孫祥彬，王洪偉，董 穎，周 龍，丁 昊

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6xxx系鋁合金具有密度低、抗蝕性好等特性，可以高速擠壓成斷面復雜、薄壁、中空的各種結(jié)構(gòu)型材，廣泛用于建筑、汽車車身、高速列車等領(lǐng)域[1-3]。隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，對型材的綜合性能提出更高要求。其中彎曲性能用來檢驗材料經(jīng)受彎曲負荷作用時的性能，是質(zhì)量控制和應用設(shè)計的重要參考指標[4]。目前，應用于擠壓加工的鋁合金鑄錠主要使用半連續(xù)水冷工藝生產(chǎn)，凝固后鑄錠容易形成嚴重的晶內(nèi)偏析，導致后續(xù)變形可塑性差等問題，在一定程度上限制了6xxx系鋁合金的成型加工性能[5]。通過均勻化處理能夠改善鋁合金的可塑性，均勻化處理是Al-Mg-Si合金生產(chǎn)過程中影響合金中化合物的關(guān)鍵工藝，均勻化后的組織決定了后續(xù)工藝時合金內(nèi)的組織狀態(tài)[6]。

本文選取6xxx系合金為研究對象，通過觀察經(jīng)不同均勻化溫度處理后的鑄態(tài)和擠壓態(tài)微觀組織以及對型材性能的測試，探討均勻化溫度對鋁合金微觀組織與性能的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗方案

采用半連續(xù)水冷鑄造方法制備鋁合金鑄錠，采用熒光光譜法測得合金主要化學成分，合金成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為，Si 0.6～0.8，F(xiàn)e 0.25，Cu 0.1，Mn 0.1～0.4，Mg 0.75～0.90，Cr 0.05，Ti 0.05，Al余量。采用差熱分析儀對合金進行DTA分析，結(jié)果見圖1，并以純鋁作為參比試樣。由圖1可知，在595℃和660℃出現(xiàn)了兩個吸熱峰，第一個吸熱峰為熔化吸熱峰，第二個吸熱峰為該鋁合金的熔點[7]。為了防止合金均勻化溫度過高產(chǎn)生過燒，要合理選擇均勻化溫度。因此,本文設(shè)定合金均勻化溫度分別為520℃、540℃、560℃、580℃，保溫時間為6h，冷卻方式為水冷。

均勻化處理后，鑄棒在油壓臥式雙動擠壓機進行擠壓生產(chǎn)；具體擠壓工藝為，鑄錠溫度470℃～490℃，擠壓速度3.5m/min～4.0m/min，擠壓筒溫度450℃，模具溫度420℃，淬火方式為水冷。對擠壓制品進行相同的時效熱處理，時效制度統(tǒng)一為200℃×5h，對時效后的型材進行組織與性能檢測。

1.2 性能測試

采用配備彎曲裝置的電子萬能試驗機進行室溫三點彎曲性能測試，試驗參照標準VDA 238-100，試樣大小為60mm×60mm，彎曲壓片寬度為2mm，每個制度每個方向進行3次試驗，彎曲角度取平均值；使用AX10型光學顯微鏡(OM)進行光學顯微組織觀察，并測量粗晶層的厚度；使用SSX-550型掃描電鏡(SEM)觀察第二相形貌和分布，試樣大小25mm×15mm，腐蝕液為科勒試劑。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 均勻化溫度對鑄態(tài)組織的影響

圖2為未均勻化處理合金的鑄態(tài)組織。合金凝固時由于成分過冷作用，固-液界面呈樹枝狀向液體中延伸，因Al熔點高于合金元素，所以α-Al先凝固成樹枝狀骨架，向液相排出溶質(zhì)原子，含有溶質(zhì)的液相凝固成枝晶的外部結(jié)構(gòu)，即出現(xiàn)枝晶偏析。所以圖2中合金的鑄態(tài)組織主要由樹枝狀的α-Al固溶體和枝晶間析出相組成，析出物呈網(wǎng)狀，為骨骼狀共晶形態(tài)，晶內(nèi)有少量黑色析出相，經(jīng)能譜分析得知晶內(nèi)析出相為Mg2Si相。

圖3為經(jīng)不同溫度均勻化處理后的合金顯微組織。

合金經(jīng)520℃均勻化處理后枝晶的網(wǎng)狀組織已出現(xiàn)斷續(xù)，細小析出相由晶界開始向晶內(nèi)析出擴散，但晶粒內(nèi)部仍有較大無析出相部分(圖3(a))；經(jīng)540℃均勻化處理后，枝晶組織進一步溶解，晶內(nèi)析出相的數(shù)量增加(圖3(b))；經(jīng)560℃均勻化處理后，枝晶組織大部分均溶解且晶內(nèi)的析出相較均勻(圖3(c))；經(jīng)580℃均勻化處理后，幾乎無明顯枝晶組織，晶內(nèi)的析出相出現(xiàn)明顯長大(圖3(d))。

均勻化處理實質(zhì)上分為兩部分，一部分為過剩相的溶解；另一部分為過飽和元素沉淀析出，而過剩相的溶解擴散與溫度的關(guān)系可以由菲克擴散定律[8]表示，公式如下：

(1)

式中，J為單位時間內(nèi)通過單位面積擴散物質(zhì)的量；D為擴散系數(shù)，該系數(shù)與合金的成分、固溶體類型、晶粒尺寸、溫度有關(guān)，可用以下公式表示為：

(2)

式中，D0為常數(shù)；Q為擴散激活能；R為氣體常數(shù)；T為均勻化熱力學溫度。由式(2)可以看出，均勻化溫度增加，擴散系數(shù)將增大，擴散的速度加快，這與本文的研究結(jié)果相符。

2.2 均勻化溫度對擠壓制品粗晶層的影響

圖4為合金不同均勻化溫度下擠壓制品的晶粒組織圖，由圖可知，隨著均勻化溫度的升高，擠壓制品的粗晶層厚度有所增加，不同均勻化溫度下型材的平均粗晶層厚度分別為32.62 μm、89.53 μm、174.61μm、329.78 μm。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為在均勻化溫度較低時，網(wǎng)狀枝晶溶解較少(圖3(a)(b))，擠壓過程中枝晶受力發(fā)生破碎，形成第二相質(zhì)點，能夠阻礙晶界或亞晶界的遷移，起到一定抑制再結(jié)晶的作用，所以此時擠壓制品的粗晶層較??；均勻化溫度較高時，枝晶網(wǎng)溶解較多，導致擠壓后第二相質(zhì)點數(shù)量降低，發(fā)生明顯再結(jié)晶現(xiàn)象，形成粗晶層，所以粗晶層較厚。

2.3 均勻化溫度對擠壓制品性能的影響

圖5為擠壓后經(jīng)200℃×5h人工時效后的彎曲試驗結(jié)果，在均勻化溫度為560℃時，彎曲角度最大，此時平行和垂直擠壓方向上角度分別為87°和99°。均勻化溫度較低時，擠壓制品的粗晶層較薄，再結(jié)晶晶粒長大不明顯，導致晶界數(shù)量較多，晶界強化效應明顯，變形過程中能夠有效阻礙位錯運動，所以最大彎曲角度較小。隨著均勻化溫度的上升，抑制再結(jié)晶效果減弱，再結(jié)晶晶粒長大明顯，粗晶層厚度增加，一方面減弱晶界強化效應，使塑性增加；另一方面邊部和芯部的晶粒尺寸差異增大，塑性降低，綜合兩方面因素最終在560℃時達到峰值。而均勻化溫度為580℃時，再結(jié)晶現(xiàn)象較為嚴重，邊部晶粒與芯部晶粒大小差別較大，在彎曲過程中變形不均勻，導致最大彎曲角度出現(xiàn)少量下降。

合金電導率能夠表示自由電子在金屬晶格中定向流動的能力，還能夠從側(cè)面反映合金的抗腐蝕性能。圖6為不同均勻化溫度下擠壓制品的電導率。

由圖6可知，電導率隨著均勻化時間的延長呈少量上升趨勢。按Mathiessen[9]理論，合金元素在基體中固溶度升高，將導致電導率下降;合金元素從過飽和固溶體中析出，元素固溶度下降，導致電導率升高,但同時合金結(jié)構(gòu)將由單相變?yōu)閺拖?，對合金電導率有不利作用。有研究表明，基體中的固溶原子引起的點陣畸變是影響電子散射作用的主要因素。在均勻化過程中，粗大的枝晶相溶解、斷裂，轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀相，當均勻化溫度升高，顆粒狀相將發(fā)生聚集、球化，形成更細小彌散的析出相，這些析出相顆粒具有高密度和高熱穩(wěn)定性，在之后的塑性變形、固溶時效后仍然存在[10]。最終導致均勻化溫度較高的合金經(jīng)擠壓變形+人工時效后第二相粒子數(shù)量更多，合金元素的固溶度下降，所以電導率呈上升趨勢，同時也說明合金的抗腐蝕性能升高。

3 結(jié)論

本文研究了均勻化溫度對6xxx系鋁合金鑄態(tài)組織和擠壓態(tài)組織與性能的影響，在本文范圍內(nèi)結(jié)論如下：

(1)本研究成分范圍內(nèi)鋁合金鑄錠均勻化處理的最佳溫度為560℃，在該溫度下均勻化處理后，擠壓態(tài)的材料具有良好的綜合性能，此時合金平行擠壓方向的彎曲角度為87°，垂直擠壓方向的彎曲角度為99°，電導率為29.3%IACS；

(2)合金經(jīng)均勻化處理后由非平衡凝固造成的偏析組織重新溶解，提高合金的過飽和程度，保證了擠壓淬火前合金的固溶程度，均勻化溫度越高，非平衡相溶解越多，使合金組織與性能均勻性得到明顯改善；

(3)不同均勻化溫度對型材粗晶層厚度有一定影響，隨著溫度升高粗晶層的厚度增加。