、98.7、99.3、98.1,焊合線上布氏硬度(HBW)依次為91.5、96.5、98.0、95.3。由此可見,一定程度增大擠壓速度有利于強化效果,但擠壓速度不宜太大。而對于同一擠壓型材來說,焊合線上的硬度值最低,隨著距離焊合線距離的增大,型材的硬度逐漸增大,且在距離焊合線1 mm處,硬度值趨于穩定。同時隨著擠壓速度的增大,型材的基體部分和焊合線處的硬度值之差也越來越小。

圖3 不同擠壓速度下硬度值

3.3 低倍斷口觀察

將經不同擠壓速度的型材樣坯放入NaOH溶液中進行堿蝕,用水沖洗后放入HNO3溶液中,以去除黑色堿蝕物,最后再用水沖洗。型材斷面清晰顯示焊合位置后,使用壓力機沿焊合線位置進行破壞性壓斷。不同擠壓速度后型材焊合位置的低倍斷口形貌如圖4所示。擠壓速度為10 mm/s時,焊合位置的斷口嚴重焊合不良,其表面有較大部分平齊狀斷口,呈典型的陶瓷形態,屬于脆性斷裂。擠壓速度為15 mm/s和20 mm/s時,焊合斷口表面均呈凹凸不平的粗糙纖維狀斷口,無夾渣等缺陷,焊合良好。擠壓速度為25 mm/s時,在焊合斷口邊緣,有小平臺平齊斷口,輕微焊合不良。

圖4 不同擠壓速度低倍斷口形貌

4 分析

在分流擠壓過程中,鋁合金內部組織同時進行著動態硬化和動態軟化兩種行為,動態硬化使位錯大量交織纏結在一起,對位錯起釘扎作用,從而提高強度。加工軟化以回復和再結晶為主,形成亞結構,降低位錯密度。兩種行為疊加在一起,影響型材焊合位置及附近區域的組織和晶粒的變化,從而影響焊合質量。

型材擠壓焊合過程受很多因素影響,如焊合壓力、焊合溫度、焊合時間等。隨著擠壓速度的增大,金屬的變形抗力增大,流經變形區和焊合區所需的擠壓力也變大,隨之金屬流焊合時壓力也變大,同時,擠壓速度的增加,金屬表面的溫升也提高,從而變形抗力降低,金屬不均勻流動加劇。擠壓速度對晶粒尺寸有兩面性。其一,使擠壓溫度升高,有利于再結晶的發生,細化組織晶粒。其二,溫度升高使組織晶粒長大。擠壓速度為10 mm/s時,型材內部以動態恢復為主,組織保留著較多的原始組織。擠壓速度增大使單位時間內晶粒內儲存能增多,促進再結晶的發生。在20 mm/s擠壓速度下,組織內晶粒尺寸細小且均勻。

擠壓速度為10 mm/s時,雖然型材在焊合室內停留的時間長,有利于金屬填充到兩金屬流接觸面的縫隙間,但焊合壓力小導致導致焊合位置的質量下降,同時慢速下,型材從擠壓出口到淬火裝置所需的時間也長,使固溶溫度也下降,導致形成的過飽和固溶體的飽和度降低,時效后的沉淀強化作用弱化,使型材的硬度降低。擠壓速度在15～20 mm/s范圍內,擠壓速度越大,在線淬火的轉移時間越短,淬火時溫度越高,時效后,金屬組織內析出大量的沉淀強化相,對位錯阻礙作用提高。因此,隨擠壓速度的增大,型材的硬度提高。擠壓速度大于20 mm/s后,導致擠壓過程中溫升提高,使型材變形抗力小,擠壓力也變小,對應焊合壓力也變小,對焊合質量起消極作用。

5 結論

在擠壓模具和其它工藝相同的條件下,隨著擠壓速度的增大,6005A擠壓鋁型材焊合位置的晶粒尺寸呈現先快速減小后增大的趨勢。當擠壓速度為20 mm/s時,晶粒最為細小并且均勻,晶粒度級別為7。

型材焊合位置處有較低硬度,焊合區域的硬度值隨著擠壓速度的增大,呈現先增大后減小的趨勢。同時,型材基體部分和焊合線處的硬度值之差也越來越小。

擠壓速度過小或過大,型材焊合位置出現焊合不良現象,降低鋁合金性能。