原始组织对6063型材弯曲后表面质量的影响

左庆华，张林虎，梁 磊

(南南铝业股份有限公司，广西 南宁 530022)

Al-Mg-Si合金属于可热处理性铝合金，具有中等强度、优良焊接性能及良好耐蚀性等特点，被广泛应用于交通、建筑、机械、家电等行业[1-2]。Al-Mg-Si合金常见的热处理工艺为固溶处理+淬火冷却+时效热处理，旨在从基体中析出弥散细小的Mg2Si相强化相，其中为半共格析出，强化效果最佳，是最主要的析出强化相[3]。6063铝合金作为Al-Mg-Si系列中的典型代表，其具有良好的热加工性能、优良的耐蚀性能以及易于着色等特点，广泛应用于铝合金幕墙、模板、门窗及装饰型材等领域[4-6]。

近年来，家居市场对供货商产品环保及可持续回收利用等提出了较高要求，其中铝合金产品废料重熔占比为50%～80%。在铝合金产品废料重熔占比较大的情况下，由于废料中杂质元素的影响，铝合金微观组织也会产生变化，例如会产生带状条纹、晶粒粗大等问题。对后续弯曲等变形加工质量产生影响，经阳极氧化后因表面色泽偏差明显而不符合客户要求，这对高表面要求铝合金型材产品是无法接受的。本文利用南南铝业股份有限公司的熔铸生产线及挤压生产线，以自产6063铝合金为研究对象，重点探讨了铸锭原始组织及挤压速度对型材弯曲后表面质量的影响，旨在为生产工艺提供数据支持。

1 试验材料及方法

试验用材料为本公司自产的6063铝合金，其成分见表1。试验用6063铝合金首先根据合金内控成分计算需投料数量，依据计算结果对原材料进行称重、配料，将配好的合金、铝锭及回炉料等置于料斗中，采用天车将料斗中材料投入熔炼炉。原料经高温熔化、扒渣及成分粗测无误后由流槽转入静置炉，在静置炉中进行成分微调、除气、除渣、静置等操作后，经在线添加细化剂、在线除气、除渣后由半连续铸造机铸造成挤压用规格铸棒。铸棒经切头尾、均匀化热处理后转移至挤压机台。在挤压机台经铸棒加热、剪切、挤压、冷却、矫直、切头尾后取样进行试验。

表1 6063铝合金的成分(质量分数) (%)

为研究原始组织对后续试验的区别，在半连续铸造完成后对铸棒进行切片取样，挤压时铸锭加热温度为350 ℃，挤压筒温度为400 ℃，模具温度为380 ℃，挤压比为48，挤压杆速度分别选择1、2、4和6 mm/s，挤压后型材立即水冷至室温，随后对挤压出型材进行取样，将挤压后型材进行微观组织分析及压弯试验。

压弯后样品表面粗糙度测量使用TR100粗糙度测定仪进行表征。微观组织观察样品，首先使用带锯将大块样品切割为符合观察要求的尺寸，随后经不同型号砂纸由粗到细打磨，每切换打磨砂纸时，试样需旋转90°，直至打磨至上道次划痕不可见为止。打磨完成后采用电解抛光消除样品表面磨痕。抛光电解液为10%高氯酸酒精溶液，电解参数为15 V电压电解20 s。抛光后，样品风干后置于覆膜液中进行覆膜，覆膜液成分为2.5%的氟硼酸水溶液，覆膜参数为15 V电压电解15 s。将制好的金相样品风干后置于ZEISS Axio vert. A1倒置光学显微镜下观察、拍照并统计晶粒度信息。

2 试验结果与分析

2.1 原始组织

6063铝合金不同合金成分铸锭经半连续铸造后其微观组织如图1所示。由图1可知，合金成分1中枝晶组织并不明显，晶粒大多呈规则分布，通过软件分析可知平均晶粒尺寸为75 μm。合金成分2中存在较为明显的枝晶组织，晶粒边界明显，经统计合金成分2中6063合金铸态平均晶粒尺寸为113 μm。所以，合金成分2中晶粒尺寸明显大于合金成分1，这是源于合金成分1中存在较多的Mn、Cr、Ti等合金元素，这些合金元素能够与铝基体形成金属间化合物[7]，这些化合物在熔体凝固过程中为晶粒形核提供形核核心，促使晶粒发生非均质形核，提高形核数量，从而促使晶粒细化[8]。

2.2 合金成分对铝型材表面质量的影响

合金成分1和合金成分2分别经速度为1 mm/s的挤压杆挤压后微观组织如图2所示，可以看出，合金成分2(见图2b)中表层无明显粗大晶粒，晶粒无明显择优取向，部分晶粒边界轮廓清晰，这表明该合金成分经挤压后已发生了明显再结晶现象。通过数据统计，合金成分2经挤压后平均晶粒尺寸约为30 μm。而合金成分1经挤压后晶粒沿水平方向存在明显拉长状态，晶粒较细，晶粒边界不明显，这属于典型纤维状-变形组织特征。这表明合金成分1经挤压后型材未发生再结晶现象。合金成分1中存在Ti、Cr等合金元素，这些合金元素在均匀化退火后会形成Al3Ti、Al7Cr粒子，这些粒子能够钉扎位错和亚晶界，提高再结晶温度，从而抑制6063铝合金再结晶现象[9]。所以，经相同挤压工艺后合金成分2中出现再结晶晶粒，而合金成分1中为变形态组织。

合金成分1和合金成分2挤压型材经相同弯曲后表面粗糙度分别取相同位置进行粗糙度测量，其表面粗糙度值分别为0.25和0.39 μm。橘皮现象是由于在弯曲过程中各晶粒间变形不均匀导致表层晶粒突出原有表面而引起[10]。

当晶粒尺寸较大时，晶粒间存在的各向异性引起晶粒间变形协调能力较差，使得部分晶粒变形远大于附近其他晶粒，产生局部严重变形，促使这部分晶粒突出原有平面而出现明显橘皮现象。然而，细晶组织变形协调能力较强，能够有效释放局部应力，降低晶粒间不均匀性，使得晶粒间变形均匀，不易出现橘皮现象。

此外，铝合金经挤压后易形成沿挤压方向的择优取向[11]，合金成分1中存在明显择优取向，晶粒间取向相近，易引起附近晶粒滑移系开动，促进均匀变形。而再结晶晶粒无明显择优取向，晶粒间滑移系开动较为困难。综上所述，不同6063合金成分通过对挤压后微观组织的影响引起弯曲后表面粗糙度的变化。合金成分2挤压后型材发生再结晶且晶粒尺寸较大，降低了晶粒间变形协调能力。所以合金成分2经弯曲后表面粗糙度值高于合金成分1。

2.3 挤压速度对铝型材表面质量的影响

挤压后型材组织除原始组织的影响外，挤压工艺也会对型材微观组织产生较大影响。其中挤压速度快慢对挤压型材温升起决定性影响，温升过高会导致型材产生粗晶层、拉裂或者过烧等缺陷。所以本文以合金成分1为试验材料研究挤压速度对型材微观组织的影响。

合金成分1在不同挤压速度下挤出型材微观组织如图3所示。从图3可以看出，随着挤压速度加快，微观组织发生明显变化，具体表现在表层晶粒尺寸和表层粗晶层深度。随着挤压速度加快，合金表层晶粒尺寸明显长大且表层粗晶层深度逐渐增加。当挤压速度超过2 mm/s时，表层开始出现粗晶层，其粗晶层深度约为120 μm；而当挤压速度达到6 mm/s时，其粗晶层延伸至型材心部。

由于挤压铸锭表层与挤压筒内壁直接接触，受摩擦力影响，表层金属变形量相较于心部金属大，表层金属储存能较大，有利于再晶粒形核，在挤压温度下保温时，易发生晶粒长大形成粗晶层[12]。此外，挤压速度提高，金属变形热增加，温升现象明显，为再结晶晶粒形核及长大提供了能量基础，晶粒容易发生长大。由上节可知，晶粒尺寸通过影响晶粒间变形协调能力，引起合金局部不均匀变形，导致弯曲后样品表面出现橘皮现象。因此，挤压速度提高，表层晶粒及粗晶层厚度均增大，使得变形均匀性变差，弯曲后表面粗糙度值呈现逐渐增大的趋势(见图3e)。

3 结语

本文借助于金相显微镜及粗糙度测定仪等设备，对原始组织及挤压速度对型材弯曲后表面质量的影响进行了研究，得到如下结论。

1)Ti、Mn、Cr等合金元素可形成金属间化合物并作为晶粒形核核心，有利于铸造后合金晶粒细化。

2)Ti、Mn、Cr等合金元素形成的金属间化合物可钉扎位错、亚晶界，有效抑制再结晶现象，细化挤压型材组织。

3)表面粗糙度与微观组织密切相关，合金晶粒越细，晶粒间变形协调能力越强，金属变形越均匀，经弯曲后型材表面粗糙度值越小。

4)挤压速度越快，挤压后型材粗晶层厚度和表层晶粒尺寸越大，经弯曲后表面粗糙度值越大。