7A09铝合金铸锭晶粒粗大对挤压棒材的影响

马小前

（西北铝业有限责任公司，陇西748111）

0 前言

7×××系铝合金是以锌为主要合金元素的铝合金，属于热处理可强化铝合金。合金中加镁，则为Al-Zn-Mg合金，合金具有良好的热变形性能，淬火范围很宽，在适当的热处理条件下能够得到较高的强度，焊接性能良好，一般耐蚀性较好，有一定的应力腐蚀倾向，是高强可焊的铝合金。Al-Zn-Mg-Cu合金是在Al-Zn-Mg合金基础上通过添加Cu发展起来的，该系铝合金是目前生产的室温强度最高的一类铝合金，它比2×××系高强铝合金有更高的强度，因此称为超高强铝合金。合金的屈服强度接近于抗拉强度，屈强比高，比强度也高，但塑性和高温强度较低，可用作常温、120℃以下使用的承力结构件；合金易于加工，有较好的耐腐蚀性能和较高的韧性。该系合金广泛用于航空和航天领域，并成为这个领域中最重要的结构材料之一。然而，有时由于熔炼、铸造工艺不当，亦出现粗大晶粒缺陷。本文以7A09铝合金大晶粒铸锭、正常铸锭为试验用材料，探讨铸锭粗大晶粒对挤压后棒材组织与性能的影响情况。

1 试验

1.1 材料及试验方案

试验材料为7A09合金φ410mm铸锭。

对我单位生产的有粗大晶粒7A09合金实心铸锭与正常铸锭分别进行挤压、淬火人工时效后，观察其低倍组织、显微组织与力学性能。通过对两种不同铸锭挤压热处理后棒材组织的对比分析，从中得出7A09铝合金铸锭晶粒粗大对挤压棒材的影响。

1.2 试样制备

低倍组织试样按照GB/T 3246.2-2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法-第2部分：低倍组织检验方法》取样，经铣面、浸蚀制备试样。

显微组织试样按照GB/T 3246.1-2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法-第1部分：显微组织检验方法》取样，经过研磨、抛光、浸蚀制备试样。

力学性能试样按照GB/T 16865-2013《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》取样、制备。

2 试验结果

2.1 低倍组织

粗大晶粒铸锭经挤压后棒材的晶粒比铸锭的晶粒明显变小，并呈菊花状。但相比正常铸锭挤压后棒材的晶粒仍然较大，二者的低倍组织对比图如图1所示。

2.2 显微组织

粗大晶粒铸锭挤压后棒材组织显示为晶界近似平行，一边呈直线，另一边呈锯齿状。与正常铸锭挤压后棒材显微组织有明显区别，二者的对比图见图2。

图1 低倍组织对比

图2 显微组织对比

根据上述的组织观察，可以得出粗大晶粒7A09铝合金铸锭在挤压后大晶粒不能被消除，多数呈开放式菊花状。

2.3 力学性能

粗大晶粒铸锭、正常铸锭经挤压后棒材的纵向、横向力学性能见图3和图4。

图3 棒材纵向力学性能

图4 棒材横向力学性能

根据上述力学性能对比实验可知，铸锭晶粒粗大与正常铸锭经挤压后棒材纵向抗拉强度、屈服强度、延伸率基本无变化；横向抗拉强度下降4%左右，屈服强度下降10%，延伸率基本无变化。

3 分析与讨论

3.1 Al-Zn-Mg-Cu合金杂质元素及作用

Al-Zn-Mg-Cu合金为热处理可强化合金，起主要强化作用的元素为Zn和Mg。Cu也有一定强化效果，但其主要作用是为了提高材料的抗腐蚀性能。

合金中有少量的Mn、Cr、Zr、V、Ti、B等微量元素，Fe和Si在合金中是有害杂质，其相互作用如下。

（1）Mn、Cr：添加少量的过渡族元素Mn、Cr等对合金的组织和性能有明显的影响。这些元素可在铸锭均匀化退火时产生弥散的质点，阻止位错及晶界的迁移，从而提高再结晶温度，有效阻止晶粒长大；可细化晶粒，并保证组织在热加工及热处理后保持未再结晶或部分再结晶状态，使强度提高的同时具有较好的抗应力腐蚀性能。在提高抗应力腐蚀性能方面，加Cr比加Mn效果好，加入0.45%的Cr比加同量的Mn的抗应力腐蚀开裂寿命长几十至上百倍。

（2）Zr：Zr可大大提高合金的再结晶温度，无论是热变形还是冷变形，在热处理后均可得到未再结晶组织。Zr还可提高合金的淬透性、可焊性、断裂韧性、抗应力腐蚀性能等。

（3）Ti和B：Ti、B能细化合金在铸态时的晶粒，并提高合金的再结晶温度。

（4）Fe和Si：Fe和Si在Al-Zn-Mg-Cu系合金中是不可避免存在的有害杂质，其主要来自原材料以及熔炼、铸造中使用的工具和设备。这些杂质主要以硬而脆的FeAl3和游离的Si形式存在，这些杂质还与 Mn、Cr形成 （FeMn） Al6、（FeMn） Si2Al5、Al（FeMnCr）等粗大化合物。FeAl3有细化晶粒的作用，但对抗蚀性影响较大。随着不溶相含量的增加，不溶相的体积百分数也在增加。这些难溶的第二相在变形时会破碎并拉长，出现带状组织，粒子沿变形方向呈直线状排列，由短的互不相连的条状组成。由于杂质颗粒分布在晶粒内部或者晶界上，在塑性变形时，在部分颗粒-基体边界上发生孔隙，产生微细裂纹，称为宏观裂纹的发源地，同时它也促使裂纹过早发展。此外，它对疲劳裂纹的成长速度也有较大的影响，在破坏时它具有一定的减少局部塑性的作用，这可能和由于杂质数量增加使颗粒之间距离缩短，从而减少裂纹尖端周围的塑性变形流动性有关。因为含Fe、Si的相在室温下很难溶解，起到缺口作用，容易成为裂纹源而使材料发生断裂，对伸长率特别对合金的断裂韧性有非常不利的影响[1]。

3.2 影响铝合金铸锭晶粒度的因素

（1）杂质的含量。在实际的半连续铸造条件下，铸锭中晶核的形成实际上总是产生于杂质，而不是来源于自发形核。这是因为：第一，自发形核所需过冷度很大，对纯铝而言达195℃，而铝合金铸锭结晶时的过冷度实际仅有几分之一度到1度；第二，铝合金中存在着大量的可作为结晶核的杂质，即使对于99.99%的高纯铝，其中杂质也是相当多的[2]。因此，熔体中活性杂质含量越多，则铸锭结晶时的晶核数量也越多，铸锭晶粒度越细小。但是，不同的活性杂质，形核所要求的过冷度（即杂质的活性）是不同的。其中，TiA13所需的生核过冷度小到接近于零，是目前为止所发现的铝合金中最为有效的活性质点。它不仅可以减少柱状晶组织的出现和细化等轴晶粒，同时也能影响柱状晶的横向尺寸。因此，铝合金中钛含量的多少是决定铸锭晶粒度变化的基本因素。

（2）合金成分。合金元素的细化作用与过冷参数有关，在浓度一定的前提下，过冷参数值越大，则合金产生浓度过冷的倾向越大，细化晶粒的作用越明显。在铝合金中，铜、镁、硅、锌、锰、铁、镍等元素都是程度不同的浓度过冷元素。因此，对于纯铝而言，它们都具有程度不同的晶粒细化作用，且随浓度提高细化作用也增强。

（3）熔体过热温度。对于所有变形铝合金，当其他条件相同时，熔体过热温度越高，则铸锭形成柱状晶和粗大等轴晶的倾向越大。熔体过热温度对晶粒度的影响可从两方面来说明：一是过热温度越高，杂质的去活作用越强，熔体中非自发晶核的数目越少；二是熔体过热温度越高，结晶前沿液体中的温度梯度越陡，形成浓度过冷的倾向缩小，并使过冷带变窄，杂质质点在过冷带停留时间变短，因而依靠原子扩散作用使杂质质点形成晶核的可能性变小，故铸锭结晶时形成柱状晶和粗大等轴晶的倾向增大。

（4）导流方式。向液穴导入熔体的方式直接影响结晶前沿各区域的温度分布，铸锭的晶粒大小和形状与这种温度分布相适应。直接向结晶前沿处供给过热金属，便可以在该处得到柱状晶组织。在实际生产中，导流方式主要借助漏斗控制，因此漏斗的类型、大小、安放位置、偏斜程度、沉入深度、流眼的孔数、大小和分布、堵塞情况等都将影响到铸锭的结晶组织。

（5）对凝固的金属进行振动和搅动。铸锭结晶期间，采用搅拌或振动等方法加强液穴内熔体相对于结晶面的运动，将有利于获得细小的等轴晶。一方面，利用机械或电磁感应法搅动液穴中的熔体，增加了熔体与冷凝壳的热交换，液穴中熔体温度降低，过冷带增大，破碎了结晶前沿的骨架，出现了可作为结晶核的枝晶碎块，从而使晶粒细化；另一方面，使成长中的枝晶破碎，增加晶核数目，从而获得细小的等轴晶[2]。

（6）冷却速度。在直接水冷半连续铸造中，随着冷却强度的增加，铸锭结晶速度提高，熔体中溶质元素来不及扩散，过冷度增加，晶核增多，因而所得晶粒细小[3]。

4 改进措施

（1）合金熔体全部或局部不能过热，防止非自发晶核溶解和结晶核心减少。

（2）降低铸造温度。

（3）增大冷却强度，提高结晶速度。

（4）合金成分与杂质含量配置适当，增加晶粒细化剂含量[4]。

5 结论

由以上试验分析可以看出：

（1）粗大晶粒铸锭经挤压后棒材的晶粒比铸锭的晶粒显著变小，并呈菊花状，但相比正常铸锭挤压后棒材的晶粒仍然较大。

（2）粗大晶粒铸锭挤压后棒材组织显示为晶界近似平行，一边呈直线，另一边呈锯齿状，与正常铸锭挤压后棒材显微组织有明显区别。

（3）粗大晶粒铸锭与正常铸锭经挤压后二者棒材的纵向抗拉强度、屈服强度、延伸率基本无变化；横向抗拉强度下降4%左右，屈服强度下降10%，延伸率基本无变化。

（4）合理控制铝合金的化学成分，保证熔炼工艺，选择相对较低的铸造温度，提高结晶速度，增加晶粒细化剂含量，可以避免形成粗大晶粒。