均匀化工艺对6005A铝合金组织及性能的影响

2021-06-15冯艳飞徐伍刚李秋梅

有色金属加工 2021年3期

冯艳飞，徐伍刚，李秋梅，孙亮，杨路

(1.内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头 014010；2辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳115000)

近年来，汽车轻量化的应用得到了越来越多人的广泛关注，其中铝及铝合金的应用最为引人注目[1]。而汽车要求的高速、安全、节能、舒适、环保是现代化面临的重大课题[2]。若要达到上述要求，均匀化制度工艺是实现满足性能的重要途径之一[3]。6005A铝合金属于典型的Al-Mg-Si系可热处理强化铝合金，具有中等强度、优异的挤压性、耐蚀性、焊接性以及较低的密度等优点,在汽车领域得到广泛的应用[4]。本文结合生产实际情况，通过采用Thermo-Calc数值模拟热力学计算及试验相结合的方法，研究了6005A铸态合金相组成及析出温度，不同均匀化工艺对6005A铝合金显微组织、力学性能及电导率的影响，为实际工厂铝合金均匀化工艺处理提供一定的理论依据。

1 试验材料及方法

试验设备为工厂内的1T试验中频加热炉，采用半连续铸造方法，经熔炼、搅拌、精炼静置保温，铸造温度为730℃。生产规格为Ф254mm×5300mm的6005A铝合金圆铸锭，经车皮后直径为Ф248mm，去头去尾300mm，之后锯切长度150mm铸锭。铸锭各元素的实测质量分数为，Si 1.60%，Fe 0.18%，Cu 0.18%，Mn 0.42%，Mg 0.67%, Cr 0.17%，Zn 0.01%，Ti 0.05%。在铸锭一端分别连续截取5片厚30mm铸锭薄片，其中1个铸锭薄片作对照样，其余4个薄片进行不同均匀化工艺处理,具体均匀化工艺制度为，1#试样为铸态，2#试样490℃×10h，3#试样530℃×5h，4#试样560℃×8h，5#试样575℃×2.5h。

将铸锭薄片1#试样和不同均匀化工艺后的铸锭薄片2#试样、3#试样、4#试样、5#试样，分别在铸锭薄片中心相同位置各切取30mm×30mm×30mm制备标准的金相试样和导电率试样，经过磨样、抛光等，选用Keller腐蚀液(1%HF、1.5%HCl、2.5%HNO3、95%H2O，体积分数)进行组织腐蚀后，采用Axio-Imager蔡司显微镜观测金相显微组织，并计算显微组织晶粒度。沿光片中心一侧分别切3个30mm×180mm×30mm长条块制备标准拉伸力学试样，采用ZX-LX-004电子万能试验机，施加载荷100kN。保证拉伸力学测试的真实性，取其平均值作为力学性能。通过数值计算铸锭相组成、析出温度及相分布状态结合不同均匀化工艺试验同铸态试样进行对比分析。

2 试验结果与讨论

2.1 铸锭相组成及析出温度分析

图1为通过Thermo-Calc热力学计算平衡状态下的6005A铸锭相组成及析出温度关系。用实测化学成分进行计算。由图可以看出，按照选取的合金成分，6005A铝合金铸锭在平衡状态下的主要相组成有：α-Al(固溶体)、Mg2Si、Al2Cu、E(AlCrMgMn)、Al6Mn、Al20Cu2Mn3、Al13Cr4Si4、Al3Ti等。其中6005A铝合金的强化相主要为Mg2Si。Al-Mg-Si合金沉淀相的析出序列对应主要为：α-Al(过饱和固溶体)-GP区-过渡相Mg2Si)-平衡相(Mg2Si)。图2为数值计算常温平衡状态下的6005A铸锭相分布，可以看出，α-Al(图中ALPHA)相占整体相的质量分数为1.69%，同理，Mg2Si为1.06%、Al6Mn为0.36%等。

2.2 均匀化工艺对铸锭显微组织的影响

图3为不同均匀化工艺处理的6005A铝合金铸锭中心显微组织。由数值计算及文献研究[5]可知，6005A铝合金铸锭中主要第二相是Mg2Si、Al6Mn。

从图3(a)中可以看出，铸态铝合金试样析出物含量较多，主要集中或偏聚在晶界上，并出现大量粗大的颗粒和条状析出物，且晶界狭长，枝晶网格明显。而从图3(b)(c)(d)(e)中可以看出，在不同均匀化工艺过程中，主要的第二相几乎全部或部分分解并扩散到铝基体中，且粗大条状析出物基本消失，在晶内和晶界可见大量点状的弥散质点。随着均匀化温度的升高，基体过饱和元素均匀弥散析出，表现为基体中均匀分布弥散细小析出相。由图1可知，Mg2Si相在512.5℃下开始析出，图3(b)均匀化后未达到Mg2Si相析出温度，故弥散质点较少;图3(c)(d)(e)均匀化后弥散质点较多，而图3(e)均匀化后弥散质点最多。表明均匀化后的主要强化相重溶大量析出细小弥散质点。另外，经不同均匀化工艺处理后，铸锭显微组织枝晶网部分或完全固溶。其主要原因是在较高温均匀化下，晶界上偏聚的合金化元素或相已固溶到基体中，晶界及其边沿呈合金元素贫化状态，晶界及其周围呈贫化的灰白区域，随着均匀化处理温度和保温时间的不同，晶界灰白贫化区域的宽度以及连续各相异性不同[6]。

图4为不同均匀化工艺处理的铸锭组织晶粒度。经晶粒度计算分析，不同均匀化工艺处理后未发现明显的晶粒长大和异常长大现象，其对应不同均匀化后铸锭中心的晶粒度级数分别为图4(a)(b)(c)、(d)均为3级、图4(e)为2.5级。不同均匀化工艺处理的组织晶粒度影响较小。

图4 不同均匀化工艺处理的铸锭中心位置晶粒度

2.3 均匀化工艺对铸锭力学性能的影响

表3为不同均匀化工艺处理6005铝合金铸锭的常温力学拉伸试验结果。

表3 不同均匀化工艺处理的力学性能

从表3中可以看出均匀化后铝合金铸锭抗拉强度和屈服强度均高于未均匀化处理的。而高温短时575℃×2.5h均匀化处理的合金铸锭屈服强度、抗拉强度以及延伸率等综合性能均明显优于其它均匀化工艺处理。从铝合金的强韧化机理分析，其均匀化强度影响主要受到晶粒细化、固溶强化以及第二相沉淀弥散强化的影响[7]。而6005A铝合金铸锭铸态和均匀化的强度主要受制于合金元素的固溶强化以及第二相的沉淀弥散强化共同作用，弥散强化与第二相的形态、大小、数量和分布有关，且第二相呈细小均匀等轴状分布时，强化效果较好。

2.4 不均匀化工艺对铸锭电导率的影响

铝合金的均匀化程度以及组织形态对合金的电学性能具有很重要影响。铸态下铸锭电导率较低，只有31.8%IACS；而不同均匀化工艺处理后的电导率较高，490℃×10h为42.6%IACS、530℃×5h为40.4%IACS、560℃×8h为39.7%IACS、575℃×2.5h为38.2%IACS。490℃×10h均匀化处理程度不够，晶内和晶界存在少量偏析固溶体，所以相对其它均匀化较高。而随着均匀化温度的缓慢升高，晶内和晶界偏析与非平衡相的深化溶解，合金元素在铝基体中的固溶度逐渐增加，电导率明显降低，或均匀化处理程度不够，会出现较部分偏析的固溶体，所以电导率往往大于均匀固溶体的电导率。多相合金的电导率不仅与组成相的电导率及相对含量有关，还与合金的微观组织形态有关系[8]。对固溶体基体铝合金来说，固溶度越高，其电导率越低，因为合金的固溶度越高，溶质原子溶入基体的数量越多，引起基体晶格畸变的几率越大。电子的散射越大，电阻率越大，相应电导率越小[9]。