晶粒細(xì)化工藝對(duì)6082鋁合金中含鐵相的影響

李一峰，于承斌，劉方鎮(zhèn)，王孝國(guó)，秦 簡(jiǎn)，長(zhǎng)海博文

(1.蘇州大學(xué) 沙鋼鋼鐵學(xué)院，江蘇 蘇州 215137；2蘇州大學(xué) 高性能金屬結(jié)構(gòu)材料研究院，江蘇 蘇州 215137；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中 030800)

6×××系鋁合金具有密度低、塑性高、成形性好、陽極氧化性能好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是經(jīng)陽極氧化處理后，材料表面光潔度高、金屬質(zhì)感強(qiáng)，被廣泛地應(yīng)用在3C電子產(chǎn)品等領(lǐng)域[1-2]。6×××系鋁合金通常采用半連續(xù)鑄造(direct chill casting,DC)方法制備，通過后續(xù)熱加工(擠壓、軋制等)成形工藝后再進(jìn)行陽極氧化和著色等工藝來制備3C產(chǎn)品[3-6]。DC過程中鋁合金處于非平衡凝固過程，多數(shù)溶質(zhì)原子，如Fe、Si、Mg等在枝晶間和初生α-Al晶界處形成Mg2Si和含鐵相等金屬間化合物[2]。6×××系鋁合金中最主要的含鐵相為樹枝狀α-Al(FeMn)Si和板狀β-AlFeSi[2]。由于β-AlFeSi粗大扁平的結(jié)構(gòu)，服役時(shí)更易產(chǎn)生應(yīng)力集中撕裂與鋁基體的界面結(jié)合，降低合金的延展性[7]。Mn的添加可以有效的促使β-AlFeSi轉(zhuǎn)變成α-Al(FeMn)Si。但α-Al(FeMn)Si的硬度遠(yuǎn)高于鋁基體，在擠壓過程中常會(huì)造成表面的劃痕，降低后續(xù)陽極氧化的表面質(zhì)量。而且α鐵相與鋁基體之間的電位差導(dǎo)致其陽極氧化后的表面質(zhì)量下降[2]。因此，降低含鐵相的含量以及減小含鐵相尺寸，是提高產(chǎn)品表面光潔度的有效手段[2]。已有研究證明了凝固過程中的溫度梯度、晶粒長(zhǎng)大速率、熔體冷卻速率、晶粒細(xì)化劑(grain refiner，GR)等都會(huì)影響含鐵相的析出[8-14]。目前最常用的是添加Al-Ti-B細(xì)化劑細(xì)化6×××系鋁合金晶粒，從而達(dá)到細(xì)化含鐵相的效果，但仍存在缺點(diǎn)，如在凝固過程中促進(jìn)鋁合金晶粒形核的Al3Ti和TiB2極易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。這些相在變形過程中沿著變形方向分布并在后續(xù)的陽極氧化過程中造成腐蝕不均勻，進(jìn)而形成“黑線”，降低合金表面質(zhì)量[15-17]。因此，可通過在DC過程中添加電磁攪拌、超聲振動(dòng)、強(qiáng)剪切工藝(melt conditioned direct chill，MC)等[18-20]來代替細(xì)化劑的添加，從而達(dá)到細(xì)化含鐵相的效果。

在H.T.Li[7]等人的研究中，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Al-5Ti-B晶粒細(xì)化劑，6063鋁合金的晶粒尺寸達(dá)到170 μm±12 μm;而采用強(qiáng)剪切工藝得到的晶粒尺寸為185 μm±15 μm。兩種細(xì)化方式的晶粒細(xì)化效果接近，但仍可提升，然而對(duì)于細(xì)化含鐵相并未進(jìn)行深入研究。對(duì)于強(qiáng)剪切工藝的優(yōu)點(diǎn)在文獻(xiàn)[18]中有所說明：通過強(qiáng)烈地剪切作用，凝固過程中固體顆粒破碎且分布均勻，增加了形核質(zhì)點(diǎn)，降低晶粒及含鐵相尺寸；熔融金屬?gòu)?qiáng)烈地流動(dòng)，使得合金成分分布均勻，溫度均勻，降低了成分偏析等傾向。因此，本試驗(yàn)以6082鋁合金為研究對(duì)象，對(duì)比研究了添加細(xì)化劑與采用強(qiáng)剪切工藝對(duì)其晶粒尺寸及含鐵相尺寸的影響。

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)使用的結(jié)晶器直徑為150 mm，采用DC工藝制備了接近工業(yè)生產(chǎn)的6082鋁合金鑄錠；為了細(xì)化α-Al晶粒，在熔體中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的Al-5Ti-B晶粒細(xì)化劑制備GR樣品；采用強(qiáng)剪切設(shè)備，在凝固過程中通過強(qiáng)烈剪切作用，在未添加Al-5Ti-B細(xì)化劑的情況下鑄造MC處理樣品。

三種條件試驗(yàn)樣品均分別取自于距鑄錠中心二分之一半徑處的橫截面。將DC、GR、MC的試樣進(jìn)行研磨拋光至鏡面，采用OLYMPUS GX53倒置式金相顯微鏡觀察其顯微組織。通過陽極覆膜觀察晶粒，陽極覆膜液為硫酸+磷酸+水(其體積比為38∶43∶19)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電壓以使電流保持在300 mA～400 mA,覆膜時(shí)間150 s,之后在偏振光下觀察試樣，采用Image-Pro Plus軟件統(tǒng)計(jì)并測(cè)得晶粒尺寸及其分布。采用PHENOM xl掃描電子顯微鏡(附帶能譜分析) 對(duì)三種試樣進(jìn)行相分析，鑒定并放大2000倍觀察含鐵相，使用Image-Pro Plus軟件統(tǒng)計(jì)并測(cè)得鐵相含量及尺寸分布，每個(gè)試樣至少統(tǒng)計(jì)1000個(gè)含鐵相。

2 結(jié)果及分析

2.1 晶粒尺寸分布

圖1為三種工藝的陽極覆膜晶粒組織，三種鑄造工藝生產(chǎn)的6082鋁合金中的α-Al多為等軸晶。圖1a中DC工藝的晶粒尺寸明顯粗大且分布不均。圖1b為添加細(xì)化劑后的(GR)，其晶粒尺寸顯著降低。圖1c為采取強(qiáng)剪切后的(MC)，其細(xì)化效果略次于GR細(xì)化的。

圖1 不同工藝鑄造6082鋁合金試樣陽極覆膜晶粒組織觀察Fig.1 Observation on anodic coating grain structure of 6082 aluminum alloy ingot samples cast with different processes

圖2a為三種工藝生產(chǎn)的6082鋁合金鑄錠晶粒尺寸分布。隨著等效直徑(與α-Al晶粒投影面積相同的圓的面積)的增加，對(duì)應(yīng)尺寸晶粒占比逐漸增多，當(dāng)達(dá)到一定尺寸時(shí)，該晶粒尺寸占比達(dá)到最大，隨后逐漸下降。采用GR細(xì)化，當(dāng)α-Al晶粒達(dá)到65 μm左右時(shí)，占比最多，多數(shù)晶粒均為細(xì)晶，細(xì)晶效果顯著；采用MC細(xì)化，α-Al晶粒達(dá)到100 μm時(shí)占比最多，細(xì)化效果略次于GR細(xì)化的；DC的鑄錠，當(dāng)α-Al晶粒達(dá)到170 μm時(shí)所占比最大，晶粒粗大。圖3b為不同工藝制備鑄錠試樣的平均晶粒尺寸， DC制備的平均晶粒尺寸為196 μm；GR的為98 μm；MC的為136 μm。與DC工藝的相比較，GR的晶粒細(xì)化50%，MC的細(xì)化44%；采用GR與MC工藝的α-Al晶粒均得到大幅度的細(xì)化，且采用GR工藝的細(xì)化效果最佳。

圖2 不同工藝鑄錠的晶粒尺寸Fig.2 Grain sizes of 6082 aluminum alloy ingots cast with different processes

2.2 顯微組織

如圖3所示，黑色細(xì)長(zhǎng)相為Mg2Si(黑色箭頭所指)，灰色不規(guī)則相為含鐵相(紅色箭頭所示)。DC制備的試樣含鐵相多為粗大板條狀或漢字狀，且為連續(xù)分布；添加GR的試樣含鐵相沿α-Al晶界分布，多為連續(xù)細(xì)長(zhǎng)條狀；經(jīng)強(qiáng)剪切加工，含鐵相破碎，尺寸減小，分布均勻。

圖3 不同工藝制備的鑄錠試樣的顯微組織Fig.3 Microstructure of ingot samples cast with different processes

2.3 含鐵相的確定與尺寸統(tǒng)計(jì)

圖4為不同工藝制備的6082鋁合金的SEM-BSE圖(圖中亮白色相即為含鐵相)經(jīng)EDS分析，白圈內(nèi)含鐵相為α-AlFeMnSi，如圖4d所示；黑圈內(nèi)含鐵相為β-AlFeSi，如圖4e所示。

圖4 不同工藝鑄錠試樣SEM-EDS圖Fig.4 SEM-EDS of ingot samples cast with different processes

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，三種不同工藝的含鐵相面積占比均為1.1%±0.1%，其中DC、GR的含鐵相面積占比為1.1%，MC為1.0%，含鐵相含量保持恒定。圖5a為三種不同含鐵相尺寸分布圖。圖5a中，隨著含鐵相等效直徑的增大，相應(yīng)尺寸的含鐵相占比逐漸增多，當(dāng)達(dá)到1.5 μm左右時(shí)，三種工藝制備的6082鋁合金的含鐵相占比均達(dá)到最大，其中添加GR的小尺寸含鐵相最多，采用MC的次之，DC的小尺寸含鐵相含量最低；再隨著含鐵相等效直徑的增加，對(duì)應(yīng)尺寸的含鐵相逐漸減少；含鐵相等效直徑分布集中在0～2.5 μm，在該范圍內(nèi)，DC的含鐵相占比為76.4%，添加GR的占比為97.3%，采用MC的占比為85%；添加GR對(duì)含鐵相的細(xì)化效果最佳，采用MC工藝也可大幅度地減小含鐵相尺寸。圖5b為平均晶粒尺寸與含鐵相尺寸。由圖5b可知，隨著平均晶粒尺寸地減小，平均含鐵相尺寸也得到相應(yīng)地減小，且平均晶粒尺寸減小得越多，相應(yīng)含鐵相尺寸也減小得越多。

圖5 不同工藝制備的6082鋁合金的鑄錠中含鐵相與晶粒尺寸Fig.5 Fe bearing phase and grain size of 6082 aluminum alloy ingots with different processes

無論是通過添加Al-Ti-B細(xì)化劑還是采用強(qiáng)剪切工藝細(xì)化晶粒都并不能減少含鐵相的析出，但可以有效地減小含鐵相尺寸，從而降低粗大含鐵相的不利影響，在后續(xù)的擠壓和陽極氧化過程中可有效地提高產(chǎn)品表面質(zhì)量。雖然Al-Ti-B可以有效地降低二者但是其中的TiB2嚴(yán)重影響后續(xù)的加工成形性能，易在產(chǎn)品表面產(chǎn)生缺陷；采用MC細(xì)化效果雖不如添加Al-Ti-B的，但仍是減小晶粒和含鐵相尺寸的有效手段，且未引入TiB2,減小了產(chǎn)品表面缺陷的產(chǎn)生，為后續(xù)的擠壓和陽極氧化后的產(chǎn)品表面質(zhì)量提供了保障。

3 結(jié) 論

1)6082鋁合金中的含鐵相主要是α-AlFeMnSi和β-AlFeSi。

2)通過細(xì)化晶粒的方式可有效地細(xì)化含鐵相尺寸。

3)含鐵相的析出量恒定，均為1.1%±0.1%，不受晶粒細(xì)化方式的影響。

4)采用MC細(xì)化對(duì)晶粒和含鐵相尺寸的細(xì)化效果不如添加GR的，但卻遠(yuǎn)優(yōu)于DC的，而且避免了TiB2的引入。后續(xù)可對(duì)MC具體工藝進(jìn)行調(diào)整研究，使其對(duì)晶粒和含鐵相的細(xì)化效果達(dá)到甚至超過添加GR工藝的，市場(chǎng)前景廣闊。