夾雜物對6063鋁合金力學性能的影響

周 策，崔建忠

(1.福建省南平鋁業有限公司，南平 353000;2.東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，沈陽 110004)

夾雜物對6063鋁合金力學性能的影響

周 策1，崔建忠2

(1.福建省南平鋁業有限公司，南平 353000;2.東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，沈陽 110004)

研究了6063鋁合金半連續鑄錠中夾雜物的分布規律及其對拉伸性能的影響.實驗發現:鑄錠的底部和頂部夾雜面積分數較高，鑄錠中部面積分數較低.隨夾雜面積分數的增大，合金抗拉強度和延伸率降低，應變硬化指數n值變小，變形溫度為300℃時，合金的加工硬化基本被軟化作用所取代。試樣斷口分析發現，夾雜面積分數低的鑄錠中部韌窩較深，延伸率較高;而夾雜面積分數高的鑄錠底部韌窩比較淺平，塑性較差.

6063鋁合金;夾雜物;拉伸性能;斷口分析

鋁熔體中的夾雜有碳化物、氮化物、氧化物、氫化物等固態夾雜物以及鐵、硅、鋅、錳等金屬夾雜，其中以Al2O3最多，其含量占夾雜含量的95%以上.鋁熔體中夾雜物的含量是評價冶金質量的一個重要標志，一般來講，這些夾雜物的尺寸在幾μm到幾十μm之間，但它們的危害卻非常大，將直接地影響到鋁合金加工熱處理后產品的強度、塑性及腐蝕性等使用性能［1～4］.

國內外學者對鋁合金中夾雜物對力學性能的影響及其作用機理進行了許多研究［5～9］，本文研究了6063鋁合金DC鑄造錠坯中夾雜物的分布及其對拉伸性能的影響，并對拉伸斷口形貌進行觀察.

1 實驗方法

實驗所用材料為6063鋁合金，化學成分如表1所示.為了讓夾雜物容易被觀察和測量，熔體融化后不進行凈化處理，直接 DC鑄造成直徑150 mm，長1 000 mm的錠坯，夾雜物測定前將鑄錠進行560℃/8 h的均勻化熱處理，然后按圖1所示取樣，鑄錠從上到下依次標號為B1、B2、B3、B4、B5、B6，每片試樣厚度為20 mm，在試樣的中部(即鑄錠橫截面的中部)進行夾雜物觀察和測量.為了獲得大面積的統計結果，本實驗采用熱堿深蝕刻法來半定量評估合金中夾雜物的含量，這種測量方法數值不一定十分精確，但是可以正確反映夾雜含量的差別.對試樣進行7 min的熱堿深蝕刻，Al2O3、MgO等氧化物夾雜將會被蝕刻掉，在試樣的表面出現蝕坑，此蝕坑即為氧化物夾雜原來的位置.用Leica MPS30光學顯微鏡觀察和拍攝夾雜物的分布情況，選取15～20個視場，將其拍成照片，用掃描儀掃到電腦中，用SISCIA8.0圖像分析軟件計算出蝕坑所占的面積分數.

將上述6063鋁合金半連續鑄錠不同部位所取試樣加工成啞鈴狀拉伸試樣(如圖2所示)，在CMT5105型電子萬能拉伸試驗機上進行拉伸實驗，每個狀態取3個試樣測試，取平均值.變形溫度為25℃、300℃，變形速率為1 mm/min.用SSX－550掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌.

表1 6063鋁合金的化學成分表(質量分數)Table 1 Chemical compositions of 6063 alloy (mass fraction%)

圖1 拉伸和夾雜物測量取樣位置Fig.1 The schematic illustration of sampling for tensile tests and inclusion measurement

圖2 拉伸試樣尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of tensile sample

2 結果與討論

2.1 6063合金半連續鑄造鑄錠中夾雜物的定量研究

圖3是夾雜物金相觀察的結果，實際上大量尺寸非常微小的(＜5 μm)夾雜物，通過這種方法觀測不到，觀測到的都是尺寸≥10 μm以上的夾雜物.大量研究表明只有尺寸大于10 μm以上的夾雜物才對合金的力學性能產生顯著影響.且尺寸越大，數量越多，影響越嚴重.

圖3 腐蝕后夾雜物的金相照片ig.3 Microstructures showing inclusions after erosion(a)—At the center of ingot;(b)—At the bottom of ingot

圖4是夾雜物面積分數的計算結果.從圖中可以看出，由于本組實驗未經過凈化處理，所以熔體中的夾雜物含量較多.鑄錠底部(B6位置)夾雜面積分數最高，達到為8.40%，這是由于最先流出的鋁合金液是在爐的底部，沉淀的夾雜和夾渣較多，且此時熔體流動不穩定，所以容易裹入氧化物夾雜.位置B5的夾雜面積分數迅速降低，為4.17%.鑄錠中心的B3位置與B4位置夾雜面積分數相近，且明顯低于鑄錠頂部和底部的夾雜面積分數，分別為3.62%和3.42%.鑄錠頂部的B1位置和B2位置夾雜面積分數也較高，分別為6.43%和6.15%，這是由于B1、B2位置靠近冒口，處于鑄錠最后凝固的位置，熔煉爐中最后的鋁液中大量的氧化膜和渣流出凝固存留在冒口處.

圖4 6063合金鑄錠中夾雜面積分數Fig.4 The areal fraction of inclusions in 6063 alloy ingot

2.2 夾雜物對6063鋁合金拉伸性能的影響

由圖4可知，鑄錠由頂部B1至底部B6位置的夾雜面積分數分別為6.43%，6.15%，3.62%，3.42%，4.17%，8.46%.可見鑄錠頂部、心部和底部的夾雜面積分數相差較大，而B1和B2，B3和B4處得夾雜面積分數相差不大.因此，我們從B1、B3、B5、B6處取拉伸試樣，來考察夾雜分布對6063合金拉伸性能的影響.

表2為6063合金半連續鑄造鑄錠試樣在變形溫度分別為25℃、300℃下的拉伸試驗結果，可以看出，當變形溫度為25℃時，處于鑄錠頂部試樣B1的抗拉強度僅為88 MPa，延伸率為16%，而處于鑄錠中部的 B3試樣的抗拉強度為114 MPa、延伸率為28%，B1與B3試樣抗拉強度相差了26 MPa，延伸率相差了12%，處于鑄錠底部試樣B6的抗拉強度為95 MPa、延伸率為10%，比較B3和B6，抗拉強度相低了19 MPa，延伸率相差了18%，由此可知，處于鑄錠頂部的B1和處于鑄錠底部的B6試樣抗拉強度、延伸率都明顯小于鑄錠中部的B3試樣，而距離鑄錠頂部90 cm處的B5試樣，抗拉強度為109 MPa、延伸率為29%，與B3試樣比較，抗拉強度僅相差了5 MPa，延伸率更是僅僅相差了1%.這與我們之前實驗得到的靠近鑄錠頂部的B1和鑄錠底部的B6夾雜分布較多而靠近鑄錠中心的B3及距離底部稍遠的B5位置夾雜物分布較少是比較符合的.當變形溫度為300℃時，鑄錠不同位置抗拉強度只相差了9 MPa，延伸率也只相差了7%.這說明夾雜對合金拉伸性能的影響在室溫下比較明顯，而在高溫下表現不明顯，其原因是，合金在高溫下變形，動態軟化起主要作用，合金強度變低，塑性較好.

表2 半連續鑄造鑄錠試樣拉伸性能數據Table 2 The tensile properties of semi－continuous cast ingot

鋁合金凝固組織中的氧化夾雜物，嚴重地割裂了材料基體的連續性，而氧化物夾雜往往是氫的附著物，容易產生氣孔和疏松.在拉伸應力作用下，夾雜物、縮松及氣孔處產生較大的應力集中，易成為裂紋源，隨著夾雜物含量的增加，合金中的顯微缺陷增多，缺陷平均間距小使得裂紋擴展阻力變小，微孔易于萌生、長大和聚合，使得鑄件容易開裂拉斷;脆硬的氧化夾雜相與鋁合金基體間存在較大的硬度差別，在拉伸變形過程中，夾雜物顆粒嚴重地阻礙了材料塑性變形的正常流動，同時脆硬的氧化夾雜相與合金基體間容易形成微裂紋和不均勻的變形區，在應力作用下鋁合金材料容易產生脆性斷裂.這些顯微缺陷的存在加速材料的破斷過程，最終表現為材料力學性能下降.

圖5為實驗所得的真應力－應變曲線，比較兩個不同溫度下的曲線，可以看到，變形溫度為300℃時材料已經發生明顯的軟化現象，說明動態再結晶在300℃已經非常明顯.當變形溫度為25℃時，B1、B3、B5、B6位置處試樣的應變硬化指數n值分別為0.23、0.25、0.26、0.21，隨夾雜面積分數的降低，n值略有升高，但是n值對夾雜面積分數的變化基本不敏感.當變形溫度為300℃時，B1、B3、B5、B6位置處試樣n值很小，分別為0.02、0.04、0.05、0.03，這也反映了此溫度下加工硬化現象慢慢趨于消失.對同一溫度下不同試樣的曲線進行比較，我們可以發現，B3位置處試樣的最大真應力要明顯高于其它試樣，在300℃的變形溫度下表現更為顯著，這主要是因為B3位置處試樣夾雜面積分數較低，試樣基體的連續性較好，因此強度較高.而對應之前實驗中夾雜面積分數最高的B6位置處試樣，在變形溫度為25℃時的最大真應力并不是最低，分析原因，在沿澆鑄方向的同一位置所取的兩個試樣，其力學性能并不能完全相同，一是由于夾雜分布偏析，二是試樣中可能存在個別大的鑄造縮孔從而影響其力學性能.但是總的來說，實驗所得結論與我們之前所觀察的靠近鑄錠中部的夾雜分布少而頂部和底部夾雜分布多的趨勢是相符的.

圖5 6063合金拉伸的真應力－應變曲線Fig.5 The tensile true stress－strain curves of 6063 alloy(a)—25℃;(b)—300℃

圖6 鑄錠不同位置拉伸斷口形貌的比較Fig.6 The morphology of tensile fractures in different positions of the ingot(a)—At the center of ingot;(b)—At the bottom of ingot; (c)—The detail of(a);(d)—The detail of(b)

圖6為試樣中部和底部拉伸斷口在掃描電子顯微鏡下觀察的宏觀照片.圖6(a)可以看到試樣B3在拉伸過程中產生了明顯的頸縮現象，在拉伸試樣表面靠近斷口側壁觀察到明顯的滑移臺階，說明試樣的韌性較好，有較高的延伸率.圖6 (b)中斷口則沒有觀察到頸縮，試樣B6伸長量不大就開始斷裂，延伸率較低.圖6(c)為圖6(a)的放大照片，圖中我們可以看到B3斷口表面有明顯的韌窩和撕裂楞，有些韌窩較深，說明韌性較好.圖6(d)為圖6(b)的放大照片，可以清晰地觀察到氣孔和疏松等缺陷，韌窩比較淺平，基體在拉伸過程中沒有明顯的撕裂痕跡，說明試樣塑形較差.

3 結論

(1)采用熱堿深腐蝕法評價了鋁合金中夾雜物的面積分數，得到6063合金半連續鑄造鑄錠中夾雜的分布規律為:鑄錠的底部和頂部夾雜面積分數較大，鑄錠中部面積分數較小.

(2)通過6063合金半連續鑄造鑄錠試樣拉伸實驗得出，隨夾雜面積分數的增大，合金抗拉強度和延伸率變差，應變硬化指數n值變小，變形溫度為300℃時，合金的加工硬化基本被軟化作用所取代.

(3)試樣斷口分析發現，鑄錠中部在拉伸過程產生了明顯的頸縮現象，韌窩較深，韌性較好;而鑄錠底部沒有觀察到典型的頸縮現象，韌窩比較淺平，基體在拉伸過程中沒有明顯的撕裂痕跡，說明試樣塑形較差.

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Influence of inclusions on mechanical properties of 6063 Al alloy

Zhou Ce1，Cui Jianzhong2

(1.Fujian Nanping Aluminum Company，Nanping 353000，China;2 The Key Lab of National Education Ministry for Electromagnetic Processing of Material，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

The distribution of inclusions in 6063 Al alloy DC casting ingot and the effect of the inclusions on tensile properties were studied.It is found that，the areal fraction of inclusions at the bottom and the top of ingot is high，while the areal fraction of inclusions at the middle of ingot is lower.The tensile strength，elongation and strainhardening exponent(n value)decrease with increase in the areal fraction of inclusions.The work hardening is replaced by soften process when the deformation temperature is 300℃.Through the fracture surface analysis，the dimple in the part with high areal fraction inclusion is deeper，and its elongation is high，while the dimple in the part with high areal fraction inclusion is shallower，and its elongation is low.

6063 Al alloy;inclusions;tensile properties;fracture surface analysis

TF 821

A

1671-6620(2013)01-0072-05

2012-12-01.

國家國際合作專項 (2011DFA52300).

周策 (1973—)，男，高級工程師，E－mail:zhouce@mlfjnp.com;崔建忠 (1950—)，男，東北大學教授，博士生導師，E－mail:jzcui@epm.neu.edu.cn.