均匀化退火对6005A铝合金组织及性能的影响

石 娇，王 宇，杨志勇，崔家铭，祁振武

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

6005A铝合金是在6005铝合金基础上发展起来的，在可热处理强化铝合金中属于一种中等强度的铝合金；有很强的抗酸碱和盐雾腐蚀能力；在焊接过程中流动性好，利于焊接；由于其强度适中且流动性好，利于挤压且模具损耗小，可以挤压成各种腔体形状的铝合金型材[1-2]，主要应用于建筑、轨道交通、汽车行业等领域。6005A铝合金采用半连续铸造，结晶器冷却。在结晶器浇水冷却过程中，由于合金内部各合金元素来不及充分扩散，导致合金成分偏析，从而产生很强的铸造应力[3-4]。通常均匀化处理的目的是消除铸锭内部成分偏析和铸造应力，改善铸锭的加工性能[5-6]。本文研究不同均匀化退火制度对6005A合金铸锭组织、硬度、电导率和粗晶层的影响。

1 实验材料与方法

实验材料为6005A铝合金铸锭，其化学成分见表1。将铸锭加工成尺寸为φ174 mm×470 mm的圆棒进行不同均匀化退火，水冷，见表2。

表1 6005A铝合金铸锭化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of 6005A aluminumalloy ingot(mass fraction,%)

表2 不同均匀化制度Table 2 Different homogenization systems

采用蔡司AXI0 光学显微镜进行显微组织观察；采用SMP10型涡流电导率测试仪测量电导率；采用FV-810维氏硬度仪测量硬度。

2 实验结果及讨论

2.1 铸锭的显微组织

Mg2Si是6XXX系铝合金中的主要强化相，Mg2Si中Mg/Si的质量为1.73。本实验中6005A合金中Mg/Si质量比为0.74，因此合金中有大量Si过剩[5]，过剩Si能增加挤压过程中金属的流动性，但同时也能增加金属的脆性。合金中添加元素Mn和Cr能有效减少过剩硅对金属塑性的不利影响，同时促进晶内形成提高金属冲击强度的金属间化合物，提高合金的耐蚀性，对控制粗晶的形成也十分有利[8]。

6005A合金铸锭经不同均匀化退火处理后的显微组织，见图1。铸态合金组织内部存在大量连续分布的枝晶网，大量非平衡结晶相偏聚在枝晶网上以及枝晶网内部，见图1(a)；470 ℃×9 h均匀化处理后，合金内部枝晶网逐渐断裂，变成不连续的链状，部分非平衡结晶相开始溶入6005A合金基体中，见图l(b)；520 ℃×9 h均匀化处理后，合金内部枝晶网进一步断裂，可溶相进一步溶解，但枝晶网仍然存在，说明均匀化处理不充分，见图l(c)；570 ℃×9 h 均匀化处理后，枝晶网几乎全部断裂成链状，可溶相几乎全部溶解，已经达到充分均匀化，见图1(d)。

(a) 铸态；(b) 470 ℃×9 h；(c) 520 ℃×9 h；(d) 570 ℃×9 h图1 不同均匀化退火处理后6005A合金铸锭的显微组织(a) as-cast；(b) 470 ℃×9 h；(c) 520 ℃×9 h；(d) 570 ℃×9 hFig.1 Microstructure of 6005A alloy ingot after different homogenization annealing treatments

2.2 铸锭的硬度和电导率

不同均匀化制度下6005A铝合金铸锭的硬度和电导率变化曲线，见图2。可以看出，470 ℃×9 h均匀化处理后合金硬度低于铸态；随着均匀退火温度升高，合金的硬度逐渐升高，570 ℃时硬度达到最大值。

图2 6005A铝合金铸锭硬度、电导率变化曲线Fig.2 Change curve of hardness and conductivity of 6005A aluminum alloy ingot

合金的硬度与基体的固溶度，即过饱和程度有关，且与合金中Mg2Si等第二相粒子的数量、形状、大小及分布密切相关[9]。铸态合金在半连续铸造、结晶器浇水的快速冷却情况下，组织中大量的合金元素来不及充分扩散，合金内部成分不均匀，产生铸造应力，同时在变形过程中Mg2Si等第二相粒子阻碍位错运动，因此，铸态6005A铝合金的硬度很高。在470 ℃均匀化处理时，合金中有部分第二相粒子析出，降低了合金的固溶度，导致合金硬度相比于铸态合金略有下降。520 ℃和570 ℃均匀化处理后，合金中析出的第二相粒子重新回溶到铝合金基体中，在570 ℃已经充分回溶，在快速浇水冷却的情况下，形成过饱和固溶体，因此，合金的硬度升高且大于铸态合金的硬度。

由图2还可以看出，470 ℃×9 h均匀化处理后，合金电导率迅速升高，达到最大值；随着均匀化温度继续升高，电导率逐渐减小。

6005A铝合金的电导率主要受两个因素的影响：一是合金元素在铝合金基体中的固溶度；二是过饱和固溶体分解析出的第二相数量。当合金中合金元素的固溶度减小时，合金中各原子引起的点阵畸变减弱，点阵畸变对电子的散射作用降低，导致合金的电导率上升。当合金中析出第二相以后，第二相粒子同样对电子具有散射作用，散射源密度增加，阻碍电子运动，合金的电导率下降。但是，合金的过饱和固溶度和析出相两者相比较，过饱和固溶度对电子运动的阻碍作用更强。470 ℃均匀化处理时，由于合金中析出了部分MnAl6、Mg2Si等第二相降低了合金的固溶度，合金的电导率上升。520 ℃和570 ℃均匀化处理后，可溶相溶解入铝合金基体中，合金基本完成充分固溶，合金的电导率减小，但是仍高于铸态合金的电导率。这是由于铸态合金中的Mn元素降低了合金的导电能力，均匀化处理后Mn元素在铝合金基体中的固溶度减小，析出MnAl6等第二相。

2.3 挤压棒材粗晶层

将φ174 mm×500 mm的6005A铝合金铸锭挤压成直径为φ38 mm圆棒。挤压参数为：铸锭加热温度500～520 ℃；挤压速度3～5 m/min；挤压筒温度460 ℃；模具温度440 ℃；水冷。在不同均匀化退火处理后的挤压棒材尾部4 m处切取50 mm试样，进行550 ℃×3 h固溶处理，淬火后对粗晶层厚度进行测量，结果见表3。

表3 6005A合金挤压棒材粗晶层厚度Table 3 Thickness of coarse crystalline layer of 6005A alloy extruded bar

由表3可知，未均匀化处理的挤压棒材固溶处理后粗晶层的厚度为1.5 mm；均匀化处理的挤压棒材固溶处理后均出现粗晶层厚度增加现象，且随着均匀化处理温度的增加，粗晶层的厚度不断增加，570 ℃×9 h均匀化处理挤压棒材粗晶层厚度最大，达到8.6 mm。

未均匀化退火处理的挤压棒材粗晶层厚较小，这是因为在铸态6061铝合金内部晶界处弥散分布大量MnAl6、CrAl7、Mg2Si等化合物，能够起到钉扎晶界的作用，抑制再结晶[10]。并且这些化合物的存在能够增加挤压抗力，减小铝合金的变形量，也有利于控制粗晶层厚度。高温均匀化处理后，具有钉扎晶界作用的这些化合物几乎全部溶解入铝合金基体中，从而导致挤压棒材粗晶层厚度增加。

3 结论

6005A铝合金采用570 ℃×9 h均匀化退火处理，可得到充分均匀化的合金组织。均匀化处理对6005A铝合金铸锭的硬度和电导率有很大影响，为了得到不同的硬度和电导率，宜采用不同的均匀化处理制度。未均匀化退火处理的挤压棒材粗晶层厚度较小；随着均匀化温度升高，挤压棒材的粗晶层厚度增加。