均匀化温度对6005A型材组织与性能影响研究

何 金，王 睿，杨志勇，石 娇，韩雨桐

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

6005A铝合金属于Al-Mg-Si系铝合金，具有中等强度，良好的抗腐蚀性能和焊接性能，被广泛用于轨道交通等领域[1-2]。由于型材的拉伸和弯曲性能是轨道交通材料的重要性能指标，本文重点研究均匀化温度和强淬火冷却方式对型材组织、硬度、拉伸性能和弯曲性能的影响，为实际生产提供参考。

1 试验材料及方法

试验材料为φ151 mm×490 mm规格6005A铝合金铸锭，铸锭采用半连续铸造方法生产，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。6005A铝合金铸锭化学成分见表1，符合EN 573—3标准要求。

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

选取相同铸造批次的铸锭分别在510、570 ℃保温7 h进行均匀化退火；然后采用1.25 MN油压卧式挤压机，挤压成40 mm×30 mm、壁厚3 mm的立柱型材，具体挤压工艺见表2；再将型材放入KWY-103电热鼓风烘箱中进行175 ℃保温8 h的时效处理。将时效处理后的型材按照GB/T 228标准要求加工拉伸试样进行拉伸试验；按照GB/T 3246.1—2012标准要求进行组织观察。采用日本岛津万能拉伸试验机进行拉伸试验；采用GYZJ-934-1巴氏硬度计进行硬度测试；采用涡流电导率仪进行电导率测试；采用AX10万能研究级倒置式金相显微镜及扫描电子显微镜进行组织观察。

表2 型材挤压工艺参数Table 2 Profile extrusion process parameters

2 试验结果

不同均匀化退火制度下铸锭的电导率和硬度值分别见表3和表4。从表3可以看出，铸锭的电导率随着均匀化温度的升高而减小。由于均匀化温度升高，铸锭凝固时枝晶上粗大的非平衡相逐渐回溶到基体中，使固溶体的过饱和程度增加，对电子的散射能力增强，导致电导率下降。从表4可以看出，铸锭的硬度随着均匀化温度的升高而减小。这是因为随着均匀化温度的升高，铸锭逐渐发生回复和再结晶等现象，从而硬度降低[3]。硬度的降低可提高铸锭的可挤压性，降低了挤压过程的挤压力，有利于提高模具寿命和型材产品表面质量[4]。

表3 不同均匀化退火制度下铸锭电导率(T=17.8 ℃)Table 3 Conductivity of ingot under different homogenizingannealing systems

表4 不同均匀化退火制度下铸锭硬度Table 4 Hardness of ingot under different homogenizingannealing systems

不同均匀化退火制度下6005A铝合金铸锭的显微组织见图1。可以看出，铸锭经510 ℃×7 h处理后，晶界上的结晶相回溶到基体中，铸锭组织存在较多的块状相且析出的弥散相较小；铸锭经570 ℃×7 h处理后，晶界上的结晶相回溶较低温均匀化处理的更完全，铸锭组织内的块状相较少，且弥散相较低温均匀化处理析出的较多、较大。不同温度下铸锭的晶粒度均为4.5级，晶粒未随均匀化温度的升高而长大。

将不同均匀化处理的铸棒挤压成立柱型材，经在线穿水淬火生产后进行175 ℃×8 h时效处理，并对型材拉伸性能进行检验，结果见表5。

表5 型材拉伸性能Table 5 Tensile properties of profiles

按照ISO7438 金属材料-弯曲测试方法，弯曲半径12 mm，弯曲角度180°对型材进行弯曲试验，试验结果见图2。从图2可以看出，低温均匀化处理后的型材表面存在轻微桔皮无裂纹，高温均匀化处理后的型材表面出现较多的小裂纹。

3 分析及讨论

对不同温度均匀化处理的6005A铝合金铸锭进行扫描电镜观察，如图3所示。铸锭的相成分分析结果见表6。从表6中可以看出，铸锭中的相主要为AlMgSi、AlSi、AlFeSi、AlMnFeSi、AlMnCrSi和AlMnCrFeSi。黑色块状相为MgSi型结晶相，多依附于白色结晶相上。图3(a)中白色相多为条状β-AlFeSi相，Mn、Cr元素溶入AlFeSi相形成AlMnFe、Al(MnCr)Fe，析出弥散相呈点状，尺寸较小；图3(b)中枝晶呈网状分布的β(AlFeSi)相转变为较圆的α-AlFeSi相，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[5-7]，且析出弥散相呈短杆状，尺寸较大。

(a) 510 ℃×7 h，铸锭边部；(b)510 ℃×7 h，铸锭心部； (c) 570 ℃×7 h，铸锭边部；(d)570 ℃×7 h，铸锭心部 ； (e)510 ℃×7 h，晶粒度；(f)570 ℃×7 h，晶粒度图1 不同均匀化处理后铸锭的金相组织和晶粒度(a)510 ℃×7 h，at the edge of ingot；(b)510 ℃×7 h，in the core of ingot； (c)570 ℃×7 h，at the edge of ingot；(d)570 ℃×7 h,in the core of ingot； (e)510 ℃×7 h,grain size；(f)570 ℃×7 h，grain sizeFig.1 Microstructure and grain size of ingot after different homogenization treatment

(a) 510 ℃×7 h； (b) 570 ℃×7 h图2 不同均匀化处理后型材弯曲试验结果Fig.2 Bending testing results of profiles after different homogenizing treatment

(a) 510 ℃×7 h，金相组织；(b) 570 ℃×7 h，金相组织； (c) 510 ℃×7 h，粗晶层；(d) 570 ℃×7 h，粗晶层图4 不同均匀化温度挤出型材的金相组织及晶粒度(a) 510 ℃×7 h，microstructure；(b) 570 ℃×7 h，microstructure； (c) 510 ℃×7 h，grain size；(d) 570 ℃×7 h，grain sizeFig.4 Microstructure and grain size of extruded profiles at different homogenization temperatures

表6 图3中扫描电镜能谱分析结果(原子分数，%)Table 6 Analysis results of SEM energy spectrum infigure 3(atomic fraction，%)

(a) 510 ℃；(b) 570 ℃图3 不同均匀化温度下铸锭扫描电镜照片Fig.3 SEM of ingot at different homogenization temperatures

对6005A铝合金型材进行金相组织和晶粒度观察，见图4。可以看出，铸锭的结晶相经挤压后发生破碎，低温均匀化处理后型材的结晶相仍然较高温均匀化多，且分布较均匀，起到了第二相强化的作用。低温均匀化处理后挤出型材的弥散相较高温均匀化析出的弥散相细小，这些细小的弥散相在合金热处理和热变形过程中钉扎位错和晶界，阻碍位错重排及晶界迁移，起到抑制变形晶粒再结晶及再结晶晶粒长大的作用[8]，由于高温均匀化的弥散相聚集长大对位错滑移及再结晶晶粒的长大的抑制作用降低，从而导致性能下降和晶粒长大。

由于型材采用穿水快速冷却，使型材在挤压过程中晶粒没有长大的时间，对型材的晶粒大小也起到了控制作用；快速冷却使型材形成过饱和固溶体，也提高了型材的性能[9]。型材弯曲性能与型材的塑性和组织均匀性有关，低温均匀化处理后型材表面粗晶较高温均匀化的细小，粗晶层也较高温均匀化的浅。因此型材经低温均匀化处理的力学性能和弯曲性能优于高温均匀化处理。

4 结论

随着均匀化温度的升高，6005A铝合金铸锭的电导率和硬度下降，铸锭中的弥散相析出、聚集长大，对位错的滑移和再结晶长大的抑制作用降低，导致型材的拉伸性能和弯曲性能下降。

6005A铝合金型材弯曲性能与型材的塑性和组织均匀性有关，晶粒细小均匀能够提高型材的表面质量。经过510 ℃低温均匀化处理，采用在线穿水快速冷却淬火方式生产的型材的力学性能和弯曲性能优于570 ℃高温均匀化处理。