6056铝合金均匀化退火后微观组织与力学性能分析

引言

6056铝合金是广泛应用于汽车和航空领域的一种Al-Mg-Si-Cu合金，其强度比6061铝合金高15%，可焊性、耐腐蚀性能和切削加工性能均优于7075和2024铝合金。6056铝合金成分复杂，在半连续铸造过程中，铸锭组织会不同程度地偏离平衡状态，产生严重的枝晶偏析，形成大量的非平衡凝固共晶组织，因此，6056铝合金铸锭必须进行均匀化退火处理，以消除枝晶偏析，同时使合金中非平衡凝固共晶组织溶入基体，最大限度地减少基体中残留的结晶相，提高合金的塑性。

均匀化退火处理是6056铝合金获得理想工艺性能和力学性能的关键环节之一。目前国内对于6065铝合金的均匀化退火处理的研究还不充分，本文通过研究均匀化退火对6065铝合金微观组织和性能的影响，为6056铝合金的生产提供试验指导。

试验材料与试验方法

按照表1所示的6056铝合金成分进行配料，使用中频感应炉熔炼，精炼后采用半连续铸造的方法铸成Φ85 mm的铸棒。在铸棒上取样，采用DSC进行热分析试验，得到铸棒中低熔点共晶组织的熔化温度，以确定均匀化退火温度，DSC试验的升温速率5 ℃/min，从室温加热到600 ℃。截取Φ85×100 mm的铸棒进行均匀化退火，均匀化退火温度为540 ℃，保温时间分别是6 h、12 h。从铸态和均匀化退火后的铸棒上切取金相试样，经机械研磨和抛光后，在2 ml HF、3 ml HCl、5 mlHNO3、250 mlH₂O 腐蚀液中腐蚀10 s，用清水冲洗干净，然后用酒精擦净吹干，制得的试样采用扫描电子显微镜观察微观组织形貌。将铸态及均匀化退火后的6056铝合金铸棒加工成直径5 mm，标距长25 mm的拉伸试样，在万能材料试验机上进行拉伸试验，测定其强度和塑性。

表1  6056铝合金的化学成分(wt%)

结果与讨论

图1为未经过均匀化退火处理的6056铝合金DSC曲线，根据曲线可知，6056铝合金在554 ℃存在明显的吸热峰，说明了554 ℃是6056铝合金铸态组织中非平衡低熔点共晶相的熔化转变温度，在这个温度发生了低熔点组织的熔化，根据该热效应的变温吸热性质，可知此时己经开始发生过烧。后续580 ℃也存在明显的吸热峰，说明在这个温度发生了溶质的进一步熔化。均匀化退火是基于原子的扩散运动、根据菲克第一定律，单位时间通过单位面积的扩散物质量（J）正比于垂直于该截面方向上该物质的浓度梯度，即： 

（1）

扩散系数D与温度之间的关系满足阿累尼乌斯方程 

 （2）

从式（1）和（2）可知，温度升高有利于加速扩散过程，也就是加速均匀化过程，应该尽可能的提高均匀化退火温度，但考虑到均匀化退火设备的精度以及生产实际，均匀化温度选在540 ℃。图2是经过540 ℃×12 h均匀化处理的6056铝合金铸棒的DSC曲线。分析曲线可以看出，554 ℃处的吸热峰已消失，也就是说经过均匀化退火处理后，非平衡凝固低熔点共晶组织大部分消失。

图1  未均匀化退火处理的6056铝合金铸棒的DSC曲线

图2  经过540℃×12h均匀化退火处理6056铝合金铸棒的DSC曲线

图3分别为未均匀化退火处理和经过540 ℃×6 h、540 ℃×12 h 均匀化退火处理的6056铝合金SEM照片。从图3(a)可以看出，未经过均匀化退火处理的铸态6056铝合金中的共晶组织的数量最多，聚集在晶界区域，同时可以明显观察到MgSi₂、CuAl₂、S(CuMgAl₂)、W(Cu₄Mg₅Si₄Alx)等相^[5]。从图3(b)可以看出，随着均匀化的进行，晶界处的共晶组织逐渐溶解，枝晶网络变得稀薄，表明经过均匀化处理，铸棒中的溶质原子充分扩散。从图3(C)可以看出枝晶组织基本消失，晶界处非平衡凝固共晶相的尺寸和数量大为减少。

图3 6056铝合金微观组织SEM照片

(a)未经过均匀化处理；(b) 540℃×6h均匀化退火；(c) 540℃×12h均匀化退火。

图4分别为未均匀退火化处理和经过540 ℃×6 h、540 ℃×12 h 均匀化退火的6056铝合金拉伸曲线。从图4可以看出，未经过均匀化退火处理的6056铝合金强度最高、达到225MPa，但塑性较差，延伸率只有3.8 %，其主要原因是由于铸态合金中Mg_­2Si、CuAl₂等相使6056铝合金的位错运动受到阻碍，同时起到了钉扎晶界的作用，造成强度升高，而枝晶偏析和非平衡凝固共晶相存在，以及铸造应力的存在，导致材料的延伸率较低^[7-9]。随着均匀化退火处理的进行，6056铝合金的强度开始逐渐下降，塑性增加，540 ℃×6 h均匀化退火处理的6056铝合金的强度降低到214 MPa，塑性增加至6.0 %，540 ℃×12 h均匀化退火处理的6056铝合金的强度降至205 MPa，塑性增加至16.5 %。这是由于在均匀化过程中，阻碍位错运动和钉扎晶界的第二相溶解，使6056铝合金强度降低。铸造应力逐渐消除，合金枝晶偏析和非平衡共晶组织得以消除，组织变得均匀，合金塑性增强，因此延伸率提高。

图4 均匀化退火处理前后的6056铝合金铸棒拉伸曲线

结论

采用热分析技术、扫描电子显微镜、拉伸试验研究均匀化退火处理对于6056铝合金微观组织和力学性能的影响。结果表明：6056铝合金铸态组织存在严重的枝晶偏析及明显的非平衡共晶组织，经过540℃×12 h 均匀化退火处理后，枝晶偏析和非平衡共晶组织明显消除，其强度降低、塑性大幅度提高。
       (1) 通过热分析，6056铝合金铸棒的均匀化退火温度定为540 ℃。

(2) 采用540 ℃×12 h均匀化退火处理，6056铝合金铸棒中枝晶偏析和非平衡相明显消除。

(3) 经过均匀化退火处理后，6056铝合金铸棒的强度下降、塑性增加，有利于后续的塑性成形加工。