退火工艺对鞋内包头用6061铝合金板材组织和性能的影响

何小峰，莫肇月，莫灼强，黄 奎，邓松云

（1.广西南南铝加工有限公司，南宁530031；2.广西铝合金材料与加工重点实验室，南宁530031）

0 前言

劳保鞋又叫安全鞋，属于安防用品。根据使用的场地不同，劳保鞋分不同的种类，但都有防止物体砸伤脚面和脚趾的功能，其防护功能主要依靠鞋内金属材质的内包头来实现[1-2]。传统的劳保鞋一般采用钢材制作内包头，但钢制劳保鞋较笨重，穿戴不方便。随着人们对劳保鞋轻便及舒适度需求的提高，密度轻、强度高的铝合金内包头受到越来越多的关注。

6061 铝合金因其具有质量轻、强度高及良好的成形加工性能已逐渐应用于劳保鞋内包头。目前工业化生产的6061 铝合金板材由于冲压性能较差，在后续冲制过程中易出现开裂问题，无法满足劳保鞋内包头的后续冲压使用要求。为了提高劳保鞋内包头用6061 铝合金板材的冲压成形性能，本文研究了退火工艺参数对板材组织和性能的影响，并制定出合理的退火温度和保温时间。

1 试验材料与方法

本试验结合工业生产进行，采用半连续铸造方法生产6061 铝合金铸锭，其化学成分见表1。6061 铝合金铸锭经过均匀化退火、锯切、铣面、热轧、冷轧等工艺加工成2 mm 厚板材，然后剪切制成2.0 mm×200 mm×300 mm的试验板材。

表1 6061合金化学成分（质量分数/%）

选用箱式电阻炉对6061 铝合金板材进行退火试验，退火温度分别为300 ℃、340 ℃、380 ℃、420 ℃、460 ℃、500 ℃，保温时间为0.5 h、1 h、2 h、4 h，保温结束后出炉空冷。

力学性能测试按GB/T 228.1-2010 规定在GMT5305材料试验机上进行，每组试验取3个试样的平均值。将截取的金相试样依次使用400#、800#、1 000#、2 000#水磨砂纸预磨后进行机械抛光。阳极覆膜后使用ZEISS Axio vert.A1倒置光学显微镜观察其组织形貌。按照GB/T 4156-2007 要求制备试样并在GBS-60E 杯突试验机上进行杯突试验。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

图1为6061铝合金板材在不同退火温度下保温1 h 后的显微组织。由图1 可知，随着退火温度的升高，6061 铝合金的显微组织发生了明显的变化。其原因如下：由于6061 铝合金板材经过冷加工变形后，点缺陷、位错等晶格缺陷密度增加，晶格畸变能增大，合金处于热力学不稳定状态；加热时随着退火温度的升高，合金内部发生了回复与再结晶，纤维状加工组织减少，再结晶组织增加，直至发生完全再结晶。

图1 是不同退火温度下保温1 h 后6061 铝合金板材的显微组织。从图中可以看出，当退火温度较低时，只有少量的大角度晶界发生迁移，在某些畸变程度较大的区域优先产生新的无畸变的晶核，生成少量细小的晶粒[3-4]，合金依旧保留着较多的纤维状加工组织，如图1（a）所示；随着退火温度的升高，形核率及晶核长大速率增加，再结晶程度不断增大，合金由纤维状加工组织逐渐向再结晶组织转变，如图1（b）所示；在380 ℃退火时，合金基本完成了再结晶过程，纤维状加工组织已经完成消失，取而代之的是细小的再结晶晶粒，如图1（c）所示。随着退火温度进一步升高，晶粒之间通过晶界的迁移发生吞并现象，导致晶粒粗大化，如图1（e）和（f）所示。

图1 不同退火温度保温1h后6061铝合金板材的显微组织

图2为6061铝合金板材在380 ℃条件下保温不同时间的显微组织。可以看出，保温0.5 h 时合金组织中出现了许多细小的再结晶晶粒，保温1 h 时合金已基本完成了再结晶过程。随着保温时间的延长，再结晶过程进行得更加充分，但部分已完成再结晶的晶粒开始粗大化，如图2（d）所示。

2.2 力学性能

图3（a）为退火温度对6061 铝合金板材力学性能的影响。从图中可以看出，板材的抗拉强度和屈服强度先随着退火温度的升高而降低，在380 ℃时强度降到最低点（抗拉强度为137 MPa，屈服强度为55 MPa），伸长率同时升到最高点（伸长率为28%），这说明在380 ℃左右退火时合金的再结晶过程已基本完成，强度降到最低点；而后强度随着退火温度进一步升高而增大，当温度升高到500 ℃时，板材的强度显著增加，伸长率明显降低。这是由于此时部分Mg2Si 相溶入基体发生固溶强化，从而使强度迅速升高[5-7]。因此，成品退火温度不宜选择过高，应以合金发生完全再结晶为宜。

在退火温度为380 ℃时，分析不同保温时间对6061铝合金板材力学性能的影响，结果如图3（b）所示。从图中可以看出，合金的力学性能随退火时间的变化并不明显，合金保温1 h 后，再结晶过程基本完成，且随着保温时间的延长，再结晶晶粒发生粗化，强度发生小幅度下降。

2.3 成形性能

杯突试验常用来评价板材的胀形成形性能，融合了胀形和拉深的特点，试样所受的应力状态和所产生的变形都与真实的冲压加工工艺相同[8-9]。杯突值IE 的大小可表征板材的胀形成形能力，IE 值越大，表明板材的冲压性能越好。图4（a）为6061铝合金板材在不同退火温度下保温1 h 后的杯突值。从该图中可以看出，6061 铝合金板材的杯突值先随着退火温度的升高而增加，在380 ℃后杯突值增加缓慢；随着退火温度进一步升高，当温度升高到460 ℃以上时，由于固溶强化效果加强，杯突值显著降低。6061铝合金板材在380 ℃下不同保温时间退火后的杯突值如图4（b）所示。可以看出，6061 铝合金板材的杯突值随保温时间的延长变化并不明显。

图4 6061铝合金板材不同退火工艺下的杯突值

3 结论

（1）随着退火温度的升高，鞋内包头用6061铝合金的强度先降低后增大，伸长率和杯突值先增大后降低；保温时间对力学性能和成形性能的影响较小。

（2）6061 铝合金的最佳退火工艺为380 ℃下保温1 h，此时抗拉强度为137 MPa，屈服强度为55 MPa，伸长率为28%，杯突值为7.46 mm。在此参数工艺下，6061 铝合金的显微组织、力学性能及成形性能的配合较好，满足冲压成形性能的要求，满足劳保鞋内包头用合金板材的生产要求。