夹杂物对6063铝合金力学性能的影响

周 策，崔建忠

(1.福建省南平铝业有限公司，南平 353000;2.东北大学 材料电磁过程研究教育部重点实验室，沈阳 110004)

夹杂物对6063铝合金力学性能的影响

周 策1，崔建忠2

(1.福建省南平铝业有限公司，南平 353000;2.东北大学 材料电磁过程研究教育部重点实验室，沈阳 110004)

研究了6063铝合金半连续铸锭中夹杂物的分布规律及其对拉伸性能的影响.实验发现:铸锭的底部和顶部夹杂面积分数较高，铸锭中部面积分数较低.随夹杂面积分数的增大，合金抗拉强度和延伸率降低，应变硬化指数n值变小，变形温度为300℃时，合金的加工硬化基本被软化作用所取代。试样断口分析发现，夹杂面积分数低的铸锭中部韧窝较深，延伸率较高;而夹杂面积分数高的铸锭底部韧窝比较浅平，塑性较差.

6063铝合金;夹杂物;拉伸性能;断口分析

铝熔体中的夹杂有碳化物、氮化物、氧化物、氢化物等固态夹杂物以及铁、硅、锌、锰等金属夹杂，其中以Al2O3最多，其含量占夹杂含量的95%以上.铝熔体中夹杂物的含量是评价冶金质量的一个重要标志，一般来讲，这些夹杂物的尺寸在几μm到几十μm之间，但它们的危害却非常大，将直接地影响到铝合金加工热处理后产品的强度、塑性及腐蚀性等使用性能［1～4］.

国内外学者对铝合金中夹杂物对力学性能的影响及其作用机理进行了许多研究［5～9］，本文研究了6063铝合金DC铸造锭坯中夹杂物的分布及其对拉伸性能的影响，并对拉伸断口形貌进行观察.

1 实验方法

实验所用材料为6063铝合金，化学成分如表1所示.为了让夹杂物容易被观察和测量，熔体融化后不进行净化处理，直接 DC铸造成直径150 mm，长1 000 mm的锭坯，夹杂物测定前将铸锭进行560℃/8 h的均匀化热处理，然后按图1所示取样，铸锭从上到下依次标号为B1、B2、B3、B4、B5、B6，每片试样厚度为20 mm，在试样的中部(即铸锭横截面的中部)进行夹杂物观察和测量.为了获得大面积的统计结果，本实验采用热碱深蚀刻法来半定量评估合金中夹杂物的含量，这种测量方法数值不一定十分精确，但是可以正确反映夹杂含量的差别.对试样进行7 min的热碱深蚀刻，Al2O3、MgO等氧化物夹杂将会被蚀刻掉，在试样的表面出现蚀坑，此蚀坑即为氧化物夹杂原来的位置.用Leica MPS30光学显微镜观察和拍摄夹杂物的分布情况，选取15～20个视场，将其拍成照片，用扫描仪扫到电脑中，用SISCIA8.0图像分析软件计算出蚀坑所占的面积分数.

将上述6063铝合金半连续铸锭不同部位所取试样加工成哑铃状拉伸试样(如图2所示)，在CMT5105型电子万能拉伸试验机上进行拉伸实验，每个状态取3个试样测试，取平均值.变形温度为25℃、300℃，变形速率为1 mm/min.用SSX－550扫描电镜观察拉伸断口形貌.

表1 6063铝合金的化学成分表(质量分数)Table 1 Chemical compositions of 6063 alloy (mass fraction%)

图1 拉伸和夹杂物测量取样位置Fig.1 The schematic illustration of sampling for tensile tests and inclusion measurement

图2 拉伸试样尺寸示意图Fig.2 Schematic diagram of tensile sample

2 结果与讨论

2.1 6063合金半连续铸造铸锭中夹杂物的定量研究

图3是夹杂物金相观察的结果，实际上大量尺寸非常微小的(＜5 μm)夹杂物，通过这种方法观测不到，观测到的都是尺寸≥10 μm以上的夹杂物.大量研究表明只有尺寸大于10 μm以上的夹杂物才对合金的力学性能产生显著影响.且尺寸越大，数量越多，影响越严重.

图3 腐蚀后夹杂物的金相照片ig.3 Microstructures showing inclusions after erosion(a)—At the center of ingot;(b)—At the bottom of ingot

图4是夹杂物面积分数的计算结果.从图中可以看出，由于本组实验未经过净化处理，所以熔体中的夹杂物含量较多.铸锭底部(B6位置)夹杂面积分数最高，达到为8.40%，这是由于最先流出的铝合金液是在炉的底部，沉淀的夹杂和夹渣较多，且此时熔体流动不稳定，所以容易裹入氧化物夹杂.位置B5的夹杂面积分数迅速降低，为4.17%.铸锭中心的B3位置与B4位置夹杂面积分数相近，且明显低于铸锭顶部和底部的夹杂面积分数，分别为3.62%和3.42%.铸锭顶部的B1位置和B2位置夹杂面积分数也较高，分别为6.43%和6.15%，这是由于B1、B2位置靠近冒口，处于铸锭最后凝固的位置，熔炼炉中最后的铝液中大量的氧化膜和渣流出凝固存留在冒口处.

图4 6063合金铸锭中夹杂面积分数Fig.4 The areal fraction of inclusions in 6063 alloy ingot

2.2 夹杂物对6063铝合金拉伸性能的影响

由图4可知，铸锭由顶部B1至底部B6位置的夹杂面积分数分别为6.43%，6.15%，3.62%，3.42%，4.17%，8.46%.可见铸锭顶部、心部和底部的夹杂面积分数相差较大，而B1和B2，B3和B4处得夹杂面积分数相差不大.因此，我们从B1、B3、B5、B6处取拉伸试样，来考察夹杂分布对6063合金拉伸性能的影响.

表2为6063合金半连续铸造铸锭试样在变形温度分别为25℃、300℃下的拉伸试验结果，可以看出，当变形温度为25℃时，处于铸锭顶部试样B1的抗拉强度仅为88 MPa，延伸率为16%，而处于铸锭中部的 B3试样的抗拉强度为114 MPa、延伸率为28%，B1与B3试样抗拉强度相差了26 MPa，延伸率相差了12%，处于铸锭底部试样B6的抗拉强度为95 MPa、延伸率为10%，比较B3和B6，抗拉强度相低了19 MPa，延伸率相差了18%，由此可知，处于铸锭顶部的B1和处于铸锭底部的B6试样抗拉强度、延伸率都明显小于铸锭中部的B3试样，而距离铸锭顶部90 cm处的B5试样，抗拉强度为109 MPa、延伸率为29%，与B3试样比较，抗拉强度仅相差了5 MPa，延伸率更是仅仅相差了1%.这与我们之前实验得到的靠近铸锭顶部的B1和铸锭底部的B6夹杂分布较多而靠近铸锭中心的B3及距离底部稍远的B5位置夹杂物分布较少是比较符合的.当变形温度为300℃时，铸锭不同位置抗拉强度只相差了9 MPa，延伸率也只相差了7%.这说明夹杂对合金拉伸性能的影响在室温下比较明显，而在高温下表现不明显，其原因是，合金在高温下变形，动态软化起主要作用，合金强度变低，塑性较好.

表2 半连续铸造铸锭试样拉伸性能数据Table 2 The tensile properties of semi－continuous cast ingot

铝合金凝固组织中的氧化夹杂物，严重地割裂了材料基体的连续性，而氧化物夹杂往往是氢的附着物，容易产生气孔和疏松.在拉伸应力作用下，夹杂物、缩松及气孔处产生较大的应力集中，易成为裂纹源，随着夹杂物含量的增加，合金中的显微缺陷增多，缺陷平均间距小使得裂纹扩展阻力变小，微孔易于萌生、长大和聚合，使得铸件容易开裂拉断;脆硬的氧化夹杂相与铝合金基体间存在较大的硬度差别，在拉伸变形过程中，夹杂物颗粒严重地阻碍了材料塑性变形的正常流动，同时脆硬的氧化夹杂相与合金基体间容易形成微裂纹和不均匀的变形区，在应力作用下铝合金材料容易产生脆性断裂.这些显微缺陷的存在加速材料的破断过程，最终表现为材料力学性能下降.

图5为实验所得的真应力－应变曲线，比较两个不同温度下的曲线，可以看到，变形温度为300℃时材料已经发生明显的软化现象，说明动态再结晶在300℃已经非常明显.当变形温度为25℃时，B1、B3、B5、B6位置处试样的应变硬化指数n值分别为0.23、0.25、0.26、0.21，随夹杂面积分数的降低，n值略有升高，但是n值对夹杂面积分数的变化基本不敏感.当变形温度为300℃时，B1、B3、B5、B6位置处试样n值很小，分别为0.02、0.04、0.05、0.03，这也反映了此温度下加工硬化现象慢慢趋于消失.对同一温度下不同试样的曲线进行比较，我们可以发现，B3位置处试样的最大真应力要明显高于其它试样，在300℃的变形温度下表现更为显著，这主要是因为B3位置处试样夹杂面积分数较低，试样基体的连续性较好，因此强度较高.而对应之前实验中夹杂面积分数最高的B6位置处试样，在变形温度为25℃时的最大真应力并不是最低，分析原因，在沿浇铸方向的同一位置所取的两个试样，其力学性能并不能完全相同，一是由于夹杂分布偏析，二是试样中可能存在个别大的铸造缩孔从而影响其力学性能.但是总的来说，实验所得结论与我们之前所观察的靠近铸锭中部的夹杂分布少而顶部和底部夹杂分布多的趋势是相符的.

图5 6063合金拉伸的真应力－应变曲线Fig.5 The tensile true stress－strain curves of 6063 alloy(a)—25℃;(b)—300℃

图6 铸锭不同位置拉伸断口形貌的比较Fig.6 The morphology of tensile fractures in different positions of the ingot(a)—At the center of ingot;(b)—At the bottom of ingot; (c)—The detail of(a);(d)—The detail of(b)

图6为试样中部和底部拉伸断口在扫描电子显微镜下观察的宏观照片.图6(a)可以看到试样B3在拉伸过程中产生了明显的颈缩现象，在拉伸试样表面靠近断口侧壁观察到明显的滑移台阶，说明试样的韧性较好，有较高的延伸率.图6 (b)中断口则没有观察到颈缩，试样B6伸长量不大就开始断裂，延伸率较低.图6(c)为图6(a)的放大照片，图中我们可以看到B3断口表面有明显的韧窝和撕裂楞，有些韧窝较深，说明韧性较好.图6(d)为图6(b)的放大照片，可以清晰地观察到气孔和疏松等缺陷，韧窝比较浅平，基体在拉伸过程中没有明显的撕裂痕迹，说明试样塑形较差.

3 结论

(1)采用热碱深腐蚀法评价了铝合金中夹杂物的面积分数，得到6063合金半连续铸造铸锭中夹杂的分布规律为:铸锭的底部和顶部夹杂面积分数较大，铸锭中部面积分数较小.

(2)通过6063合金半连续铸造铸锭试样拉伸实验得出，随夹杂面积分数的增大，合金抗拉强度和延伸率变差，应变硬化指数n值变小，变形温度为300℃时，合金的加工硬化基本被软化作用所取代.

(3)试样断口分析发现，铸锭中部在拉伸过程产生了明显的颈缩现象，韧窝较深，韧性较好;而铸锭底部没有观察到典型的颈缩现象，韧窝比较浅平，基体在拉伸过程中没有明显的撕裂痕迹，说明试样塑形较差.

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Influence of inclusions on mechanical properties of 6063 Al alloy

Zhou Ce1，Cui Jianzhong2

(1.Fujian Nanping Aluminum Company，Nanping 353000，China;2 The Key Lab of National Education Ministry for Electromagnetic Processing of Material，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

The distribution of inclusions in 6063 Al alloy DC casting ingot and the effect of the inclusions on tensile properties were studied.It is found that，the areal fraction of inclusions at the bottom and the top of ingot is high，while the areal fraction of inclusions at the middle of ingot is lower.The tensile strength，elongation and strainhardening exponent(n value)decrease with increase in the areal fraction of inclusions.The work hardening is replaced by soften process when the deformation temperature is 300℃.Through the fracture surface analysis，the dimple in the part with high areal fraction inclusion is deeper，and its elongation is high，while the dimple in the part with high areal fraction inclusion is shallower，and its elongation is low.

6063 Al alloy;inclusions;tensile properties;fracture surface analysis

TF 821

A

1671-6620(2013)01-0072-05

2012-12-01.

国家国际合作专项 (2011DFA52300).

周策 (1973—)，男，高级工程师，E－mail:zhouce@mlfjnp.com;崔建忠 (1950—)，男，东北大学教授，博士生导师，E－mail:jzcui@epm.neu.edu.cn.