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 鑄錠均火冷卻速度對(duì)6061鋁合金組織與性能的影響（冶金）

             李鵬偉，譚  琳，劉  陽(yáng)，吳  楠，唐  獲，曹善鵬

               （遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽(yáng)111003）

摘要：采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡觀察組織，常溫拉伸力學(xué)性能、布氏硬度和電導(dǎo)率等測(cè)試方法，試驗(yàn)研究了6061鋁合金鑄錠均勻化后冷卻速度對(duì)其顯微組織、力學(xué)性能和電導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明，與均勻化后風(fēng)冷冷卻的鑄錠相比較，均勻化后隨爐冷卻的鑄錠晶界處有明顯的粗大化合物，尺寸可達(dá)15m，該粗大化合物在后續(xù)擠壓生產(chǎn)中難以破碎溶解；均勻化后隨爐冷卻的鑄錠相比于風(fēng)冷卻鑄錠生產(chǎn)的擠壓型材強(qiáng)度值與硬度值較低，但斷后伸長(zhǎng)率與電導(dǎo)率較高。

關(guān)鍵詞：6061鋁合金；均勻化；冷卻速度；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG166.3   文章編號(hào)：1007 - 7235（2016）05  - 0005  - 04

    6061鋁合金屬于Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化合金，該合金具有中等強(qiáng)度和良好的塑性，可廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、通訊設(shè)備等領(lǐng)域。半連續(xù)鑄造是生產(chǎn)6061鋁合金鑄錠的重要手段，在鑄造過程中，由于冷卻速度快，鑄錠會(huì)存在不同程度的枝晶偏析，造成成分和組織的不均勻性，嚴(yán)重影響合金的后續(xù)加工性能及綜合使用性能。工業(yè)生產(chǎn)中通常采用均勻化處理鑄錠來(lái)減少并消除以上不利影響。

    本試驗(yàn)涉及的6061鋁合金主要用于汽車防撞系統(tǒng)，對(duì)晶粒度與強(qiáng)韌性要求較高，合金中Mg、Si的含量及其存在形式是影響6061鋁合金性能的主要因素。通過均勻化處理鑄錠可以改善化學(xué)成分與組織的均勻性、調(diào)控制品的晶粒度。在均勻化工藝中，均勻化冷卻方式是影響Mg、Si存在形式的重要因素，關(guān)于6061鋁合金均勻化后冷卻速率對(duì)制品組織與性能的研究鮮見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)研究不同均勻化冷卻速率對(duì)6061鋁合金微觀組織與性能的影

響，以期優(yōu)化該合金的均勻化制度，為實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)。

1  試驗(yàn)材料與方法

    試驗(yàn)用熱頂半連續(xù)鑄造6061鋁合金310 mm鑄錠。其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0. 86% Mg.0. 60%Si、0.16% Fe、0.22%Cu、0.02% Ti、0.06%Mn、0. 10% Cr，余量Al。均勻化制度為560℃6 h。為了對(duì)比均勻化處理不同冷卻速率對(duì)鋁合金組織與性能的影響，具體試驗(yàn)方案為：①均勻化后采用強(qiáng)制風(fēng)冷；②均勻化后采用隨爐冷卻，并關(guān)閉加熱設(shè)備與風(fēng)機(jī)；③對(duì)均勻化處理后的鑄錠在500℃下擠壓成材，經(jīng)時(shí)效處理后沿?cái)D壓方向切取200 mm長(zhǎng)的拉伸樣；④在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試，在HB-3000C型電子布氏硬度計(jì)上進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，在D60K型數(shù)字金屬電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量；⑤采用蔡司AX10型光學(xué)顯微鏡(OM)對(duì)鑄錠與擠壓型材的樣品進(jìn)行光學(xué)顯微組織觀察，使用SSX-550型掃描電鏡(SEM)觀察均勻化后爐冷第二相形貌和成分分布。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1  冷卻速率對(duì)鑄錠組織與性能的影響

2.1.1  對(duì)鑄錠組織的影響

    圖1給出了6061鑄錠均勻化不同冷卻速度下的金相組織。可以看出，經(jīng)過均勻化處理后，兩組樣品的枝晶網(wǎng)均呈斷續(xù)分布，說明大部分可溶相發(fā)生溶解，此時(shí)晶內(nèi)分布大量彌散相。圖1a與1b相比較，均勻化后隨爐冷的鑄錠組織內(nèi)枝晶網(wǎng)絡(luò)回溶程度更高一些，并且伴隨有大量粗大析出相沿枝晶界斷續(xù)分布，尺寸約為15m，晶內(nèi)的彌散析出相尺寸增大，接近1m。圖1c、d為相應(yīng)試樣的偏光組織，可知均勻化后不同冷卻速率對(duì)晶粒尺寸的影響不大。

    對(duì)均勻化后隨爐冷鑄錠試樣進(jìn)行SEM觀察，并對(duì)其進(jìn)行EDS面掃描，結(jié)果如圖2所示。鋁基體上存在粗大的灰色相，EDS成分掃描發(fā)現(xiàn)灰色相主要成分為Mg、Si兩種元素。

 從以上結(jié)果可以看出，6061鋁合金中Mg、Si元素含量較高，半連續(xù)鑄造后枝晶偏析嚴(yán)重，均勻化處理后枝晶間的非平衡相部分回溶到基體中，大部分Mg、Si原子擴(kuò)散到鋁基體中，在隨后的冷卻過程中發(fā)生脫溶。如果均勻化后冷卻速率慢，為形核長(zhǎng)大提供足夠的動(dòng)力與時(shí)間，促進(jìn)Mg₂ Si平衡相聚集長(zhǎng)大，這與試驗(yàn)結(jié)果相符合。

2.1.2冷卻速率對(duì)鑄錠性能的影響

    表1為6061鋁合金鑄錠在均勻化后不同冷卻速率下的性能檢測(cè)結(jié)果。可以看出，均勻化后隨爐冷鑄錠的強(qiáng)度值與硬度值低于均勻化后風(fēng)冷鑄錠的強(qiáng)度值、硬度值，但斷后伸長(zhǎng)率與電導(dǎo)率較高。結(jié)合圖1的組織對(duì)比可知，在晶粒尺寸相近的條件下，粗大的Mg₂ Si平衡相是導(dǎo)致均勻化后隨爐冷鑄錠強(qiáng)度值與硬度值較低的主要原因。

2.2冷卻速率對(duì)擠壓型材組織與性能的影響

2.2.1  冷卻速率對(duì)擠壓型材組織的影響

    圖3為6061鋁合金鑄錠均勻化后不同冷卻速率下，擠壓型材的組織。圖3a是風(fēng)冷下的情況，結(jié)晶相在擠壓后發(fā)生明顯破碎，第二相尺寸小，在基體上均勻分布。圖3b是隨爐冷下的情況，基體上均勻分布大量粗大第二相，形狀多為塊狀和桿狀，尺寸約15 m左右。說明均勻化后隨爐冷鑄錠組織中粗大第二相在擠壓后仍然存在，且無(wú)明顯破碎。

2.2.2  冷卻速率對(duì)擠壓型材性能的影響

    表2為6061鋁合金鑄錠在均勻化后不同冷卻速率下，擠壓型材的性能檢測(cè)結(jié)果�？梢钥闯觯�均勻化后隨爐冷擠壓型材的強(qiáng)度值與硬度值明顯低于均勻化后風(fēng)冷擠壓型材的強(qiáng)度值、硬度值，但斷后伸長(zhǎng)率較高，這與鑄錠的性能對(duì)比趨勢(shì)相近。擠壓后組織內(nèi)存在粗大的Mg₂ Si，導(dǎo)致基體內(nèi)Mg、Si含量的過飽和程度降低，時(shí)效后強(qiáng)度值與硬度值低，同時(shí)說明Mg₂Si相長(zhǎng)大到一定尺寸后在后續(xù)擠壓過程中難以破碎，不利于擠壓型材的力學(xué)性能的提高。  

從電導(dǎo)率檢測(cè)結(jié)果可知，鑄錠均勻化后隨爐冷的擠壓型材的電導(dǎo)率明顯低于風(fēng)冷的。電導(dǎo)率與晶體點(diǎn)陣的晶格畸變程度有關(guān)，基體晶格內(nèi)的原子含量高，合金元素在基體中的固溶度越小，電導(dǎo)率越高。結(jié)合圖3組織可知，鑄錠均勻化后隨爐冷的擠壓型材中析出大量平衡相，導(dǎo)致鋁基體中元素含量少，電導(dǎo)率較高。

3  結(jié)  論

    1) 6061鋁合金鑄錠均勻化后隨爐冷卻與均勻化后風(fēng)冷的相比較，前者鑄錠組織中存在粗大第二相，晶粒尺寸變化不大，鑄錠與擠壓型材的強(qiáng)度值與硬度值偏低，但斷后伸長(zhǎng)率與電導(dǎo)率較高。

    2)鑄錠均勻化后緩慢冷卻形成的粗大Mg2Si平衡相，是造成爐冷鑄錠的擠壓型材力學(xué)性能低的主要原因，而且它在擠壓過程中難以回溶。

    3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定560⁰C6 h+強(qiáng)風(fēng)冷為6061鋁合金鑄錠較優(yōu)的均勻化制度。