Fe元素對6063鋁合金擠壓型材表面渣粒的影響①

王澤群，向文杰，張婷蕊，王孟君，潘學(xué)著，王 崗

（1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410083；2.廣亞鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山528237）

6xxx鋁合金是可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金，具有中等強(qiáng)度、良好熱加工性能、優(yōu)良耐腐蝕性能以及容易著色的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天航空、交通運(yùn)輸以及建筑裝飾等領(lǐng)域［1－3］。工業(yè)生產(chǎn)中，半連續(xù)鑄造法制備6063鋁合金鑄錠時(shí)常使用大量廢鋁，以及熔鑄過程中熔融鋁液接觸鐵質(zhì)器具，因此合金中不可避免地帶入部分Fe元素，F(xiàn)e元素含量過高會降低型材陽極氧化后的表面光澤，F(xiàn)e元素含量變化會導(dǎo)致鋁材出現(xiàn)色差［4］。通常認(rèn)為鋁合金中的含鐵量對型材表面質(zhì)量有著重要影響［5－7］，但對Fe含量、鑄錠微觀組織與型材表面渣粒三者之間關(guān)系的系統(tǒng)研究較少，影響機(jī)制尚不清楚。因此，研究6063鋁合金中Fe元素含量對微觀組織、物相組成及型材表面渣粒的影響十分必要。本文針對6063鋁合金型材，在本課題組前期研究均勻化處理對6063鋁合金型材表面渣粒影響的基礎(chǔ)上［8］，研究了Fe元素含量對6063鋁合金型材表面渣粒的影響，為進(jìn)一步改善6063鋁合金型材表面狀態(tài)提供理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文所研究的6063鋁合金由廣東佛山某鋁加工廠提供。為探究6063合金中Fe元素含量對型材表面質(zhì)量的影響，實(shí)驗(yàn)選取不同F(xiàn)e含量的3爐6063鋁合金進(jìn)行微觀組織研究與擠壓生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，鋁液成分見表1。采用半連續(xù)鑄造法制備鑄錠，制備工序如下：配料、熔煉、扒渣、加鋁硅中間合金和鎂錠、精煉、靜置保溫、鑄造（單級泡沫陶瓷過濾器過濾）。

表1 實(shí)驗(yàn)用6063鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

1.2 均勻化處理及擠壓參數(shù)

將鑄錠裝入均質(zhì)爐加熱至570℃后保溫6 h進(jìn)行均勻化處理，取出轉(zhuǎn)移至冷卻爐，通過水霧與強(qiáng)風(fēng)強(qiáng)制冷卻，隨后進(jìn)行擠壓，擠壓參數(shù)如表2所示。

表2 擠壓實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用Quanta-200環(huán)掃掃描電鏡（SEM）及EDAX Genesis 2000 X-射線能譜儀（EDS）進(jìn)行顯微組織觀察及成分分析；采用Rigaku 2500型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 型材表面渣粒成分及形貌

6063型材表面渣粒SEM和EDS分析結(jié)果如圖1和表3所示。

圖1 6063鋁合金型材表面渣粒缺陷二次電子像

表3 型材表面渣粒EDS分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

通過圖1可以看出，渣粒為形狀不規(guī)則的金屬瘤狀物，層次感明顯，沿?cái)D壓方向有明顯拖尾痕跡。對標(biāo)點(diǎn)位置進(jìn)行EDS分析可知，附著在型材表面上的金屬瘤狀物主要成分是Al和Al2O3夾雜物；瘤狀物上Mg含量相較于型材表面有所提高；部分渣粒區(qū)域Fe元素含量高，F(xiàn)e元素可能來源于模具工作帶。

2.2 Fe元素對鑄錠顯微組織的影響

于實(shí)驗(yàn)用擠壓坯料頭部1 000 mm位置的半徑1／2處切割面積為10 mm×10 mm的試樣進(jìn)行鑄錠顯微組織檢測，不同F(xiàn)e元素含量的合金經(jīng)拋光處理后利用掃描電鏡觀察未經(jīng)腐蝕的鑄態(tài)合金的背散射照片見圖2。

圖2 不同含鐵量鑄態(tài)合金的背散射電子圖像

由圖2可知，深灰色部分為α-Al基體，基體存在縮孔等鑄造缺陷；鑄態(tài)合金晶界間共晶組織呈白色網(wǎng)狀分布。1＃合金鑄態(tài)組織白色的AlFeSi相呈網(wǎng)狀連續(xù)分布于晶界間，嚴(yán)重破壞基體的連續(xù)性；2＃合金共晶組織破碎細(xì)化，呈半連續(xù)分布在晶界；3＃合金AlFeSi雜質(zhì)相大幅減少，破碎呈鏈狀斷續(xù)分布于晶界間，由于AlFeSi相連續(xù)性明顯下降，長條狀逐漸呈圓粒狀均勻分布，部分區(qū)域難以看清晶界形狀。結(jié)合能譜分析結(jié)果，鑲嵌于白色相附近形狀不規(guī)則的黑色非平衡結(jié)晶相為Mg2Si［9］。

圖3 為不同含鐵量合金組織及能譜分析結(jié)果。對圖3標(biāo)記非平衡共晶組織進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如表4所示。結(jié)合圖3與表4可知，1＃、2＃鑄態(tài)合金組織中，沿晶界分布的白色針狀相的組成元素里Fe與Si的原子分?jǐn)?shù)之比都近似為1，應(yīng)為β-AlFeSi相，而3＃鑄態(tài)合金中除有Fe／Si原子比約為1的針狀相外，還出現(xiàn)了Fe／Si原子比大于2的白色粒狀相，應(yīng)為α-AlFeSi相［10－11］。分布于晶界間的β-AlFeSi屬單斜晶，呈粗大針狀或片狀，金屬間化合物硬而脆與Al基體之間有明銳的相界，一定范圍內(nèi)該相含量增加時(shí)合金屈服強(qiáng)度略有提高，但合金的塑性與加工性能明顯下降［12］，而α-AlFeSi相為體心立方，脆性小，塑性好［13－14］，危害性相對較小，但二者與Al基體間的電勢差較大，含量過高時(shí)合金易出現(xiàn)點(diǎn)蝕，故為了使擠壓制品獲得良好的性能，應(yīng)合理控制合金中的富鐵相含量。

圖3 不同含鐵量合金組織及能譜分析

表4 圖3中各特征點(diǎn)EDS分析結(jié)果（原子分?jǐn)?shù)）／%

參考Al-Mg-Si及Al-Fe-Si三元系富鋁角相圖，結(jié)合文獻(xiàn)［15－17］，Al-Mg-Si系合金鑄造冷卻凝固過程中會發(fā)生下面反應(yīng)：

由上述反應(yīng)可知，生成的α-Al8Fe2Si僅存在極短時(shí)間，鑄態(tài)6063鋁合金析出相主要包括Mg2Si，β-Al5FeSi以及極少量的α-Al5FeSi和Al（FeMn）Si相；隨著均勻化 進(jìn) 行，部 分β-Al5FeSi轉(zhuǎn) 化 成α-Al8Fe2Si，部 分β-Al9Fe2Si2轉(zhuǎn)化成α-Al（FeMn）Si［18］。對不同鐵含量的鑄態(tài)6063鋁合金進(jìn)行X射線衍射分析以確定合金中的物相組成，結(jié)果如圖4所示。2＃、3＃鑄態(tài)合金中含鐵相主要為單斜晶系的β-Al5FeSi相，合金中的β-Al5FeSi會顯著降低合金腐蝕性能［19］。而含鐵量降至0.10%時(shí)，受鑄態(tài)組織中AlFeSi相含量限制，且合金中Mn含量較低，XRD衍射圖譜中未檢測出對應(yīng)的衍射峰。

圖4 不同含鐵量鑄態(tài)合金X射線衍射分析圖譜

2.3 Fe元素對擠壓型材表面渣粒的影響

為研究合金中含鐵量對擠壓制品表面質(zhì)量的影響，采用6063半連續(xù)鑄錠進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，將5 m長的鑄棒擠壓前熱剪成數(shù)支750 mm長棒材，對比不同含鐵量鑄錠擠出的型材表面質(zhì)量。為減少生產(chǎn)中其他因素差異對型材表面質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響，擠壓過程中盡量保證擠壓工藝參數(shù)及工模具狀態(tài)一致。型材截面如圖5所示，擠壓制品表面如圖6所示。

圖5 擠壓實(shí)驗(yàn)型材截面圖

圖6 不同含鐵量擠壓制品表面

使用含鐵量較高的1＃、2＃鑄態(tài)合金擠壓生產(chǎn)后，在實(shí)驗(yàn)型材表面都發(fā)現(xiàn)了明顯的渣粒，沿與擠壓方向垂直的方向無規(guī)律分布，觸摸有明顯手感。1＃合金所出擠壓材表面渣粒數(shù)量最多且分布最為密集；3＃合金擠出的型材表面上很少觀察到渣粒的存在。在相同擠壓工藝參數(shù)下隨著Fe元素含量增加，型材表面變得粗糙、金屬光澤降低、表面渣粒數(shù)量隨之增多，且沿?cái)D壓方向拖尾痕跡更普遍，渣粒與型材表面的黏附更為緊密。

2.4 渣粒的形成機(jī)理

不同含鐵量的6063鑄態(tài)合金經(jīng)過均勻化處理后，β-Al5FeSi相減少，α-Al8FeSi相增加，并且通過實(shí)際擠壓驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)Fe元素含量降低，擠壓出的型材表面渣粒明顯減少。已有研究結(jié)果表明：常溫下，F(xiàn)e在Al中的溶解度很低，約為0.05%，基本上所有的Fe元素均以金屬化合物形式存在于基體中，尤其是板條狀金屬化合物，板條狀的β相具有明銳的相界性脆且與基體結(jié)合較差，嚴(yán)重割裂了金屬基體的連續(xù)性［20］，對Al-Mg-Si合金的加工性能、使用性能和表面質(zhì)量均會產(chǎn)生不利影響；而α相為立方結(jié)構(gòu)，具有較緊湊的形狀，與基體結(jié)合較好，對合金強(qiáng)度、韌性影響較小，有利于改善鑄錠的熱加工性［10］。渣粒的發(fā)生機(jī)理主要被認(rèn)為是擠壓過程中摩擦產(chǎn)生熱量而導(dǎo)致在β-AlFeSi和Mg2Si共存于576℃晶界處的包晶反應(yīng)，使得晶粒脫落［21］。

晶間的雜質(zhì)相熔化，導(dǎo)致部分晶粒從合金基體中脫落，在模具工作帶上形成大小不等的金屬瘤狀物，脫落不斷發(fā)生，金屬瘤狀物不斷長大；部分積瘤還能合并其他脫附的積瘤，不斷累積可長大至幾百微米。圖7將渣粒的形成長大過程分成了4個(gè)階段，部分晶粒脫落黏附在凹凸不平的工作帶表面，當(dāng)累積長大到一定臨界值，金屬瘤狀物從工作帶上脫落，附著在型材表面，形成拖尾，積瘤向擠壓方向彎曲［22］。

圖7 渣粒形成的4個(gè)階段

Si含量對鑄態(tài)合金中AlFeSi相的種類具有重要影響，α-AlFeSi相的原子組成中Fe／Si比值高于組成β-AlFeSi相所需的Fe／Si比值［23］。Fe元素含量較多的6063鋁合金鑄錠中AlFeSi相含量相對較多，但Si元素過剩形成β-AlFeSi相的傾向更大，過剩Si提高了合金中β-AlFeSi相的穩(wěn)定性。降低Fe元素含量有利于減少合金中β-AlFeSi相的形成，增加了基體連續(xù)性，減少型材擠壓過程中表面渣粒的產(chǎn)生。

3 結(jié) 論

1）半連續(xù)鑄造條件下，6063鋁合金鑄態(tài)組織主要由α-Al和AlFeSi相及Mg2Si相構(gòu)成。β-AlFeSi相呈長條針狀，α-AlFeSi相呈顆粒狀，Mg2Si相形狀不規(guī)則、多緊附于β-AlFeSi相附近。

2）6063鑄態(tài)合金中含鐵量為0.10%～0.19%時(shí)，隨合金中Fe元素含量降低，鑄態(tài)組織中非平衡結(jié)晶相由連續(xù)網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)鏈狀分布于晶界間，α-AlFeSi相與β-AlFeSi相體積分?jǐn)?shù)之比增加。

3）隨6063鋁合金中Fe元素含量減少，長條狀β-AlFeSi相減少，基體連續(xù)性增加，擠壓型材表面渣粒減少。