6061是屬于Al-Mg-Si 系的鋁合金，是一種可熱處理強化鋁合金，Mg2Si 是該鋁合金材料中最重要的強化相，該合金具有優良的耐腐蝕性、可焊性、延展性、氧化性，材料被廣泛應用于工業生產中；在國家大力推廣新能源汽車政策下，汽車輕量化的關鍵就是對輕合金的使用，于是6xxx 鋁合金在汽車零部件行業廣泛使用。汽車零部件最終使用的鋁合金多為T6狀態，出于對汽車安全性的考慮，以及要求汽車零部件使用壽命長、零部件之間配合精度要求高，故在進行汽車零部件精密加工的時候，不僅對材料的組織有比較高的要求，而且對材料的硬度及殘余應力也有非常高的要求。

針對市場的需求，通過化學成分的調整，制定合理的擠壓工藝和拉伸量，最終生產出6061鋁棒完全達到使用要求：粗晶環深度小于0.5mm、晶粒度小于1 級、布氏硬度大于95HB、加工變形尺寸小于0.02mm，達到進口同類產品的技術指標，替代了進口的同類產品。

試驗用料和方案

試驗材料

試驗用6061合金，其成分符合GB/T 3190-2020標準要求，根據產品使用實際情況，選擇使用了兩種成分(表1)。

表1 鋁合金化學成分(%)

試驗采用φ305mm 鑄棒，鑄棒在生產前進行了鋁合金均質化處理，該熱處理加熱溫度為(570±5)℃，保溫時間為5h，到時間后鑄棒運出加熱爐進行空氣冷卻1h，然后使用工業冷卻水對其四周進行噴射式冷卻，一直進行到鑄棒降溫至室溫后停止，時間為2h，具體工藝參數見表2。

表2 工藝參數

試驗6061 擠壓棒目標值

要求產品最終低倍檢測粗晶環深度小于0.5mm，晶粒度小于1 級，布氏硬度大于95HB，加工變形尺寸小于0.02mm。

試驗內容

⑴化學成分對6061鋁棒性能及晶粒度的影響，采用不同化學成分的鋁棒試驗。

⑵擠壓工藝對6061鋁棒晶粒度及硬度的影響。

⑶拉伸量的大小對消除殘余應力的影響。

拉伸量=[(拉伸后產品的長度-拉伸前產品的長度)÷拉伸前產品的長度]×100%，鋁制品正常拉伸是為了消除產品擠壓過程中的產生的現象彎曲，拉伸量比較低，一般情況下低于0.3%。

試驗結果和分析

試驗結果見表3。

表3 產品檢測結果

化學成分對6061 鋁棒性能與晶粒度的影響

6061鋁合金主要強化相為Mg2Si，Mg 與Si 的比值為1.73:1，提高Si 含量，使Si 過剩可以提高淬火和時效后材料的硬度；從表3 可以看到材料的硬度大于95HB，這與合金中Si 含量控制在6061 合金Si 含量的上限(0.4%～0.8%)有直接的關系。表3 中可以看到在相同的速度下合金B 的粗晶環及晶粒度要明顯優于合金A。這是由于合金B 中的Cr 和Mn元素含量明顯高于合金A中Cr 和Mn 元素含量；在合金中添加Cr 和Mn 元素能明顯提高再結晶溫度，同時抑制Mg2Si 相在晶界析出，可以細化晶粒延緩自然時效，提高人工時效后的強度。合金B 中添加Cr 及Mn 元素含量達到這兩個元素規定范圍的上限，目的也是最大限度的提高再結晶溫度及細化晶粒，從表3 可以看出在同樣的速度下合金B 的產品檢測晶粒明顯比合金A 小。

擠壓工藝對6061 鋁棒晶粒度的影響

表3 中顯示當擠壓生產時的溫度以及擠壓比一致時，擠壓速度較快的材料晶粒度的尺寸是大于擠壓速度較慢的材料，這個結果是因為在使用較低速度生產時，鋁合金材料與生產使用的模具之間存在著相互摩擦，但是速度較慢的時候，金屬相互之間的摩擦力比較小，在摩擦力的拉扯下，鋁合金材料的變形不是十分劇烈，內部的組織變形較小；而同時由于擠壓速度慢，鋁合金材料與擠壓機的擠壓筒以及模具之間的熱傳導時間比較長，這就導致了變形時材料的熱量散發比較多，使鋁合金因為材料變形溫度上升很少，甚至還有下降的趨勢，而該系鋁合金材料表面金屬能易聚集，這樣就抑制了該金屬材料表面晶粒的長大，呈現出內外層材料組織變形比較均勻，表現出來的最終結果就是表面未形成粗晶環。

當擠壓速度比較快的時候，其中一方面由于鋁合金材料與鋼模具的模孔工作帶之間的摩擦力，使內外層材料組織流動差加大，外層的金屬材料形成了強烈的切應力變形區，在材料的外層變形區內強烈的剪切變形使得這部分金屬材料的畸變能大大提高，從而聚集了大量的位錯。這樣的畸變位錯形成了眾多的質點，非常有利于再結晶生成，另一方面內外層交織的變形區域材料劇烈的剪切變形同時也加劇了變形熱效應，由此提高了材料內部溫度，使用較快速度擠壓的時候，隨著時間的推移，生產到最后的時候，產品的尾部由于摩擦變形產生的大量的熱量來不及散發出去造成材料溫度急劇升高，這樣非常有利于產品邊部的晶粒長大，長大的晶粒聚集在一起形成粗晶環。

拉伸量的大小對消除殘余應力的影響

從表3 中可以看到拉伸量分別為小于0.3%、1%、2%時，制品的變形尺寸隨著拉伸量的大小變化很大，拉伸量為小于0.3%時制品變形最大，而拉伸量為1%時次之，而拉伸量達到2%時，制品的變形尺寸最小；這是由于產品經過高溫擠壓后在進入冷卻水槽中進行快速冷卻的時候，鋁合金材料表層冷卻速率比材料內層的冷卻速率大，材料表層驟冷引起急劇收縮，由于材料的整體連續性，導致材料表層組織產生相互的拉應力，內層材料產生壓應力，隨著冷卻的不斷進行，鋁合金材料內層也隨著冷卻而產生收縮，使材料整體的內應力重新分配，最后導致材料表層產生殘余壓應力，材料內層產生殘余拉應力。

對鋁合金材料整體進行拉伸實質是通過外加的拉伸力與原來淬火導致的殘余應力相互作用發生新的塑性變形，使殘余應力釋放和消減，最終使其達到新的內應力平衡。對淬火后的鋁合金制品進行拉伸，受壓應力的表層金屬材料和受拉應力的內層金屬材料，它們在受到施加材料整體的拉伸外力作用后都將發生變形。當給予的拉伸力超過該金屬材料所能承受的彈性變形極限后，就會發生材料的塑性變形，隨著施加的拉伸力不斷增加，金屬材料表層的壓應力逐步轉變為拉應力，而材料內層一直受拉應力的作用，當拉伸力停止后，鋁合金制品會發生彈性回復，只剩下塑性變形，在材料的回彈過程中，縱向內應力會被釋放。作用的拉伸力較小的話，鋁合金制品的拉伸量也比較少，這樣導致該制品僅做彈性變形或較小的塑性變形，其塑性變形產生的應力還不足以抵消由于淬火而產生的殘余內應力，整個鋁合金制品內部的殘余內應力值仍較大。隨著拉伸力的不斷施加而引起鋁合金制品拉伸量的增加，當拉伸量達到理論值時，在理論上其內部殘余應力應該為零。隨著拉伸力繼續施加，鋁合金制品的過量塑性變形會產生額外的應力疊加，從而最終的殘余應力消減效果減弱。因此經過淬火處理的材料要獲得較好的殘余應力消減效果，就必須合理控制拉伸量；通過大量的試驗，6061鋁合金材料使用2%左右的拉伸量，其內應力可以得到很好的消減效果。

結論

⑴6061 鋁合金主要強化相為Mg2Si，Mg 與Si 的比值為1.73:1，提高Si 含量，使Si 過剩可以提高淬火和時效后材料的硬度；在合金中添加Cr 及Mn 元素，達到這兩個元素規定范圍的上限，目的也是最大限度的提高再結晶溫度及細化晶粒；通過比較選用合金B。

⑵擠壓速度對制品的晶粒度影響很大，采用擠壓溫度500～520℃、擠壓速度4 ～6mm/s 擠壓工藝生產的制品可以獲得優良的晶粒組織。

⑶拉伸量控制在2%左右制品的內應力可以得到很好的消減，變形尺寸可以小于0.02mm，完全滿足使用要求。