分享：铝锭品位对Al–6.8Zn–2.5Mg–2.5Cu铝合金产品的影响

在铝中加入适量的其他元素配制成的铝合金，具有强度高、塑性好、比强度大等特性，可与优质合金钢媲美，成为优秀的轻型结构材料，有“会飞的金属”之称。飞机结构中铝材占50%以上[1]。铝合金Al–6.8Zn–2.5Mg–2.5Cu即是一种常用的适用于飞机材料的铝材。

铝锭的品位分为多个等级，等级越高，杂质元素的含量越低。根据Al–6.8Zn–2.5Mg–2.5Cu铝合金产品中杂质元素Fe、Si含量的上限指标，Al质量分数99.99%和99.95%这2种品位的铝锭（编号分别为1和2）均能够满足要求，将这2种品位铝锭对产品的影响进行对比分析，选取满足产品质量且成本最低的原材料，提升产品的市场竞争力。

1.   试验过程

以铝锭品位为变量，将废料配比、铸锭规格、板材厚度、热处理等工艺参数保持不变，开展生产试验，获得2种铝品位的铸锭和板材（编号与采用的铝锭对应，即采用1号铝锭制造的铸锭和板材分别成为1号铸锭和1号板材），对铸锭进行化学成分、显微组织及拉伸力学性能分析，对板材进行拉伸力学性能、断裂韧性等分析。

2.   试验结果分析

2.1   铸锭化学成分对比分析

对2种铸锭不同位置进行化学成分取样分析，取样位置如图1所示，取样位置为铸锭宽度的中心（1#、2#、3#）、1/4处（4#、5#、6#）以及边部（7#、8#、9#），化学成分分析结果如表1所示。本文试样编号规则为“采用铝锭号-采样位置”。

由表1可知，2种铸锭的Si元素含量基本相当，平均值数值差为0.002%；Fe元素含量相差较Si元素大，平均值数值差为0.009%，采用99.95%铝锭的铸锭Fe元素含量相对高些。铝锭品位的变化带来了杂质元素含量的变化，后续将进一步分析这些差异对铸锭和成品板材的影响。

2.2   铸锭显微组织对比分析

选取图1中1#、2#、3#、4#、7#号位置试样，对2种铸锭的显微组织进行了对比分析，结果如图2所示。

由图2可知，铝锭品位优化为99.95%后，铸锭的显微组织变化不大，未见富Fe相数量的显著增加，晶粒尺寸相差不大。从中心到边部（1#→4#→7#、1#→2#→3#）枝晶网络逐渐变厚，符合铸锭结晶规律。

2.3   铸锭显微组织中富Fe相对比分析

铝锭品位的改变，带来了成品铸锭中Fe元素含量的变化，在2种品位铸锭的心部（1#）和宽度1/4位置（4#）处观察到了富Fe相，如图3所示。

2.4   铸锭力学性能对比分析

对2种铸锭进行了拉伸力学性能对比分析，取样位置如图5所示，分别在铸锭宽度的中心（11#、12#、13#）、1/4位置（14#、15#、16#）选取试样，力学性能分析结果见图6。

由图6可知，1号2号铸锭的抗拉强度平均值分别为246.3和238.5 MPa；屈服强度平均值分别为180.8和160.7 MPa；延伸率平均值分别为4.52%和3.67%。2号铸锭的抗拉强度与1号铸锭基本一致，屈服强度比1号铸锭低10 MPa，延伸率低0.8%，铸锭整体性能略有降低。

2.5   板材力学性能对比分析

由于板材的力学性能指标以厚度50 mm为分界线，因此本文分别对比分析了厚度51~80 mm板材和50 mm及以下规格的板材力学性能，对比分析结果分别如图7和图8所示。

由图7可知，厚度51~80 mm的板材2号工艺下板材的纵向抗拉强度、延伸率与1号工艺下板材相当，屈服强度处于1号工艺下板材的中下水平，两工艺的抗拉和屈服强度指标与订货标准值相比余量较大，延伸率指标与订货标准值相比的余量不大；两工艺横向拉伸性能指标的趋势与纵向一致；2号工艺下板材的高向抗拉、屈服强度、延伸率指标均与1号工艺下板材相差不大，且余量充足；2号工艺下板材3个方向的断裂韧性均处于1号工艺下板材的中上水平，余量充足。

由图8可知，厚度≤50 mm的板材，2号工艺下板材的纵向和横向抗拉、屈服强度及延伸率指标与1号工艺下板材相当，且余量较大；L-T和T-L方向的断裂韧性处于1号工艺下板材的中下水平，余量仍然满足两个单位。

根据上述分析结果可知，铝锭品位的降低导致厚度51~80 mm的板材屈服强度有所降低，厚度≤50mm的板材断裂韧性有所降低，但两工艺的各项力学性能指标仍有余量，能够满足标准要求。

3.   分析与讨论

3.1   铝锭品位变化对铸锭Fe、Si含量的影响

1号铝锭的Fe质量分数实测值为0.001%~0.002%，Si质量分数实测值为0.001%~0.003%，1号铝锭的Fe质量分数实测值为0.0072%~0.0198%，Si质量分数实测值为0.0073%~0.0199%之间。两品位铝锭的Fe、Si含量值相差较大，但铸造成为成品铸锭后，Fe、Si含量之间的差异远比铝锭之间的差异小（见表1），这是由于在熔铸过程中，会加入大量的中间合金、其他合金的废料等原材料，这些原材料的加入，会冲淡铝锭品位不同带来的Fe、Si含量差异，使最终成品铸锭Fe、Si含量相差不大。同时，在熔铸过程中，搅拌、扒渣、精炼等工具均为铁制品，这些制品的使用，也会对成品铸锭的Fe含量产生一定的影响，造成成品铸锭的Fe含量远高于铝锭。因此，在选择铝锭品位时，无须一味追求高品位，应根据投料结构、工具的使用情况等多方位进行考量。

3.2   Fe含量的提高对铸锭显微组织的影响

Fe是铝合金中最常见的杂质元素之一。Fe原子在铝合金中可以形成各种形状的Fe相，其中以针片状铁相最易形成、最为常见。Fe质量分数不大于0.2%时，富Fe相的形态一般为汉字状α相；Fe质量分数不大于0.25%时，Fe相的形态一般为细小片状；Fe质量分数大于0.3%时，Fe相的形态为粗大针片状β相[3]。随着Fe含量的增加，富Fe相的形态发生变化。2种铝锭工艺下成品铸锭的Fe质量分数均大于0.3%，在铸锭中均以针片状Al7Cu2Fe的形式存在，是其富Fe相形貌、尺寸相差不大的主要原因。

3.3   Fe含量的提高对铸锭冶金质量的影响

Fe含量增多时，大量针片状富Fe相在凝固过程中会影响枝晶间的金属液的流动，阻塞枝晶间的补缩通道能，从而增加铸锭的缩孔和疏松等缺陷[4]。

3.4   Fe含量的提高对板材力学性能的影响

针片状富Fe相粗大且脆，会割裂铝合金基体，使其产生局部应力集中而脆性增加，致使铝合金制品塑性、韧性等明显下降[5]，因此，对成品板材的各项性能要求较高的产品，需要对铝合金中的Fe元素含量进行控制。本文中的产品，现有2种品位铝锭工艺下产品的Fe含量均能够满足最终成品板材的各项性能指标要求，且存在余量，满足使用要求。

4.   结论

质量分数99.99%和99.95%的铝锭生产的产品的显微组织、力学性能差异不大，均能够满足产品技术指标的要求和用户的使用需求。而采用99.95%铝锭作为原材料，在保证产品质量的前提下，可降低原材料的投入成本，提升公司产品在市场的竞争力，带来可观的经济效益。

文章来源——金属世界