有色金属科学与工程  2018, Vol. 9 Issue (6): 55-59
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唐逸萱, 王孟君, 李继林, 潘学著, 彭光强. 均匀化处理对6063铝合金挤压型材表面渣粒的影响[J]. 有色金属科学与工程, 2018, 9(6): 55-59. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2018.06.009.
TANG Yixuan, WANG Mengjun, LI Jilin, PAN Xuezhu, PENG Guangqiang. Effect of homogenization treatment on the pick-up defect on the surface of extruded 6063 aluminum alloy[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2018, 9(6): 55-59.DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2018.06.009.
均匀化处理对6063铝合金挤压型材表面渣粒的影响[PDF全文]
唐逸萱1 , 王孟君1 , 李继林2 , 潘学著3 , 彭光强3     
1. 中南大学材料科学与工程学院，长沙 410083;
2. 广东省材料与加工研究所，广州 510650;
3. 广亚铝业有限公司，广东 佛山 528237
基金项目：广东省省级科技项目计划资助（2016B090931004）
通信作者：王孟君（1965-），男，博士，教授，主要从事有色金属成型理论和技术的研究，E-mail：1933582720@qq.com
收稿日期：2018-07-18
摘要：采用扫描电镜、金相显微镜和X射线衍射等手段分析不同处理态的合金组织，研究了均匀化处理对6063铝合金型材表面渣粒缺陷的影响，结果表明：铸态合金由富集于晶界呈连续网状的非平衡共晶相与过饱和α-Al固溶体组成；非平衡共晶相由Mg2Si与β-Al5FeSi相组成；在均匀化退火过程中发生非平衡共晶相的溶解，针状的β-Al5FeSi相向颗粒状α-Al8FeSi相的转变.铸态合金挤出的型材表面有大量渣粒，570 ℃下随均匀化退火处理保温时间的延长，非平衡共晶相逐渐消失，挤压型材表面渣粒数量不断减少. 570 ℃保温6 h退火处理是6063合金铸锭较适宜的均匀化处理工艺.
关键词：6063铝合金    渣粒    均匀化    AlFeSi相    
Effect of homogenization treatment on the pick-up defect on the surface of extruded 6063 aluminum alloy
TANG Yixuan1 , WANG Mengjun1 , LI Jilin2 , PAN Xuezhu3 , PENG Guangqiang3     
1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals, Guangzhou 510650, China;
3. Guangya Aluminum Co., Ltd., Foshan 528237, China
Abstract: The microstructures of as-cast and homogeneous alloys were analyzed by metalloscope, scanning electron microscope and X-ray diffraction. The effect of homogenization treatment on the pick-up defect on the surface of extruded 6063 aluminum alloy were investigated. The results show that as-cast alloy consists of supersaturated α-Al solid solution and non-equilibrium eutectic phase in network structure which uniformly distributes along grain boundaries. The non-equilibrium eutectic is composed of Mg2Si phase and β-AlFeSi phase. During the process of homogenization treatment, the non-equilibrium eutectic structure broke and dissolved, and the acicular β-AlFeSi phase transformed to spherical α-AFeSi phase. A large number of pick-up defects were observed on the surface of extruded alloy without homogenization treatment. The non-equilibrium eutectic phase disappeared and the number of pick-up defects decreased gradually with the increase of holding time of homogenization treatment at 570 ℃. In conclusion, the proper homogenization treatment of 6063 alloy is at 570 ℃ for 6h.
Key words: 6063 aluminum alloy    pick-up defect    homogenization treatment    AlFeSi phase    

6XXX铝合金（Al-Mg-Si）具有中高强度，成型性及耐腐蚀性能良好，可在高速下挤压生产薄壁、大型复杂截面、中空的多种型材，被广泛应用于交通运输及建筑领域. 其中6063合金因其优良的可挤压性和可焊接性及经阳极氧化后有亮丽的色泽等一系列优点是建筑型材的首选材料[1-3].

但在6063铝型材的挤压生产过程中，其表面经常形成细小牢固的瘤状物，手感明显，部分沿挤压方向形成拖尾，我们称之为渣粒.此缺陷的出现对喷涂、氧化及电泳等各后续表面处理工序将产生不利影响，降低铝型材产品的美观与性能，严重则可能直接导致型材的报废[4].在合金元素含量较高的6061变形铝合金中已有学者对型材表面的渣粒进行了分析，分析结果显示6061铝合金中型材表面渣粒缺陷的产生与挤压中使用的铸棒中所含有的AlFeSi相等硬质粒子有关[5]，但对6063铝合金生产的型材表面产生渣粒的原因研究很少.文中以6063铝合金为研究对象，对不同处理态的合金及所生产出的型材表面渣粒缺陷进行分析；对AlFeSi相影响渣粒缺陷产生的机制进行探讨，从均匀化工艺方面提出型材表面渣粒缺陷的改善途径.

1 试验材料与方法 1.1 试验材料

铸锭采用佛山某铝加工公司半连续铸造法制备的6063铝合金锭，试验用铸态合金名义成分如表 1所列.所采用的铸锭直径为φ180 mm.

表 1 试验合金的化学成分组成/（质量分数，%） Table 1 Composition analysis of experimental alloy /(mass fraction, %)
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1.2 均匀化处理及挤压工艺参数

均匀化处理在内燃气均质炉中进行，均匀化退火制度为：温度设定为（570±10）℃，保温时间分别为2 h、4 h和6 h，水雾加吹风冷却.生产中，控制其他工艺参数一致.以不同处理态合金生产的同截面形状的铝合金型材为研究对象.铸棒预热温度为（470±10）℃，模具预热温度为（450±10）℃，挤压筒温度为（420±10）℃，以相同挤压速度生产.

1.3 合金显微组织观察

采用Quanta-200环扫扫描电镜及EDAX Genesis 2000 X-射线能谱仪（EDS）对型材表面渣粒及铸锭进行显微组织观察及能谱分析；采用Rigaku D/Max 2500型X射线衍射仪进行物相分析；采用Neophot-21型金相显微镜进行金相观察.

2 试验结果及讨论 2.1 型材表面渣粒形貌及成分分析

对型材表面的渣粒进行SEM观察及EDS能谱物相成分分析，结果如图 1及表 2所示.

图 1 型材表面渣粒形貌二次电子像 Fig. 1 Secondary electron image of pick-up defect on the profile surface

表 2 型材表面渣粒化学成分/（质量分数，%） Table 2 Composition of pick-up defect on the profile surface /(mass fraction, %)
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型材表面存在的渣粒为形状不规则的积瘤缺陷；由EDS分析可知，缺陷部位成分主要为Al，且存在氧化夹杂Al2O3.渣粒点2区域Fe元素质量分数高达97.6 %，此处Fe元素可能来源于模具工作带.

2.2 均匀化对表面渣粒及合金显微组织的影响

对不同状态合金对应所出型材进行表面渣粒分析，铸态合金与570 ℃下分别保温2 h、4 h及6 h的均质态合金所出型材的侧表面同位置同面积（375×130 mm2）的表面渣粒数目进行统计，数目（个）分别为120~130（铸态）、100~110（2 h）、60~70（4 h）与10~20（6 h），570 ℃保温4 h与6 h均匀化处理后型材表面渣粒数量有明显的减少.

经抛光处理后，利用扫描电镜观察未经腐蚀的合金背散射电子像，可见晶界处的非平衡共晶组织（图 2），共晶组织在晶界间呈粗大的骨骼状分布.不同保温时间的均质态合金中共晶组织的分布有较大的差异，从图 2中可见铸态合金晶界间共晶组织几乎呈白色连续网状分布，经570 ℃保温2 h的均质态合金中共晶组织较铸态组织无明显变化；保温4 h后共晶组织破碎细化呈半连续分布；保温6 h后，连续网状组织消失，针状共晶组织转变为颗粒状.

图 2 不同处理状态合金的电子背散射像 Fig. 2 Back scattered electron images of 6063 alloys in different treatment states

对非平衡共晶组织进行EDS成分分析，结果见表 3所列.结合不同处理态试样的XRD物相分析图谱，结果见图 3.合金晶界处富集的白色针状粒子为杂质相β-Al5FeSi.

表 3 不同处理态合金析出相元素组成/（原子百分比，%） Table 3 Composition of phases in alloy with different treatments /(atomic ratio, %)
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图 3 不同处理状态合金的电子背散射像 Fig. 3 SEM back scattered images of 6063 alloys in different treatment states

在均匀化过程中富铁相发现存在如下几种转变[6-8]：①β-Al9Fe2Si2→α-Al12Fe3Si；②β-Al5FeSi→α-Al8Fe2Si；③β-Al5FeSi→α-AlMnFeSi（合金中加入适量Mn元素）.本研究中可能因合金中Mn元素含量较低，合金中并未检测出α-AlMnFeSi. 图 4可见共晶组织中，某些区域白色针状粒子附近析出细小的黑色沉淀Mg2Si相.随均匀化处理保温时间的延长，非平衡共晶相逐渐发生分解，白色网状组织逐渐发生破碎细化，溶质原子溶入基体.本实验中，随保温时间增加，针状β-Al5FeSi相向颗粒状α-Al8FeSi相转化程度越高，相应的β相衍射峰减弱越明显.均匀化处理后，共晶组织的连续性降低，铝基体间的连续性提高.

图 4 不同处理态合金的XRD分析图谱 Fig. 4 XRD patterns of 6063 alloys in different treatment states

但XRD并未检测到明显的α-Al8FeSi相峰的出现，可能因试样本身合金含量较低，结晶相所占体积分数小，XRD图谱上无法呈现明显的衍射峰.

图 5所示为不同处理状态合金采用凯勒试剂（1 mLHF、1.5 mL HCl、2.5 mL HNO3、95 mL H2O）腐蚀后的金相显微组织.金相显微组织分析结果与之前的SEM的分析结果吻合较好，随均匀化保温时间的延长，晶界上的β-Al5FeSi杂质相原子溶解逐渐扩散至基体，连续网状的共晶组织随均质时间的增长逐渐破碎，570 ℃下保温4 h后，共晶组织发生了明显的溶解细化呈半连续分布，针状的β-Al5FeSi相部分转化为颗粒状的α-Al8FeSi相；6 h后共晶组织大部分溶解，β-Al5FeSi相几乎完全转化为α-Al8FeSi相.合金中的β-Al5FeSi会显著的降低合金的腐蚀性能[9]，570 ℃下均匀化6 h后，由于合金晶界处易腐蚀的含Fe杂质相减少，腐蚀后其晶界不如铸态及570 ℃下均匀化2 h、4 h的易于区别.

图 5 不同处理态合金的金相 Fig. 5 Microstructure of 6063 alloys in different treatment states

2.3 讨论

均匀化处理后的合金与铸态合金相比，β-Al5FeSi相减少，α-Al8FeSi相增加，均质态合金所产型材的表面渣粒数较铸态所出型材渣粒数明显减少.已有研究表明[10]：对6082铝合金铸锭均匀化前后生产出的型材表面质量进行对比，均匀化处理后型材表面渣粒数目也明显减少.前人研究发现[11-12]：合金表面偏析层中有大量β-Al5FeSi存在，型材表面渣粒数量多时，渣粒直径与铸锭偏析层单元尺寸接近.铸锭中所含β-Al5FeSi与α-Al8FeSi之比较大时，型材表面易产生渣粒.针状的β-Al5FeSi相界明锐且脆硬，分布于晶界使晶界强度降低，硬脆相割裂基体可成为应力集中源，降低合金的强度不利于后续的塑性加工.均匀化后非平衡共晶相的溶解，减少了拉伸过程中应力在其上的集中，延伸率得到提高[13-15].且β相为硬质杂质相的一种，易在挤压阶段损伤模具工作带，进而型材表面出现划伤等现象[16].晶界呈网状连续分布的β-Al5FeSi破坏了铝基体之间的连续性.且在挤压过程中，当温度升高至576 ℃时，发生如下的包晶反应[11]：

其晶界的杂质相会发生熔化.金属连续性受到破坏后，部分晶粒从铝基体中脱离出来，通过模具工作带时黏附在入口端，在挤压过程中易产生黏铝问题[17].而由于模具钢与铝之间产生摩擦，脱离基体的铝转移到模具工作带表面. MA X与邓小民[18-19]对型材表面渣粒的形成模型进行了研究：随着挤压的进行，脱落的铝转移至模具工作带上产生局部黏结，随着制品向前流动，发生黏结-撕裂-再黏结-再撕裂的往复过程，金属瘤累积长大一定程度时脱附工作带与型材表面接触，最终金属瘤同模具工作带的摩擦力阻止金属瘤同挤压材一起移动，在挤压材表面形成拖伤的印痕.均匀化处理后铸锭中α-Al8FeSi相比例提高，晶间杂质呈半连续分布，基体连续性得到改善，挤压时不易发生晶间杂质熔化，晶粒脱落，从而减少了黏铝产生的可能性.

3 结论

1）铸态6063合金的相组织结构由富集于晶界的连续网状非平衡相Mg2Si与β-Al5FeSi，与过饱和α-Al固溶体组成.经均匀化处理后，非平衡共晶组织溶解破碎，合金晶界上非平衡相细化，发生针状的β-Al5FeSi相向颗粒状α-Al8FeSi相转变. 570 ℃下随均匀化处理保温时间的增长，更多β-Al5FeSi相向α-Al8FeSi相转化，非平衡共晶组织逐渐消失.

2）6063铝合金中均匀化处理对减少挤压型材表面渣粒有一定的作用，经均匀化处理的合金与铸态合金所出型材表面相比较，渣粒数量有明显减少.合金在570 ℃下随均质保温时间的延长，挤出型材表面的渣粒越少；铸锭中β-Al5FeSi相向α-Al8FeSi转化越完全，AlFeSi相分布连续性越小，型材表面产生渣粒的可能性越小.

3）570 ℃保温6 h退火处理是6063合金铸锭较适宜的均匀化处理工艺.

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