中国有色金属学报 2004,(10),1683-1688 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.10.011

挤压比对6201铝合金半固态连续挤压成形组织和性能的影响

周天国 温景林 陈彦博 李英龙 王顺成

东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院 沈阳110004 ,沈阳110004 ,沈阳110004 ,沈阳110004 ,沈阳110004

摘 要：

研究了挤压比对6201合金线材的微观组织、力学性能和导电性能的影响。结果表明:随着挤压比的增大,T6态合金的强化相β′(Mg2Si)弥散质点的尺寸减小,弥散程度增加,合金线材的抗拉强度,延伸率和电阻率增大,其增大的趋势随着挤压比的进一步增加而逐渐减小;当挤压比一定时,随着在线固溶温度与时效温度的升高,线材的力学性能下降,导电性能升高。当挤压比为16.5～29.7,线固溶温度为520～540℃,时效温度为150～160℃时,合金力学性能和导电性能分别为:σb=310～328MPa,δ=8.5%～10.3%,ρ=0.0322～0.0328nΩ·m,较好地满足Al Mg Si导线标准要求。采用合理的挤压比,可直接生产性能良好的铝合金导电线材。

关键词：

6201铝合金;挤压比;连续挤压;半固态;电阻率;

中图分类号： TG376

作者简介：周天国(1964),男,博士研究生.电话:02483686459;E mail:ztg6835@sina.com;

收稿日期：2004-03-01

基金：国家自然科学基金与上海宝钢集团公司联合资助项目(50274020);

Effect of extrusion ratio on microstructures and properties of 6201 alloy wire produced by semisolid continuous extrusion

Abstract：

Effect of extrusion ratio on microstructures, mechanical properties and electric resistivity of 6201 alloy wire were investigated. It is shown that when the extrusion ratio increases, under T6 heat treatment state, precipitation-hardening phases β′(Mg₂Si) precipitate heavily and become smaller, meanwhile, the tensile strength, elongation and electric resistivity increase. However, this increase tendency becomes moderate with further increase of extrusion ratio. For a given extrusion ratio, mechanical properties of alloy wire decrease and conductivity increases with increase of on-line solution temperature and ageing temperature. Under the conditions that the extrusion ratio is 16.529.7, on-line solution temperature is 520540 ℃ and ageing temperature is 150160 ℃, the mechanical properties and electric resistivity are σ_b=310328 MPa, δ=8.5%10.3% and ρ=0.032 20.032 8 nΩ·m respectively. It is satisfied for the application of Al-Mg-Si conductor wire. So fine aluminum conductor wire can be produced by the proposed process and under proper extrusion ratio.

Keyword：

6201 aluminum alloy; extrusion ratio; continuous extrusion; semi-solid; resistivity;

Received： 2004-03-01

半固态连续挤压技术是集金属半固态浆料制备和连续挤压为一体的有色金属近终成形新技术, 是传统挤压技术和连续挤压技术的进一步发展。 与传统挤压工艺相比, 半固态连续挤压技术具有设备投资少、 节能、 效率高、 连续化生产和挤压出口温度和晶粒大小易于控制等一系列优点, 但迄今为止, 英国的ALFOM ALLOYS公司对该技术的应用还停留在生产纯铝导线阶段, 未见生产6201铝合金高强度导电线材的相关报道 ^[1,2] 。 众所周知, 人们对可形变热处理铝合金材料的热处理强化进行了广泛的研究 ^[3,4,5] , Lutts和Thomas等提出了广泛采用的过剩Si合金的时效脱溶模型。 其过程为: 过饱和固溶体→GP-I→β″(GP-Ⅱ区) →β′→β(Mg₂Si)+Si相; Thomas等还对析出相种类、 大小、 形貌的变化做了深入的研究, 研究结果表明: 随着时效时间的延长, 析出相逐渐长大, 其各阶段析出相的分布情况为: GP-Ⅰ区大小为1～3 nm, 完全共格球化; GP-Ⅱ典型结构为细针状, 尺寸为4 nm×4 nm×50 nm, β′相为密集六方晶体, 其大小分别是a=0.705 nm, c=0.405 nm和a=0.104 nm, c=0.405 nm; β析出相为fcc结构, a=0.639 nm。 合金的力学性能不仅与合金的化学成分、 挤压工艺、 固溶温度及随后的冷却速度、 时效温度等工艺有关, 还与主要强化相β′(Mg₂Si)的形态、 结构、 大小等因素有关; 其中β′相是Al-Mg-Si系合金的主要强化相。 Cavazos等对6063合金挤压制品的力学性能与挤压比及固溶冷却速度间的关系进行了深入的研究表明 ^[6,7,8,9] : 随着挤压比和冷却速度的增加, 合金的最大时效强度呈现上升的趋势, 但对力学性能和导电性能之间的相互关系缺乏研究。 为了获得组织和性能稳定、 导电性能和力学性能(抗拉强度≥300 MPa)匹配最佳的铝合金线材, 本文作者主要研究挤压比对不同出模温度的合金线材的微观组织、 力学性能和导电性能的影响。

1 实验

以工业纯铝, Al-Si中间合金和工业纯镁为合金原料, 制备6201合金液体坯料, 该合金的固相线温度为607 ℃, 液相线温度为654 ℃, 半固态加工温度范围为47 ℃, 其化学成分如表1所示; 在相同挤压筒和挤压轮转速的条件下, 采用半固态连续挤压成形工艺生产了挤压比λ分别为7.1(A), 11.8(B), 16.5(C), 23.0(D), 29.5(E)的铝合金线材, 挤压比的计算公式为: 挤压比=挤压筒的横断面面积/线材的横断面面积, 在挤压出口分别进行水淬在线固溶处理, 其工艺参数如表2所示。

表1 试样的化学成分

Table 1 Chemical composition of specimen(%)

Mg	Si	Fe	Cu	Al
0.8	0.7	0.1	0.02	Bal.

表2 试样的时效工艺参数

Table 2 Aging process parameters of specimens

Specimen No.	Extrusion exit temperature/℃	Extrusion ratio	Artificial aging temperature/℃
A B C D E	540,520 540,520 540,520 540,520 540,520	7.1 11.8 16.5 23.0 29.7	170,160,150 170,160,150 170,160,150 170,160,150 170,160,150

首先将合金线材制成标准的拉伸试样, 然后分别对试样进行人工时效, 时效后试样在INSTRON 4206电子拉伸试验机上进行拉伸试验, 取3组试样的最小值。 金相样品经磨光、 抛光后, 用合酸腐蚀, 在DMIRM金相显微镜下观察。 透射电镜样品采用双喷电解法制取, 电解液为混合液, 电镜观察用Philp DM420透射电镜。 线材的电性能(抗拉强度≥295 MPa)测试采用QJ36型两用直流电桥, 在20 ℃恒温条件下进行, 取测试电阻的最大值计算电阻率。

2 结果与讨论

2.1 合金线材的微观组织

合金线材连续挤压状态下的显微组织如图1所示, 从图1(a)可以得出, 连续挤压的合金组织为细小等轴晶。 其原因是: 随着挤压比的增加, 一方面挤压轮对合金的剪切作用增大, 导致晶粒大量破碎, 提高了晶粒的再结晶趋势; 其次半固态连续挤压出模温度高达520～540 ℃, 对合金的形核和再结晶长大有利, 但由于同时形核数量的急剧增加, 加之合金在模腔中的停留时间短, 合金线材出模后又受到快速冷却(降温速度为30 ℃/s), 反而阻碍了晶粒的长大, 所以呈现图1(a)所示的典型再结晶组织; 图1(b), (c), (d), (e)为合金峰值时效的TEM组织, 由此可以看出, 合金的主要强化相β′(Mg₂Si)呈针状析出, 弥散、 均匀分布于基体中 ^[8,9,10] , 析出相的大小随着挤压比的增大而减小, 弥散程度随着挤压比的增大而加重。 这是因为随着挤压比的增加, 挤压轮对合金和第二相质点的剪切作用加大, 使得合金相质点破碎程度严重, 强化相元素在随后的人工时效过程中析出、 团聚、 长大的数量增加, 所以随着挤压比增大, 强化相的密度增大, 而尺寸却减小。 从图1(f)可以看出, 合金中分布着大量的弥散质点和位错, 并相互钉扎, 这主要是由于挤压轮单辊转动对合金的强烈剪切作用所致。

图1 6201合金线材的微观组织

Fig.1 Microstructures of 6201 alloy wires (a)—Typical microstructure of alloy wire; (b)—TEM micrograph of alloy A; (c)—TEM micrograph of alloy B; (d)—TEM micrograph of alloy D; (f)—TEM micrograph of alloy E; (f)—Dispersoids pinning dislocations

2.2 合金的力学性能

图2所示为合金经不同出模温度和人工时效处理后最大抗拉强度与挤压比的关系。 由图2可以看出: 线材的抗拉强度随着挤压比的增大而增大, 随着挤压出口温度和时效温度的升高而降低。 其原因是: 由于挤压比的增大, 强化相β′(Mg₂Si)的尺寸减小, 密度增大, 对位错运动的阻力增加, 因而强度升高; 时效温度升高, 强化相长大的趋势增加, 同时发生回复的趋势增加, 缺陷减少, 对位错运动的阻力减小, 从而使线材的强度下降。 由图3可以看出合金的延伸率随着挤压比的增加而增大, 随着时效温度的升高而减小, 随着在线固溶温度的下降而上升。 其原因是: 挤压比的增加, 细化了晶粒, 因而提高了线材的延伸率; 时效温度升高, 强化相长大的趋势上升, 引起铝合金基体晶格畸变的趋势增大, 导致伸长率下降; 另一方面, 由于在线固溶温度与挤压出口温度成正比, 同时, 在一定工艺条件下, 挤压出口温度的变化导致晶粒再结晶和晶粒长大速度变化, 挤压出口温度愈高, 合金的再结晶和晶粒的长大速度愈快, 挤压出口温度高的材料的晶粒较大, 相反, 挤压出口温度较低的合金晶粒则细小; 因而在一定挤压出模条件下, 挤压温度愈低, 合金的抗拉强度和延伸率则愈高。 这较好地符合Cavazos等对析出相种类、 大小、 形貌的变化机理的研究成果 ^[9,10,13] 。

2.3 电阻率

合金线材在峰值时效的电阻率与挤压比的关系如图4所示。 由图4可以看出, 合金线材的电阻率随着挤压比的增大而升高, 随着时效温度和在线固溶温度的升高而下降。 其原因是 ^{[12,13,14,16]} : 当挤压比较小时, 强化相β″(GP-Ⅱ区)和β′相(图1(b), (c))较大, 密度相对较小, 对电子的散射作用小, 电子运动的自由程长, 因而电阻率较低; 反之, 当挤压比增大时, 则强化相β″(GP-Ⅱ区) 和β′相较小, 密度增大(图1(d), (e)), 对电子的散射作用大, 缩短了电子运动的自由程, 因而电阻率升高。 时效温度对线材导电性能的影响主要表现为: 随着时效温度的升高, 强化相长大趋势增大, 对电子运动的散射作用下降, 延长了电子运动的自由程, 因而温度上升, 电阻率下降。 在线固溶温度升高, 则线材挤压出模温度升高, 晶粒粗大, 单位体积内晶粒数量和晶界的数量减少, 因而电子运动的晶界散射作用减弱, 电子运动的自由程增大, 电阻率下降。

图4 20 ℃时电阻率与挤压比的关系

Fig.4 Relationship between resistivity and extrusion ratio at 20 ℃ (a)—520 ℃ on-line solution; (b)—540 ℃ on-line solution

3 结论

1) 应用半固态连续挤压技术能直接生产出在线固溶所需的淬火组织, 减少传统的固溶工序, 节约能源。

2) 挤压比影响合金的显微组织和合金中主要强化相β′(Mg₂Si)的尺寸, 随着挤压比的增大, 合金中强化相β′尺寸减小, 密度增大。

3) 在一定的挤压温度条件下, 随着挤压比的增大, 合金抗拉强度、 延伸率和电阻率增大; 随着时效时间的延长和挤压出口温度的降低, 合金的抗拉强度呈现上升趋势, 而延伸率和电阻率则呈现下降趋势。

4) 6201铝合金线材的最佳生产工艺为: 挤压比16.5～30.0, 520～540 ℃在线水淬固溶, 150～160 ℃时效。 合金线材的综合性能满足铝合金导线标准的要求。 合金的拉伸强度为310～328 MPa, 延伸率为8.5%～10.3%, 电阻率为0.032 2～0.032 8nΩ·m。

参考文献

[1] 　温景林,管仁国,刘相华.A2017半固态合金的半固态扩展成形[J].材料研究研究学报,2003,17(1):5561.WENJin ling,GUANRen guo,LIUXiang hua.ManufacturingsemisolidA2017alloybySRSprocessandsemisolidextendingforming[J].ChineseJournalofMaterialsResearch,2003,17(1):5561.

[2] 　张愈祖,张　辉,彭大暑,等.6201铝合金热连轧的实验模拟[J].中国有色金属学报,2000,10(4):525528.ZHANGYu zu,ZHANGHui,PENGDa shu,etal.Experimentalsimulationoncontinuoushot rollingof6201aluminumalloy[J].TheChineseJournalofNonferrousMetals,2000,10(4):525528.

[3] 　MurayamaM,HonoK,SagaM,etal.AtomprobestudiesontheearlystagesofprecipitationinAl Mg Sialloys[J].MaterialsScienceandEngineering,1998,A250:127132.

[4] 　EdwardsGA,StillerK,DunlopGL,etal.TheprecipitationsequenceinAl Mg Sialloys[J].ActaMater,1998,46(11):38933904.

[5] 　LodgaardL,RyumN.PrecipitationofdispersoidscontainingMnand/orCrinAl Mg Sialloys[J].MaterialsScienceandEngineering,2000,A283:144152.

[6] 　CavazosJL,Col偄sR.Quenchsensitivityofaheattreatablealuminumalloy[J].MaterialsScienceandEngineering,2003,A363:171178.

[7] 　KarabayS,ZerenM,YilmazM.InvestigationextrusionratioeffectonmechanicalbehaviorofextrudedalloyAA 6063[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003(135):101108.

[8] 　McQueenHJ,XiaX,CuiX,etal.Solutionandprecipitationeffectsonhotworkabilityof6201alloy[J].MaterialsScienceandEngineering,2001,A319321:420424.

[9] 　CavazosJL,Col偄sR.Precipitationinaheattreatablealuminumalloycooledatdifferentrates[J].MaterialsCharacterization,2001(47):175179.

[1 0 ]　ＭｕｒａｙａｍａＭ ,ＨｏｎｏＫ .Ｐｒｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅａｎｄｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓｉｎＡｌ Ｍｇ Ｓｉａｌｌｏｙｓ[Ｊ].ＡｃｔａＭａｔｅｒ, 1 999, 47(5) :1 53 71 548.

[1 1 ]　ＡｎｄｅｒｓｅｎＳＪ,ＺａｎｄｂｅｒｇｅｎＨＷ ,ＪａｎｓｅｎＪ,ｅｔａｌ.Ｔｈｅｃｒｙｓ ｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅ β″ｐｈａｓｅｉｎＡｌ Ｍｇ Ｓｉａｌｌｏｙｓ[Ｊ].ＡｔａＭａｔｅｒ, 1 998, 46(9) :3 2 83 3 2 98.

[1 2 ]　ＧｕｐｔａＡＫ ,ＬｌｏｙｄＤＪ,ＣｏｕｒｔＳＡ .ＰｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｈａｒｄｅｎｉｎｇｉｎＡｌ Ｍｇ ＳｉａｌｌｏｙｓｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｅｘｃｅｓｓＳｉ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ , 2 0 0 1 ,Ａ3 1 6:1 1 1 7.

[1 3 ]　ＳｉｄｄｉｑｕｉＲＡ ,ＡｂｄｕｌｌａｈＨＡ ,ＢｅｌｕｓｈｉＫＲ .Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆａｇｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ 60 63ａｌｕ ｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｓｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏ ｇｙ , 2 0 0 0 (1 0 2 ) :2 3 42 40 .

[1 4]　ＤｕａｎＸＪ,ＳｈｅｐｐａｒｄＴ .Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｍｉ

ｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｈｏｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｏｆｈａｒｄａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ , 2 0 0 3 ,Ａ351 :2 82 2 92 .

[1 5]　ＣａｂｉｂｂｏＭ ,ＳｐｉｇａｒｅｌｌｉＳ ,ＥｖａｎｇｅｌｉｓｔａＥ .ＡＴＥＭｉｎｖｅｓｔｉｇａ ｔｉｏｎｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｅｍｉｓｏｌｉｄｆｏｒｍｉｎｇｏｎｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｐｒｏ ｃｅｓｓｅｓｉｎａｎＡｌ Ｍｇ Ｓｉａｌｌｏｙ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈａｒａｃｔｅｒｉａｔｉｏｎ,2 0 0 3 (49) :1 93 2 0 2 .