浅谈不同挤压比对6063铝合金棒材组织性能有何影响？

关键词：6063铝合金；挤压比；热挤压成型；微观组织；力学性能

6063 铝合金属于低合金化Al-Mg-Si系可热处理强化铝合金，具有优异的挤压成型性能，良好的耐腐蚀性能和综合力学性能，还因其容易氧化着色，被广泛应用于汽车工业^[1-2]。随着汽车轻量化趋势的加快，6063铝合金挤压材在汽车工业上的应用也进一步增加。

挤压材的组织和性能受到挤压速度、挤压温度和挤压比等参数的综合影响。其中，挤压比主要由挤压力、生产效率及生产设备来确定，当挤压比较小时，合金变形程度小，组织细化不明显；增大挤压比则可以显著细化晶粒，破碎粗大第二相，获得均匀组织，提高合金力学性能。

6061^[3]和6063^[4]铝合金在挤压过程中发生动态再结晶，当挤压温度一定时，随着挤压比增大，晶粒尺寸减小，强化相细小弥散分布，合金的抗拉强度及伸长率随之提高；但是，随着挤压比增大，挤压过程所需挤压力也变大，引起更大的热效应，使合金内部温度升高，制品的性能降低。本试验研究了挤压比、尤其是大挤压比对6063铝合金组织和力学性能的影响。

试验材料为6063铝合金，化学成分如表1所示。铸锭原始尺寸为Φ55 mm×165 mm，经560 ℃ 6 h均匀化处理后加工成尺寸为Φ50 mm×150 mm的挤压坯料。坯料加热到470 ℃保温，挤压筒预热温度为420 ℃，模具预热温度为450 ℃。在挤压速度(挤压杆移动速度)V=5 mm/s不变的情况下，进行5组不同挤压比试验，挤压比R分别为17(对应模孔直径D=12 mm)、25(D=10 mm)、39(D=8 mm)、69(D=6 mm)、156(D=4 mm)。

表1 6063铝合金的化学成分(质量分数/%)
Table 1 Chemical compositions of 6063 Al alloy (wt/%)

金相试样经砂纸打磨和机械抛光后，采用体积分数为40%的HF试剂腐蚀25 s左右，在LEICA-5000莱卡光学显微镜上观察试样金相组织。从挤压棒材纵截面中心位置截取尺寸为10 mm×10 mm的织构分析试样，进行机械磨抛与腐蚀以去除表面应力层，采用PANalytical公司的X′Pert Pro MRD X射线衍射分析仪分别测量试样{111}、{200}、{220}三个晶面族不完整极图，采用X′Pert Data View和X′Pert Texture软件对织构进行数据处理与分析。

铸态合金拉伸试样取自铸锭中心，挤压后拉伸试样沿着挤压方向截取，标距区尺寸为Φ4 mm×28 mm。采用SANS CMT5105型万能材料试验机进行拉伸试验，拉伸速率为2 mm/min，计算3个标准试样平均值作为力学性能数据。采用低倍扫描电子显微镜(Quanta 2000, FEI, USA)观察拉伸试样断口形貌。

图1为铸态6063铝合金均匀化处理前后的金相组织照片。由图1a可见，铸态组织中α-Al晶粒尺寸大小不一，晶界处聚集着大量网状β-Al9Fe2Si2相，晶粒内部则存在着大量颗粒状Mg2Si相。铸锭经560 ℃ 6 h均匀化处理后，合金枝晶间的非平衡共晶相逐渐溶解，合金元素溶入基体中，组织均匀，平均晶粒尺寸约为125 μm(图1b)。

图1 6063铝合金均匀化处理前后的金相组织

Fig.1 Metallographic structure of 6063 aluminum alloy before and after homogenization treatment

图2为6063铝合金不同挤压比的棒材外观形貌。由图2可见，不同挤压比挤压的6063铝合金棒材表面质量良好，尤其是当挤压比增大到156时(对应棒材挤压出口速度为48 m/min)，棒材表面仍未出现裂纹、脱皮等挤压缺陷，说明6063铝合金在高速、大挤压比下也具有很好的热挤压成型性能。

图2 6063铝合金不同挤压比的棒材形貌
Fig.2 Appearance of 6063 aluminum alloy rods with different extrusion ratios

图3为6063铝合金不同挤压比的棒材纵截面金相组织照片。不同挤压比的棒材晶粒组织出现了不同程度的拉长或细化。当挤压比为17时，原始晶粒沿着挤压方向被拉长的同时，伴随着少量再结晶晶粒的形成，但晶粒仍较为粗大，平均晶粒尺寸约为85 μm(图3a)；当挤压比为25时，晶粒被拉得更为细长，再结晶晶粒数量增加，平均晶粒尺寸减小至约71 μm(图3b)；当挤压比为39时，除了少量的变形晶粒，微观组织基本由尺寸不均的等轴再结晶晶粒组成，平均晶粒尺寸约为60 μm(图3c)；当挤压比为69时，动态再结晶过程基本完成，粗大的原始晶粒已经完全转变成组织均匀的再结晶晶粒，平均晶粒尺寸细化至约41 μm(图3d)；当挤压比为156时，随着动态再结晶过程的充分进行，微观组织更为均匀，晶粒尺寸大幅细化至约32 μm(图3e)。随着挤压比的增大，动态再结晶过程进行更为充分，合金微观组织变得更为均匀，晶粒尺寸明显细化(图3f)。

图3 6063铝合金不同挤压比的棒材纵截面金相组织及晶粒尺寸
Fig.3 Metallographic structure and grain size of longitudinal section of 6063 aluminum alloy rods with different extrusion ratios

图4为6063铝合金不同挤压比的棒材沿挤压方向的反极图。可以看出，不同挤压比的合金棒材组织都产生了明显的择优取向。当挤压比为17时，形成的是强度较弱的<115>+<100>织构(图4a)；当挤压比为39时，织构组分主要是强度较大的<100>织构和少量微弱的<115>织构(图4b)；当挤压比为156时，织构组分是强度明显增加的<100>织构，而<115>织构消失(图4c)。研究表明[5]，面心立方金属在挤压拉拔过程中主要形成<111>和<100>丝织构，织构一旦形成，合金的室温力学性能呈现明显的各向异性。织构强度随着挤压比增大而增强，说明合金内某一晶向平行于挤压方向的晶粒数目逐渐增多，合金纵向抗拉强度增大。6063铝合金热挤压材的强化机制包括细晶强化、位错强化、织构强化等多种机制。在本试验研究所用的工艺参数范围内，提高挤压比对上述强化机制均有促进作用。

图4 6063铝合金不同挤压比的棒材沿挤压方向的反极图
Fig.4 Reverse pole diagram of 6063 aluminum alloy rods with different extrusion ratios along the extrusion direction

图5为6063铝合金不同挤压比变形后的拉伸性能直方图。铸态合金抗拉强度为170 MPa，伸长率为10.4%。合金经过挤压后的抗拉强度及断后伸长率均得到明显提高，且抗拉强度及伸长率均随着挤压比增加而逐渐增大。当挤压比为156时，合金抗拉强度和断后伸长率均达到最大值，分别为228 MPa、26.9%，比铸态合金的抗拉强度提高了约34%，伸长率提高了约158%。6063铝合金通过大挤压比获得的抗拉强度接近于在4道次等通道转角挤压(ECAP)获得的抗拉强度值(240 MPa)[6]，远高于1道次ECAP 挤压6063铝合金获得的抗拉强度值(171.1 MPa)[7]。由此可见，大挤压比可在一定程度上提高合金的力学性能。

挤压比对合金力学性能的增强主要来自细晶强化，随着挤压比增大，晶粒得到细化，位错密度也增大，单位面积内更多的晶界可有效阻碍位错运动，结合位错相互运动、缠结等作用，从而提高合金强度[8-10]；且晶粒越细，晶界曲越折，塑性变形也可以分散在更多晶粒内进行，不利于形成裂纹，更不利于裂纹的传播，在断裂过程中可以吸收更多的能量，从而提高合金塑性。

图5 铸态及挤压后6063铝合金的拉伸性能
Fig.5 Tensile properties of 6063 aluminum alloy after casting and extrusion

合金经过不同挤压比变形后的拉伸断口形貌如图6所示。在铸态试样断口形貌中未发现韧窝(图6a)，断口主要由平坦区和撕裂棱组成，表明铸态合金拉伸断裂机制以脆性断裂为主。合金经过挤压后的断口形貌发生了较大的变化，断口由大量的等轴韧窝组成，表明合金经过挤压后的断裂机制由脆性断裂转变为韧性断裂。当挤压比较小时，韧窝较浅且韧窝尺寸较大，分布不均匀；随着挤压比增大，韧窝数量增多，韧窝尺寸更为细小且分布均匀(图6b～f)，意味着合金塑性更好，这与上文的力学性能测试结果相符合。

本试验在坯料尺寸、铸锭加热温度、挤压速度不变的情况下，分析了不同挤压比对6063铝合金组织和性能的影响，得到结论如下：

1)6063铝合金在热挤压过程中发生动态再结晶，随着挤压比的增大，晶粒不断细化，沿着挤压方向拉长的晶粒转变为等轴再结晶晶粒，且<100>丝织构强度不断增大。

2)由于细晶强化的作用，合金的力学性能随着挤压比的增大而提高。在本试验参数范围内，挤压比为156时，合金的抗拉强度和伸长率达到最大值，分别为228 MPa和26.9%。

图6 铸态及挤压后6063铝合金的拉伸断口形貌
Fig.6 Tensile fracture morphologies of 6063 aluminum alloy after casting and extrusion

3)铸态试样断口形貌由平坦区和撕裂棱组成，经过挤压后，断口由大量等轴韧窝组成，断裂机制由脆性断裂转变为韧性断裂。