挤压比对铝合金棒材组织、力学与切削性能的影响

张大鹏，范远博，蔡月华，牛艳萍

(1.广东领胜新材料科技有限公司，广东 佛山 528031；2.广东精美特种型材有限公司，广东 清远 511500；3.广东省工业分析检测中心，广东 广州 510651)

Al-Mg-Si-Cu系变形铝合金，具有较高的强度、良好的塑性和优异的切削加工性能等，广泛应用于制造各种精密机械零部件，如汽车制动器活塞、空调压缩机活塞、螺钉、铆钉等[1,2]。传统铝合金中含有低熔点金属Pb，但Pb属于重金属元素，不仅对人体有害，而且处理含Pb的铝屑会带来严重的环境污染问题，因此，迫切需要开发新型无Pb的易切削铝合金[3-7]。本课题通过在合金中加入微量低熔点元素Bi和Sn，替代Pb的作用，制备了无铅易切削的铝合金，研究挤压比对铝合金棒材组织、力学与切削性能的影响。

1 实验材料与方法

实验材料为无铅易切削铝合金，采用工业纯铝锭(99.7%，质量百分数，下同)、镁锭(99.9%)、锌锭(99.9%)、铋锭(99.9%)、锡锭(99.9%)、Al-50%Cu合金、Al-20%Si合金和Al-10%Mn合金熔炼配制而成，熔炼设备为100kg熔铝炉。将铝锭放入熔铝炉内于750℃加热熔化，然后加入Al-50%Cu合金、Al-20%Si合金、Al-10%Mn合金，镁锭、锌锭、铋锭和锡锭，搅拌熔化成铝合金液，用纯度为99.99%的氩气和占原材料总重量0.5%的精炼剂喷吹精炼10min，进行除气除杂处理，扒渣后再静置30 min；最后半连续铸造成直径100 mm的铝合金圆棒，铸造温度为690℃，冷却水压力为0.8 MPa，铸造速度为120 mm/min。经SPECTROMAXx型直读光谱测定，铝合金的成分(质量分数，%)为，Si 1.15，Fe 0.35，Cu 0.41，Mg 0.83，Zn 0.15，Sn 0.29，Bi 0.67，Mn 0.68，Al余量。

挤压设备为630T挤压机，将铝合金圆棒去表皮后，加热到420℃，放入挤压筒分别挤压成直径40mm和50mm的铝合金挤压棒材，对应的挤压比分别为6.25和4，挤压速度为0.55m/min，挤压筒温度450℃。

在铝合金挤压棒材的横截面上取样，试样经磨制、抛光和腐蚀后，在DMI3000M型金相显微镜上进行观察，在SU8220型高分辨场发射扫描电子显微镜上进行微观组织观察和分析，将试样加工成标准拉伸试样，在DNS200型万能拉伸试验机进行拉伸测试，拉伸速度2 mm/min，拉伸试样的形状尺寸如图1所示。在C6232A型车床上进行切削性能测试，进刀量1mm，转速1120r/min，切削速度0.25m/min。

2 结果与分析

2.1 显微组织

图2为铝合金挤压棒材的显微组织。在挤压过程中，铝合金圆棒表面与挤压筒内壁发生强烈摩擦，铝合金受到大的剪切变形，使显微组织发生细化，且挤压比越大，铝合金变形程度越大，组织细化越明显。从图2可见，挤压比6.25的铝合金棒材由于受到剪切变形更大，晶粒破碎更严重，第二相化合物分布也更加细小均匀(图2(a))；而挤压比4的铝合金棒材由于变形程度较小，因此，第二相化合物也相对更加粗大(图2(b))。

图3为铝合金挤压棒材的扫描电镜显微组织。图4为扫描电镜能谱分析结果。结合图4扫描电镜能谱分析结果，铝合金主要由α-Al基体、Mg2Si和CuAl2强化相，以及Sn和Bi单质相组成，亮白色颗粒物分别为单质Sn与Bi，灰色化合物为CuAl2强化相，黑色化合物为Mg2Si强化相(图3)。通过比较可以看到，挤压比6.25的铝合金棒材的第二相化合物比挤压比4的铝合金挤压棒材的第二相化合物更加细小，分布也更加均匀。

2.2 力学性能

铝合金棒材挤压态的拉伸力学性能为，挤压比6.25的其抗拉强度为426.9 MPa，断后伸长率为14.5%；挤压比4的其抗拉强度为383.9 MPa，断后伸长率为16.9%。图5为拉伸试样的断口形貌。由于挤压比6.25的铝合金棒材在挤压过程中所受到的变形程度更大，晶粒和第二相都更为细小，第二相分布也更为均匀，因而抗拉强度更高(426.9 MPa)，断后伸长率为14.5%，拉伸试样断口的韧窝较深，韧窝数量较多，如图5(a)所示。而挤压比4的铝合金棒材由于第二相相对更为粗大，分布均匀性也相对较差，因而抗拉强度相对较低(383.9 MPa)，断后伸长率为16.9%，拉伸试样断口的韧窝数量相对少些，如图5(b)所示。

2.3 切削性能

图6为铝合金挤压棒材的切屑形貌。Sn熔点为231℃，Bi熔点为271℃，铝合金挤压棒材在高速切削加工过程中，切屑与刀具之间由于高速摩擦迅速生热，接触点温度约370℃，铝合金中低熔点组成物发生软化甚至熔化，切屑发生断裂、碎化，达到切屑不粘刀、不缠刀，加工表面光滑的效果。由于挤压比6.25的铝合金棒材内部低熔点组成物Sn和Bi更加细小，分布更加均匀，使挤压比6.25的铝合金棒材的切削加工性能更高，切屑更加细小均匀(图6(a))。而挤压比4的铝合金棒材由于内部低熔点组成物Sn和Bi更加粗大且分布不均匀，因而切削加工性能略差，切屑相对更加粗大，尺寸更长(图6(b))。

3 结论

(1)铝合金棒材组织由α-Al、Mg2Si、CuAl2和单质Sn、Bi相组成，棒材的挤压比越大，Mg2Si和CuAl2强化相以及单质Sn、Bi相的尺寸越细小，分布越均匀；

(2)挤压比越大，铝合金棒材的拉伸力学性能越高，挤压比6.25的铝合金棒材的抗拉强度为426.9MPa，断后伸长率为14.5%；

(3)挤压比越大，铝合金棒材内部低熔点组成物Sn和Bi更加细小，分布更加均匀，棒材的切削加工性能更好，切屑更加细小均匀。