Fe元素对6063铝合金挤压型材表面渣粒的影响①

王泽群，向文杰，张婷蕊，王孟君，潘学著，王 岗

（1.中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙410083；2.广亚铝业有限公司，广东 佛山528237）

6xxx铝合金是可热处理强化的变形铝合金，具有中等强度、良好热加工性能、优良耐腐蚀性能以及容易着色的特点，广泛应用于航天航空、交通运输以及建筑装饰等领域［1－3］。工业生产中，半连续铸造法制备6063铝合金铸锭时常使用大量废铝，以及熔铸过程中熔融铝液接触铁质器具，因此合金中不可避免地带入部分Fe元素，Fe元素含量过高会降低型材阳极氧化后的表面光泽，Fe元素含量变化会导致铝材出现色差［4］。通常认为铝合金中的含铁量对型材表面质量有着重要影响［5－7］，但对Fe含量、铸锭微观组织与型材表面渣粒三者之间关系的系统研究较少，影响机制尚不清楚。因此，研究6063铝合金中Fe元素含量对微观组织、物相组成及型材表面渣粒的影响十分必要。本文针对6063铝合金型材，在本课题组前期研究均匀化处理对6063铝合金型材表面渣粒影响的基础上［8］，研究了Fe元素含量对6063铝合金型材表面渣粒的影响，为进一步改善6063铝合金型材表面状态提供理论指导和实验依据。

1 实 验

1.1 实验材料

本文所研究的6063铝合金由广东佛山某铝加工厂提供。为探究6063合金中Fe元素含量对型材表面质量的影响，实验选取不同Fe含量的3炉6063铝合金进行微观组织研究与挤压生产实验，铝液成分见表1。采用半连续铸造法制备铸锭，制备工序如下：配料、熔炼、扒渣、加铝硅中间合金和镁锭、精炼、静置保温、铸造（单级泡沫陶瓷过滤器过滤）。

表1 实验用6063铝合金化学成分（质量分数）／%

1.2 均匀化处理及挤压参数

将铸锭装入均质炉加热至570℃后保温6 h进行均匀化处理，取出转移至冷却炉，通过水雾与强风强制冷却，随后进行挤压，挤压参数如表2所示。

表2 挤压实验工艺参数

1.3 实验设备

采用Quanta-200环扫扫描电镜（SEM）及EDAX Genesis 2000 X-射线能谱仪（EDS）进行显微组织观察及成分分析；采用Rigaku 2500型X射线衍射仪进行物相分析。

2 实验结果及讨论

2.1 型材表面渣粒成分及形貌

6063型材表面渣粒SEM和EDS分析结果如图1和表3所示。

图1 6063铝合金型材表面渣粒缺陷二次电子像

表3 型材表面渣粒EDS分析结果（质量分数）／%

通过图1可以看出，渣粒为形状不规则的金属瘤状物，层次感明显，沿挤压方向有明显拖尾痕迹。对标点位置进行EDS分析可知，附着在型材表面上的金属瘤状物主要成分是Al和Al2O3夹杂物；瘤状物上Mg含量相较于型材表面有所提高；部分渣粒区域Fe元素含量高，Fe元素可能来源于模具工作带。

2.2 Fe元素对铸锭显微组织的影响

于实验用挤压坯料头部1 000 mm位置的半径1／2处切割面积为10 mm×10 mm的试样进行铸锭显微组织检测，不同Fe元素含量的合金经抛光处理后利用扫描电镜观察未经腐蚀的铸态合金的背散射照片见图2。

图2 不同含铁量铸态合金的背散射电子图像

由图2可知，深灰色部分为α-Al基体，基体存在缩孔等铸造缺陷；铸态合金晶界间共晶组织呈白色网状分布。1＃合金铸态组织白色的AlFeSi相呈网状连续分布于晶界间，严重破坏基体的连续性；2＃合金共晶组织破碎细化，呈半连续分布在晶界；3＃合金AlFeSi杂质相大幅减少，破碎呈链状断续分布于晶界间，由于AlFeSi相连续性明显下降，长条状逐渐呈圆粒状均匀分布，部分区域难以看清晶界形状。结合能谱分析结果，镶嵌于白色相附近形状不规则的黑色非平衡结晶相为Mg2Si［9］。

图3 为不同含铁量合金组织及能谱分析结果。对图3标记非平衡共晶组织进行EDS分析，结果如表4所示。结合图3与表4可知，1＃、2＃铸态合金组织中，沿晶界分布的白色针状相的组成元素里Fe与Si的原子分数之比都近似为1，应为β-AlFeSi相，而3＃铸态合金中除有Fe／Si原子比约为1的针状相外，还出现了Fe／Si原子比大于2的白色粒状相，应为α-AlFeSi相［10－11］。分布于晶界间的β-AlFeSi属单斜晶，呈粗大针状或片状，金属间化合物硬而脆与Al基体之间有明锐的相界，一定范围内该相含量增加时合金屈服强度略有提高，但合金的塑性与加工性能明显下降［12］，而α-AlFeSi相为体心立方，脆性小，塑性好［13－14］，危害性相对较小，但二者与Al基体间的电势差较大，含量过高时合金易出现点蚀，故为了使挤压制品获得良好的性能，应合理控制合金中的富铁相含量。

图3 不同含铁量合金组织及能谱分析

表4 图3中各特征点EDS分析结果（原子分数）／%

参考Al-Mg-Si及Al-Fe-Si三元系富铝角相图，结合文献［15－17］，Al-Mg-Si系合金铸造冷却凝固过程中会发生下面反应：

由上述反应可知，生成的α-Al8Fe2Si仅存在极短时间，铸态6063铝合金析出相主要包括Mg2Si，β-Al5FeSi以及极少量的α-Al5FeSi和Al（FeMn）Si相；随着均匀化 进 行，部 分β-Al5FeSi转 化 成α-Al8Fe2Si，部 分β-Al9Fe2Si2转化成α-Al（FeMn）Si［18］。对不同铁含量的铸态6063铝合金进行X射线衍射分析以确定合金中的物相组成，结果如图4所示。2＃、3＃铸态合金中含铁相主要为单斜晶系的β-Al5FeSi相，合金中的β-Al5FeSi会显著降低合金腐蚀性能［19］。而含铁量降至0.10%时，受铸态组织中AlFeSi相含量限制，且合金中Mn含量较低，XRD衍射图谱中未检测出对应的衍射峰。

图4 不同含铁量铸态合金X射线衍射分析图谱

2.3 Fe元素对挤压型材表面渣粒的影响

为研究合金中含铁量对挤压制品表面质量的影响，采用6063半连续铸锭进行挤压生产，将5 m长的铸棒挤压前热剪成数支750 mm长棒材，对比不同含铁量铸锭挤出的型材表面质量。为减少生产中其他因素差异对型材表面质量产生不同程度的影响，挤压过程中尽量保证挤压工艺参数及工模具状态一致。型材截面如图5所示，挤压制品表面如图6所示。

图5 挤压实验型材截面图

图6 不同含铁量挤压制品表面

使用含铁量较高的1＃、2＃铸态合金挤压生产后，在实验型材表面都发现了明显的渣粒，沿与挤压方向垂直的方向无规律分布，触摸有明显手感。1＃合金所出挤压材表面渣粒数量最多且分布最为密集；3＃合金挤出的型材表面上很少观察到渣粒的存在。在相同挤压工艺参数下随着Fe元素含量增加，型材表面变得粗糙、金属光泽降低、表面渣粒数量随之增多，且沿挤压方向拖尾痕迹更普遍，渣粒与型材表面的黏附更为紧密。

2.4 渣粒的形成机理

不同含铁量的6063铸态合金经过均匀化处理后，β-Al5FeSi相减少，α-Al8FeSi相增加，并且通过实际挤压验证，发现Fe元素含量降低，挤压出的型材表面渣粒明显减少。已有研究结果表明：常温下，Fe在Al中的溶解度很低，约为0.05%，基本上所有的Fe元素均以金属化合物形式存在于基体中，尤其是板条状金属化合物，板条状的β相具有明锐的相界性脆且与基体结合较差，严重割裂了金属基体的连续性［20］，对Al-Mg-Si合金的加工性能、使用性能和表面质量均会产生不利影响；而α相为立方结构，具有较紧凑的形状，与基体结合较好，对合金强度、韧性影响较小，有利于改善铸锭的热加工性［10］。渣粒的发生机理主要被认为是挤压过程中摩擦产生热量而导致在β-AlFeSi和Mg2Si共存于576℃晶界处的包晶反应，使得晶粒脱落［21］。

晶间的杂质相熔化，导致部分晶粒从合金基体中脱落，在模具工作带上形成大小不等的金属瘤状物，脱落不断发生，金属瘤状物不断长大；部分积瘤还能合并其他脱附的积瘤，不断累积可长大至几百微米。图7将渣粒的形成长大过程分成了4个阶段，部分晶粒脱落黏附在凹凸不平的工作带表面，当累积长大到一定临界值，金属瘤状物从工作带上脱落，附着在型材表面，形成拖尾，积瘤向挤压方向弯曲［22］。

图7 渣粒形成的4个阶段

Si含量对铸态合金中AlFeSi相的种类具有重要影响，α-AlFeSi相的原子组成中Fe／Si比值高于组成β-AlFeSi相所需的Fe／Si比值［23］。Fe元素含量较多的6063铝合金铸锭中AlFeSi相含量相对较多，但Si元素过剩形成β-AlFeSi相的倾向更大，过剩Si提高了合金中β-AlFeSi相的稳定性。降低Fe元素含量有利于减少合金中β-AlFeSi相的形成，增加了基体连续性，减少型材挤压过程中表面渣粒的产生。

3 结 论

1）半连续铸造条件下，6063铝合金铸态组织主要由α-Al和AlFeSi相及Mg2Si相构成。β-AlFeSi相呈长条针状，α-AlFeSi相呈颗粒状，Mg2Si相形状不规则、多紧附于β-AlFeSi相附近。

2）6063铸态合金中含铁量为0.10%～0.19%时，随合金中Fe元素含量降低，铸态组织中非平衡结晶相由连续网状转变为断续链状分布于晶界间，α-AlFeSi相与β-AlFeSi相体积分数之比增加。

3）随6063铝合金中Fe元素含量减少，长条状β-AlFeSi相减少，基体连续性增加，挤压型材表面渣粒减少。