6111鋁合金的鑄態組織及均勻化工藝研究

冉凡青，白永芳，尹竹松，魏建國，高紫陽

（天津忠旺鋁業有限公司，天津 301700）

0 前言

在世界工業發展要求節能、環保的迫切形勢下，一些發達國家制定了汽車燃油經濟性法規和越來越嚴格的廢氣排放法規。因此，減輕汽車自重以降低能耗、減少污染、提高效率成為各大汽車企業提高競爭力的重要措施。鋁合金及其加工材料，由于密度小、比強度和比剛度高、彈性好、抗沖擊性能良好、耐腐蝕及良好的加工性能等一系列優良特性，在汽車行業上獲得廣泛應用，從而成為制造汽車的重要材料[1-3]。

常用于車身板的鋁合金主要為2×××系、5×××系和6×××系鋁合金。其中6×××系鋁合金由于成型性好、烤漆強度高、耐腐蝕、沖壓后無呂德斯帶等優點，在汽車工業中應用越來越廣泛。由于較薄的汽車外車身更注重強度，因此外車身主要用6111 合金[4-5]。6111 合金鑄錠中通常含有大量非平衡凝固相，需要進行鑄錠均勻化處理將其消除。有學者對6111均勻化工藝進行過探索[1]，但優選的均勻化溫度較低，均勻化時間過長，不利于工業實際生產，因此本文在工業實際生產的基礎上研究了6111 鋁合金的鑄態組織以及對經過不同均勻化條件下的顯微組織進行分析，確定其合適的均勻化工藝。

1 實驗材料及方法

本實驗合金為某公司生產的6111 鑄錠，鑄錠規格為630 mm×1 500 mm×7 000 mm。其化學成分如表1 所示。將鑄錠分切為15 mm×12 mm×10 mm 長方形試樣，分別在熱處理爐中進行不同制度的均勻化實驗，均勻化熱處理后試樣取出空冷，之后進行機械研磨、拋光，采用Zeiss Axio Vert.AI MAT 金相顯微鏡下觀察顯微組織，采用蔡司掃描電鏡對析出相進行分析，采用SMP10數顯電導率儀對試樣進行電導率測量，采用STA449F3 同步熱分析儀對樣品進行DSC分析。

表1 6111掃描形貌中各點能譜分析（質量分數/%）

表1 6111合金化學成分（質量分數/%）

本次實驗選用均勻化工藝為：560 ℃× （4 h、8 h、12 h、16 h）。

2 試驗結果與分析

2.1 鑄態組織分析

圖1 為6111 鋁合金鑄態組織的金相與掃描形貌。金相圖可以發現，在晶界存在粗大的網狀枝晶。掃描形貌則可以看出，晶界處存在規則或不規則的塊狀相（見圖1（b）中箭頭A、E），長條狀（見圖1（b）中箭頭B 、C、 D）及魚骨狀枝晶。由表1 的能譜分析結果可知，塊狀相主要含Al、Si、Cu 元素和含量較少的Fe 元素，長條狀相中主要含Al、Si、Cu、Mn、Fe元素。

圖1 6111合金鑄態組織

2.2 均勻化組織分析

圖2為6111鋁合金鑄錠經均勻化熱處理不同時間后的析出物金相照片。與鑄態相比，晶界處仍存在粗大的枝狀晶，但隨均勻化熱處理時間的延長，析出物連續性不明顯、數量較少；當均勻化時間超過12 h后，析出相減少的趨勢變得不再明顯。將圖2 通過圖像處理軟件對析出相面積分數進行了計算，得到如下結果：560 ℃/4 h時為1.38%，560 ℃/8 h 時為1.19%，560 ℃/12 h 時為0.98%，560 ℃/16 h時為0.97%，將數據繪制成曲線圖如圖3所示，從圖3可以直觀的發現，面積分數的結果與直觀金相表現出的形貌一致，均勻化時間超過12 h后析出相幾乎不再減少。圖4為6111合金鑄錠經560 ℃均勻化熱處理不同時間后的掃描照片，由圖4 和表2 的能譜分析可以看出鑄錠均勻化后結晶相的類型與鑄態類似，主要含Al、Si、Cu、Mn、Fe 元素，隨均勻化熱處理時間的延長，晶界上呈圓點狀的相越來越多，晶界內也逐漸增多彌散析出的第二相，主要含有Al、Cu、Mn和少量Fe元素。

圖2 6111鋁合金經560 ℃均勻化處理不同時間后的金相照片

圖3 不同均勻化制度下析出相的面積分數

圖4 6111鋁合金經560 ℃均勻化處理不同時間后的掃描照片

表2 圖4中各點能譜分析（質量分數/%）

2.3 電導率測試與分析

將鑄錠樣品和不同均勻化之后的樣品分別進行電導率測量，所得結果如圖5所示。由圖發現電導率在均勻化初期上升較快，到12 h后趨于穩定。上文鑄錠金相分析中已知6111 合金中存在大量含Al、Si、Cu 元素的塊狀相和含Al、Si、Cu、Mn、Fe 元素的長條相，合金的物相結構為非平衡的過飽和固溶體和枝晶間粗大的平衡第二相。根據Mathiessen 理論[6]，合金的電導率是受純鋁基體電導率、添加合金元素Mg、Si、Cu 等形成固溶體引起的電導率變化、過飽和固溶體分解析出引起的電導率變化以及合金中空位、位錯、晶界變化引起的電導率變化等幾個因素的綜合影響。在均勻化的過程中，鑄造應力引起的晶格畸變逐漸消失，晶內偏析逐漸消除，晶界上的非平衡共晶相逐漸溶入基體中，基體點陣的晶格畸變逐漸減小，即減小了基體點陣中電子散射源的密度。因此，對合金在進行均勻化處理的初期，電導率存在明顯上升的趨勢，隨著均勻化時間延長，合金中鑄造應力逐漸消失，合金元素的濃度差逐漸變小，基體中空位的濃度也逐漸減小并趨向平衡，從而導電率趨于穩定。

圖5 不同均勻化制度下電導率的變化

2.4 DSC分析

圖6為6111合金鑄錠及其經560 ℃不同時間均勻化熱處理后的分析曲線。由圖可知，6111 合金鑄態樣品在262 ℃左右存在一個較大的放熱峰，即表征析出物在該溫度附近產生。在575 ℃左右首次出現一個較大的吸熱峰，說明該合金鑄態組織中存在較多熔點在此溫度附近的低熔點不平衡相。為避免鑄錠過燒，均勻化熱處理溫度不得超過575 ℃。

圖6 6111合金鑄錠及其均勻化熱處理不同時間后的DSC分析

6111鋁合金鑄錠經560 ℃均勻化熱處理不同時間后，其DSC 分析曲線上對應的吸熱峰逐漸減小，當均勻化時間延長至12 h 后，峰值幾乎不再變化。因此，結合合金顯微形貌及DSC 分析，6111 合金的最優均勻化工藝為560 ℃×12 h。

3 結論

（1）鑄態6111合金晶界處存在規則或不規則的含Al、Si、Cu 元素的塊狀相和含Fe、Mn 元素的長條相以及大量魚骨狀枝晶組織。

（2）結合顯微組織與DSC 分析，并結合實際工業生產，最終優化出的6111 合金最優均勻化工藝為560 ℃×12 h。