冉凡青，白永芳，尹竹松，魏建國(guó)，高紫陽(yáng)

（天津忠旺鋁業(yè)有限公司，天津 301700）

0 前言

在世界工業(yè)發(fā)展要求節(jié)能、環(huán)保的迫切形勢(shì)下，一些發(fā)達(dá)國(guó)家制定了汽車燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)和越來(lái)越嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)。因此，減輕汽車自重以降低能耗、減少污染、提高效率成為各大汽車企業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要措施。鋁合金及其加工材料，由于密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、彈性好、抗沖擊性能良好、耐腐蝕及良好的加工性能等一系列優(yōu)良特性，在汽車行業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用，從而成為制造汽車的重要材料[1-3]。

常用于車身板的鋁合金主要為2×××系、5×××系和6×××系鋁合金。其中6×××系鋁合金由于成型性好、烤漆強(qiáng)度高、耐腐蝕、沖壓后無(wú)呂德斯帶等優(yōu)點(diǎn)，在汽車工業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于較薄的汽車外車身更注重強(qiáng)度，因此外車身主要用6111 合金[4-5]。6111 合金鑄錠中通常含有大量非平衡凝固相，需要進(jìn)行鑄錠均勻化處理將其消除。有學(xué)者對(duì)6111均勻化工藝進(jìn)行過(guò)探索[1]，但優(yōu)選的均勻化溫度較低，均勻化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)，因此本文在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的基礎(chǔ)上研究了6111 鋁合金的鑄態(tài)組織以及對(duì)經(jīng)過(guò)不同均勻化條件下的顯微組織進(jìn)行分析，確定其合適的均勻化工藝。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)合金為某公司生產(chǎn)的6111 鑄錠，鑄錠規(guī)格為630 mm×1 500 mm×7 000 mm。其化學(xué)成分如表1 所示。將鑄錠分切為15 mm×12 mm×10 mm 長(zhǎng)方形試樣，分別在熱處理爐中進(jìn)行不同制度的均勻化實(shí)驗(yàn)，均勻化熱處理后試樣取出空冷，之后進(jìn)行機(jī)械研磨、拋光，采用Zeiss Axio Vert.AI MAT 金相顯微鏡下觀察顯微組織，采用蔡司掃描電鏡對(duì)析出相進(jìn)行分析，采用SMP10數(shù)顯電導(dǎo)率儀對(duì)試樣進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量，采用STA449F3 同步熱分析儀對(duì)樣品進(jìn)行DSC分析。

表1 6111掃描形貌中各點(diǎn)能譜分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

表1 6111合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

本次實(shí)驗(yàn)選用均勻化工藝為：560 ℃× （4 h、8 h、12 h、16 h）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鑄態(tài)組織分析

圖1 為6111 鋁合金鑄態(tài)組織的金相與掃描形貌。金相圖可以發(fā)現(xiàn)，在晶界存在粗大的網(wǎng)狀枝晶。掃描形貌則可以看出，晶界處存在規(guī)則或不規(guī)則的塊狀相（見圖1（b）中箭頭A、E），長(zhǎng)條狀（見圖1（b）中箭頭B 、C、 D）及魚骨狀枝晶。由表1 的能譜分析結(jié)果可知，塊狀相主要含Al、Si、Cu 元素和含量較少的Fe 元素，長(zhǎng)條狀相中主要含Al、Si、Cu、Mn、Fe元素。

圖1 6111合金鑄態(tài)組織

2.2 均勻化組織分析

圖2為6111鋁合金鑄錠經(jīng)均勻化熱處理不同時(shí)間后的析出物金相照片。與鑄態(tài)相比，晶界處仍存在粗大的枝狀晶，但隨均勻化熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，析出物連續(xù)性不明顯、數(shù)量較少；當(dāng)均勻化時(shí)間超過(guò)12 h后，析出相減少的趨勢(shì)變得不再明顯。將圖2 通過(guò)圖像處理軟件對(duì)析出相面積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了計(jì)算，得到如下結(jié)果：560 ℃/4 h時(shí)為1.38%，560 ℃/8 h 時(shí)為1.19%，560 ℃/12 h 時(shí)為0.98%，560 ℃/16 h時(shí)為0.97%，將數(shù)據(jù)繪制成曲線圖如圖3所示，從圖3可以直觀的發(fā)現(xiàn)，面積分?jǐn)?shù)的結(jié)果與直觀金相表現(xiàn)出的形貌一致，均勻化時(shí)間超過(guò)12 h后析出相幾乎不再減少。圖4為6111合金鑄錠經(jīng)560 ℃均勻化熱處理不同時(shí)間后的掃描照片，由圖4 和表2 的能譜分析可以看出鑄錠均勻化后結(jié)晶相的類型與鑄態(tài)類似，主要含Al、Si、Cu、Mn、Fe 元素，隨均勻化熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，晶界上呈圓點(diǎn)狀的相越來(lái)越多，晶界內(nèi)也逐漸增多彌散析出的第二相，主要含有Al、Cu、Mn和少量Fe元素。

圖2 6111鋁合金經(jīng)560 ℃均勻化處理不同時(shí)間后的金相照片

圖3 不同均勻化制度下析出相的面積分?jǐn)?shù)

圖4 6111鋁合金經(jīng)560 ℃均勻化處理不同時(shí)間后的掃描照片

表2 圖4中各點(diǎn)能譜分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2.3 電導(dǎo)率測(cè)試與分析

將鑄錠樣品和不同均勻化之后的樣品分別進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量，所得結(jié)果如圖5所示。由圖發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率在均勻化初期上升較快，到12 h后趨于穩(wěn)定。上文鑄錠金相分析中已知6111 合金中存在大量含Al、Si、Cu 元素的塊狀相和含Al、Si、Cu、Mn、Fe 元素的長(zhǎng)條相，合金的物相結(jié)構(gòu)為非平衡的過(guò)飽和固溶體和枝晶間粗大的平衡第二相。根據(jù)Mathiessen 理論[6]，合金的電導(dǎo)率是受純鋁基體電導(dǎo)率、添加合金元素Mg、Si、Cu 等形成固溶體引起的電導(dǎo)率變化、過(guò)飽和固溶體分解析出引起的電導(dǎo)率變化以及合金中空位、位錯(cuò)、晶界變化引起的電導(dǎo)率變化等幾個(gè)因素的綜合影響。在均勻化的過(guò)程中，鑄造應(yīng)力引起的晶格畸變逐漸消失，晶內(nèi)偏析逐漸消除，晶界上的非平衡共晶相逐漸溶入基體中，基體點(diǎn)陣的晶格畸變逐漸減小，即減小了基體點(diǎn)陣中電子散射源的密度。因此，對(duì)合金在進(jìn)行均勻化處理的初期，電導(dǎo)率存在明顯上升的趨勢(shì)，隨著均勻化時(shí)間延長(zhǎng)，合金中鑄造應(yīng)力逐漸消失，合金元素的濃度差逐漸變小，基體中空位的濃度也逐漸減小并趨向平衡，從而導(dǎo)電率趨于穩(wěn)定。

圖5 不同均勻化制度下電導(dǎo)率的變化

2.4 DSC分析

圖6為6111合金鑄錠及其經(jīng)560 ℃不同時(shí)間均勻化熱處理后的分析曲線。由圖可知，6111 合金鑄態(tài)樣品在262 ℃左右存在一個(gè)較大的放熱峰，即表征析出物在該溫度附近產(chǎn)生。在575 ℃左右首次出現(xiàn)一個(gè)較大的吸熱峰，說(shuō)明該合金鑄態(tài)組織中存在較多熔點(diǎn)在此溫度附近的低熔點(diǎn)不平衡相。為避免鑄錠過(guò)燒，均勻化熱處理溫度不得超過(guò)575 ℃。

圖6 6111合金鑄錠及其均勻化熱處理不同時(shí)間后的DSC分析

6111鋁合金鑄錠經(jīng)560 ℃均勻化熱處理不同時(shí)間后，其DSC 分析曲線上對(duì)應(yīng)的吸熱峰逐漸減小，當(dāng)均勻化時(shí)間延長(zhǎng)至12 h 后，峰值幾乎不再變化。因此，結(jié)合合金顯微形貌及DSC 分析，6111 合金的最優(yōu)均勻化工藝為560 ℃×12 h。

3 結(jié)論

（1）鑄態(tài)6111合金晶界處存在規(guī)則或不規(guī)則的含Al、Si、Cu 元素的塊狀相和含F(xiàn)e、Mn 元素的長(zhǎng)條相以及大量魚骨狀枝晶組織。

（2）結(jié)合顯微組織與DSC 分析，并結(jié)合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)，最終優(yōu)化出的6111 合金最優(yōu)均勻化工藝為560 ℃×12 h。