均勻化時間對Al-Mg-Si合金組織與性能的影響

孫 亮，王 爽，劉兆偉，鄭 建，馮艷飛，李秋梅

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

Al-Mg-Si合金屬于6xxx系可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，具有密度低、耐腐蝕等特性而被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1]。目前，國內(nèi)主要使用半連續(xù)直接水冷工藝生產(chǎn)鑄錠，生產(chǎn)出的鑄錠中元素分布很不均勻，形成嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析，導(dǎo)致后續(xù)熱變形可塑性差等問題，在一定程度上限制了Al-Mg-Si合金的成型加工性能[2]。為了改善Al-Mg-Si合金的熱加工性能以及消除合金中非平衡共晶相的影響，需要對Al-Mg-Si合金進(jìn)行均勻化熱處理[3]。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最關(guān)鍵的工藝，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)[4]。合金中存在的化合物種類、大小與分布是影響合金性能的重要因素之一，在變薄拉伸過程中，粗大化合物粒子將在基體中造成局部應(yīng)力不均而導(dǎo)致出現(xiàn)針孔或開裂[5,6]。以往的研究多集中在均勻化退火溫度上，而對均勻化時間對Al-Mg-Si合金的影響鮮有報(bào)道。

本文選取Al-Mg-Si合金為研究對象，通過對鑄態(tài)合金經(jīng)不同均勻化時間處理后的微觀組織的觀察以及后續(xù)擠壓制品性能的測試，探討了均勻化處理對合金微觀組織與性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用半連續(xù)水冷鑄造方法制備鋁合金鑄錠，合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.5～0.9，F(xiàn)e 0.3，Cu 0.05，Mn 0.2～0.6，Mg 0.8～1.0，Cr 0.05，Ti 0.05，Al余量。采用箱式電阻爐對鑄錠進(jìn)行均勻化熱處理，經(jīng)查閱相關(guān)資料[7]，最終選定均勻化溫度為560℃，保溫時間分別為4h、6h、8h、10h，冷卻方式為水冷；隨爐放置測溫儀器對料溫進(jìn)行監(jiān)控，均勻化處理后分別取20mm的試片進(jìn)行鑄態(tài)組織分析。

均勻化處理后鑄棒在油壓臥式雙動擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，具體擠壓工藝為，鑄錠溫度480℃～500℃，擠壓速度4.2m/min～4.7m/min，擠壓筒溫度455℃，模具溫度435℃，淬火方式為水冷。對擠壓制品進(jìn)行相同的淬火-時效熱處理，時效制度統(tǒng)一為175℃×8h，對時效后的擠壓材進(jìn)行組織與性能檢測。

1.2 性能測試

在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫力學(xué)性能測試；使用數(shù)字金屬電導(dǎo)率測量儀進(jìn)行電導(dǎo)率測量；使用蔡司光學(xué)顯微鏡(OM)對鑄錠與擠壓型材的樣品進(jìn)行光學(xué)顯微組織觀察；使用掃描電鏡(SEM)觀察第二相形貌和分布。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 均勻化時間對合金鑄態(tài)組織的影響

圖1為不同均勻化時間的鑄錠顯微組織。從圖1(a)可以看出，合金中存在較多的非平衡共晶相，這些共晶相主要分布在晶界處并發(fā)生部分溶解現(xiàn)象；從圖1(b)可以看出，延長均勻化時間后晶界處的共晶相不斷發(fā)生分解回溶；從圖1(c)(d)可以看出，繼續(xù)延長均勻化時間，發(fā)現(xiàn)保溫達(dá)到8h后共晶相面積已基本不變，這是因?yàn)殡S著保溫時間的延長，合金中晶內(nèi)濃度梯度不斷下降，導(dǎo)致第二相溶解速度逐漸降低，當(dāng)保溫8h時，晶內(nèi)濃度梯度達(dá)到平衡，此時繼續(xù)延長保溫時間出現(xiàn)第二相含量的變化。

圖2為經(jīng)560℃×8h均勻化處理后的合金第二相顯微形貌。

表1所列為圖2中對應(yīng)不同位置的能譜分析結(jié)果。可以看出不同位置第二相的元素組成相同，均為Al、Mg、Si、Fe、Mn元素，只是含量有所不同。通過表1對比分析，位置A和位置C處的(Fe+Mn)/Si的比值近似于1，位置B的(Fe+Mn)/Si比值接近于3∶2。通過查閱文獻(xiàn)得知[8]，位置A和位置C處主要為Al5(FeMn)Si相，位置B處為Al12(FeMn)3Si2相。

表1 合金第二相的能譜分析結(jié)果(原子百分比，%)

2.2 均勻化時間對擠壓制品粗晶層的影響

圖3為合金不同均勻化時間下擠壓制品的晶粒組織圖，由圖可知，隨著均勻化時間的延長，擠壓制品的粗晶層厚度有所增加。在圖3(a)中可以看出，雖然枝晶出現(xiàn)溶解現(xiàn)象，成分逐漸均勻，但是非平衡第二相溶入較少，合金鑄態(tài)組織中粒子較多。擠壓過程中，第二相粒子破碎形成彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)，提高了合金的再結(jié)晶溫度，抑制再結(jié)晶現(xiàn)象的發(fā)生。隨著均勻化時間的延長，晶界處的非平衡析出相更多的溶入基體中，鑄態(tài)組織中的第二相減少，擠壓過程中抑制再結(jié)晶的粒子數(shù)量下降，所以粗晶層的厚度增加。

2.3 均勻化時間對擠壓制品機(jī)械性能的影響

圖4為擠壓后經(jīng)175℃×8h人工時效后的力學(xué)性能，擠壓制品的力學(xué)性能隨均勻化時間的延長呈先升高再降低的趨勢。均勻化時間為8h時，合金強(qiáng)度最高，抗拉強(qiáng)度為270.8MPa；均勻化10h時，合金的力學(xué)性能出現(xiàn)下降。在均勻化時間從4h延長至8h時，鑄態(tài)合金中原子充分固溶，擠壓后人工時效時會析出大量細(xì)小的第二相起到強(qiáng)化作用，所以性能升高；當(dāng)均勻化時間繼續(xù)延長至10h時，合金的晶粒粗大，導(dǎo)致性能下降。

合金電導(dǎo)率高低能夠表征其抗腐蝕性能的好壞，圖5為不同均勻化時間下擠壓制品的電導(dǎo)率，由圖可知電導(dǎo)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的變化對合金電導(dǎo)率影響很大，合金元素從過飽和固溶體中析出，元素固溶度下降，導(dǎo)致電導(dǎo)率升高；但同時過飽和固溶體分解析出第二相，合金結(jié)構(gòu)由單相變復(fù)相，合金電導(dǎo)率降低。有研究表明[10]，基體中固溶原子引起的點(diǎn)陣畸變對電子的散射作用比析出相引起的散射作用強(qiáng)得多。均勻化時間較長的合金經(jīng)擠壓時效后析出相數(shù)量更多，所以合金電導(dǎo)率有上升趨勢，同時說明合金的抗腐蝕性能升高。

3 結(jié)論

本文研究了不同均勻化時間對鋁合金擠壓制品組織與性能的影響，在本文范圍內(nèi)結(jié)論如下：

(1)本文鋁合金鑄錠均勻化熱處理的最佳工藝為560℃×8h，經(jīng)過上述均勻化熱處理后，擠制的型材具有良好的綜合力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率分別達(dá)到233.4MPa、270.8MPa、12.4%，電導(dǎo)率為29.1%IACS；

(2)鋁合金鑄態(tài)組織中存在明顯的由非平衡凝固造成的偏析，隨著均勻化時間的延長，聚集在晶界處的非平衡共晶重新溶解，偏析明顯減少，使合金組織與性能均勻性得到明顯改善；

(3)隨著均勻化時間的延長，晶界處的非平衡析出相更多的溶入基體中，鑄態(tài)組織中的粗大第二相數(shù)量減少，擠壓過程中能夠抑制再結(jié)晶的粒子數(shù)量下降，所以擠壓制品的粗晶層厚度增加。