鑄錠表層偏析對6082鋁合金型材力學(xué)性能的影響

劉金輝，沈國新，李健安，馬 彪，陳康康

（廣東興發(fā)鋁業(yè)（河南）有限公司，焦作454500）

0 前言

6082合金屬于Al-Mg-Si系熱處理可強化鋁合金，主要強化相是Mg2Si，具有中等強度。該合金主要用于交通運輸和結(jié)構(gòu)工程工業(yè)中，如橋梁、屋頂構(gòu)架和冷藏集裝箱等。

熱頂鑄造6082圓鑄錠表層存在宏觀偏析層。在凝固結(jié)晶過程中，鑄錠表層在石墨環(huán)會經(jīng)歷兩次冷卻過程。鑄錠經(jīng)過第一次冷卻后會凝固收縮，鑄錠與石墨環(huán)產(chǎn)生間隙，冷卻效果減弱。這時鑄錠表層會被中心的鋁液重新加熱出現(xiàn)重熔，晶界低熔點共晶組織等首先出現(xiàn)重熔。這些共晶組織在重力的作用下，沿晶界網(wǎng)絡(luò)流動到表層，經(jīng)過第二次噴水冷卻后凝固固定下來。晶界低熔點共晶組織的重熔導(dǎo)致低熔點熔質(zhì)的流動，從而產(chǎn)生鑄錠表層偏析層[1]。

在相同的淬火條件下，6082型材的強度是由主要強化相Mg2Si決定的。由于鑄錠偏析造成局部位置Si、Mg元素下降，從而降低Mg2Si的含量，最終導(dǎo)致6082型材的強度下降。類似“木桶原理”，型材主要強化相Mg2Si局部偏高，并不會增加型材的強度，但局部偏低則會降低型材的強度。為了研究偏析層對擠壓型材力學(xué)性能的影響，本文展開實驗，重點研究型材拉伸強度偏低與型材成分的關(guān)系，分析其成因并研究應(yīng)對措施。

1 實驗方法

6082合金圓鑄錠經(jīng)成分均勻化處理后，基體主要成分為Si0.886%、Mg0.883%、Mn0.471%。鑄錠偏析層檢驗采用對鋁餅進行逐層車削、逐層檢測的方法，每層取1 mm鋁屑，采用分光度化學(xué)分析方法化驗合金主要成分。

在同一支φ292 mm圓鑄棒上，截取4支長度1100 mm短棒：2支不車皮處理，2支經(jīng)車皮去除6 mm厚的偏析層。用梯度加熱爐從室溫加熱到擠壓工藝溫度，在相同的工藝條件下生產(chǎn)某型號冷藏集裝箱板，出料長度約36.5 m。為了避免模具型腔內(nèi)的剩余鋁對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，實驗數(shù)據(jù)都取自連續(xù)擠壓的第二支棒。實驗數(shù)據(jù)分成兩組：A組為第二支不車皮短棒擠壓，B組為第二支車皮處理的鑄錠。經(jīng)在線風冷淬火后，在型材出料方向的頭部取6個、中部取2個、尾部取6個樣品，長度均為300 mm。所有樣品經(jīng)時效后，在中齒及邊齒各取一個試樣做拉伸實驗。拉伸實驗完成后用德國斯派克直讀光譜儀做化學(xué)成分分析。通過對比A、B兩組拉伸及成分數(shù)據(jù)，分析強度與型材成分之間的關(guān)系，從而判斷鑄錠表層偏析對6082鋁合金型材力學(xué)性能的影響。取樣位置如圖1所示。

圖1 型材取樣位置示意圖

2 實驗結(jié)果

2.1 圓鑄錠的偏析層

熱頂鑄造方式生產(chǎn)的6082圓鑄錠表層存在宏觀偏析層，如圖2（a）所示。表層偏析呈“勺子”形狀分布，距表層0～1 mm位置區(qū)域高出基體成分約2倍；2～4 mm則低于基體成分約16%；5 mm之后逐漸接近基體成分。從圖2（b）中可以很清晰看出圓鑄錠偏析層各層之間的原貌。對于φ292 mm圓鑄棒（偏析層厚度6 mm），可以計算出其偏析層的體積比例為8.05%；其中低于基體成分的位置是在距表層約2～5 mm的區(qū)間內(nèi)，體積比例約4%。鑄錠的偏析層通過擠壓遺傳到型材中，在宏觀上必然會導(dǎo)致型材局部不均勻，從而影響型材的力學(xué)性能。

圖2 φ 292 mm-6082圓柱錠表層偏析

2.2 型材成分對比

鑄錠基體主要成分為Si0.886%、Mg0.883%。同一圓鑄錠在相同的擠壓工藝條件下擠壓同一型材，經(jīng)過車皮和不經(jīng)車皮的鑄錠擠壓出型材的成分有明顯的差異，如圖3所示。經(jīng)過車皮去除表層偏析層后擠壓的型材成分穩(wěn)定均勻，Si、Mg元素與基體成分一致，型材各個位置的成分波動?。贿咠X和中齒沒有明顯差別。但存在偏析層的鑄錠擠壓出來的型材的成分則存在明顯的差異：無論是邊齒還是中齒中的Si元素均明顯低于鑄錠基體成分，料頭成分呈往中間方向逐漸上升的趨勢；中1和中2與基體成分一致，料尾逐漸下降，對比車皮棒存在明顯差異，如圖3（a）、（c）所示。Mg元素對比情況與Si元素接近，但程度相對較輕。在6082合金中，Mg元素是以Mg2Si的形式存在，Si相對過剩，故存在單質(zhì)Si。由于Mg2Si與Al的共晶溫度為595℃，而Si與Al的共晶溫度只有577℃，所以Si、Al的共晶在重熔時率先重熔，然后才是Mg2Si與鋁的共晶重熔。所以，Si的偏析程度要比Mg的偏析程度更高，圖3（a）顯示了這種偏析差異。從圖3（e）A組中邊齒成分的偏析波動幅度可知，Si元素邊齒較中齒波動幅度大。邊齒和中齒中的Mg元素波動沒有明顯的區(qū)別。

2.3 型材強度對比

在相同的擠壓工藝條件下擠壓型材，鑄錠經(jīng)車皮和不經(jīng)車皮擠壓出的型材強度有明顯的差異，如圖4所示。經(jīng)過車皮去除表層偏析層后擠壓型材的B組拉伸強度數(shù)據(jù)穩(wěn)定且均勻，明顯高出A組不車皮棒的強度數(shù)據(jù)。車皮棒邊齒各位置拉伸強度平均為313 MPa，中齒各位置拉伸強度為317 MPa。A組樣品中頭1到頭6，強度呈逐步增加趨勢，邊齒平均強度為279 MPa，中齒平均強度290 MPa，但無論邊齒還是中齒都大幅低于B組數(shù)據(jù)，大部分也低于國標要求；中1、中2兩個位置A、B兩組強度數(shù)據(jù)重合一致，幾乎無差別，從圖3中也可以看出對應(yīng)位置的成分與基體成分也是一致的。A組樣品中，尾1～尾6的強度逐步減弱，邊齒強度平均為284 MPa，中齒強度平均為288 MPa，遠低于B組數(shù)據(jù)，也低于國標要求，為不合格品，存在明顯的質(zhì)量隱患。料尾的強度波動幅度要明顯大于料頭，邊齒、中齒尾5和尾6位置的平均強度只有238 MPa，遠低于正常水平。尾5、尾6拉伸強度特別低，這除了成分偏低的影響外，與淬火條件的差異也有一定關(guān)系：在擠壓末段換棒時，擠壓出料停止，此時型材尾段的淬火條件與型材前部分的淬火條件出現(xiàn)差異，所以最后導(dǎo)致尾5和尾6的強度下降。從圖4（c）中也可以看出，A、B兩組數(shù)據(jù)都顯示中齒的強度高于邊齒的強度，這是由型材截面形狀及風冷淬火條件引起的。由于型材中齒兩邊是U型的槽，在風冷淬火時中齒兩邊形成風槽，有更好的冷卻條件，淬火更好，故時效后強度相對較高。

圖3 型材A、B兩組Si、Mg元素對比數(shù)據(jù)圖

圖4 A、B兩組型材強度對比數(shù)據(jù)

這說明鑄錠偏析層與型材拉伸強度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，主要體現(xiàn)在型材頭部和尾部，而且對尾部的影響更為強烈。這與生產(chǎn)實踐經(jīng)驗相符合，在日常檢驗中發(fā)現(xiàn)型材拉伸不合格的位置以型材尾部居多，頭部較少，中部罕見。

2.4 型材強度與成分關(guān)系對比

圖5 為型材強度與主要成分Si、Mg元素的關(guān)系圖。從圖5（a）、（b）可以看出，A組拉伸強度隨著Si、Mg含量降低而降低，隨含量增加而升高，這說明型材的強度與主要成分Si、Mg的含量之間有著明顯的正相關(guān)關(guān)系。正是由于存在鑄錠偏析，致使料頭、料尾的成分出現(xiàn)波動，從而導(dǎo)致強度數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅波動；從圖5（c）、（d）可以看出，由于車除了鑄錠偏析層，避免了成分波動對型材強度的影響，故B組型材的成分整體均勻，拉伸強度穩(wěn)定、均勻，滿足質(zhì)量要求。

圖5 型材強度與型材主要成分對比

2.5 型材的其它力學(xué)性能

表1 是型材抗拉強度、延伸率和韋氏硬度數(shù)據(jù)。從表1中可以看出，型材拉伸強度與韋氏硬度正相關(guān)，強度高則韋氏硬度相對也高，對應(yīng)的型材主要成分含量也高。型材的斷后延伸率沒有明顯的規(guī)律，與強度的相關(guān)性并不明顯。

表1 型材的力學(xué)性能

2.6 實際生產(chǎn)驗證

為了檢驗對比實驗的準確性，我們收集了一個月的生產(chǎn)檢驗數(shù)據(jù)，共有71組426根。數(shù)據(jù)為6082合金同型號型材的拉伸檢驗結(jié)果，如表2所示。該批次抽檢的抗拉強度合格率為93.4%，有28根的拉伸強度低于標準290 MPa。由于生產(chǎn)抽檢是去除部分料頭和料尾，所以合格率相對實驗要高。通過檢查發(fā)現(xiàn)，強度偏低的樣品在成分檢驗中普遍存在Si、Mg成分明顯低于基體成分的現(xiàn)象，成分偏低的幅度與鑄錠基體表層偏析結(jié)果吻合；而強度合格的試樣，普遍與基體成分接近，明顯低于基體成分的現(xiàn)象較少。這充分說明實驗結(jié)果與生產(chǎn)實踐檢驗完全相符。

表2 6082合金拉伸強度匯總

如表3所示，抗拉強度不合格樣品主要集中在料尾，占67.86%，料頭不合格比例為32.14%，料中強度全部合格。這與鑄錠車皮對比實驗結(jié)果相符，料頭、料尾偏析較為集中，成分降低，強度降低，尤其是料尾強度波動幅度更大，因而更易出現(xiàn)不合格品。

表3 拉伸強度不合格在型材中的分布

3 分析討論

對于規(guī)格為φ292 mm的圓鑄錠（偏析層厚度約6 mm），可以計算出其偏析層的體積比例為8.05%；其中低于基體成分的位置是在約2～5 mm的區(qū)間內(nèi)，體積比例約4%。這層低于基體成分的偏析層通過擠壓傳遞到型材造成型材成分的不均勻，從而影響型材力學(xué)性能。

圖5 為鑄錠擠壓過程示意圖。從圖中可知，當擠壓達到突破壓力的時候，金屬開始從?？讛D出，以一定速度進入變形區(qū)壓縮，而模具角落處的金屬不參與流動而形成阻滯區(qū)或死區(qū)。到了紊流擠壓階段，擠壓桿頭已進入變形區(qū)，與模具的間距離縮小，迫使變形區(qū)的金屬向著擠壓軸線方向由周圍向中心發(fā)生劇烈的橫向流動，同時死區(qū)中的金屬也向模孔流動[2]。

圖5 鑄錠擠壓過程示意圖

由于292鑄錠長度約1 100 mm，表面較粗糙，在擠壓的過程中鑄錠與擠壓筒之間產(chǎn)生強烈的摩擦力，從而導(dǎo)致擠壓變形區(qū)和死區(qū)的高度增加，金屬流動不均勻。鑄錠表層的偏析層因擠壓筒的摩擦力而粘連在擠壓筒上形成一層阻滯區(qū)。到了紊流擠壓階段，阻滯區(qū)和死區(qū)的金屬產(chǎn)生劇烈橫向流動，通過模具擠壓形成型材的尾部。阻滯區(qū)和死區(qū)富含成分不均勻的鑄錠偏析層，導(dǎo)致擠壓出來的型材尾部出現(xiàn)成分大幅度的波動，從而影響型材拉伸強度的穩(wěn)定。

6082鑄錠表層偏析層隨擠壓過程流入型材，導(dǎo)致型材局部成分不均勻。在相同的淬火條件下，6082型材的強度是由主要強化相Mg2Si決定的。Si、Mg元素含量下降，就會降低6082強化相Mg2Si的含量，最終導(dǎo)致6082型材的強度下降。圖6是A組和B組料尾金相圖對比圖，表4數(shù)據(jù)是對應(yīng)的型材力學(xué)性能和成分。金相圖中彌散析出的淺色小點主要就是Mg2Si和過剩Si。通過對比可以直觀地看出B組的淺色小點要明顯多于A組，如圖6（c）、（f）所示。彌散析出的Mg2Si越多，證明強化相越多，強度越高，A組的強度只有220.9 MPa，而B組則有307 MPa。A組主要Si、Mg元素成分明顯低于B組，如表4所示。

圖6 型材料尾金相對比圖

表4 對應(yīng)型材的力學(xué)性能和成分

從實驗結(jié)果看，型材邊齒成分波動更為明顯，而且拉伸強度相對較低。如圖5（b）所示，中齒距離鑄錠表面最遠，而邊齒相對接近，故中齒相對應(yīng)形成的擠壓死區(qū)高度最高。在擠壓過程中，逐漸積累較多低成分的偏析層，在擠壓紊流階段，迫使部分死區(qū)的偏析層產(chǎn)生橫向移動流入型材末端，導(dǎo)致型材料尾較多出現(xiàn)成分偏低的情況，最終致使力學(xué)性能下降。

4 控制措施

為了使型材獲得合格的力學(xué)性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量合格率，根據(jù)實驗結(jié)果并結(jié)合生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，可以采取以下措施：

（1）在滿足合金標準的條件下，提高基體中Si、Mg的含量。在6082鑄錠偏析層中Si、Mg元素含量最低時約低于基體成分的16%，因此應(yīng)提高合金中Si、Mg的含量。這樣，即使鑄錠偏析層中Si、Mg元素下降16%也能產(chǎn)生足夠多的強化相Mg2Si，從而得到合格強度，保證型材的力學(xué)性能。

（2）增加擠壓鑄錠壓余厚度，增加擠壓型材尾部廢料長度。在生產(chǎn)實踐中，尾料預(yù)留6 m，可以避免偏析對強度的影響，但犧牲了部分成材率。

（3）鑄錠表層的偏析層無法通過生產(chǎn)工藝來消除，但可以通過車皮等機械方法消除。車皮6 mm后即可消除鑄錠的偏析層，從而保證鑄錠成分均勻，消除了偏析層對型材力學(xué)性能的影響。

5 結(jié)論

（1）6082鑄錠表層偏析層隨擠壓過程流入型材，導(dǎo)致型材局部成分不均勻。6082型材的強度是由主要強化相Mg2Si決定的，所以Si、Mg元素含量下降，就會降低6082合金中強化相Mg2Si的含量，最終導(dǎo)致6082型材的強度下降。

（2）鑄錠偏析層主要在擠壓紊流階段流入型材末段，引起型材成分不均勻，導(dǎo)致型材末段的力學(xué)性能下降明顯。

（3）為了保證型材強度合格，可以適當提高6082合金中的Si、Mg含量，保證鑄錠偏析層中的Si、Mg含量能夠產(chǎn)生足夠多的Mg2Si強化相。

（4）為了獲得力學(xué)性能合格的產(chǎn)品，可以采取增加擠壓鑄錠壓余厚度、增加擠壓型材尾部廢料長度、提高基體合金成分以及對鑄錠車皮6 mm等方式避免偏析層的影響。