均匀化温度对6005A铝合金铸锭组织性能的影响

何 金，金文福，黄 健，张春旭，杨 明

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

6005A铝合金属于Al-Mg-Si系可热处理强化铝合金，是一种具有中等强度，优良的挤压性、焊接性、耐腐蚀性的铝合金，被广泛应用在轨道交通领域[1]。均匀化热处理工艺可以减小或消除铸锭中出现的非平衡组织和成分不均匀的现象。本试验探讨均匀化温度对6005A铝合金铸锭微观组织和性能的影响，为提高6005A铝合金材料的使用性能、工艺性能及后续加工做准备。

1 试验材料及方法

本试验采用我公司半连续铸造方法生产的6005A铝合金铸锭，铸锭规格为Φ582 mm×1 000 mm。铸造过程中采用泡沫陶瓷过滤，Al-Ti-B丝细化晶粒，在线除气处理。铸锭的化学成分见表1。将铸锭分别在450 ℃、500 ℃、550 ℃、570 ℃、600 ℃保温7 h，水冷后采用AXIO 万能研究级倒置式材料显微镜、SS-550日本岛津扫描电子显微镜及能谱分析进行组织观察，采用GYZJ-934-1巴氏硬度计测试硬度，SMP-10涡流电导仪测试电导率。

表1 6005A铝合金铸锭的化学成分(质量分数/%)Table 1 Composition of 6005A Al alloy ingots(wt/%)

6005A铝合金铸锭原始组织见图1。由图1可以看出，6005A铝合金铸态组织主要由树枝状的α-Al固溶体及晶界上由于快速冷却形成的非平衡共晶体组成，非平衡共晶体多为连续的杆状及骨骼状。对铸态组织的扫描电镜及能谱分析表明，铸态组织中黑色的点状及条状相为Mg2Si相，白色的为AlFeSi相。由于铸造工艺控制得当，Si元素除形成AlFeSi相外均溶于α-Al固溶体中，没有发现过剩的单质Si。

图1 6005A铝合金铸锭原始组织照片Fig.1 Photograph of original microstructure of 6005A Al alloy ingot

2 试验结果

将铸锭均分5份，分别在450 ℃、500 ℃、550 ℃、570 ℃、600 ℃保温7 h，水冷后，在铸锭的边部和心部各取5个尺寸为20 mm×10 mm(直径×高)试样进行磨抛处理，选用混合酸HF+HCl+HNO3+H2O，其体积比为2∶3∶5∶190，试样经混合酸腐蚀后在金相显微镜下观察，并对不同温度均匀化后的铸锭进行硬度和导电率测试。

不同温度均匀化后铸锭组织见图2。由图2可知，采用450 ℃均匀化处理后，晶界上的网状非平衡共晶物仍然存在，并且晶内和晶界上析出大量球状和杆状相。随着温度的升高，500 ℃均匀化处理后仍能看到非平衡共晶物，仍有少量球状和杆状相析出。550 ℃均匀化处理后晶界上的网状非平衡共晶物基本回溶到基体中，板条状相连续形态变成链状，无球状和杆状相析出。570 ℃均匀化处理后共晶物消失，更多网状物转变为链状。随着温度的继续升高，固溶体中析出的细小弥散相逐渐增多，颗粒逐渐增大。在600 ℃均匀化处理后组织出现了复熔球和复熔三角形，这是典型的过烧特征，说明铸锭发生了过烧。

图2 6005A铝合金铸锭不同温度均匀化退火7 h后的显微组织Fig.2 Microstructure images of 6005A Al alloy ingots homogenized at different temperatures for 7 h

不同均匀化温度均匀化处理下的6005A铝合金的导电率和巴氏硬度如图3所示。从图3中可知，在450 ℃均匀化处理后导电率最高，随着温度的继续升高，导电率逐渐降低，且不同温度下的导电率均高于铸态组织的导电率。铸锭的硬度随着温度的升高呈现先减小后增加趋势。在450 ℃均匀化处理后硬度最低且低于未均匀化铸锭的硬度。铸锭在570 ℃均匀化处理后硬度达到最高。由于铸锭在600 ℃均匀化处理后发生了过烧，使得铸锭的硬度明显下降。铸锭在570 ℃均匀化处理后导电率基本稳定，组织中的共晶物消失(如图2)，网状物更彻底转变为链状，铸锭组织均匀。因此在570 ℃均匀化效果最佳。

图3 6005A铝合金铸锭经不同均匀化温度保温7 h后的硬度和导电率Fig.3 Hardness and conductivity of 6005A Al alloy ingotshomogenized at different temperatures for 7 h

3 分析讨论

图4为均匀化处理后的铸锭组织。由图4可知，铸锭在450 ℃7 h均匀化处理后，由于Mg2Si在α-Al中的溶解度较低，晶界及晶内有大量的杆状和球状的黑色Mg2Si从α-Al固溶体中析出，导致铸锭的导电率比铸态时的明显升高，硬度大幅下降。由于温度较低晶界和枝晶界上有大量的非平衡共晶体未发生回溶，铸锭在500 ℃7 h均匀化处理后仍有少量黑色杆状和球状的Mg2Si在晶界及晶内析出。随着温度的升高，Mg2Si逐渐回溶到α-Al固溶体中，铸锭在550 ℃7 h均匀化处理后Mg2Si已经基本回溶到固溶体中，晶界和枝晶界上的网状非平衡共晶体逐渐回溶，在570 ℃7 h均匀化处理后Mg2Si完全回溶到固溶体中。由于Mn、Cr元素在铝中的溶解度较低，在均匀化过程中从过饱和固溶体中析出，Mn、Cr和Fe元素可以互换位置，溶入形成α-Al(MnFe)Si、α-Al(MnCrFe)Si、α-Al(MnCr)Si相[2-4]，使得晶界和枝晶界上的白色板条状的β-AlFeSi相转变为细小球状的α-AlFeMnSi和α-AlFeMnCrSi相。

图4 6005A铝合金铸锭不同温度均匀化7 h处理后扫描电镜照片Fig.4 SEM images of 6005A Al alloy ingotshomogenized at different temperatures for 7 h

Al-Mg2Si伪二元相图中Al-Mg2Si的共晶温度为595 ℃，Mg2Si在共晶温度的最大溶解度为1.85%，随着温度的降低溶解度逐渐降低，Mg2Si在450 ℃的溶解度仅为0.7%。因此6005A铝合金铸锭在450 ℃～500 ℃均匀化处理后均有Mg2Si的析出。随着温度的继续升高，Mg2Si在铝基体的溶解度升高，Mg2Si又逐渐回溶到铝基体中。随着Mg2Si以及非平衡共晶体的回溶，导电率先升高后降低，硬度先降低后升高，在450 ℃均匀化处理后有大量的Mg2Si析出，使得铸锭的导电率最高，硬度最低。由于铸锭在600 ℃发生过烧，导致在600 ℃均匀化处理后硬度和导电率降低。

图5为铸锭经不同均匀化处理后的组织放大照片。随着温度的升高，在基体中析出的细小球状的弥散相，细小的弥散相随温度的升高尺寸逐渐增大。对图5b中的析出的细小的白色弥散相进行EDS能谱分析，为α-Al(FeMn)Si、α-Al(FeMnCr)Si相。

图5 6005A铝合金铸锭500 ℃、570 ℃均匀化7h处理后扫描电镜放大照片Fig.5 Enlarged SEM images of 6005A Al alloy ingots homogenized at 500 ℃ and 570 ℃ for 7 h

4 结 论

1)6005A铝合金铸态组织主要由树枝状的α-Al固溶体及晶界上由于快速冷却形成的非平衡共晶体组成，第二相主要为Mg2Si相和AlFeSi相。

2)6005A铝合金铸锭在450 ℃～500 ℃均匀化处理7 h后均有Mg2Si相的析出，随着温度的升高Mg2Si又回溶到铝基体中，非平衡共晶组织逐渐溶入基体中。铸锭在570 ℃7 h均匀化处理后共晶物基本消失，网状物更充分地转变为链状物，且硬度最高、电导率基本稳定，均匀化处理效果最佳。随着均匀化退火温度的升高，6005A铝合金铸锭导电率先升高后降低，硬度先降低后升高。铸锭在600 ℃7 h发生过烧，导致硬度和导电率均降低。在较高的均匀温度下，Mn、Cr元素从过饱和固溶体中析出与β-AlFeSi相作用促使板条状β-AlFeSi相转变为细小球状的α-Al(FeMn)Si相和α-Al(FeMnCr)Si相。

3)在均匀化过程中，基体中析出的细小的弥散相为α-Al(FeMn)Si、α-Al(FeMnCr)Si。细小的弥散相尺寸随温度的升高逐渐增大。