不同Fe含量對6063鋁合金組織與性能的影響

祝 哮，鄭 建，王麗萍，吳金鳳，曹 帥

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

近年來，鋁及鋁合金在汽車輕量化應用上得到了越來越多的關注[1]。6063合金屬于可熱處理強化的Al-Mg-Si 系鋁合金。該合金具有中等強度、良好的可擠壓性、耐蝕性高、焊接性好以及較低的密度等優點[2]。6063鋁合金中含有少量的Fe元素。一般情況下，Fe 作為雜質元素，在合金中形成的雜質相對6×××系合金的綜合性能是有害的[3-4]。H.TANIHATA 等人對6×××系合金中AlFeSi 相的形成進行了較為詳細的研究，認為冷卻速度決定了AlFeSi 相的形成種類[5]。但有關Fe 元素含量對AlFeSi相形成的影響方面的研究較少，是否可通過合理控制Fe元素來對6×××系合金進行有益影響仍未可知。本文通過對6063 鋁合金添加不同含量的Fe元素來探討不同Fe元素含量對6063合金鑄錠微觀組織及力學性能的影響，為6063 合金成分優化提供理論基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗以6063 為基礎材料，設計三種不同Fe 含量的合金成分，設計成分如表1所示。

表1 6063鋁合金化學成分（質量分數/%）

1.2 試驗過程

本試驗程序為石墨坩堝爐內靜置澆鑄，分別對不同Fe 含量（0.1%、0.2%和0.3%）的合金進行試制試驗。在石墨坩堝爐中每次投入約5 kg左右高純鋁錠及中間合金碎塊，于750 ℃熔化后進行攪拌、扒渣、除氣、精煉及靜置等工藝處理，然后澆入石墨模具內，鑄成?80 mm×300 mm 的合金圓鑄錠。試制工藝如表2所示。

表2 石墨坩堝爐鑄造工藝主要參數

將不同鑄錠分別沿軸向切半，分別用于鑄態和均勻化退火的組織及力學性能試驗。在鑄錠心部和邊部各切取30 mm×30 mm×30 mm 作為金相檢測試樣。試樣經過磨樣、拋光后，選用Keller腐蝕液（1%HF、1.5%HCl、2.5%HNO3、95%H2O，體積分數%）進行組織腐蝕，試驗采用Axio-Imager 蔡司顯微鏡觀察金相顯微組織，并計算顯微組織晶粒度。在鑄錠軸向方向分別切取3 個30 mm×180 mm×30 mm 條狀試塊制備拉伸力學試樣和電導率試樣；試驗采用Sigmatest2.069 渦流電導儀在室溫（23 ℃）下進行電導率測量并采用ZX-LX-004電子萬能試驗機進行力學性能測試，施加載荷為100 kN。為保證測試的準確性，電導率實測需5個點以上，力學性能實測3組，取其平均值作為電導率和力學性能值。

2 試驗結果

2.1 不同Fe含量對6063鑄態鋁合金組織的影響

圖1 為不同Fe 含量的6063 鑄態合金中心和邊部的微觀晶粒組織。Fe 含量依次為0.1%、0.2%、0.3%的鑄錠中心位置的高倍晶粒度分別為2.5 級、3.0 級和3.0 級；邊部位置的高倍晶粒度依次為4.0級、3.5 級和3.0 級。當Fe 含量為0.1%時，心部與邊部晶粒尺寸差別較大，產生這種差異的原因可能是由于鑄錠凝固是從鑄錠軸向外表面向里先開始形核與長大[6]。在凝固初期，鑄錠壁面上形成極大的過冷度使鑄錠表面迅速形成細小的等軸晶。當Fe含量為0.2%、0.3%時，合金凝固過程中對過冷度的敏感性較小，鑄錠內部晶粒尺寸基本保持一致。

不同Fe 含量的6063 鑄態鋁合金顯微組織如圖2所示。鑄態合金組織中枝晶網絡上存在大量共晶體，共晶體以α（Al）+Mg2Si 為主，同時存在少量的其他相。并且合金內部的晶粒尺寸不均勻，伴有大量枝晶，連續枝晶網絡顯著，甚至出現了二次枝晶等。

圖1 不同Fe含量的6063鋁合金晶粒組織

圖2 不同Fe含量的6063鋁合金顯微組織

對比不同Fe 含量的6063 鋁合金顯微組織可以發現，當Fe 含量為0.1%時，第二相在晶界處大量析出，枝晶數量多，枝晶間距大；當Fe含量＞0.1%時，晶界平直、細小，枝晶數量減少，枝晶間距增加，第二相含量降低，晶內有少量彌散相析出；當Fe 含量為0.3%時，組織中開始出現形狀規則的顆粒相。

圖3 為不同Fe 含量的6063 鋁合金SEM 形貌圖。表3 為第二相能譜分析結果。從圖中可以看出，6063 合金鑄態組織的晶界呈網狀分布，晶界處存在較大的析出相和共晶組織，枝晶網絡發達。根據能譜分析結果可知，6063 合金第二相主要由Mg2Si、AlFeSi、FeAl3及單質Si相組成。AlFeSi相通常呈狹長的板條狀，單質Si 通常呈形狀規則的塊狀。由表3 可知，單質Si含量隨著Fe含量增加而增大。FeAl3相主要呈針狀，針狀相對基體產生強烈的割裂作用，會對合金的綜合力學性能產生不利影響[7]。

圖3 不同Fe含量的6063鑄態合金SEM形貌

圖4 均勻化565 ℃×10 h對不同Fe含量的6063鋁合金處理的顯微組織

表3 鑄態合金不同位置的EDS能譜分析（原子百分數/%）

2.2 對6063鋁合金均勻化退火組織的影響

圖4 為不同Fe 含量的6063 鑄態合金在均勻化565 ℃×10 h（空冷）后的顯微組織。從圖中可以看出，經均勻化處理后，鑄態合金中粗大的共晶組織和非平衡低熔點共晶相逐漸溶解，枝晶網絡逐漸變得稀疏，晶界上的殘留相及共晶組織由連續分布逐漸轉變為斷續沿晶界分布[8-9]。由三組試驗對比可知，當6063合金中Fe含量為0.2%時，枝晶網絡溶解最充分，且合金中的枝晶網絡非常稀疏，非溶相和枝晶偏析基本消除，與此同時殘留相最少。

2.3 對6063鋁合金性能的影響

圖5（a）為均勻化處理前后不同Fe 含量6063合金的電導率。從圖中可以看出，隨著Fe 含量的增加，電導率呈先增加后減小的趨勢。自由電子理論認為，金屬內部存在缺陷和雜質，缺陷和雜質產生的靜態點陣畸變和熱振動引起的動態點陣畸變對電子波造成散射，從而產生電阻。也就是說凡是阻礙電子運動或是增加電子波散射概率的因素都能增加電阻降低電導率[10]。其中Fe 含量為0.2%時，晶界平直、細小，晶界處第二相含量較低，試驗測得電導率較高。均勻化565 ℃×10 h處理前、后電導率分別為53.0%IACS、51.7%IACS。

圖5（b）、（c）和（d）分別為鑄態及均勻化565 ℃×10 h處理后與不同Fe含量的6063合金力學性能的關系（屈服、抗拉及延伸率）。從圖中可以看出，添加不同Fe 含量對6063 合金力學性能有一定的影響，隨著Fe 含量的增加，力學性能（屈服強度、抗拉強度及延伸率）均呈先升高后降低的趨勢，當Fe 含量為0.2%時，性能最佳。這主要是由于適量的Fe 含量可以促進凝固過程中形成晶核，從而起到晶粒細化作用。而隨Fe 含量的提高，會造成基體上初生相增多，從而嚴重影響合金的力學性能。

圖5 鑄態與均勻化對不同Fe含量的6063合金性能的關系

3 結論

（1）6063 鑄態合金析出相及共晶組織大量集中或偏聚在晶界上，隨Fe 含量的增加，晶粒大小、枝晶數量及枝晶間距均呈先減少后增加趨勢，Fe含量為0.2%時最佳。

（2）6063 鋁合金經565 ℃×10 h 均勻化處理后，當Fe 含量為0.2%時，枝晶組織網絡完全溶解，且非溶相和枝晶偏析基本消除，殘留相非常稀少。

（3）添加不同Fe含量對6063合金力學性能有一定的影響，隨著Fe 含量的增加，力學性能呈先升高后降低的趨勢，當Fe 含量為0.2%時，性能最佳。