馮艷飛，徐伍剛，李秋梅，孫 亮，楊 路

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽115000)

近年來，汽車輕量化的應(yīng)用得到了越來越多人的廣泛關(guān)注，其中鋁及鋁合金的應(yīng)用最為引人注目[1]。而汽車要求的高速、安全、節(jié)能、舒適、環(huán)保是現(xiàn)代化面臨的重大課題[2]。若要達(dá)到上述要求，均勻化制度工藝是實現(xiàn)滿足性能的重要途徑之一[3]。6005A鋁合金屬于典型的Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有中等強(qiáng)度、優(yōu)異的擠壓性、耐蝕性、焊接性以及較低的密度等優(yōu)點,在汽車領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[4]。本文結(jié)合生產(chǎn)實際情況，通過采用Thermo-Calc數(shù)值模擬熱力學(xué)計算及試驗相結(jié)合的方法，研究了6005A鑄態(tài)合金相組成及析出溫度，不同均勻化工藝對6005A鋁合金顯微組織、力學(xué)性能及電導(dǎo)率的影響，為實際工廠鋁合金均勻化工藝處理提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗材料及方法

試驗設(shè)備為工廠內(nèi)的1T試驗中頻加熱爐，采用半連續(xù)鑄造方法，經(jīng)熔煉、攪拌、精煉靜置保溫，鑄造溫度為730℃。生產(chǎn)規(guī)格為Ф254mm×5300mm的6005A鋁合金圓鑄錠，經(jīng)車皮后直徑為Ф248mm，去頭去尾300mm，之后鋸切長度150mm鑄錠。鑄錠各元素的實測質(zhì)量分?jǐn)?shù)為，Si 1.60%，F(xiàn)e 0.18%，Cu 0.18%，Mn 0.42%，Mg 0.67%, Cr 0.17%，Zn 0.01%，Ti 0.05%。在鑄錠一端分別連續(xù)截取5片厚30mm鑄錠薄片，其中1個鑄錠薄片作對照樣，其余4個薄片進(jìn)行不同均勻化工藝處理,具體均勻化工藝制度為，1#試樣為鑄態(tài)，2#試樣490℃×10h，3#試樣530℃×5h，4#試樣560℃×8h，5#試樣575℃×2.5h。

將鑄錠薄片1#試樣和不同均勻化工藝后的鑄錠薄片2#試樣、3#試樣、4#試樣、5#試樣，分別在鑄錠薄片中心相同位置各切取30mm×30mm×30mm制備標(biāo)準(zhǔn)的金相試樣和導(dǎo)電率試樣，經(jīng)過磨樣、拋光等，選用Keller腐蝕液(1%HF、1.5%HCl、2.5%HNO3、95%H2O，體積分?jǐn)?shù))進(jìn)行組織腐蝕后，采用Axio-Imager蔡司顯微鏡觀測金相顯微組織，并計算顯微組織晶粒度。沿光片中心一側(cè)分別切3個30mm×180mm×30mm長條塊制備標(biāo)準(zhǔn)拉伸力學(xué)試樣，采用ZX-LX-004電子萬能試驗機(jī)，施加載荷100kN。保證拉伸力學(xué)測試的真實性，取其平均值作為力學(xué)性能。通過數(shù)值計算鑄錠相組成、析出溫度及相分布狀態(tài)結(jié)合不同均勻化工藝試驗同鑄態(tài)試樣進(jìn)行對比分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 鑄錠相組成及析出溫度分析

圖1為通過Thermo-Calc熱力學(xué)計算平衡狀態(tài)下的6005A鑄錠相組成及析出溫度關(guān)系。用實測化學(xué)成分進(jìn)行計算。由圖可以看出，按照選取的合金成分，6005A鋁合金鑄錠在平衡狀態(tài)下的主要相組成有：α-Al(固溶體)、Mg2Si、Al2Cu、E(AlCrMgMn)、Al6Mn、Al20Cu2Mn3、Al13Cr4Si4、Al3Ti等。其中6005A鋁合金的強(qiáng)化相主要為Mg2Si。Al-Mg-Si合金沉淀相的析出序列對應(yīng)主要為：α-Al(過飽和固溶體)-GP區(qū)-過渡相Mg2Si)-平衡相(Mg2Si)。圖2為數(shù)值計算常溫平衡狀態(tài)下的6005A鑄錠相分布，可以看出，α-Al(圖中ALPHA)相占整體相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.69%，同理，Mg2Si為1.06%、Al6Mn為0.36%等。

2.2 均勻化工藝對鑄錠顯微組織的影響

圖3為不同均勻化工藝處理的6005A鋁合金鑄錠中心顯微組織。由數(shù)值計算及文獻(xiàn)研究[5]可知，6005A鋁合金鑄錠中主要第二相是Mg2Si、Al6Mn。

從圖3(a)中可以看出，鑄態(tài)鋁合金試樣析出物含量較多，主要集中或偏聚在晶界上，并出現(xiàn)大量粗大的顆粒和條狀析出物，且晶界狹長，枝晶網(wǎng)格明顯。而從圖3(b)(c)(d)(e)中可以看出，在不同均勻化工藝過程中，主要的第二相幾乎全部或部分分解并擴(kuò)散到鋁基體中，且粗大條狀析出物基本消失，在晶內(nèi)和晶界可見大量點狀的彌散質(zhì)點。隨著均勻化溫度的升高，基體過飽和元素均勻彌散析出，表現(xiàn)為基體中均勻分布彌散細(xì)小析出相。由圖1可知，Mg2Si相在512.5℃下開始析出，圖3(b)均勻化后未達(dá)到Mg2Si相析出溫度，故彌散質(zhì)點較少;圖3(c)(d)(e)均勻化后彌散質(zhì)點較多，而圖3(e)均勻化后彌散質(zhì)點最多。表明均勻化后的主要強(qiáng)化相重溶大量析出細(xì)小彌散質(zhì)點。另外，經(jīng)不同均勻化工藝處理后，鑄錠顯微組織枝晶網(wǎng)部分或完全固溶。其主要原因是在較高溫均勻化下，晶界上偏聚的合金化元素或相已固溶到基體中，晶界及其邊沿呈合金元素貧化狀態(tài)，晶界及其周圍呈貧化的灰白區(qū)域，隨著均勻化處理溫度和保溫時間的不同，晶界灰白貧化區(qū)域的寬度以及連續(xù)各相異性不同[6]。

圖4為不同均勻化工藝處理的鑄錠組織晶粒度。經(jīng)晶粒度計算分析，不同均勻化工藝處理后未發(fā)現(xiàn)明顯的晶粒長大和異常長大現(xiàn)象，其對應(yīng)不同均勻化后鑄錠中心的晶粒度級數(shù)分別為圖4(a)(b)(c)、(d)均為3級、圖4(e)為2.5級。不同均勻化工藝處理的組織晶粒度影響較小。

圖4 不同均勻化工藝處理的鑄錠中心位置晶粒度

2.3 均勻化工藝對鑄錠力學(xué)性能的影響

表3為不同均勻化工藝處理6005鋁合金鑄錠的常溫力學(xué)拉伸試驗結(jié)果。

表3 不同均勻化工藝處理的力學(xué)性能

從表3中可以看出均勻化后鋁合金鑄錠抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于未均勻化處理的。而高溫短時575℃×2.5h均勻化處理的合金鑄錠屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及延伸率等綜合性能均明顯優(yōu)于其它均勻化工藝處理。從鋁合金的強(qiáng)韌化機(jī)理分析，其均勻化強(qiáng)度影響主要受到晶粒細(xì)化、固溶強(qiáng)化以及第二相沉淀彌散強(qiáng)化的影響[7]。而6005A鋁合金鑄錠鑄態(tài)和均勻化的強(qiáng)度主要受制于合金元素的固溶強(qiáng)化以及第二相的沉淀彌散強(qiáng)化共同作用，彌散強(qiáng)化與第二相的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)，且第二相呈細(xì)小均勻等軸狀分布時，強(qiáng)化效果較好。

2.4 不均勻化工藝對鑄錠電導(dǎo)率的影響

鋁合金的均勻化程度以及組織形態(tài)對合金的電學(xué)性能具有很重要影響。鑄態(tài)下鑄錠電導(dǎo)率較低，只有31.8%IACS；而不同均勻化工藝處理后的電導(dǎo)率較高，490℃×10h為42.6%IACS、530℃×5h為40.4%IACS、560℃×8h為39.7%IACS、575℃×2.5h為38.2%IACS。490℃×10h均勻化處理程度不夠，晶內(nèi)和晶界存在少量偏析固溶體，所以相對其它均勻化較高。而隨著均勻化溫度的緩慢升高，晶內(nèi)和晶界偏析與非平衡相的深化溶解，合金元素在鋁基體中的固溶度逐漸增加，電導(dǎo)率明顯降低，或均勻化處理程度不夠，會出現(xiàn)較部分偏析的固溶體，所以電導(dǎo)率往往大于均勻固溶體的電導(dǎo)率。多相合金的電導(dǎo)率不僅與組成相的電導(dǎo)率及相對含量有關(guān)，還與合金的微觀組織形態(tài)有關(guān)系[8]。對固溶體基體鋁合金來說，固溶度越高，其電導(dǎo)率越低，因為合金的固溶度越高，溶質(zhì)原子溶入基體的數(shù)量越多，引起基體晶格畸變的幾率越大。電子的散射越大，電阻率越大，相應(yīng)電導(dǎo)率越小[9]。

3 結(jié)論

(1)鑄態(tài)6005A合金的Mg2Si相在512.5℃下開始析出。合金中主要的α-Al相占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.69%，同理，Mg2Si為1.06%、Al6Mn為0.36%等。

(2)經(jīng)575℃×2.5h均勻化工藝處理效果最好，晶內(nèi)均勻彌散分布細(xì)小的析出相，且強(qiáng)度最高，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、電導(dǎo)率分別為114MPa、230MPa、23.4%、38%IACS。較鑄態(tài)相比分別提高了26.5%、21.4%、21.9%、16.1%。

(3)經(jīng)過不同均勻化工藝處理電導(dǎo)率均顯著提高，與鑄態(tài)電導(dǎo)率相比提高了16.1%～33.9%。