均勻化冷卻速率對(duì)6005A鑄錠組織性能的影響

孫文超，吳敬哲，于金鳳

（叢林集團(tuán)有限公司，龍口 265705）

均勻化冷卻速率對(duì)6005A鑄錠組織性能的影響

孫文超，吳敬哲，于金鳳

（叢林集團(tuán)有限公司，龍口 265705）

研究了6005A合金均勻化處理后不同冷卻速率下金相組織、硬度及電導(dǎo)率的變化規(guī)律。隨冷卻速率的增加，鑄錠中針狀的Mg2Si相逐漸減少，黑色粒狀Mn、Cr的化合物質(zhì)點(diǎn)逐漸細(xì)化；鑄錠的硬度值逐漸升高，電導(dǎo)率值逐漸降低。通過適當(dāng)調(diào)控均勻化后冷卻速率，可以改變Mg2Si相、Mn、Cr化合物的形態(tài)和分布，進(jìn)而影響擠壓時(shí)鑄棒的變形抗力和型材的粗晶層厚度，達(dá)到改善型材質(zhì)量的效果。

均勻化冷卻速率；6005A合金；電導(dǎo)率；硬度

0 前言

6005A鋁合金屬Al-Mg-Si系鋁合金，其鑄錠在半連續(xù)鑄造過程中由于結(jié)晶速度快導(dǎo)致鑄錠的晶內(nèi)偏析和區(qū)域偏析，并在鑄錠內(nèi)部形成很大的鑄造應(yīng)力。一般均勻化處理是為了消除非平衡結(jié)晶偏析和鑄造應(yīng)力，提高鑄錠的加工性能[1]。但是，鑄錠經(jīng)均勻化處理后，從均勻化溫度冷卻到室溫的過程中，冷卻方式和冷卻速度直接影響第二相的形態(tài)和分布，從而對(duì)合金的擠壓性能和型材的質(zhì)量有重要的影響[2、3]。

因此，本文通過對(duì)鋁合金鑄錠進(jìn)行均勻化處理后不同冷卻方式處理的研究，采用硬度測(cè)試、電導(dǎo)率測(cè)試、金相組織檢測(cè)等手段，尋找鋁合金在均勻化處理不同冷卻方式下組織和性能的變化規(guī)律，為工業(yè)化生產(chǎn)中6005A合金均勻化處理工藝的制定提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)選取半連續(xù)鑄造生產(chǎn)φ458mm規(guī)格6005A合金鑄錠，其合金成分見表1。對(duì)鑄錠進(jìn)行575℃保溫10h均勻化處理，均勻化處理在火焰加熱爐中進(jìn)行，溫度控制在±5℃。對(duì)均勻化處理后鑄錠分別按A、B、C、D、E 5種不同的冷卻速率進(jìn)行冷卻。冷卻速度大?。篈＜B＜C＜D＜E。

表1 6005A合金鑄錠化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)方法

為保證硬度及電導(dǎo)率測(cè)試的準(zhǔn)確性，如圖1所示，對(duì)均勻化處理前后φ458mm鑄錠，在橫截面上從邊部到中心每隔20cm進(jìn)行硬度及電導(dǎo)

率測(cè)量。其中，硬度測(cè)量符合GBT 17394-1998規(guī)定，電導(dǎo)率測(cè)試符合GBT 12966-2008規(guī)定。對(duì)金相試樣進(jìn)行機(jī)械拋光處理，用keller試劑（2mLHF+3mLHCl+5mLHNO3+95mLH2O）進(jìn)行腐蝕，采用Olympus顯微鏡對(duì)其進(jìn)行金相組織觀察。

圖1 硬度、電導(dǎo)率測(cè)量點(diǎn)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 均質(zhì)冷卻速率對(duì)鑄錠組織的影響

圖2為A、B、C、D、E 5種不同的冷卻速率下鑄錠的金相組織。圖2（a）中鑄錠經(jīng)均勻化處理后，粗大的第二相溶解，同時(shí)合金內(nèi)部析出大量灰色的針狀和黑色的粒狀質(zhì)點(diǎn)，其中針狀為Mg2Si相，黑色質(zhì)點(diǎn)為含Mn、Cr的化合物質(zhì)點(diǎn)；圖2（e）中只有黑色的粒狀質(zhì)點(diǎn)，且其尺寸明顯小于圖2（a）中的。隨均勻化冷卻速率的增加，鑄錠中針狀的Mg2Si相逐漸減少，黑色粒狀Mn、Cr的化合物質(zhì)點(diǎn)逐漸細(xì)化。

圖2 A、B、C、D、E 5種不同的冷卻速率下的金相組織

這是由于均勻化處理后快速冷卻，Mn、Cr化合物的成核速率快速提高，形成了生成大量細(xì)小

Mn、Cr化合物質(zhì)點(diǎn)的有利條件，且快速冷卻致使擴(kuò)散很慢，質(zhì)點(diǎn)的長(zhǎng)大速度明顯降低[4]。

在較慢的冷卻條件下，合金內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量粗大的Mg2Si質(zhì)點(diǎn)，這些質(zhì)點(diǎn)太大，以致它在擠壓過程中不能溶解。在擠壓過程中，可能溶解不完全并且可能引起局部熔化，導(dǎo)致表面質(zhì)量惡化。而且，緩慢冷卻條件下會(huì)導(dǎo)致固溶體中Mg、Si含量減少，鋁基體的強(qiáng)度降低。在緩慢冷卻條件下，Mn、Cr化合物質(zhì)點(diǎn)發(fā)生聚集、長(zhǎng)大，影響擠壓過程中Mn、Cr化合物質(zhì)點(diǎn)抑制再結(jié)晶的作用。當(dāng)冷卻速度過快時(shí)，固溶體的過飽和程度大，導(dǎo)致晶格畸變，引起內(nèi)能增高，微觀應(yīng)力增大，阻礙位錯(cuò)滑移變形，使得變形抗力增大。

因此，在大工業(yè)生產(chǎn)情況下，鑄錠均勻化后冷卻速率達(dá)到D狀態(tài)時(shí)，一方面，有效地調(diào)控了Mg2Si相的尺寸和數(shù)量，降低擠壓時(shí)鑄棒的變形抗力，且可使Mg2Si相在擠壓過程中溶解，提高型材的力學(xué)性能；另一方面，有效地調(diào)控了Mn、Cr化合物質(zhì)點(diǎn)的尺寸與數(shù)量，在擠壓過程中有效地抑制再結(jié)晶，降低型材的粗晶層厚度。

2.2 均質(zhì)冷卻速率對(duì)鑄錠硬度的影響

圖3所示為A、B、C、E、E 5種不同的均勻化冷卻速率下的硬度值變化曲線。由圖3可知：鑄態(tài)下鑄錠的電導(dǎo)率值最大，且中心位置的硬度明顯高于邊部，不同位置的硬度均在53.5HL以上；鑄錠經(jīng)均勻化處理后，不同位置的硬度趨于均勻；隨均勻化后冷卻速度的增加，硬度逐漸增大。

圖3 A、B、C、D、E 5種不同的冷卻速率下的硬度

均勻化過程實(shí)質(zhì)上是過剩相溶解和過飽和元素沉淀同時(shí)進(jìn)行的一個(gè)雙向動(dòng)態(tài)過程。均勻化處理過程中，合金的硬度與基體的過飽和程度、第二相的粒度、形狀和物相結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。合金在鑄造冷卻條件下，其組織主要為過飽和固溶體，由于過飽和程度較高，合金的硬度也相應(yīng)較大。在均勻化過程中，過飽和固溶體逐漸分解，鑄造過程中形成的結(jié)晶相逐漸溶解。在均勻化冷卻過程中，基體的過飽和固溶體逐漸分解，析出平衡相，使基體過飽和程度下降，導(dǎo)致合金的硬度降低。隨均勻化冷卻速率的增加，基體的過飽和程度增大，溶質(zhì)的固溶強(qiáng)化機(jī)制占主導(dǎo)，從而硬度增加；隨均勻化冷卻速率的降低，基體的過飽和程度減小，析出的平衡相聚集長(zhǎng)大，進(jìn)一步導(dǎo)致鑄錠硬度的降低。

2.3 均質(zhì)冷卻速率對(duì)鑄錠電導(dǎo)率的影響

圖4所示為A、B、C、E、E 5種不同的均勻化冷卻速率下的電導(dǎo)率變化曲線。由圖4可知：鑄態(tài)下電導(dǎo)率值最低，其中邊部電導(dǎo)率明顯低于中間位置；鑄錠經(jīng)均勻化處理后，不同位置電導(dǎo)率分布比較均勻；與硬度規(guī)律相反，隨均勻化冷卻速率的增加，電導(dǎo)率降低。

圖4 A、B、C、D、E 5種不同的冷卻速率下的電導(dǎo)率

電導(dǎo)率由合金元素、合金的固溶狀態(tài)、第二相析出與分布等微觀結(jié)構(gòu)因素決定的。按Mathiessen理論，多組元合金電導(dǎo)率主要受合金元素在鋁基體中固溶度變化的影響，固溶在鋁基體

中的原子引起的點(diǎn)陣畸變對(duì)電子的散射作用比析出的第二相引起的散射作用強(qiáng)得多。鑄態(tài)條件下的合金組織為非平衡固溶體的過飽和組織，這種組織是不穩(wěn)定的組織。由于過飽和程度高，合金的電導(dǎo)率主要是由過飽和固溶體的電導(dǎo)率控制。當(dāng)溶質(zhì)含量較高時(shí)，合金的電阻率較高，而電導(dǎo)率較低。鑄態(tài)組織中，邊部急冷，過飽和固溶體中固溶的合金元素多，電導(dǎo)率低。合金電導(dǎo)率大于其鑄態(tài)電導(dǎo)率，這是因?yàn)楹辖痂T態(tài)固溶在基體中的溶質(zhì)原子大大降低了合金的導(dǎo)電性，均勻化處理后，合金析出了大量的第二相粒子，降低了基體中的過飽和固溶度。

隨均勻化冷卻速率的降低，電導(dǎo)率變化的主要因素有兩個(gè)方面：一是過飽和固溶體的分解使基體中固溶元素減少，合金電阻率下降；其次是第二相粒子從過飽和固溶體中析出，使合金結(jié)構(gòu)由單相變?yōu)閺?fù)相，合金電阻率上升。因?yàn)楣倘茉訉?duì)電導(dǎo)率的影響大于第二相的作用，所以總體上，粒子析出過程中會(huì)提高合金的電導(dǎo)率。溶質(zhì)原子從過飽和固溶體中析出，形成平衡第二相，固溶體中溶質(zhì)原子的含量下降，從而使合金的電導(dǎo)率提高。這些特點(diǎn)與顯微組織的觀察結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

隨均勻化冷卻速率的增加，鑄錠中針狀的Mg2Si相逐漸減少，黑色粒狀Mn、Cr的化合物質(zhì)點(diǎn)逐漸細(xì)化；6005A合金鑄錠的硬度值逐漸升高，電導(dǎo)率值逐漸降低。通過適當(dāng)調(diào)控均勻化后冷卻速率，可以改變Mg2Si相、Mn、Cr化合物的形態(tài)和分布，進(jìn)而影響擠壓時(shí)鑄棒的變形抗力和型材的粗晶層厚度，達(dá)到改善型材質(zhì)量的效果。

[1] 張珊珊.Al-Mg-Si合金鑄態(tài)組織及其鑄錠均勻化處理研究[D].沈陽(yáng)，東北大學(xué)，2011

[2] 王國(guó)峰.鑄錠均勻化處理對(duì)鋁型材表面的影響[J].寧夏大學(xué)學(xué)報(bào)，自然科學(xué)版，2002，23（2）：173-181

[3] Yuemei Wu，Ji Xiong.The microstructure evolution of an Al-Mg-Si-Mn-Cu-Ce alloy during homogenization[J]. Journal of Alloys Compounds，475（2009）332-338

[4] Yucel Birol.Precipitation during homogenization cooling in AlMgSi alloys[J]. Trans.Nonferrous Met，Soc.China23（2013）∶1875-1881

（編輯：余東梅）

Effect of Cooling Rate on Homogenization Treatment for 6005A Aluminum Alloy

SUN Wen-chao,WU Jing-zhe ,YU Jin-feng
(Conglin Group Company, Longkou 265705,China)

The microstructure, hardness and conductivity under different cooling rate after homogenization treatment of 6005A alloy have been investigated. With the increase of cooling rate, the acicular Mg2Si phage of ingot decreases, the black granular composite particles contained Mn and Cr are refined; the hardness of ingot increases gradually, the conductivity of ingot decreases. By controlling cooling rate after homogenization, the shape and distribution of Mg2Si phase and composite could be changed, and the deformation resistance of ingot and the coarse grain thickness of profile are affected, to improve the quality of the profile.

cooling rate ; 6005A alloy; conductivity; hardness

TG144.21，TG166.3

A

1005-4898（2016）03-0022-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.03.05

孫文超（1987-），男，山東青島人，本科。

2016-04-12