鑄錠均火冷卻速度對6061鋁合金組織與性能的影響（冶金）

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

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

摘要：采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡觀察組織，常溫拉伸力學性能、布氏硬度和電導率等測試方法，試驗研究了6061鋁合金鑄錠均勻化后冷卻速度對其顯微組織、力學性能和電導率的影響。結果表明，與均勻化后風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15m，該粗大化合物在后續擠壓生產中難以破碎溶解；均勻化后隨爐冷卻的鑄錠相比于風冷卻鑄錠生產的擠壓型材強度值與硬度值較低，但斷后伸長率與電導率較高。

關鍵詞：6061鋁合金；均勻化；冷卻速度；力學性能

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

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

    本試驗涉及的6061鋁合金主要用于汽車防撞系統，對晶粒度與強韌性要求較高，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成分與組織的均勻性、調控制品的晶粒度。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，關于6061鋁合金均勻化后冷卻速率對制品組織與性能的研究鮮見報道。因此，本試驗研究不同均勻化冷卻速率對6061鋁合金微觀組織與性能的影

響，以期優化該合金的均勻化制度，為實際生產提供依據。

1  試驗材料與方法

    試驗用熱頂半連續鑄造6061鋁合金310 mm鑄錠。其化學成分（質量分數）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。為了對比均勻化處理不同冷卻速率對鋁合金組織與性能的影響，具體試驗方案為：①均勻化后采用強制風冷；②均勻化后采用隨爐冷卻，并關閉加熱設備與風機；③對均勻化處理后的鑄錠在500℃下擠壓成材，經時效處理后沿擠壓方向切取200 mm長的拉伸樣；④在電子萬能試驗機上進行室溫力學性能測試，在HB-3000C型電子布氏硬度計上進行布氏硬度測試，在D60K型數字金屬電導率測量儀進行電導率測量；⑤采用蔡司AX10型光學顯微鏡(OM)對鑄錠與擠壓型材的樣品進行光學顯微組織觀察，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試驗結果及分析

2.1  冷卻速率對鑄錠組織與性能的影響

2.1.1  對鑄錠組織的影響

    圖1給出了6061鑄錠均勻化不同冷卻速度下的金相組織?？梢钥闯?，經過均勻化處理后，兩組樣品的枝晶網均呈斷續分布，說明大部分可溶相發生溶解，此時晶內分布大量彌散相。圖1a與1b相比較，均勻化后隨爐冷的鑄錠組織內枝晶網絡回溶程度更高一些，并且伴隨有大量粗大析出相沿枝晶界斷續分布，尺寸約為15m，晶內的彌散析出相尺寸增大，接近1m。圖1c、d為相應試樣的偏光組織，可知均勻化后不同冷卻速率對晶粒尺寸的影響不大。

    對均勻化后隨爐冷鑄錠試樣進行SEM觀察，并對其進行EDS面掃描，結果如圖2所示。鋁基體上存在粗大的灰色相，EDS成分掃描發現灰色相主要成分為Mg、Si兩種元素。

 從以上結果可以看出，6061鋁合金中Mg、Si元素含量較高，半連續鑄造后枝晶偏析嚴重，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原子擴散到鋁基體中，在隨后的冷卻過程中發生脫溶。如果均勻化后冷卻速率慢，為形核長大提供足夠的動力與時間，促進Mg₂ Si平衡相聚集長大，這與試驗結果相符合。

2.1.2冷卻速率對鑄錠性能的影響

    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結果?？梢钥闯?，均勻化后隨爐冷鑄錠的強度值與硬度值低于均勻化后風冷鑄錠的強度值、硬度值，但斷后伸長率與電導率較高。結合圖1的組織對比可知，在晶粒尺寸相近的條件下，粗大的Mg₂ Si平衡相是導致均勻化后隨爐冷鑄錠強度值與硬度值較低的主要原因。

2.2冷卻速率對擠壓型材組織與性能的影響

2.2.1  冷卻速率對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是風冷下的情況，結晶相在擠壓后發生明顯破碎，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，且無明顯破碎。

2.2.2  冷卻速率對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結果?？梢钥闯?，均勻化后隨爐冷擠壓型材的強度值與硬度值明顯低于均勻化后風冷擠壓型材的強度值、硬度值，但斷后伸長率較高，這與鑄錠的性能對比趨勢相近。擠壓后組織內存在粗大的Mg₂ Si，導致基體內Mg、Si含量的過飽和程度降低，時效后強度值與硬度值低，同時說明Mg₂Si相長大到一定尺寸后在后續擠壓過程中難以破碎，不利于擠壓型材的力學性能的提高。  

從電導率檢測結果可知，鑄錠均勻化后隨爐冷的擠壓型材的電導率明顯低于風冷的。電導率與晶體點陣的晶格畸變程度有關，基體晶格內的原子含量高，合金元素在基體中的固溶度越小，電導率越高。結合圖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，導致鋁基體中元素含量少，電導率較高。

3  結  論

    1) 6061鋁合金鑄錠均勻化后隨爐冷卻與均勻化后風冷的相比較，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度值與硬度值偏低，但斷后伸長率與電導率較高。

    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性能低的主要原因，而且它在擠壓過程中難以回溶。

    3)根據試驗結果，確定560⁰C6 h+強風冷為6061鋁合金鑄錠較優的均勻化制度。