祝 哮，鄭 建，王麗萍，吳金鳳，曹 帥

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng)111003）

0 前言

近年來(lái)，鋁及鋁合金在汽車輕量化應(yīng)用上得到了越來(lái)越多的關(guān)注[1]。6063合金屬于可熱處理強(qiáng)化的Al-Mg-Si 系鋁合金。該合金具有中等強(qiáng)度、良好的可擠壓性、耐蝕性高、焊接性好以及較低的密度等優(yōu)點(diǎn)[2]。6063鋁合金中含有少量的Fe元素。一般情況下，F(xiàn)e 作為雜質(zhì)元素，在合金中形成的雜質(zhì)相對(duì)6×××系合金的綜合性能是有害的[3-4]。H.TANIHATA 等人對(duì)6×××系合金中AlFeSi 相的形成進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，認(rèn)為冷卻速度決定了AlFeSi 相的形成種類[5]。但有關(guān)Fe 元素含量對(duì)AlFeSi相形成的影響方面的研究較少，是否可通過(guò)合理控制Fe元素來(lái)對(duì)6×××系合金進(jìn)行有益影響仍未可知。本文通過(guò)對(duì)6063 鋁合金添加不同含量的Fe元素來(lái)探討不同F(xiàn)e元素含量對(duì)6063合金鑄錠微觀組織及力學(xué)性能的影響，為6063 合金成分優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以6063 為基礎(chǔ)材料，設(shè)計(jì)三種不同F(xiàn)e 含量的合金成分，設(shè)計(jì)成分如表1所示。

表1 6063鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)程序?yàn)槭釄鍫t內(nèi)靜置澆鑄，分別對(duì)不同F(xiàn)e 含量（0.1%、0.2%和0.3%）的合金進(jìn)行試制試驗(yàn)。在石墨坩堝爐中每次投入約5 kg左右高純鋁錠及中間合金碎塊，于750 ℃熔化后進(jìn)行攪拌、扒渣、除氣、精煉及靜置等工藝處理，然后澆入石墨模具內(nèi)，鑄成?80 mm×300 mm 的合金圓鑄錠。試制工藝如表2所示。

表2 石墨坩堝爐鑄造工藝主要參數(shù)

將不同鑄錠分別沿軸向切半，分別用于鑄態(tài)和均勻化退火的組織及力學(xué)性能試驗(yàn)。在鑄錠心部和邊部各切取30 mm×30 mm×30 mm 作為金相檢測(cè)試樣。試樣經(jīng)過(guò)磨樣、拋光后，選用Keller腐蝕液（1%HF、1.5%HCl、2.5%HNO3、95%H2O，體積分?jǐn)?shù)%）進(jìn)行組織腐蝕，試驗(yàn)采用Axio-Imager 蔡司顯微鏡觀察金相顯微組織，并計(jì)算顯微組織晶粒度。在鑄錠軸向方向分別切取3 個(gè)30 mm×180 mm×30 mm 條狀試塊制備拉伸力學(xué)試樣和電導(dǎo)率試樣；試驗(yàn)采用Sigmatest2.069 渦流電導(dǎo)儀在室溫（23 ℃）下進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量并采用ZX-LX-004電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，施加載荷為100 kN。為保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，電導(dǎo)率實(shí)測(cè)需5個(gè)點(diǎn)以上，力學(xué)性能實(shí)測(cè)3組，取其平均值作為電導(dǎo)率和力學(xué)性能值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同F(xiàn)e含量對(duì)6063鑄態(tài)鋁合金組織的影響

圖1 為不同F(xiàn)e 含量的6063 鑄態(tài)合金中心和邊部的微觀晶粒組織。Fe 含量依次為0.1%、0.2%、0.3%的鑄錠中心位置的高倍晶粒度分別為2.5 級(jí)、3.0 級(jí)和3.0 級(jí)；邊部位置的高倍晶粒度依次為4.0級(jí)、3.5 級(jí)和3.0 級(jí)。當(dāng)Fe 含量為0.1%時(shí)，心部與邊部晶粒尺寸差別較大，產(chǎn)生這種差異的原因可能是由于鑄錠凝固是從鑄錠軸向外表面向里先開(kāi)始形核與長(zhǎng)大[6]。在凝固初期，鑄錠壁面上形成極大的過(guò)冷度使鑄錠表面迅速形成細(xì)小的等軸晶。當(dāng)Fe含量為0.2%、0.3%時(shí)，合金凝固過(guò)程中對(duì)過(guò)冷度的敏感性較小，鑄錠內(nèi)部晶粒尺寸基本保持一致。

不同F(xiàn)e 含量的6063 鑄態(tài)鋁合金顯微組織如圖2所示。鑄態(tài)合金組織中枝晶網(wǎng)絡(luò)上存在大量共晶體，共晶體以α（Al）+Mg2Si 為主，同時(shí)存在少量的其他相。并且合金內(nèi)部的晶粒尺寸不均勻，伴有大量枝晶，連續(xù)枝晶網(wǎng)絡(luò)顯著，甚至出現(xiàn)了二次枝晶等。

圖1 不同F(xiàn)e含量的6063鋁合金晶粒組織

圖2 不同F(xiàn)e含量的6063鋁合金顯微組織

對(duì)比不同F(xiàn)e 含量的6063 鋁合金顯微組織可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Fe 含量為0.1%時(shí)，第二相在晶界處大量析出，枝晶數(shù)量多，枝晶間距大；當(dāng)Fe含量＞0.1%時(shí)，晶界平直、細(xì)小，枝晶數(shù)量減少，枝晶間距增加，第二相含量降低，晶內(nèi)有少量彌散相析出；當(dāng)Fe 含量為0.3%時(shí)，組織中開(kāi)始出現(xiàn)形狀規(guī)則的顆粒相。

圖3 為不同F(xiàn)e 含量的6063 鋁合金SEM 形貌圖。表3 為第二相能譜分析結(jié)果。從圖中可以看出，6063 合金鑄態(tài)組織的晶界呈網(wǎng)狀分布，晶界處存在較大的析出相和共晶組織，枝晶網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)。根據(jù)能譜分析結(jié)果可知，6063 合金第二相主要由Mg2Si、AlFeSi、FeAl3及單質(zhì)Si相組成。AlFeSi相通常呈狹長(zhǎng)的板條狀，單質(zhì)Si 通常呈形狀規(guī)則的塊狀。由表3 可知，單質(zhì)Si含量隨著Fe含量增加而增大。FeAl3相主要呈針狀，針狀相對(duì)基體產(chǎn)生強(qiáng)烈的割裂作用，會(huì)對(duì)合金的綜合力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響[7]。

圖3 不同F(xiàn)e含量的6063鑄態(tài)合金SEM形貌

圖4 均勻化565 ℃×10 h對(duì)不同F(xiàn)e含量的6063鋁合金處理的顯微組織

表3 鑄態(tài)合金不同位置的EDS能譜分析（原子百分?jǐn)?shù)/%）

2.2 對(duì)6063鋁合金均勻化退火組織的影響

圖4 為不同F(xiàn)e 含量的6063 鑄態(tài)合金在均勻化565 ℃×10 h（空冷）后的顯微組織。從圖中可以看出，經(jīng)均勻化處理后，鑄態(tài)合金中粗大的共晶組織和非平衡低熔點(diǎn)共晶相逐漸溶解，枝晶網(wǎng)絡(luò)逐漸變得稀疏，晶界上的殘留相及共晶組織由連續(xù)分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)沿晶界分布[8-9]。由三組試驗(yàn)對(duì)比可知，當(dāng)6063合金中Fe含量為0.2%時(shí)，枝晶網(wǎng)絡(luò)溶解最充分，且合金中的枝晶網(wǎng)絡(luò)非常稀疏，非溶相和枝晶偏析基本消除，與此同時(shí)殘留相最少。

2.3 對(duì)6063鋁合金性能的影響

圖5（a）為均勻化處理前后不同F(xiàn)e 含量6063合金的電導(dǎo)率。從圖中可以看出，隨著Fe 含量的增加，電導(dǎo)率呈先增加后減小的趨勢(shì)。自由電子理論認(rèn)為，金屬內(nèi)部存在缺陷和雜質(zhì)，缺陷和雜質(zhì)產(chǎn)生的靜態(tài)點(diǎn)陣畸變和熱振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)點(diǎn)陣畸變對(duì)電子波造成散射，從而產(chǎn)生電阻。也就是說(shuō)凡是阻礙電子運(yùn)動(dòng)或是增加電子波散射概率的因素都能增加電阻降低電導(dǎo)率[10]。其中Fe 含量為0.2%時(shí)，晶界平直、細(xì)小，晶界處第二相含量較低，試驗(yàn)測(cè)得電導(dǎo)率較高。均勻化565 ℃×10 h處理前、后電導(dǎo)率分別為53.0%IACS、51.7%IACS。

圖5（b）、（c）和（d）分別為鑄態(tài)及均勻化565 ℃×10 h處理后與不同F(xiàn)e含量的6063合金力學(xué)性能的關(guān)系（屈服、抗拉及延伸率）。從圖中可以看出，添加不同F(xiàn)e 含量對(duì)6063 合金力學(xué)性能有一定的影響，隨著Fe 含量的增加，力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率）均呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)Fe 含量為0.2%時(shí)，性能最佳。這主要是由于適量的Fe 含量可以促進(jìn)凝固過(guò)程中形成晶核，從而起到晶粒細(xì)化作用。而隨Fe 含量的提高，會(huì)造成基體上初生相增多，從而嚴(yán)重影響合金的力學(xué)性能。

圖5 鑄態(tài)與均勻化對(duì)不同F(xiàn)e含量的6063合金性能的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）6063 鑄態(tài)合金析出相及共晶組織大量集中或偏聚在晶界上，隨Fe 含量的增加，晶粒大小、枝晶數(shù)量及枝晶間距均呈先減少后增加趨勢(shì)，F(xiàn)e含量為0.2%時(shí)最佳。

（2）6063 鋁合金經(jīng)565 ℃×10 h 均勻化處理后，當(dāng)Fe 含量為0.2%時(shí)，枝晶組織網(wǎng)絡(luò)完全溶解，且非溶相和枝晶偏析基本消除，殘留相非常稀少。

（3）添加不同F(xiàn)e含量對(duì)6063合金力學(xué)性能有一定的影響，隨著Fe 含量的增加，力學(xué)性能呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)Fe 含量為0.2%時(shí)，性能最佳。