擠壓工藝對冷鍛用6061合金棒材組織的影響

萬 里，劉榮超，鄧濤濤

（佛山市三水鳳鋁鋁業有限公司，佛山 528000）

0 前言

鋁合金由于具有高的比強度、優異的冷/熱加工性能、焊接性能及抗腐蝕性能等特點，在自行車制造領域上得到了廣泛的應用[1-4]。早期自行車主要采用6063 和6061 中強鋁合金制造車架、輪轂及把手等，且所涉及到的管材都以無縫管為主以確保行駛中的安全。隨著熱擠壓模具技術的進步與發展，無縫管逐漸被有縫管代替以降低生產成本。近年來越來越多中高強、高強鋁合金（如6013、6066、6069 及7003、7075 等）應用更加廣泛，滿足了市場對輕量化的需求[5]。同時，采用鍛造代替整體機加工的工藝方法以提升部件的物理性能、減少制造過程中原材料的損耗，并最終提升產品服役時間、降低生產成本[6]。而鍛造工藝特別是冷鍛工藝對原材料的組織和性能提出了較高的要求，材料往往需同時具備細晶組織和退火狀態才能確保其在冷鍛過程中材料不發生表面起皮和開裂現象。本文以6061 鋁合金為對象，重點研究了合金成分、熱擠壓溫度和熱擠壓速度對擠壓棒材組織的影響，展示了棒材不同的組織狀態對冷鍛后花轂部件的質量影響，以期為降低生產成本、提高6×××系合金在汽車上的應用提供數據支撐。

1 實驗材料及方法

采用工業化生產用的25 t熔煉爐制備?230 mm的A、B、C 3 種不同合金成分的6061 鋁合金圓鑄錠，化學成分如表1所示。鑄造全程進行在線除氣除渣處理。鑄造完成后將鑄錠轉移至容量為30 t的均質爐中進行560 ℃/8 h 的均勻化處理，均勻化處理完成后迅速將鑄錠轉移至冷卻室快速冷卻至室溫，冷卻速度大于250 ℃/h。在25 MN 擠壓機上將上述3 種合金成分的6061 鋁合金圓鑄錠擠壓成?40 mm的棒材，通過在擠壓機出口對擠出棒材進行在線穿水的冷卻方式使棒材在2 min 內迅速冷卻至50 ℃以內。通過堿洗（100 g/L）→水洗→酸洗（V（65%HNO3）∶V（H2O）=1∶4）→水洗流程檢驗擠壓棒材低倍組織，在ZEISS AX10 金相顯微鏡下對棒材進行金相組織觀察。

表1 實驗用6061鋁合金鑄棒的實際化學成分（質量分數/%）

2 實驗結果與分析

2.1 合金成分對棒材組織的影響

圖1 展示了不同合金成分鑄棒在加熱溫度為480 ℃，出料速度為3 m/min 條件下棒材的晶粒組織照片。從圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）可以看出，隨著Cr和Mn元素添加量的增加，擠出棒材粗晶環的深度逐漸減小，其中A合金棒材的粗晶環深度約5.5 mm，B 合金棒材的粗晶環深度約0.5 mm，C 合金棒材沒有形成粗晶環組織。圖1（d）、圖1（e）、圖1（f）進一步展示了不同Cr和Mn元素添加量對晶粒組織形貌的影響，從圖中可以看出，A合金棒材的粗晶層組織為形狀不規則的粗大晶粒組成，內部晶粒組織則為沿擠壓方向拉長的纖維組織。與A合金相比，B合金的粗晶層為沿擠壓方向長條狀的粗大晶粒，棒材中間位置的晶粒組織仍為沿擠壓方向一致的纖維組織。同時表面粗晶層與芯部纖維晶間存在一個細晶區，該區域的晶粒尺寸在20 μm 以內。Cr 和Mn 含量最高的C 合金，在該擠壓工藝條件下，棒材的表面沒有形成粗晶環組織，為細晶組織，晶粒尺寸在10 μm以內，而芯部則與A、B 合金一致，為沿擠壓方向的纖維組織。不同Cr 和Mn 含量合金在相同擠壓工藝條件下材料內部組織產生的差異主要是因為擠壓時鑄棒與模具接觸并劇烈摩擦產生了大量的熱量，擠出棒材表面溫度急劇升高，誘導再結晶發生并長大。對于A 合金，由于其Cr 和Mn 添加量較低，基體中形成的少量CrAl7和MnAl6高溫相粒子對位錯的釘扎作用有限，擠出棒材表層發生的再結晶急劇長大，最終形成較厚的粗晶層。而對于B 合金，由于其Cr 和Mn 添加量的增加，對再結晶后晶粒長大的抑制作用增強，擠壓棒材表層滿足再結晶長大的區域縮小，同時表層與芯部間形成一片發生再結晶但無法長大的細晶區域。對于進一步添加Cr 和Mn 元素的C 合金，由于基體中存在大量的CrAl7和MnAl6高溫相粒子，其對再結晶后晶粒長大的抑制作用得到進一步強化，擠出棒材表層無粗晶層出現，整體表現為細晶組織，且芯部纖維組織較A、B 合金更細。因此，通過添加Cr和Mn元素，與基體形成CrAl7和MnAl6高溫相粒子，利用該高溫相粒子對位錯的釘扎作用，有效地阻礙了熱擠壓過程中擠出棒材表層再結晶長大過程，且Cr和Mn元素的添加量越大，作用越明顯。

圖1 不同合金成分棒材的低倍與高倍組織照片

綜上所述，通過添加一定量的Cr和Mn合金元素可使擠壓后棒材的表層出現無粗晶環狀態，可滿足棒材冷鍛加工工藝的需求。但大量的Cr和Mn元素的添加不但增加了生產時的能耗，同時也增加了原材料成本。因此，在該合金國標成分允許范圍內，盡量少添加Cr和Mn元素。通過調整生產工藝參數以滿足冷鍛加工工藝對材料內部組織的需求值得深入研究。

2.2 擠壓溫度對棒材組織的影響

圖2 展示了低Cr 和Mn 元素的A 合金鑄棒在加熱溫度分別為420 ℃、480 ℃和520 ℃，出料速度為3 m/min 條件下擠出棒材的晶粒組織照片。從圖中可以看出，擠壓溫度從480 ℃降低至420 ℃后，由于整個體系能量的降低，達到材料再結晶激活能的區域減小，僅在與模具工作面發生劇烈摩擦的棒材表層發生了再結晶過程，棒材粗晶環的深度得到明顯改善，由原來的5.5 mm 減小至1.3 mm，但棒材表層晶粒尺寸增大。由于粗大晶粒的延展性較差容易造成冷鍛過程中制品表面開裂，所以不利于材料的冷鍛加工成形。而當擠壓溫度從480 ℃提高至520 ℃后，由于整個體系能量的增加，更多區域達到了材料發生再結晶的條件。因此發生再結晶過程的區域擴大，棒材粗晶環深度增大，由原來的5.5 mm增加至8.2 mm，但粗晶環區域特別是棒材表層的晶粒尺寸得到細化，其有利于材料的冷鍛加工成形。

圖2 A合金鑄棒分別在420 ℃、480 ℃和520 ℃加熱溫度下的低倍與高倍組織照片

2.3 擠壓速度對棒材組織的影響

為了進一步改善擠出A 合金鑄棒內部的晶粒組織，在擠壓溫度保持在520 ℃的條件下將擠壓速度進行大幅提升，分別達到5 m/min、10 m/min和15 m/min，其擠出棒材的晶粒組織照片如圖3 所示。從圖中可以看出，隨著擠壓速度的提升，擠出棒材內部發生再結晶的區域逐步擴大。擠壓速度為5 m/min 條件下再結晶深度達到10 mm，擠壓速度為10 m/min條件下再結晶深度達到13 mm，擠壓速度為15 m/min條件下擠出棒材整個截面均發生再結晶。除5 m/min條件下仍表現為粗晶環外，10 m/min和15 m/min條件下棒材內部雖然發生再結晶的區域在逐漸擴大，但其晶粒大小已達到細晶組織狀態，平均晶粒尺寸約300 μm。

圖3 A合金鑄棒分別在5 m/min、10 m/min和15 m/min擠壓速度下的低倍與高倍組織照片

2.4 晶粒組織對鍛打質量的影響

分別選取圖1（b）、圖2（b）及圖3（c）的3 個狀態試樣（分別命名為D-1，D-2，D-3），通過400 ℃保溫2 h 的完全退火后進行冷鍛處理，其表面質量結果如圖4 所示。從圖中可以看出。3 個狀態試樣都能順利完成冷鍛成形過程。其中D-1試樣鍛造后成品的表層存在明顯晶斑，且在部分轉角位存在沿晶開裂的現象；D-2試樣鍛造后由于表面的粗晶層使得整個產品表面都表現出粗糙質感，特別在自由變形部分表現得更加明顯；而整個截面呈細晶狀態的D-3試樣，其鍛造后產品的表面質量最佳，能完全滿足冷鍛工藝對原材料內部組織品質的需求。同時，鍛打后的D-3 試樣在530 ℃/1 h 固溶水淬和180 ℃/8 h 時效熱處理后抗拉強度為342 MPa、屈服強度為328 MPa、延伸率為11.5%，遠超GB/T 6892對6061T6鋁合金的力學性能需求。

圖4 不同合金及狀態下擠壓棒材的冷鍛效果

3 結論

（1）添加Cr 和Mn 合金元素能顯著改善擠出棒材的內部晶粒組織形貌，減少粗晶環的深度。

（2）隨著擠壓溫度的增加，低Cr 和Mn 合金擠出棒材粗晶環深度越厚，粗晶區的晶粒尺寸越小。

（3）隨著擠壓速度的增加，低Cr 和Mn 合金擠出棒材粗晶環深度越厚，快的擠壓速度可以使擠出棒材整個截面形成完全再結晶狀態，且晶粒尺寸得到細化。

（4）采用低Cr 和Mn 的合金配比，并聯合高溫高速的擠壓工藝，不但可完全滿足冷鍛工藝對原材料內部組織的需求，同時也能大幅提升該類產品的生產效率，是最經濟、有效的工業化生產方案。