均匀化冷却速率对6005A铸锭组织性能的影响

孙文超，吴敬哲，于金凤

（丛林集团有限公司，龙口 265705）

均匀化冷却速率对6005A铸锭组织性能的影响

孙文超，吴敬哲，于金凤

（丛林集团有限公司，龙口 265705）

研究了6005A合金均匀化处理后不同冷却速率下金相组织、硬度及电导率的变化规律。随冷却速率的增加，铸锭中针状的Mg2Si相逐渐减少，黑色粒状Mn、Cr的化合物质点逐渐细化；铸锭的硬度值逐渐升高，电导率值逐渐降低。通过适当调控均匀化后冷却速率，可以改变Mg2Si相、Mn、Cr化合物的形态和分布，进而影响挤压时铸棒的变形抗力和型材的粗晶层厚度，达到改善型材质量的效果。

均匀化冷却速率；6005A合金；电导率；硬度

0 前言

6005A铝合金属Al-Mg-Si系铝合金，其铸锭在半连续铸造过程中由于结晶速度快导致铸锭的晶内偏析和区域偏析，并在铸锭内部形成很大的铸造应力。一般均匀化处理是为了消除非平衡结晶偏析和铸造应力，提高铸锭的加工性能[1]。但是，铸锭经均匀化处理后，从均匀化温度冷却到室温的过程中，冷却方式和冷却速度直接影响第二相的形态和分布，从而对合金的挤压性能和型材的质量有重要的影响[2、3]。

因此，本文通过对铝合金铸锭进行均匀化处理后不同冷却方式处理的研究，采用硬度测试、电导率测试、金相组织检测等手段，寻找铝合金在均匀化处理不同冷却方式下组织和性能的变化规律，为工业化生产中6005A合金均匀化处理工艺的制定提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本实验选取半连续铸造生产φ458mm规格6005A合金铸锭，其合金成分见表1。对铸锭进行575℃保温10h均匀化处理，均匀化处理在火焰加热炉中进行，温度控制在±5℃。对均匀化处理后铸锭分别按A、B、C、D、E 5种不同的冷却速率进行冷却。冷却速度大小：A＜B＜C＜D＜E。

表1 6005A合金铸锭化学成分（质量分数/%）

1.2 试验方法

为保证硬度及电导率测试的准确性，如图1所示，对均匀化处理前后φ458mm铸锭，在横截面上从边部到中心每隔20cm进行硬度及电导

率测量。其中，硬度测量符合GBT 17394-1998规定，电导率测试符合GBT 12966-2008规定。对金相试样进行机械抛光处理，用keller试剂（2mLHF+3mLHCl+5mLHNO3+95mLH2O）进行腐蚀，采用Olympus显微镜对其进行金相组织观察。

图1 硬度、电导率测量点示意图

2 试验结果及分析

2.1 均质冷却速率对铸锭组织的影响

图2为A、B、C、D、E 5种不同的冷却速率下铸锭的金相组织。图2（a）中铸锭经均匀化处理后，粗大的第二相溶解，同时合金内部析出大量灰色的针状和黑色的粒状质点，其中针状为Mg2Si相，黑色质点为含Mn、Cr的化合物质点；图2（e）中只有黑色的粒状质点，且其尺寸明显小于图2（a）中的。随均匀化冷却速率的增加，铸锭中针状的Mg2Si相逐渐减少，黑色粒状Mn、Cr的化合物质点逐渐细化。

图2 A、B、C、D、E 5种不同的冷却速率下的金相组织

这是由于均匀化处理后快速冷却，Mn、Cr化合物的成核速率快速提高，形成了生成大量细小

Mn、Cr化合物质点的有利条件，且快速冷却致使扩散很慢，质点的长大速度明显降低[4]。

在较慢的冷却条件下，合金内部会产生大量粗大的Mg2Si质点，这些质点太大，以致它在挤压过程中不能溶解。在挤压过程中，可能溶解不完全并且可能引起局部熔化，导致表面质量恶化。而且，缓慢冷却条件下会导致固溶体中Mg、Si含量减少，铝基体的强度降低。在缓慢冷却条件下，Mn、Cr化合物质点发生聚集、长大，影响挤压过程中Mn、Cr化合物质点抑制再结晶的作用。当冷却速度过快时，固溶体的过饱和程度大，导致晶格畸变，引起内能增高，微观应力增大，阻碍位错滑移变形，使得变形抗力增大。

因此，在大工业生产情况下，铸锭均匀化后冷却速率达到D状态时，一方面，有效地调控了Mg2Si相的尺寸和数量，降低挤压时铸棒的变形抗力，且可使Mg2Si相在挤压过程中溶解，提高型材的力学性能；另一方面，有效地调控了Mn、Cr化合物质点的尺寸与数量，在挤压过程中有效地抑制再结晶，降低型材的粗晶层厚度。

2.2 均质冷却速率对铸锭硬度的影响

图3所示为A、B、C、E、E 5种不同的均匀化冷却速率下的硬度值变化曲线。由图3可知：铸态下铸锭的电导率值最大，且中心位置的硬度明显高于边部，不同位置的硬度均在53.5HL以上；铸锭经均匀化处理后，不同位置的硬度趋于均匀；随均匀化后冷却速度的增加，硬度逐渐增大。

图3 A、B、C、D、E 5种不同的冷却速率下的硬度

均匀化过程实质上是过剩相溶解和过饱和元素沉淀同时进行的一个双向动态过程。均匀化处理过程中，合金的硬度与基体的过饱和程度、第二相的粒度、形状和物相结构密切相关。合金在铸造冷却条件下，其组织主要为过饱和固溶体，由于过饱和程度较高，合金的硬度也相应较大。在均匀化过程中，过饱和固溶体逐渐分解，铸造过程中形成的结晶相逐渐溶解。在均匀化冷却过程中，基体的过饱和固溶体逐渐分解，析出平衡相，使基体过饱和程度下降，导致合金的硬度降低。随均匀化冷却速率的增加，基体的过饱和程度增大，溶质的固溶强化机制占主导，从而硬度增加；随均匀化冷却速率的降低，基体的过饱和程度减小，析出的平衡相聚集长大，进一步导致铸锭硬度的降低。

2.3 均质冷却速率对铸锭电导率的影响

图4所示为A、B、C、E、E 5种不同的均匀化冷却速率下的电导率变化曲线。由图4可知：铸态下电导率值最低，其中边部电导率明显低于中间位置；铸锭经均匀化处理后，不同位置电导率分布比较均匀；与硬度规律相反，随均匀化冷却速率的增加，电导率降低。

图4 A、B、C、D、E 5种不同的冷却速率下的电导率

电导率由合金元素、合金的固溶状态、第二相析出与分布等微观结构因素决定的。按Mathiessen理论，多组元合金电导率主要受合金元素在铝基体中固溶度变化的影响，固溶在铝基体

中的原子引起的点阵畸变对电子的散射作用比析出的第二相引起的散射作用强得多。铸态条件下的合金组织为非平衡固溶体的过饱和组织，这种组织是不稳定的组织。由于过饱和程度高，合金的电导率主要是由过饱和固溶体的电导率控制。当溶质含量较高时，合金的电阻率较高，而电导率较低。铸态组织中，边部急冷，过饱和固溶体中固溶的合金元素多，电导率低。合金电导率大于其铸态电导率，这是因为合金铸态固溶在基体中的溶质原子大大降低了合金的导电性，均匀化处理后，合金析出了大量的第二相粒子，降低了基体中的过饱和固溶度。

随均匀化冷却速率的降低，电导率变化的主要因素有两个方面：一是过饱和固溶体的分解使基体中固溶元素减少，合金电阻率下降；其次是第二相粒子从过饱和固溶体中析出，使合金结构由单相变为复相，合金电阻率上升。因为固溶原子对电导率的影响大于第二相的作用，所以总体上，粒子析出过程中会提高合金的电导率。溶质原子从过饱和固溶体中析出，形成平衡第二相，固溶体中溶质原子的含量下降，从而使合金的电导率提高。这些特点与显微组织的观察结果相吻合。

3 结论

随均匀化冷却速率的增加，铸锭中针状的Mg2Si相逐渐减少，黑色粒状Mn、Cr的化合物质点逐渐细化；6005A合金铸锭的硬度值逐渐升高，电导率值逐渐降低。通过适当调控均匀化后冷却速率，可以改变Mg2Si相、Mn、Cr化合物的形态和分布，进而影响挤压时铸棒的变形抗力和型材的粗晶层厚度，达到改善型材质量的效果。

[1] 张珊珊.Al-Mg-Si合金铸态组织及其铸锭均匀化处理研究[D].沈阳，东北大学，2011

[2] 王国峰.铸锭均匀化处理对铝型材表面的影响[J].宁夏大学学报，自然科学版，2002，23（2）：173-181

[3] Yuemei Wu，Ji Xiong.The microstructure evolution of an Al-Mg-Si-Mn-Cu-Ce alloy during homogenization[J]. Journal of Alloys Compounds，475（2009）332-338

[4] Yucel Birol.Precipitation during homogenization cooling in AlMgSi alloys[J]. Trans.Nonferrous Met，Soc.China23（2013）∶1875-1881

（编辑：余东梅）

Effect of Cooling Rate on Homogenization Treatment for 6005A Aluminum Alloy

SUN Wen-chao,WU Jing-zhe ,YU Jin-feng
(Conglin Group Company, Longkou 265705,China)

The microstructure, hardness and conductivity under different cooling rate after homogenization treatment of 6005A alloy have been investigated. With the increase of cooling rate, the acicular Mg2Si phage of ingot decreases, the black granular composite particles contained Mn and Cr are refined; the hardness of ingot increases gradually, the conductivity of ingot decreases. By controlling cooling rate after homogenization, the shape and distribution of Mg2Si phase and composite could be changed, and the deformation resistance of ingot and the coarse grain thickness of profile are affected, to improve the quality of the profile.

cooling rate ; 6005A alloy; conductivity; hardness

TG144.21，TG166.3

A

1005-4898（2016）03-0022-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.03.05

孙文超（1987-），男，山东青岛人，本科。

2016-04-12