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鋁棒加熱方式對6013組織和性能的影響

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技術中心 李正陽/


我司鋁棒的保溫加熱方式主要分為慢速加熱和快速加熱兩種,但不同的加熱方式對鋁材成型后的組織和性能有著一定的影響。本試驗選用6013材料,分別在9#20#擠型設備進行慢速和快速加熱試驗,后續通過力學性能和金相組織等檢測數據進行對比和驗證。本實驗證明:鋁棒經慢速保溫后,擠壓出來的素材具有晶粒更細,再結晶程度更高,力學性能更佳的特點。

關鍵詞:6013,晶粒,加熱,性能,粗晶層


The billets heating method was mainly divided into slow and fast heating in our company. It has a certain influence of the hot extrusion of aluminum by different heating methods. This experiment of 6013,by fast and slow heating methods in the 9# and 20# extrusion equipment,was compared and analyzed the metallurgical structure and mechanical properties of specimens. The experiment proved that the billets with slow heating made the material into finer grains,and the recrystallization degree is higher,the characteristics of mechanical properties is better.

Keyword:6013,grain,heating,properties,coarse grain


一、 介紹

鋁材的性能特點最主要影響因素為晶粒的大小和組織形態,即完全再結晶的程度,一般來說,結晶程度越高,晶粒越細小,材料的力學性能越高。我公司鋁材的成型主要為熱加工成型,與冷加工不同,所產生的應變量較小,而且受加熱溫度、擠壓速度、材料和模具特性的影響,這幾種因素又相互產生影響。特別是模具帶來的影響,因為型材截面金屬流動的不均勻導致不同部位的應變能不同,發生再結晶組織的可能性會更高,主要可分為細晶、粗晶和纖維晶(亞晶),同時鋁材的Mn、CrFe對再結晶也會產生影響。因此,本實驗主要通過采用不同加熱方式、加熱溫度和保溫時間對6013合金組織和性能的影響進行實驗驗證。


二、 實驗方法

1、準備同爐次同規格鋁棒,分別擠壓2個棒,保留最后一個棒。

2、使用同一模具,產品類型為手機板扁條,擠壓比控制在60左右。

3、分別在慢速和快速鋁棒加熱爐進行上機實驗,試片同爐加熱并出爐水冷。

4、選同一爐次進行時效,保證時效工藝的穩定。

5、對素材進行電導率、硬度和拉力性能檢測。

6、取樣進行低倍晶粒和SEM的檢測。


三、 實驗結果

1、工藝分析

1 工藝參數

項目

工藝對比

機臺

9#

20#

爐號

DA999

合金材料

6013

鋁棒規格mm

Φ178*700

模具編號

H118-I19-T01A

擠壓比

59

鋁棒加熱溫度℃

555-560-555

500-540

鋁棒加熱時間H

6

2-2.5

鋁棒上機溫度℃

520

突破壓力Mpa

19

22

穩定壓力Mpa

17

擠壓速度mm/s

2

擠壓時間s

300

盛錠筒溫度℃

417-422

394-400

出口溫度℃

520-534

495-500

淬火方式

水冷

時效工藝

170*10H


通過上述工藝對比,可以看到,選用慢速加熱爐加熱鋁棒,突破壓力從22MPa降低為19MPa,可以降低擠壓難度,提高設備的使用壽命。


通過對試片進行電導率和SEM檢測得知,經慢速保溫的鋁棒電導率更低,Mg2Si溶解效果更好,顆粒較少,從而使得電導率下降。而經快速保溫的鋁棒未溶的Mg2Si顆粒較多,部分未溶的Mg2Si顆粒大小為1.84-3.69μm,電導率相對提高。詳見表2。


2 電導率對比


1、性能分析

3 實測性能對比

樣品類別

9#

20#

時效工藝

170*10H

導電率%IASC
(
校準46.19

時效前

39.7

40.9

時效后

43.3

43.8

硬度

HRB(實測)

66

65

HV10(換算)

HV0.2(實測)

119

130

116

126

HW(實測)

17

17

拉伸

抗拉強度RmMpa

395

380

屈服強度RpMpa

360

345

斷后伸長率A%

15.5

14.0


通過表3可知, 9#機樣品的力學性能要稍微優于20#機,屈強比為0.9,材料抗變形能力較好。欠時效時,材料的屈服較低,拉伸性能較好,時效工藝對6013材質的屈服和拉伸效果的影響比較明顯。本實驗前期由于時效設備的不同,出現了欠時效,因此繼續時效170*10H,做過時效處理。與上表對比,屈服和抗拉提升不明顯,斷后伸長率下降較多。詳見表4。


4 欠時效過時效的性能對比

樣品類別

9#欠時效

20#過時效

時效工藝

170*10H

170*20H

導電率%IASC
(
校準46.19

時效前

39.7

40.9

時效后

40.8

44.5

硬度

HRB(實測)

61

67

HV10(換算)

HV0.2(實測)

107

115

121

134

HW(實測)

16

17

拉伸

抗拉強度RmMpa

360

390

屈服強度RpMpa

273

355

斷后伸長率A%

20.4

11.5


2、金相分析

5 金相組織對比


通過金相圖譜可以得出,9#20#機樣品組織結構一致,心部為纖維晶,中 間為粗晶層,外部為細晶層。9#機樣品粗晶層深度1.1mm,20#機樣品粗晶層深度1.5mm。9#20#機樣品相比,粗晶程度要低,粗晶層厚度相對要小1/3,而且晶粒要明顯細一點。素材外部為工作帶接觸面,發生的形變量較大,產生形變能較多,為再結晶的成核提供所需的相變驅動力。一旦冷加工達到或超過形變能量的臨界量,隨著冷加工變形增大,將形成更為理想的再結晶組織。如果剛好達到形變能量的最小值,再結晶晶粒將在相鄰的未再結晶晶粒間長大(形成粗大晶)[1]。因此截面出現了分層組織。


1、結論


從工藝、性能和金相三方面進行分析對比可得,選用9#機慢速加熱工藝,

突破壓力降低了3MPa, 可以降低擠壓難度,其固溶效果更好,Mg2Si顆粒數量減少,電導率下降,而且獲得的組織更細小,粗晶層更薄,力學性能更佳。需要注意的是時效工藝的準確性,避免因設備不同所產生的影響,時效工藝可選擇170*10-12H。對于粗晶和心部纖維晶,則需要提高加熱溫度和擠壓速度,增大擠壓比或減少模具的分流比來促進完全再結晶,但設備是否支持,材料會否開裂,效果如何,還缺少一定的依據。


而且6013合金Mn含量高,會形成MnAl6彌散相,此相有效的阻止熱加工或熱處理時晶粒的成核及長大,并促成纖維組織的形成[2],彌散體通過釘住遷移的大角度邊界,或在再結晶晶粒長大過程中釘住晶粒邊界來影響其尺寸和形狀這兩種形式來阻止再結晶(Zener阻力) [3]。6013抑制再結晶效果明顯,主要為纖維晶特性,工藝調整相對較難,不適合做陽極氧化和CNC加工要求比較高的產品。


參考文獻

1、Robert A. Matuska,Kaiser Aluminum.A Review of Recrystallization Mechanisms as Related to Complex Forgings Produced from Extruded 6061 Forging Stock, Ohio USA

2、高森田.鋁合金技術 第二版.高鋁雷射技術有限公司,2014

3、Henry S.Yang,Kaiser Aluminum.擠壓6061鋁合金中化學成分、擠壓速度和溫度、模具設計對再結晶層厚度的影響.洛杉磯




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