均匀化处理时间对6016铝合金组织和性能的影响

随着环境和能源压力的不断增长，轻量化已成为汽车工业发展的重要趋势。比起传统的钢铁材料，铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、几乎100%可回收等诸多优点，因此成为汽车轻量化、实现节能减排的首选合金材料

。6016铝合金板材是乘用车车身外覆盖件常用的合金材料，该牌号铝合金是典型的热处理可强化铝合金，成形性能和折边性能优异，有良好的烘烤硬化性，冲压后表面质量高，无吕德斯带等缺陷，耐腐蚀性明显优于2系和5系铝合金等特点，一直是国内外研究的重点

。均匀化处理是乘用车车身用6016合金产品开发中的不可或缺的重要工序，6016铝合金铸锭按照合理的温度和保温时间进行均匀化热处理，使原子进行充分扩散，可以让非平衡共晶相溶解，消除枝晶偏析，使合金成分分布更加均匀，并能增加合金的过饱和固溶度，更好发挥6系铝合金的时效强化效果。均匀化是影响变形铝合金材料性能的重要因素，但已有的关于6016铝合金的热处理工艺的研究多侧重于固溶淬火和预时效工艺，关于铸锭均匀化热处理制度的研究鲜有报道。

若电池组内部单体电池的电压出现异常，则可能直接导致整车的高压断电，踩加速踏板车辆就不会有反应，同时整车警告灯、低压及高压电池警告灯会点亮。对单体电压的检测，涉及到其单独充放电测试，需要一定的检测设备，一般维修厂可能尚不具备检测能力。

为探究均匀化处理工艺对6016合金显微组织和性能的影响，本文将针对不同均匀化处理时间，对6016合金均匀化热处理过程中非平衡共晶相的回溶，金属间化合物形貌的改善进行系统研究，为6016合金工业化生产中的均匀化工艺制定提供参考。

1 试验材料及方法

实验采用半连续水冷铸造方法（DC法）制备铝合金扁锭，合金成分如表1所示。按照工艺规范要求将铸锭锯切头尾并铣面以后采用推进式均匀化炉对样品进行均匀化热处理，经查阅有关资料

，并结合公司生产实际情况最终确定本次试验均匀化温度为560℃，保温时间分别设定为4h、6h、8h、10h，保温结束后采用水冷进行冷却；随炉放置测温仪器对料温进行监控。

均匀化处理后的扁锭经过热轧、冷轧和连续气垫炉热处理工序后产出成品，具体生产工艺为，铸锭温度560℃，热轧厚度为4mm，冷轧厚度为1mm，连续气垫炉热处理温度560℃，保温时间20s，淬火方式为空冷，对成品板材进行性能检测。

合金的均匀化程度对合金的电学性能具有重要影响。根据Mathiessen研究结果

，多组元合金的电导率主要由合金元素的溶质原子在铝基体中的固溶度高低决定，也就是说当溶质原子从过饱和固溶体中析出时，合金元素在铝基体中的固溶度降低，这将会使合金的电导率升高；但当过饱和固溶体析出第二相时，合金的组织结构将会由单相转变成多相，这会降低合金的电导率。但应该明确的是，溶质原子固溶在铝基体中造成的点阵畸变比起过饱和固溶体析出的第二相对电子的散射作用要强得多。

将经过不同均匀化处理后的试样，使用光学显微镜观察第二相形貌和分布；使用数字金属电导率测量仪进行电导率测量；在电子万能试验机上进行室温力学性能测试。

2 实验结果及分析

2.1 均匀化处理时间对铸锭微观组织的影响

图2为经不同保温时间均匀化处理后的合金显微组织。合金经4h均匀化处理后溶质原子溶入基体，聚集在晶界的骨骼状组织开始出现一定断续，变得不连续，板条状的β-AlFeSi相开始向颗粒状的α-AlFeSi相转变，细小的析出相由晶界开始向晶内析出扩散，但仍存在较多的非平衡共晶相(图2(a))；经延长保温时间后，骨骼状枝晶的组织进一步发生分解回溶(图2(b))；从图2(c)(d)可以看出，随着保温时间的延长，可以发现骨骼状枝晶的组织的溶解进一步发展，连续网状组织逐渐消失。当保温时间达到8h时，相比未经均匀化处理的铸态组织，非平衡共晶相已大幅减少，连续的板条状共晶相转变为颗粒状的，同时晶内的析出相也未见明显长大，未溶的颗粒为热稳定性高的含Fe杂质相。

图1所示为合金的铸态显微组织。成分过冷的会造成液-固界面像树枝那样向液体中长大，由于Al熔点比合金元素Mg和Si熔点高，所以在半连续水冷铸造合金凝固时，α-Al会首先凝固成树枝状的骨架，同时向尚未凝固的周围液相中释放出溶质原子，然后富集了溶质原子的液相凝固成α-Al树枝晶的外部结构，即枝晶间化合物，这种由于先后凝固发生的溶质成分分布不均匀，也就是所谓的枝晶偏析。当继续冷却到液相线以下时，当溶质原子在固-液界面前沿富集到共晶成分范围时，就会在液相中发生共晶反应，最终在晶界上形成连续网状分布的骨骼状非平衡共晶相。因此图1中合金的铸态组织主要由树枝状α-Al固溶体和枝晶间析出相组成。这种急冷铸造条件下产生的析出物呈连续网状，为骨骼状β-AlFeSi非平衡共晶相，在工业用6016铝合金中不可避免地存在微量的Fe元素，在6016合金凝固时溶质原子Fe与合金中过量的溶质Si原子形成板条状的β-AlFeSi相，这种β-AlFeSi脆硬相如何不予以消除，遗留到最终合金组织中，就可以在变形时成为裂纹源，从而降低合金的强度，并使塑性变差

。晶内有少量黑色析出相，经能谱分析得知晶内析出相为Mg

Si相。

2.2 均匀化处理时间对铸锭电导率的影响

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图4为连续气垫炉固溶热处理后的T4态力学性能，可以看出随着均匀化保温时间的延长合金的强度和延伸率都呈现先增长然后下降的趋势。当均匀化保温时间为8h时，合金强度和延伸率达到最高，抗拉强度为206.0MPa，屈服强度为93.6MPa，延伸率为26.7%；当均匀化保温时间为10h时，合金的强度和延伸率出现下降。当均匀化保温时间从4h延长到8h时，铸态6016合金中的溶质原子能够进行充分扩散，固溶在率集体中，连续气垫炉固溶热处理后能够析出大量细小弥散的第二相，起到时效强化作用，所以强度升高，同时由于经过充分均匀化铸锭的枝晶偏析得到很大改善，骨骼状第二相大量分解回溶，这也改善了合金的成形性，使延伸率得到了提高；当均匀化时间继续延长至10h时，合金的第二相出现一定程度的析出，导致强度和延伸率下降。

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2.3 均匀化时间对成品板材机械性能的影响

图3为经不同保温时间均匀化处理后的合金电导率。半连续铸造条件下，铸锭合金组织为非平衡的过饱和固溶体。均匀化处理实质上分为两部分，一部分为过剩相的溶解；另一部分为过饱和元素沉淀析出。由图3可知，未经均匀化热处理的铸锭样片电导率明显大于4h，6h，8h，10h均匀化热处理后的样品，说明560℃均匀化处理开始后过剩相的溶解程度远远大于过饱和元素的沉淀析出。随着均匀化时间的延长，过饱和元素Fe、Mn、Si等经过充分扩散迁移，发生了明显的含Mn相的弥散析出，固溶度有所下降，因此电导率又出现了一定的升高，并在6h后趋于稳定。

3 结论

本文中6016铝合金铸锭均匀化热处理的最优工艺为加热到560℃保温8h。铸锭经过该工艺均匀化热处理后，轧制热处理后板材具有良好的综合力学性能，其抗拉强度、屈服强度、伸长率分别达到206.0MPa、93.6MPa、26.7%，电导率为43.8%IACS。

半连续水冷铸造的6016铝合金铸态组织中存在由非平衡凝固造成的明显偏析现象，合金组织主要由树枝状α-Al固溶体和连续网状枝晶间非平衡共晶析出相组成，同时存在少量黑色Mg

Si相析出相。

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随着均匀化时间的延长，晶界处的非平衡析出相更多的溶入基体中，铸态组织中的粗大第二相数量减少，同时出现了一定含Mn相的弥散析出。

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