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均匀化退火对6056铝合金组织与性能的影响

宁波科诺铝业有限责任公司，董培纯 邱建平 李博
摘要：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。
关键词：均匀化退火；微观组织；力学性能
The effect of homogenizing annealing on microstructure
and properties of 6056 aluminum alloy
（Ningbo KENO Aluminum Co.,Ltd，Ningbo 315033，China）
Abstract：The influence of homogenizing annealing on microstructure and properties of 6056 aluminum alloy is investigated by heat analysis technology，scan electrical microscope and tensile test. The results show that severe dendritic-segregation and unequilibrium phases exist in its as-cast structure，After 540℃×12h homogenizing annealing treatment，dendrite segregation and unequilibrium eutectic phases eliminate . The strength decrease and the ductility increase obviously.
Keywords：Homogenization annealing；Microstructure；Mechanical properties
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[1,2]。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[3,4]。
　　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%)
Mg
Cu
Zn
Si
Mn
Al
0.9
0.6
0.3
1.1
0.8
Bal.
　　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Mg2Si、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
　　(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。
参考文献:
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[5]　金相图谱编写组, 变形铝合金金相图谱[M]. 北京:冶金工艺出版社, 1975:120- 155