6111鋁合金的鑄態(tài)組織及均勻化工藝研究

冉凡青，白永芳，尹竹松，魏建國，高紫陽

（天津忠旺鋁業(yè)有限公司，天津 301700）

0 前言

在世界工業(yè)發(fā)展要求節(jié)能、環(huán)保的迫切形勢下，一些發(fā)達國家制定了汽車燃油經(jīng)濟性法規(guī)和越來越嚴格的廢氣排放法規(guī)。因此，減輕汽車自重以降低能耗、減少污染、提高效率成為各大汽車企業(yè)提高競爭力的重要措施。鋁合金及其加工材料，由于密度小、比強度和比剛度高、彈性好、抗沖擊性能良好、耐腐蝕及良好的加工性能等一系列優(yōu)良特性，在汽車行業(yè)上獲得廣泛應用，從而成為制造汽車的重要材料[1-3]。

常用于車身板的鋁合金主要為2×××系、5×××系和6×××系鋁合金。其中6×××系鋁合金由于成型性好、烤漆強度高、耐腐蝕、沖壓后無呂德斯帶等優(yōu)點，在汽車工業(yè)中應用越來越廣泛。由于較薄的汽車外車身更注重強度，因此外車身主要用6111 合金[4-5]。6111 合金鑄錠中通常含有大量非平衡凝固相，需要進行鑄錠均勻化處理將其消除。有學者對6111均勻化工藝進行過探索[1]，但優(yōu)選的均勻化溫度較低，均勻化時間過長，不利于工業(yè)實際生產(chǎn)，因此本文在工業(yè)實際生產(chǎn)的基礎(chǔ)上研究了6111 鋁合金的鑄態(tài)組織以及對經(jīng)過不同均勻化條件下的顯微組織進行分析，確定其合適的均勻化工藝。

1 實驗材料及方法

本實驗合金為某公司生產(chǎn)的6111 鑄錠，鑄錠規(guī)格為630 mm×1 500 mm×7 000 mm。其化學成分如表1 所示。將鑄錠分切為15 mm×12 mm×10 mm 長方形試樣，分別在熱處理爐中進行不同制度的均勻化實驗，均勻化熱處理后試樣取出空冷，之后進行機械研磨、拋光，采用Zeiss Axio Vert.AI MAT 金相顯微鏡下觀察顯微組織，采用蔡司掃描電鏡對析出相進行分析，采用SMP10數(shù)顯電導率儀對試樣進行電導率測量，采用STA449F3 同步熱分析儀對樣品進行DSC分析。

表1 6111掃描形貌中各點能譜分析（質(zhì)量分數(shù)/%）

表1 6111合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

本次實驗選用均勻化工藝為：560 ℃× （4 h、8 h、12 h、16 h）。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鑄態(tài)組織分析

圖1 為6111 鋁合金鑄態(tài)組織的金相與掃描形貌。金相圖可以發(fā)現(xiàn)，在晶界存在粗大的網(wǎng)狀枝晶。掃描形貌則可以看出，晶界處存在規(guī)則或不規(guī)則的塊狀相（見圖1（b）中箭頭A、E），長條狀（見圖1（b）中箭頭B 、C、 D）及魚骨狀枝晶。由表1 的能譜分析結(jié)果可知，塊狀相主要含Al、Si、Cu 元素和含量較少的Fe 元素，長條狀相中主要含Al、Si、Cu、Mn、Fe元素。

圖1 6111合金鑄態(tài)組織

2.2 均勻化組織分析

圖2為6111鋁合金鑄錠經(jīng)均勻化熱處理不同時間后的析出物金相照片。與鑄態(tài)相比，晶界處仍存在粗大的枝狀晶，但隨均勻化熱處理時間的延長，析出物連續(xù)性不明顯、數(shù)量較少；當均勻化時間超過12 h后，析出相減少的趨勢變得不再明顯。將圖2 通過圖像處理軟件對析出相面積分數(shù)進行了計算，得到如下結(jié)果：560 ℃/4 h時為1.38%，560 ℃/8 h 時為1.19%，560 ℃/12 h 時為0.98%，560 ℃/16 h時為0.97%，將數(shù)據(jù)繪制成曲線圖如圖3所示，從圖3可以直觀的發(fā)現(xiàn)，面積分數(shù)的結(jié)果與直觀金相表現(xiàn)出的形貌一致，均勻化時間超過12 h后析出相幾乎不再減少。圖4為6111合金鑄錠經(jīng)560 ℃均勻化熱處理不同時間后的掃描照片，由圖4 和表2 的能譜分析可以看出鑄錠均勻化后結(jié)晶相的類型與鑄態(tài)類似，主要含Al、Si、Cu、Mn、Fe 元素，隨均勻化熱處理時間的延長，晶界上呈圓點狀的相越來越多，晶界內(nèi)也逐漸增多彌散析出的第二相，主要含有Al、Cu、Mn和少量Fe元素。

圖2 6111鋁合金經(jīng)560 ℃均勻化處理不同時間后的金相照片

圖3 不同均勻化制度下析出相的面積分數(shù)

圖4 6111鋁合金經(jīng)560 ℃均勻化處理不同時間后的掃描照片

表2 圖4中各點能譜分析（質(zhì)量分數(shù)/%）

2.3 電導率測試與分析

將鑄錠樣品和不同均勻化之后的樣品分別進行電導率測量，所得結(jié)果如圖5所示。由圖發(fā)現(xiàn)電導率在均勻化初期上升較快，到12 h后趨于穩(wěn)定。上文鑄錠金相分析中已知6111 合金中存在大量含Al、Si、Cu 元素的塊狀相和含Al、Si、Cu、Mn、Fe 元素的長條相，合金的物相結(jié)構(gòu)為非平衡的過飽和固溶體和枝晶間粗大的平衡第二相。根據(jù)Mathiessen 理論[6]，合金的電導率是受純鋁基體電導率、添加合金元素Mg、Si、Cu 等形成固溶體引起的電導率變化、過飽和固溶體分解析出引起的電導率變化以及合金中空位、位錯、晶界變化引起的電導率變化等幾個因素的綜合影響。在均勻化的過程中，鑄造應力引起的晶格畸變逐漸消失，晶內(nèi)偏析逐漸消除，晶界上的非平衡共晶相逐漸溶入基體中，基體點陣的晶格畸變逐漸減小，即減小了基體點陣中電子散射源的密度。因此，對合金在進行均勻化處理的初期，電導率存在明顯上升的趨勢，隨著均勻化時間延長，合金中鑄造應力逐漸消失，合金元素的濃度差逐漸變小，基體中空位的濃度也逐漸減小并趨向平衡，從而導電率趨于穩(wěn)定。

圖5 不同均勻化制度下電導率的變化

2.4 DSC分析

圖6為6111合金鑄錠及其經(jīng)560 ℃不同時間均勻化熱處理后的分析曲線。由圖可知，6111 合金鑄態(tài)樣品在262 ℃左右存在一個較大的放熱峰，即表征析出物在該溫度附近產(chǎn)生。在575 ℃左右首次出現(xiàn)一個較大的吸熱峰，說明該合金鑄態(tài)組織中存在較多熔點在此溫度附近的低熔點不平衡相。為避免鑄錠過燒，均勻化熱處理溫度不得超過575 ℃。

圖6 6111合金鑄錠及其均勻化熱處理不同時間后的DSC分析

6111鋁合金鑄錠經(jīng)560 ℃均勻化熱處理不同時間后，其DSC 分析曲線上對應的吸熱峰逐漸減小，當均勻化時間延長至12 h 后，峰值幾乎不再變化。因此，結(jié)合合金顯微形貌及DSC 分析，6111 合金的最優(yōu)均勻化工藝為560 ℃×12 h。

3 結(jié)論

（1）鑄態(tài)6111合金晶界處存在規(guī)則或不規(guī)則的含Al、Si、Cu 元素的塊狀相和含F(xiàn)e、Mn 元素的長條相以及大量魚骨狀枝晶組織。

（2）結(jié)合顯微組織與DSC 分析，并結(jié)合實際工業(yè)生產(chǎn)，最終優(yōu)化出的6111 合金最優(yōu)均勻化工藝為560 ℃×12 h。