一种新型ALMGSICU合金热变形行为及挤压型材热处理工艺研究.pdf

摘要本文先在G l e e b l e ．1 5 0 0 热模拟机上采用等温热压缩试验对新型A I ．M g —S i ．C u 合金的高温热变形行为进行了研究，实验过程中，热压缩变 形温度为3 5 0 C ～5 5 0 ℃，应变速率为0 ．0 0 5 ～5 s ～，变形后立即水淬，并对其组织进行金相与透射电镜观察；同时，将新型A I —M g —S i ．C u 合金型材 在5 5 0 ℃／2 h 条件下固溶，水淬后采取不同的时效制度，并对热处理后试样的金相组织和力学性能进行比较分析，对其热处理工艺进行了研究结果表明：1 ．新型A 1 ．M g ．S i ．C u 合金的流变应力在较小应变( 0 ．6 u m 的二相粒子，它们主要含杂质元素F e ( 应视经济可行性尽可能降低其含量) 坯料的铸造工艺应采用较高的冷却速度，这样可以减少偏析，细化枝晶，使二相粒子分布均匀这些微观组织的变化，可以提高合金的挤压速度、表面光亮度以及阳极氧化效果目前，有四种改良铸造组织的技术已被证明是成功的，分别为：( 1 ) 热顶铸造；( 2 ) 窄头快速铸造；( 3 )气膜铸造I l2 】；( 4 ) 电磁搅拌铸造。

这些技术同样也可有效的提高表面光亮度，通过中南大学硕士学位论文第一章文献综述减小横向偏析层来减少坯料两端的长度，因为铸造坯料的头部由于成分不均匀，尾部的缺陷很多，是禁止进入挤压产品中的，必须切除向液态铝合金中加入T i 可以细化晶粒，而快速凝固同样会细化枝晶，使合金的挤压性能得到提高铝合金坯料在挤压加工之前，一般要进行均匀化处理( 视合金的不同，其温度变化范围为4 2 0 ℃～6 0 0 ℃) ，其目的是聚集、球化二相粒子，消除非平衡共晶体及粒子，从而得到尽可能性质均一的材料一般来说，减小合金中直径大于l ／a m 的粒子的尺寸，使弥散粒子发生二次沉淀，能抑制再结晶；而与之相反，小粒子的合并则会降低它们抑制再结晶的能力I l3 1 因此，如果能减小铸锭中枝晶的节距，则其抑制再结晶的能力就会更加强提高均匀化处理的温度，可以加速粒子的溶解和扩散，但同时会带来晶粒长大、粒子合并，尤其是弥散相和共晶体的溶解等不利影响，因此要对均匀化处理中加热速度进行限制( v 1 0 0 C ／h ，或者加热至固溶区域后直接冷- 女t l N 挤压温度冷却速度过慢( 如2 0 C ／h ) ，或者M g 和S i 元素分布不均而高度偏集于某个区域，就会使M g ，S i 和其它M g 或富S i 粒子( 取决于M g 、S i 的比例) 在A l —F e —S i 相上形核，析出粗大粒子。

这些粗大粒子含有M g 或S i ，与二相粒子相互作用，会生成易熔的共晶片，而这些易熔的共晶片会引起亚晶表面沿晶界或枝晶臂显著开裂预热速度过快，则会使变形区域的二相粒子在预热期间来不及重溶，并有可能相互作用也生成易熔的共晶相沉淀相粒子的数量和尺寸增加会降低合金的挤压性，降低挤压速度，而过量的s i 或M g 会增加沉淀相粒子的数量和尺寸，提高冷却速度则会使沉淀相粒子的数量和尺寸下降，消除其对合金挤压性的不利影响’向A I —M g —S i 合金中添加不同含量的合金元素，如M n 、F e 等，得到的挤压性也会不同关于M n 对合金挤压性的影响，S ．Z a j a c 等人做过这方面的研究【2 l J 为了将杂质粒子A 1 ．F e ．S i 从细长的柱状∥体转变为较小的球状0 2 “ 体，在A A 6 0 0 5 中加入O ．0 4 w t％和0 ．0 8 w t ％的M n ，结果表明，由于两种高M n 合金中具有高位错密度的口柱状体中南大学硕士学位论文第一章文献综述的消失，合金的加工硬化率显著降低，在s = 0 ．9 时才出现稳态流变应力；另外，由于粒子开裂及空位形成的减少，合金的延伸率也有所增加，这样，可使挤压力减少2 0％。

此外，B ．T h a n a b o n s u m b u t 和T ．S a n d e r s 研究了A A 6 0 1 3 中有助于再结晶形核的杂质粒子A l - F e —S i 与抑制再结晶形核的弥散相粒子M n —F e —A I —S i 的变化对合金挤压性的影响【1 6 】，研究发现，当合金中F e 的含量不变，增加M n 的含量，会使两种粒子都增大，因而没有明显的影响；然而降低F e 的含量会减少大粒子的数量，从而提高抑制静态再结晶能力向合金中加入z r 可以增加弥散相的数量，从而抑制静态再结晶此外，提高合金从液态到固态的凝固速度，会使M n 高度过饱和，S i 粒子的数量和密度增加，尺寸减小，从而得到更为细小的晶粒和弥散相，起到抑制静态再结晶的作用1 ．2 ．2 ．2M g 、S i 及M 臣S i 的影响A I ．M g —S i 系合金的挤压性强烈的受M g 、S i 的固溶数量，以及沉淀相M 9 2 S i 的数量和分布情况的影响关于M g 、S i 及M g a S i 对A I —M g ．S i 系合金挤压性的研究，国内外已经做了大量研究，并得出以下基本规律：增加合金中M g 、S i 的固溶量，会使流变应力和挤压力增加，且M g 的强化作用要强于S i ，单位重量的M g 所引起的流变应力增加量要比S i 大两倍。

工业用A I ．M g ．S i 系合金通常M g 和S i 的配比为均衡值，即M g ：S i = 1 ．7 3 ( 埘％) ，或者使S i 过量，这是因为使合金增加一定的强度，所引起的挤压性的降低，固溶态的S i 比M g 要小些至于M 9 2 S i 对挤压性的影响，G ．S c h a r f 和B ．G r z e m b a 研究发现，每增加0 ．1 ％的M 9 2 S i ，挤压速度就会下降1 5 ％【2 2 J O ．R e i s o 做过这样的实验，向含M g 量为0 ．4 ％或0 ．5 ％的铝合金中加入不同含量的S i ，向含s i 量一定的铝合金中添加不同含量的M g ，充分均匀化处理后以2 0 0 ℃／h 的速度快速冷却，结果发现：每增加0 ．1 ％的S i ，挤压速度就会下降4 m ／m i n ，M g 的含量增加所造成的影响与S i 一样¨“M g 和S i 可以以M g a S i 的形式沉淀，所得沉淀相的尺寸一般大于0 ．0 5 u m ，这足以忽略其对位错移动的影响沉淀相可以阻止会导致共晶熔化的大尺寸平衡粒子的形成，从而大大降低流变应力要得到上述的M 9 2 S i 沉淀相，可以通过以下途径：( 1 )控制锭坯的冷却速度；( 2 ) 将锭坯缓慢加热至4 0 0 “ ( 2 或4 5 0 ℃：( 3 ) 在3 5 0 ℃至4 5 0℃间进行预时效处理。

固溶态铝合金变形时如有沉淀相析出，会使流变应力在变形初期很快达到峰值，随后随着应变的增加而下降，即出现加工软化[ 1 7 , 2 4 - 2 9 】温度在2 5 0 ～3 5 0 ℃范围时，这种影响最为明显，这是因为在2 5 0 ～3 5 0 ℃的温度范围内，粒子的尺寸极小，对位错移动的阻止极为强烈，限制了动态回复以及亚晶的形成I l ”“在动态析出状态下，析出相会快速合并粗化，这也可以使流变应力降低【1 3 ’1 8 2 1 】通过对预热、冷却速度等工艺的控制，经均匀化处理后的坯料中，温度和细小中南大学硕士学位论文第一章文献综述M 9 2 S i 粒子的分布都会变得很均匀由于坯料放入挤压筒的过程中会有一定的温降，因此这段时间会出现M 9 2 S i 粒子的二次析出，二次析出主要是在原有的粒子中发生坯料在挤压变形过程中，形成变形区域，变形产生的热使坯料从未变形部分到出模口之间会出现温度梯度温度的升高有利于M 9 2 S i 粒子的固溶，而固溶量的增加会引起流变应力的增加尽管如此，由变形区温度升高所直接引起的流变应力下降，还是大于因固溶量增加而引起的流变应力增加，所以流变应力还是会有明显的下降。

如果要在挤压过程中完成淬火工艺，则要求坯料在预热和挤压升温时使均匀化处理后通过快速冷却得以保持细小尺寸的M 9 2 S i 粒子完全溶解，如不能达到这一点，产品的强度将会大大降低1 ．2 ．2 ．3c u 及其他添加元素的影响向A 1 一M g —S i 系合金中适当加入一些添加元素，可以提高产品性能而对其挤压性不产生过大的负面影响向合金中加入的C u ，除了可以形成强化相0 ( C u A l 2 ) 外，还会和合金中的M g 形成高温强化相S ( C u M g A l 2 ) ，而且随着c u 含量的增加，臼相出现的几率会显著增加，对合金的强化效果明显[ 4 0 - 4 4 , 7 6 ] 有研究发现，在6 0 6 3 合金的基础上加入O ．2 ％( w t ％) 的C u ，则每加入0 ．1 ％的C u 可使合金强度增加0 ．1 - 0 ．1 5 M N 关于含C u 量对铝合金强化性能的影响，J ．D u t k i e w i c z 和L ．L i t y n s k a 也曾做过这方面的研究【3 0 J ，研究发现，经轧制变形，随后水淬，在1 6 5 C 条件下人工时效，含C u 量高的6 X X X 合金( C u ：1 ．6 ％) 的硬度比含C u 量低的6 0 1 3 ( C u ：I ．1 ％) 高1 0 H V 。

6 0 6 3 中加入的c u ，能够细化M 9 2 S i 析出相，降低合金的淬火灵敏度，而不降低合金抗切变能力加入C u 不会降低静态再结晶的速度，同时还会细化晶粒，阻止空穴的形成，抑制S i 的析出，从而提高合金的韧性含C u 量的增加，虽然可以提高合金的强度，但是研究表明，合金的耐晶问腐蚀性、耐应力腐蚀性、抗应力腐蚀裂纹扩散性以及热塑性等性能也会随着C u 含量的增加而显著降低，因此，提高C u 含量带来的负面影响不容忽视，可通过添加微量的过渡元素或采用适当的热处理制度加以消除在6 0 6 3 合金的基础上加入0 ．2 ％( 、v t ％) 的M n ，则每加入0 ．1 ％的M n 可使合金强度增加0 ．1 5 - 0 ．2 M N ，比c u 要稍微高一些向6 0 6 3 中加入M n ，会形成A 1 6 ( M n ) 弥散相，当采取恰当的均匀化处理方式使得这些弥撒相非常细小时，就会提高合金的韧性加入Z r 、M n 和c r 这些元素，可以提高合金的淬火灵敏度在加入M n ( 1 ％的合金在室温停放2 4 h ，其抗拉强度比立即时效的低1 0 ％；而M 9 2 S i 1 ．2 ：i = A 2e x p ( f l c r )所有应力水平下：i = A [ s i n l a ( ( z o ' ) ] ”e x p ( 一Q ／R T )( 2 —9 )( 2 - 1 0 )式中，A 、A 。

A ：、月．、n 、口、∥为与变形温度无关的常数，Q 为激活能，R 为气体常数，T 为绝对温度，其中口= p ／n 1 5 2 1o 式( 2 —1 0 ) 是由s e l l a r S 和T e g a n 提出的一种包含Q , l I T 的双曲正弦形式修正的A r r h e n i u s 关系，大量的研究结果表明，它能较好地描述常规的热加工变形，如压缩、扭转、挤压等描述金属高温变形流变应力的数学模型很多，目前国内外描述铝合金高温变形时流变应力的数学模型，主要采用Z e n e r - H o l l o m o n 参数的函数H 7 6 2 1 1 9 4 4 年Z e n e r 和H o l l o m o n l 6 0 I 在研究钢的应力一应变关系时发现它取决于变形温度7 1 和应变速率毒，而丁和i 的关系可用一个参数来表示：口= 盯c z ，s )( 2 - 1 1 )z = i e x p ( Q ／R T )( 2 - 1 2 )。