无铅易切削铝合金挤压棒材的组织与性能研究

牛艳萍，王登峰，蔡月华，周春荣

（1.广东领胜新材料科技有限公司，佛山528031；2.广东精美特种型材有限公司，清远511500）

0 前言

铝合金因具有密度小、比强度高、耐腐蚀、可回收利用等优点而广泛用于电子电器、交通运输、机械装备等领域[1]。众多的铝合金零部件，如汽车传动阀、制动器活塞、空调压缩机活塞、轮盘等在生产制造过程中都需要经历车、铣、钻等切削加工[2-3]。易切削的铝合金可以采用更高的切削速度或者更大的进刀量进行加工，从而显著提高切削加工的生产效率，获得表面更光洁、尺寸精度更高的精密铝合金零部件[4-6]。

易切削铝合金是指切屑易断、不粘刀、不缠刀且排屑方便的铝合金[7]。传统易切削铝合金是在2×××系和6×××系铝合金基础上通过添加低熔点金属铅来提高铝合金的切削加工性能。但铅是有毒性的重金属元素，对人体健康和生态环境会带来严重的危害。许多国家对含铅的铝合金零部件设置了严格的技术壁垒，欧盟已经禁止生产和销售含有铅、镉、汞等有害物质的电子电器产品[8-9]。因此，迫切需要开发无铅环保的易切削铝合金。

金属锡和铋均属于无毒性的低熔点元素，不会对人体健康和生态环境带来危害。本课题用锡、铋替代铅制备2011和6026两种无铅易切削的铝合金挤压棒材，研究两种无铅易切削铝合金挤压棒材的显微组织、拉伸力学性能与切削加工性能。

1 试验材料与方法

试验材料为无铅易切削的2011和6026铝合金，采用工业纯铝锭、镁锭、锡锭、铋锭、Al-10Mn合金、Al-20Si合金和Al-50Cu合金熔炼配制而成。试验设备为5 kg坩埚熔铝炉。将铝锭放入坩埚熔铝炉中加热熔化，升温到760℃后，分别加入镁锭、锡锭、铋锭、Al-10Mn合金、Al-20Si合金和Al-50Cu合金，搅拌熔化成铝合金液后再用铝合金精炼剂和高纯氮气对铝合金液喷吹精炼10 min进行除气除杂处理，扒去铝合金液表面的浮渣后，再静置20 min。最后用金属型模具分别铸造成直径100 mm的2011和6026铝合金圆棒，浇铸温度为710℃，模具预热温度为250℃。经ARL-4460型光电直读光谱仪测定，2011和6026铝合金圆棒的成分如表1所示。

表1 2011和6026铝合金的化学成分（质量分数/%）

挤压试验设备为630 t挤压机。将2011和6026铝合金圆棒去表皮后，分别加热到430℃，再分别放入挤压筒内挤压成ϕ40 mm的铝合金棒材。挤压筒温度为440℃，挤压速度为0.6 m/min。试验完成后，分别在2011和6026铝合金挤压棒材上取样。试样经磨制、抛光和腐蚀后，在莱卡DM4000M型金相显微镜和日立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能谱分析。将2011、6026铝合金挤压棒材分别在520℃和535℃下固溶2 h，淬水冷却至室温后再在170℃下时效8 h，最后随炉冷却至室温。在热处理后的铝合金挤压棒材上取样，将试样加工成标准拉伸试样，并在DNS200型电子拉伸试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速度为2 mm/min，拉伸试样的形状及尺寸如图1所示。在JGK-550S型高速车床上进行切削加工试验，进刀量为0.5 mm，转速为2 500 r/min，切削速度为0.5 m/min。

图1 拉伸试样的形状尺寸

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

图2 为2011铝合金挤压棒材的显微组织。从图2可看到，由于2011铝合金圆棒在挤压过程中产生剧烈的塑性变形，使铸态α-Al晶粒发生破碎细化，晶粒内部位错增加，内能上升，部分α-Al晶粒发生了再结晶形成细小的等轴状α-Al晶粒[10]，如图2（a）所示。结合扫描电镜能谱分析结果可知，2011铝合金挤压棒材的显微组织由α-Al基体、CuAl2相、Al7Cu2Fe相和低熔点金属SnBi共晶相组成。其中，CuAl2相呈灰色细小条形状，Al7Cu2Fe相呈灰色方块状，SnBi共晶相呈亮白色颗粒状；CuAl2相、Al7Cu2Fe相和SnBi共晶相均匀弥散分布在α-Al基体上，如图2（b）所示。

图2 2011铝合金挤压棒材的显微组织

图3 为6026铝合金挤压棒材的显微组织。从图3中可看到，由于6026铝合金圆棒在挤压过程中产生剧烈的塑性变形，使铸态α-Al晶粒发生破碎[11]，但α-Al晶粒未发生再结晶，第二相化合物均匀弥散分布在α-Al基体上，如图3（a）所示。结合扫描电镜能谱分析结果可知，6026铝合金挤压棒材的显微组织由α-Al基体、Mg2Si强化相、CuAl2强化相和低熔点金属SnBi共晶相组成，Mg2Si、CuAl2强化相和SnBi共晶相弥散分布在α-Al基体上。其中，Mg2Si相呈黑色颗粒状，CuAl2相呈灰色条状或方块状，SnBi共晶相呈亮白色颗粒状，如图3（b）所示。

图3 6026铝合金挤压棒材的显微组织

2.2 力学性能

表2 为2011和6026铝合金挤压棒材的拉伸力学性能，图4和图5分别为2011和6026铝合金挤压棒材的拉伸试样断口形貌。从表2可看到，由于挤压产生的剧烈塑性变形，使α-Al晶粒发生破碎细化，强化相CuAl2和Mg2Si均匀弥散分布在α-Al基体上，显著增强了铝合金挤压棒材的强度和塑性变形能力，使其具有较高的拉伸力学性能。其中，2011铝合金挤压棒材的抗拉强度为486.1 MPa，屈服强度为421.5 MPa，伸长率为10.4%；6026铝合金挤压棒材的抗拉强度为358.7 MPa，屈服强度为296.4 MPa，伸长率为13.8%。铝合金挤压棒材拉伸试样的断口韧窝都较深，韧窝数量较多，如图4和图5 所示。

表2 2011和6026铝合金挤压棒材的拉伸力学性能

图4 2011铝合金挤压棒材的拉伸试样断口形貌

图5 6026铝合金挤压棒材的拉伸试样断口形貌

2.3 切削性能

图6 和图7分别为2011和6026铝合金挤压棒材的车屑形貌。由于Sn、Bi元素与Al均互补相溶，在铝合金中添加Sn、Bi元素后，Sn、Bi元素以SnBi共晶相形式在铝合金中出现。Sn元素的熔点为231.9℃，Bi元素的熔点为271.3℃，而SnBi共晶相的熔点为139℃[7]。对铝合金挤压棒材进行高速切削加工时，铝合金挤压棒材与刀具之间的高速摩擦使机械能转变成热能，使铝合金挤压棒材的温度升高。当与刀具接触点附近的切屑温度达到或接近低熔点组元SnBi共晶相的熔点时，这些低熔点SnBi共晶相发生软化甚至熔化，可使铝合金切屑发生断裂，达到切屑不粘刀、不缠刀、排屑方便的效果[8]。具有优异切削加工性能的铝合金可以采用更高的速度或者更大的进刀量进行加工，显著提高切削加工的生产效率，从而获得表面光洁、尺寸精度高的精密铝合金零部件。从图6和图7可看到，由于2011和6026铝合金挤压棒材中皆均匀弥散分布有大量低熔点金属SnBi共晶相，使2011和6026铝合金挤压棒材都具有良好的切削加工性能。同时，高速车削过程中未见车屑粘刀、缠刀现象，车屑尺寸细小。

图6 2011铝合金挤压棒材的车屑形貌

图7 6026铝合金挤压棒材的车屑形貌

3 结论

（1）以Sn、Bi替代Pb制备的2011和6026铝合金挤压棒材具有良好的拉伸力学性能和切削加工性能。

（2）2011铝合金挤压棒材的抗拉强度为486.1 MPa，屈服强度为421.5 MPa，伸长率为10.4%。

（3）6026铝合金挤压棒材的抗拉强度为358.7 MPa，屈服强度为296.4 MPa，伸长率为13.8%。