6060鋁合金鑄錠羽毛狀晶缺陷分析

王 宇,屈玉石,李恩波,張富亮,陸宏韞

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽 111003)

6系鋁合金以其優(yōu)良的耐蝕性、焊接性、工藝性能(易于擠壓成型)以及出色的氧化著色效果,從而得到了廣泛應(yīng)用。鋁合金鑄錠質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的工藝性能和使用性能,高質(zhì)量鑄錠是生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的保證[1]。在熔鑄過程中,由于人員、設(shè)備機(jī)器、原材料、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、環(huán)境因素及工藝技術(shù)參數(shù)等因素的影響,會產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾渣、疏松、光亮晶粒、羽毛狀晶和粗大晶粒等缺陷,從而影響了圓鑄錠的成品率和擠壓成材率,產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。實(shí)際生產(chǎn)過程中,在6060鋁合金圓鑄錠中發(fā)現(xiàn)羽毛狀晶缺陷,羽毛狀晶又稱花邊狀組織,是擇優(yōu)取向的孿晶。其低倍組織為許多平行的細(xì)條,類似羽毛,斷口組織呈片狀[3]。羽毛狀晶可延續(xù)到加工制品里,影響鋁合金制品的質(zhì)量,因此,對6060鋁合金圓鑄錠羽毛狀晶缺陷進(jìn)行研究分析顯得尤為重要。本文通過金相組織觀察、力學(xué)性能檢測和SEM分析,對6060鋁合金鑄錠羽毛狀晶缺陷進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

6060鋁合金鑄錠采用半連續(xù)熔煉法生產(chǎn),預(yù)留1/3～1/4液體料,新加入料全部攪入熔體,出爐和加料互相連續(xù)。該熔鑄法優(yōu)點(diǎn)是爐料浸于液體中,燒損小、熔化速度快。生產(chǎn)工藝流程為:配料→熔煉→調(diào)整成分→爐內(nèi)熔體凈化→晶粒細(xì)化→在線熔體凈化(除氣、除渣)→鑄造→均勻化退火[4]。其化學(xué)成分見表1。

表1 6060鋁合金鑄錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能檢測

選取同批次鑄錠中有、無羽毛狀晶缺陷的樣品加工成拉伸試樣,試樣編號分別為1#和2#。采用日本島津AG-X100KN型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測,試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知,1#試樣的屈服強(qiáng)度略高于2#試樣;1#試樣的抗拉強(qiáng)度略低于2#試樣;而1#試樣的伸長率遠(yuǎn)低于2#試樣。對比表1可知,1#試樣的Fe含量高于2#試樣,由于合金中Fe含量的增加,導(dǎo)致鋁合金中形成高硬度的針狀及片狀組織,在宏觀上就是羽毛狀晶,同時(shí)使合金韌性下降,抗拉強(qiáng)度和伸長率顯著降低,影響合金的力學(xué)性能。因此,在鑄錠的熔鑄過程中,應(yīng)該嚴(yán)格控制Fe含量,減少羽毛狀晶的產(chǎn)生。

表2 力學(xué)性能檢測結(jié)果

2.2 宏觀組織觀察

分別在同批次6060鋁合金鑄錠有、無羽毛狀晶缺陷位置取樣,試樣的宏觀組織如圖1所示。試樣中羽毛狀晶呈環(huán)狀扇形分布,晶粒為細(xì)長條羽毛狀、尺寸較大,多為平行的細(xì)條狀組織,在光的反射下,整個(gè)試樣的羽毛狀區(qū)分成了不同晶粒取向的區(qū)域,并與柱狀晶主軸成較小角度排列,晶粒長度最長可達(dá)180～200 mm,如圖1(a)所示。由于這種晶粒在擠壓過程中,難以被破壞并且可以延續(xù)到擠壓型材中,從而降低了材料的力學(xué)性能。因此,需要嚴(yán)格控制低倍檢驗(yàn),減少羽毛狀晶缺陷的產(chǎn)生,同時(shí)嚴(yán)禁有羽毛狀晶缺陷的材料流入生產(chǎn)程序[5]。

(a)有羽毛狀晶;(b)無羽毛狀晶圖1 鑄錠截面宏觀組織(a) with feathery crystal; (b) without feathery crystalFig.1 Macrostructure of cross-section of ingot

2.3 顯微組織觀察

試樣經(jīng)凱勒試劑腐蝕后進(jìn)行顯微組織觀察,試樣的組織和晶粒度如圖2和圖3所示。由圖2(a)可知,羽毛狀晶的顯微組織為枝晶近似平行的羽毛狀薄片組成,薄片的邊界為鋸齒狀。在偏振光下觀察羽毛狀晶的晶粒,同樣呈現(xiàn)薄片狀,但是每一個(gè)薄片分為一明一暗兩個(gè)部分,中間有明顯的分割線,明亮與暗影兩部分晶粒,顏色相同的部分具有相同的位相,同時(shí)又與不同顏色的晶粒位相相反,相互對稱,二者互為孿晶的關(guān)系,如圖3(a)所示。觀察試樣縱截面的羽毛狀晶顯微組織,也明顯觀察到一明一暗輪流交替的現(xiàn)象,如圖3(b)所示。而6060鋁合金鑄錠正常晶粒組織的枝晶網(wǎng)絡(luò)呈顆粒狀,彌散分布,位相沒有取向性,產(chǎn)生各項(xiàng)異性,在偏振光的觀察下呈現(xiàn)等軸晶,晶粒大小相近,如圖3(c)所示。

(a)羽毛狀晶;(b)正常組織圖2 鑄錠的顯微組織(a) feathery crystal; (b)normal structureFig.2 Microstructure of ingot

(a)橫向羽毛狀晶;(b)縱向羽毛狀晶;(c)正常組織圖3 鑄錠的晶粒度(a) transversely of feathery crystal;(b) longitudinally of feather crystal;(c) normal structureFig.3 Grain size of ingot

鑄造過程中,由于鋁熔體過熱或液體金屬停留時(shí)間過長,鑄造溫度過高,晶粒細(xì)化劑加入量少或失效,導(dǎo)致組織中的非自發(fā)晶核減少,進(jìn)而形成羽毛狀晶。由于羽毛狀晶具有遺傳性,擠壓后也不易破碎,會導(dǎo)致鑄錠及后續(xù)擠壓產(chǎn)品產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量問題。

2.4 SEM觀察

使用日本島津SSX-550掃描電子顯微鏡對同批次6060鋁合金鑄錠有、無羽毛狀晶缺陷位置進(jìn)行SEM觀察,如圖4所示。羽毛狀晶缺陷試樣中相的分布集中,且相更加粗大,相的周圍存在其他化合物,在羽毛狀晶組織的基體中,分布細(xì)小化合物相,如圖4(a)所示;而無缺陷試樣中的相細(xì)小且呈彌散性分布,如圖4(b)所示。這是因?yàn)殍T錠溶體攪拌不均勻,導(dǎo)致鑄錠的晶粒粗大;同時(shí)晶粒細(xì)化劑未充分溶入鑄錠基體中,使得晶粒的細(xì)化不充分,從而產(chǎn)生羽毛狀晶。

(a)羽毛狀晶;(b)正常組織圖4 鑄錠SEM形貌(a) feathery crystal; (b)normal structureFig.4 SEM morphology of ingot

3 結(jié)論

1)6060鋁合金鑄錠中的羽毛狀晶缺陷明顯降低其伸長率。

2)羽毛狀晶組織由許多平行的細(xì)條組成,為擇優(yōu)取向的孿晶,呈扇形分布,尺寸較大,生長方向與熱流平行。

3)存在羽毛狀晶缺陷的6060鋁合金鑄錠,其微觀組織中枝晶的分布方向基本一致,較正常組織中的枝晶形態(tài)更為平直,且枝晶分布更為不均勻。

4)羽毛狀晶缺陷試樣中相的分布集中,且相更加粗大,相的周圍存在其他化合物;在羽毛狀晶組織的基體中,分布細(xì)小化合物相。