截面幾何形狀對鋁材淬火后粗晶環(huán)厚度的影響

單鐵城，陳念東，孫巧玉，李亞靜，董必堅，付學丹

（1.沈陽非晶金屬材料制造有限公司，遼寧 沈陽110000；2.遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003）

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，越來越多的鋁制品被投入到汽車配件加工產(chǎn)業(yè)中。由于汽車配件對質(zhì)量要求較高，金屬缺陷控制較嚴這一特點，對鍛造用擠壓棒粗晶層厚度這一影響鍛件質(zhì)量的缺陷有明確限制。實際生產(chǎn)中影響因素眾多，擠壓過程情況復雜。李飛慶[1，2]等人發(fā)現(xiàn)增加(Mg、Cr、Si)等元素的含量及降低擠壓速度可降低鋁合金粗晶環(huán)厚度。筆者結(jié)合生產(chǎn)實際，總結(jié)了不同直徑的擠壓棒及不同斷面形狀的鋁合金擠壓產(chǎn)品粗晶環(huán)形貌的產(chǎn)生規(guī)律。

1 試驗目的

本實驗的創(chuàng)新點在于從斷面幾何形狀及尺寸的角度出發(fā)，結(jié)合粗晶環(huán)產(chǎn)生的經(jīng)典理論，驗證粗晶環(huán)的形成原因。并從工業(yè)批量生產(chǎn)的角度，提出控制粗晶組織厚度的建議方法，從而達到實現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高成品率的目的。本次試驗分為如下2個方向：

（1）對比不同直徑的鋁合金棒材粗晶環(huán)厚度的差異。

（2）對比不同形狀的鋁合金擠壓產(chǎn)品粗晶環(huán)形貌的差異。

2 試驗過程

2.1 試驗準備

截面尺寸為φ20mm、φ25mm、φ32mm的鋁合金圓棒及邊長為40mm的鋁合金方棒。

2.2 試驗過程

2.2.1 在線擠壓過程

擠壓過程如下：

將模具、擠壓筒、鑄棒加熱后，采用18MN、20MN及27.5MN擠壓機進行在線擠壓，擠壓參數(shù)如表1所示。

表1 擠壓工藝參數(shù)

2.2.2 宏觀組織檢測

將各個形狀鋁材的低倍料樣按照GB/T3246.2-2012進行機械加工及浸蝕處理后，觀察其宏觀組織。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 宏觀組織檢測

宏觀組織檢測如圖1所示。（a）～（d）為棒材，（e）～（h）為管材及型材。

3.2 檢測結(jié)果

全部試樣測量后結(jié)果如表2所示。所有鋁材料樣經(jīng)宏觀組織檢測全部出現(xiàn)粗晶。所有出現(xiàn)的粗晶組織沿產(chǎn)品外壁向內(nèi)側(cè)襯度逐漸降低，形成粗晶環(huán)。φ20～φ32的圓棒粗晶層厚度為0.1mm～0.4mm，邊長40的方棒粗晶層厚度為10mm～15mm。方管不同位置的粗晶層厚度為3mm～4mm。其余斷面的型材粗晶層厚度為1.4mm～10mm。

表2 粗晶測量結(jié)果

4 探討

由檢測結(jié)果可知：①不同形狀斷面的鋁材粗晶層厚度差異明顯。對比圓棒與方棒及型材不難發(fā)現(xiàn)：圓棒粗晶層厚度均勻程度較高；方棒及方管次之；斷面為不規(guī)則圖形的梯形管及型材等粗晶層厚度均勻程度最低，且不同位置粗晶層厚度差異明顯。粗晶層厚度最大位置為角，腳等斷面厚度相差較大，金屬變形不均勻程度較高處。由此可以發(fā)現(xiàn)，鋁材粗晶組織多產(chǎn)生于擠壓成型過程中與模具工作帶接觸位置，隨著偏離幾何中心位置距離增大而逐漸加深（如圖1-h），斷面幾何圖形越規(guī)則，最大粗晶層厚度越低且越均勻。因此可以認為，粗晶組織產(chǎn)生原因是由于擠壓制品邊部與模具工作帶發(fā)生劇烈摩擦，引起變形不均勻所致。張勝華[3]采用透射電鏡對LY12合金擠壓棒的粗晶組織進行觀察后將其解釋為鋁材粗晶組織產(chǎn)生原因是擠壓成型過程中，與工作帶接觸的鑄錠發(fā)生剪切變形，儲備了很高的畸變能，促使形成的切變區(qū)內(nèi)金屬第二相粒子聚集，釘扎作用消失，導致晶界遷移運動，晶粒在沒有阻力的情況下迅速長大，形成粗晶組織。周令德[4]采用雙孔模具將5A06合金鑄錠擠壓成為φ30的棒材，同樣得到類似結(jié)論。②對比不同直徑的棒材可以發(fā)現(xiàn)，粗晶層厚度并未隨棒徑改變而大幅明顯改變。③對比厚5角材、梯形管及厚3方管的擠壓工藝可知，當采用較低的棒溫和較高的擠壓速度時，粗晶層厚度較高；采用較高的棒溫較低的擠壓速度，粗晶層厚度較低。分析認為棒溫較高時，變形溫度較高，變形均勻程度較高，因此粗晶層厚度較低，反之亦然。曹光澤[5]通過提升擠壓筒溫度至510℃，采用約500℃的棒溫擠壓6A02合金管材同樣使粗晶層厚度的到了明顯的控制。④對比φ32㎜6082合金圓棒和邊長40mm6060合金方棒可知，使用較高的棒溫時，使用較高成分的合金，對粗晶環(huán)的控制效果較為明顯，這與曹振華[2]等人的試驗結(jié)果一致。因此可以認為，針對不同成分合金鋁材宜采用不同擠壓工藝，變形溫度不宜過高或過低。

5 結(jié)論

（1）鋁材粗晶層厚度與變形均勻程度有關(guān)，變形均勻程度較低的位置，鋁材粗晶層厚度較高。

（2）斷面形狀對鋁材粗晶層厚度的影響較尺寸影響更為明顯。

（3）為最大限度降低粗晶層厚度，建議提高變形前溫度以保證變形均勻程度。