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6系铝合金棒材边部偏析层控制的探讨

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2017/07/20

金相显微镜

前言
6系铝合金属于可热处理强化合金，具有良好的可成型、可焊接、可机加工性能，同时，在退火后还能维持较好的中等强度。但6系铝合金棒材在铸造时，由于冷却条件、金属液位、铸造速度等工艺的影响，铸锭表面易产生偏析缺陷，形成偏析层。这种偏析通过高温均匀化退火无法消除，甚至还会有扩散的迹象。同时会使铸锭及其压力加工制品在力学性能和物理性能方面产生很大差异，偏析程度严重的区域其化学成分甚至超出标准的规定范围，使力学性能超标而报废。这种偏析是铝合金连续铸锭凝固过程中的一种拌生现象，无法完全避免，也不能用高温均匀化使之消除。本文通过金相分析探讨偏析层的控制方法。
1.形成原因及分析
6系铝合金棒材在生产的过程中，由于结晶器壁的冷却作用，靠近结晶器壁的铝液首先凝固，铝液凝固收缩后与结晶器壁间产生了气隙，使得铝液冷却速度减慢，液穴温度上升，导致铝液最先凝固的位置产生局部熔化和重熔现象。此时，填充在枝晶间和晶界尚未凝固的低熔点相，在液穴金属静压力的作用下，沿着枝晶间和晶粒间隙流到铸锭表层，产生偏析缺陷，从而形成偏析层。如图1。

图1 未经退火的铸锭试样组织（200X）

图1显示，从外到里，偏析的程度可以分为严重偏析、轻微偏析和正常组织3个部分，最外层为严重偏析，树枝晶较为密集，通过化学成分的分析，外层的元素含量高于中心部位，且从外向里呈现出逐渐降低的趋势，这种偏析为偏析中的逆偏析，也就是边部溶质浓度高于棒材中心的溶质浓度。同时，由于非平衡结晶，在铸锭表面枝晶间和晶界富集较多的低熔点相和易熔组成物，形成致密的枝晶网络，阻碍了晶粒的进一步长大，使得偏析层下的晶粒比基体晶粒小，所以，偏析层还包含枝晶偏析。
2.退火试验
铝合金铸造是一种非平衡结晶状态，这种状态在热力学上属于亚稳定状态，有自动向平衡状态转化的趋势，如将其加热到一定温度，会加快原子的扩散能力，提高非平衡状态向平衡状态转化的速度，这种专门的热处理称为均匀化退火。通过上述分析，对6系铝合金棒材偏析层进行均匀化退火试验，见图2、图3。

图2 均匀化退火后组织（200X）

图3 均匀化退火后组织（200X）
图2和图3显示，通过均匀化退火后，6系铝合金棒材表面偏析层未见消除，甚至还有扩散的趋势。对产生这种情况的原因分析如下：6系铝合金棒材在均匀化退火时，非平衡共晶在开始阶段熔化，但保温想当长时间后，液相消失，溶质元素进入固溶体中，在原来生成液相的部位（晶间及枝晶网胞间）留下显微孔穴，若气体含量不超过一定值，这些孔穴可以修复，气体会顺着枝晶间向铸锭表面排放。如果边部偏析较严重时，其阻碍晶粒长大的力度更大，同时，由于显微孔穴较多，向外排放的气体也多，在气体排放的同时也加快了偏析的扩散。图3显示偏析有扩散趋势。
3.控制方法
通过偏析层的形成原因，分析和退火试验，发现偏析层经过高温均匀化退火后，不能完全消除，甚至还有扩散趋势。所以，应从铝合金生产铸造工艺方面着手，完善生产工艺参数，减少偏析层的生成或偏析层面积的增加。偏析层主要是铝合金凝固初期在模壁上形成根部“颈缩”形状晶体，靠近模壁的表面层为溶质富集带，这些晶体继续长大，当与相邻的晶粒接触时，溶质富集的熔体被封闭在根部而形成，适当增大冷却强度，添加细化剂可减少逆偏析的生成。
同时，由于枝晶偏析不仅造成非平衡相的出现和第二相的增加，而且，这些低熔点相在枝晶周围组成硬而脆的枝晶网络，会使铝合金的加工性能急剧降低。因此，在铝合金连续铸造时，也应提高冷却速度，缩小枝晶偏析的范围。
4.结论
（1）提高铸锭的冷却强度，延缓“颈缩”形状晶体长大的速度，缩小枝晶偏析的范围。
（2）适当提高铸造温度，减少溶质在铸锭表面的富集面积。
（3）选择适当的铸造速度，使过渡带对敞露液面的倾斜角度不致过大，一般以不超过60°为宜。
（4）采用合适的漏斗，均匀导流，并使它流向铸锭边缘。

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Kevin

第1楼2017/07/21

鼓励版主原创期待更多精彩大作

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Ins_eeaa5a19

第2楼2024/03/06

好文章，学到了。铸锭表面车皮也会去除掉偏析层，去除量一般控制在多少mm呢？

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Ins_eeaa5a19

第3楼2024/03/06

棒径380mm，成分类似于6005A或6082合金
Ins_eeaa5a19(Ins_eeaa5a19) 发表:好文章，学到了。铸锭表面车皮也会去除掉偏析层，去除量一般控制在多少mm呢？

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