周江平,朱世安,2,劉 歡,蔡月華,羅濤濤
(1.廣東豪美技術創新研究院有限公司,清遠 511540;2.廣東豪美新材股份有限公司,清遠 511540)
6×××系鋁合金具有比強度高、成形性好、耐蝕性強、耐高溫等優良性能,在所有可擠壓鋁合金產量中占比70%以上[1-2]。6061 鋁合金具有中等強度、優良的焊接性能和良好的加工性能,廣泛地應用于汽車零部件。隨著新能源汽車零部件應用市場的拓展,用戶普遍對材料的綜合性能提出了更高的要求,同時提出了高強度和高導電率的技術要求。按照常規工藝生產的6061-T6鋁合金擠壓棒材電導率在35.5%IACS~39.5%IACS,不能滿足導電率≥45%IACS的需求。本文通過探索鋁棒成分、均質工藝、時效工藝對6061 棒材力學性能和導電性能的影響,批量生產出符合用戶技術要求的棒材,為工業化生產提供參考。
6061 棒材的生產工藝流程:熔鑄→擠壓→時效??蛻舻募夹g要求見表1,可以看出,客戶提出的力學性能和導電率要求遠超國標。
表1 6061-T6棒材技術要求
設計了如表2所示的3種不同化學成分的6061合金,鑄成φ320 mm×1 250 mm的鑄錠。
表2 試驗合金的化學成分(質量分數/%)
具體鑄造工藝參數見表3。熔煉溫度710~750 ℃。共鑄造3 個熔次的鑄棒,實測化學成分見表4。導電率與金屬內部自由電子運動有關,鋁合金熔煉固溶時,原鋁錠中存在的Fe、Cr、Ti、Mn等過渡族雜質元素固溶進基體或形成金屬化合物,引起基體固溶度增加、晶格畸變等進而導致金屬的導電率降低。過剩Si部分以游離Si的形式固溶在基體中,造成晶格畸變,導致導電性能下降,因此需要盡量減少過剩Si的含量,可將Si的含量盡量往下限控制。Cu 含量增加有利于力學性能和導電率提升,所以Cu按照中上限控制[4]。
表3 鑄造工藝參數
表4 實測化學成分(質量分數/%)
研究不同均質工藝對6061 鋁合金擠壓棒材T6狀態下制品導電率的影響,具體均質工藝參數見表5,均質后合金硬度、電導率及晶粒度等級見表6。合金鑄態的組織主要由枝晶狀的α(Al)過飽和固溶體及枝晶間的非平衡共晶相所組成。合金在鑄造冷卻條件下,其組織主要為過飽和固溶體,由于過飽和程度較高,合金的硬度也相應較大,此時合金的導電率降低。均勻化退火后,加入的Mn、Cr 等形成高溫彌散相MnAl6、CrAl7等。與此同時,部分Mn、Cr 進入AlFeSi 相形成Al(FeMnCr)Si,過飽和固溶體逐漸分解,使基體過飽和程度下降,進而導致合金硬度降低,導電率升高[5]。
表5 6061合金均質工藝參數
表6 6061合金均質后硬度、電導率及晶粒度等級
6061 合金均勻化過程中隨著溫度的提高,枝晶偏析消除越徹底。通過表5 和表6 的數據得知:均勻化溫度越高,導電率越高。6061 合金使用575 ℃×8 h 工藝均勻化后相比520 ℃×12 h 工藝均勻化而言,前者硬度相對更低、導電率更高。
研究不同時效工藝對6061-T6鋁合金擠壓棒材制品導電率的影響。6061 合金擠壓棒材選定φ80 mm 規格,鑄錠規格采用φ320 mm×1 250 mm,擠壓筒徑為330 mm,筒溫為400~430 ℃,擠壓殘料厚度為50 mm,冷卻采用水浴冷卻,可以滿足產品的冷卻需求。實驗過程按照表7的擠壓工藝參數進行試驗。
表7 6061合金擠壓工藝參數
不同化學成分和均質工藝采用同一擠壓工藝的φ80 mm圓棒,分別按照175 ℃×8 h、195 ℃×6 h、205 ℃×3.5 h 和220 ℃×1.5 h 時效工藝進行時效,并測試其力學性能及導電率,結果見表8。
表8 不同時效工藝參數下棒材力學性能及導電率
對于Al-Mg-Si 這種熱處理可強化合金,其第二相的析出狀態對合金性能具有顯著影響。鋁合金的導電性能主要是通過自由電子的定向運動而實現,因此,對鋁合金導電率影響最為強烈的因素是基體的固溶度。固溶度越高,自由電子的散射越嚴重,對自由電子的定向運動阻礙越大,所以導電率越低[6-7]。此類合金的強度增量主要是通過強化相阻礙位錯運動而實現,從固溶狀態開始進行時效處理,隨著強化相的析出,合金強度與導電率值是負相關[8-9]。
在過時效狀態下,合金組織和性能更為穩定,但此時因強化相的粗化長大,降低了對位錯的阻礙運動,因此強度會有所降低。而隨著過時效程度的增加,更多溶質原子從基體中脫溶,合金基體固溶度繼續降低,導電率得到明顯提高。
通過表8 的數據分析得知,同一批次的合金,在擠壓工藝相同的情況下,棒材經195 ℃×6 h、205 ℃×3 h和220 ℃×1.5 h工藝時效后都處于過時效狀態,相比175 ℃×8 h工藝時效其性能降低,但導電率有所上升。綜合力學性能和導電率指標,最優的時效工藝是195 ℃×6 h。
(1)6061 合金擠壓棒材,其雜質含量越低鑄棒的導電率越高;通過實驗研究最優的化學成分是2#成分,可以滿足擠壓棒材性能和導電率的要求。
(2)用于6061合金擠壓棒材的鑄棒采用不同溫度均質,相比低溫均質工藝,采用高溫均質工藝的鑄棒導電率有較大提升,性能有較小的提升。
(3)6061 合金擠壓棒材采用高溫時效時,導電率更高,性能更低。
(4)最優的工藝組合是:均質工藝575 ℃×8 h和時效工藝195 ℃×6 h,擠壓出來的6061 合金棒材可以滿足用戶要求。