均匀化制度对6082挤压制品组织与性能的影响

孙 亮，刘兆伟，董刘颖，王洪卓，谢方亮

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

6082 铝合金属于Al-Mg-Si 系铝合金，可通过热处理强化，具有中等强度、焊接性能与耐腐蚀性良好等优点，被广泛应用于交通运输和结构工程上，如起重机、屋顶构架、公交车和船只等[1-4]。在半连续铸造过程中经常出现合金成分不均匀和粗大脆性相，导致其在形变过程中存在形变不均匀现象，或在粗大相周围形成应力集中，使合金产生裂纹，以致断裂[5-7]。为获得好的热加工成形性能，合金需进行均匀化处理，使合金成分均匀化，以消除合金铸锭中粗大共晶相和杂质相的不利影响。在均匀化过程中析出的弥散相在随后的加工或热处理过程中还有抑制再结晶及晶粒长大的作用[8-11]。均匀化工艺会影响粗大共晶相和杂质相的溶解情况及弥散相的大小与分布情况，进而影响材料的加工组织、析出行为及淬火敏感性[12-14]。

本文主要研究了不同均匀化温度对6082合金组织和性能的影响，讨论不同均匀化温度下合金组织相组成及其变化以及对合金机械性能和电导率的影响。

1 试验方法

1.1 试验方案

实验采用半连续铸造法制备φ174 mm 的6082铝合金铸锭，合金化学成分见表1。采用箱式电阻炉对铸锭进行均匀化热处理，水冷，均匀化工艺见表2。随炉放置测温仪对料温进行监控，热处理后分别取30 mm的试片进行铸态组织分析。

表1 6082的合金成分（质量分数/%）

均匀化热处理后在1 800 t卧式挤压机上对铸棒进行挤压生产，具体挤压工艺见表3。对挤制出的6082 铝合金型材进行相同的在线淬火和时效处理，时效制度统一为175 ℃×8 h。对时效后的挤压型材进行组织与性能检测。

表2 均匀化退火工艺

表3 挤压工艺参数

1.2 性能测试

使用电子万能试验机进行室温力学性能测试；使用电子布氏硬度计进行硬度测试；使用数字金属电导率测量仪进行电导率测量；使用蔡司光学显微镜（OM）对铸锭与挤压型材进行光学显微组织观察；使用扫描电子显微镜（SEM）观察第二相形貌及其分布。

2 试验结果及分析

2.1 均匀化温度对合金铸态组织的影响

图1为不同均匀化温度处理后的铸锭组织。从图1（a）可以看出，铸态组织由两部分组成，一部分是枝晶界及晶胞间的非平衡共晶相，另一部分为枝晶内的共晶球，铸态组织主要为α-Al 基体、深色的针状Mg2Si相、骨骼状含Mn、Fe相[15]。共晶组织中的Mg2Si在一定温度下发生溶解，而初生的块状或条状含Mn 相在热处理过程中很难溶解；从图1（b）可以看出，合金在经过490 ℃均匀化后，聚集在晶界处的共晶相开始溶断，但枝晶网络仍存在；从图1（c）可以看出，合金在经过525 ℃均匀化后，低熔点共晶相发生进一步溶解，基体上有细小化合物质点析出；从图1（d）可以看出，合金在经过560 ℃均匀化后，枝晶网状结构被破坏，组织稀疏，基体上均匀析出粒状和棒状化合物质点。

图1 铸棒在不同均匀化温度下的显微组织

总体可以看出，铸态组织中，在晶界处聚集的非平衡共晶组织的组成相经490 ℃、525 ℃均匀化后仍呈网状结构，鱼骨状共晶组织依然存在，这是因为晶界共晶析出相没有大量溶入基体；经560 ℃均匀化后，铸态下的枝晶组织基本消除，晶内组织均匀，初生态Mg2Si 相和单质Si 几乎完全溶解，析出相呈颗粒状，均匀化效果良好。

均匀化处理能促进原子的扩散运动，原子扩散系数与均匀化温度的关系可由扩散第一定律[16]表示如下：

由公式（1）和（2）可知：原子扩散的速度与温度正比，原子扩散速度随均匀化温度的上升而加快。半连续铸造下，合金的冷却速度很快，属于非平衡凝固，合金元素未充分扩散，此时合金组织中晶界上和枝晶间存在非平衡亚稳相。均匀化的作用一方面使过剩相发生溶解，另一方面使过饱和元素沉淀。所以随着温度增加原子扩散速度增加，弥散相的数量增加并长大。均匀化温度高于525 ℃时出现析出质点，随着温度升高质点尺寸变大，说明弥散相在525 ℃已经析出。

图2 不同均匀化温度处理后挤压材的显微组织

2.2 均匀化温度对挤压制品组织的影响

图2为不同均匀化温度处理后挤压制品的显微组织。如图2（a）所示，挤压制品中的粗大结晶相在挤压过程中破碎，呈不规则块状分布在基体上。随着均匀化温度的增加，破碎后的结晶相密集程度逐渐减少，而弥散相的数量与分布在图片上观察不明显，见图2（b）～图2（d）。从上可知，均匀化后组织中仍存在部分尺寸较大且难溶的结晶相。这些相在固溶处理过程中也很难溶解，通过后续挤压变形使得这些粒子发生破碎。同一均匀化状态下边部结晶相的平均尺寸比心部小，分布更加弥散均匀，这是因为在挤压过程中边部比心部变形程度大、破碎更剧烈。

图3所示为不同均匀化温度处理后挤压制品的背散射（SBSE）结果，表4为图3中A、B点合金元素浓度含量测试结果。除图3（a）外，在图3（b）～图3（d）中均能观察到亚微米级白色粒状析出相，根据合金成分判断，分析其为含Mn、Cr 的高温分解质点，经560 ℃×12 h均匀化处理后其数量减少，说明在该温度下含Mn 相发生溶解。另外在图3的组织图片中均可观察到大尺寸的黑色的杆状相和尺寸较小的黑色粒状相。杆状相经测定主要由Al、Mg、Si 组成（B 点），推测为未溶的Mg2Si 相，其尺寸随着均匀化温度的增加而减小。在560 ℃均匀化后，挤压组织中已无粗大Mg2Si 过剩相。基体组织中的黑色的小尺寸粒状相也主要由Al、Mg、Si组成（A 点），推测为均匀化冷却析出的Mg2Si 相，其数量随均匀化温度的升高而增加。

图3 6082合金经不同均匀化制度后的SBSE照片

表4 合金元素浓度含量（原子百分比/%）

2.3 挤压制品机械性能分析

如图4所示，挤压制品的强度随着均匀化温度的升高呈先升高再降低的趋势。当温度为525 ℃时，抗拉强度最高，为352.5 MPa；当均匀化温度达到560 ℃时，基体中Mg、Si 原子的饱和度降低，导致在相同时效制度下强度值降低。

图4 均匀化温度对挤压制品力学性能的影响

挤压制品的电导率随均匀化温度的增加呈下降趋势，经均匀化处理后合金的电导率均比铸态合金的电导率高，见图5。这是因为随着溶质原子的溶入，α（Al）基体逐渐变为过饱和状态，溶剂原子的点阵发生畸变，使电子波的散射增大。根据Mathiessen[17]理论可知，合金的电导率随着固溶度的升高而下降，所以降低了合金的电导率；同时第二相粒子从过饱和固溶体中分解析出，合金结构由单相变复相，也会导致合金电导率下降。铸态合金的电导率较低是因为在基体中固溶的Mn 元素降低了合金的电导率；均匀化处理后，合金析出部分含Mn的弥散相，基体中Mn元素的固溶度下降，所以均匀化处理后合金的电导率较高。

图5 均匀化温度对挤压制品电导率的影响

3 结论

（1）6082 铝合金铸锭均匀化热处理的最佳工艺为525 ℃×12 h。经过上述均匀化热处理后，型材具有良好的综合力学性能，其抗拉强度、屈服强度分别为352.5 MPa、333.9 MPa，电导率为29.1%IACS。

（2）6082 铝合金铸态组织中存在明显的颗粒状偏析组织。经均匀化热处理后，在晶界处聚集的非平衡共晶重新溶解，偏析得到明显改善，第二相粒子在基体中弥散分布，使合金组织与性能均得到提升。