在鋁中加入適量的其他元素配制成的鋁合金，具有強度高、塑性好、比強度大等特性，可與優(yōu)質(zhì)合金鋼媲美，成為優(yōu)秀的輕型結(jié)構(gòu)材料，有“會飛的金屬”之稱。飛機結(jié)構(gòu)中鋁材占50%以上[1]。鋁合金Al–6.8Zn–2.5Mg–2.5Cu即是一種常用的適用于飛機材料的鋁材。

鋁錠的品位分為多個等級，等級越高，雜質(zhì)元素的含量越低。根據(jù)Al–6.8Zn–2.5Mg–2.5Cu鋁合金產(chǎn)品中雜質(zhì)元素Fe、Si含量的上限指標，Al質(zhì)量分數(shù)99.99%和99.95%這2種品位的鋁錠（編號分別為1和2）均能夠滿足要求，將這2種品位鋁錠對產(chǎn)品的影響進行對比分析，選取滿足產(chǎn)品質(zhì)量且成本最低的原材料，提升產(chǎn)品的市場競爭力。

1.   試驗過程

以鋁錠品位為變量，將廢料配比、鑄錠規(guī)格、板材厚度、熱處理等工藝參數(shù)保持不變，開展生產(chǎn)試驗，獲得2種鋁品位的鑄錠和板材（編號與采用的鋁錠對應(yīng)，即采用1號鋁錠制造的鑄錠和板材分別成為1號鑄錠和1號板材），對鑄錠進行化學(xué)成分、顯微組織及拉伸力學(xué)性能分析，對板材進行拉伸力學(xué)性能、斷裂韌性等分析。

2.   試驗結(jié)果分析

2.1   鑄錠化學(xué)成分對比分析

對2種鑄錠不同位置進行化學(xué)成分取樣分析，取樣位置如圖1所示，取樣位置為鑄錠寬度的中心（1#、2#、3#）、1/4處（4#、5#、6#）以及邊部（7#、8#、9#），化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。本文試樣編號規(guī)則為“采用鋁錠號-采樣位置”。

由表1可知，2種鑄錠的Si元素含量基本相當，平均值數(shù)值差為0.002%；Fe元素含量相差較Si元素大，平均值數(shù)值差為0.009%，采用99.95%鋁錠的鑄錠Fe元素含量相對高些。鋁錠品位的變化帶來了雜質(zhì)元素含量的變化，后續(xù)將進一步分析這些差異對鑄錠和成品板材的影響。

2.2   鑄錠顯微組織對比分析

選取圖1中1#、2#、3#、4#、7#號位置試樣，對2種鑄錠的顯微組織進行了對比分析，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，鋁錠品位優(yōu)化為99.95%后，鑄錠的顯微組織變化不大，未見富Fe相數(shù)量的顯著增加，晶粒尺寸相差不大。從中心到邊部（1#→4#→7#、1#→2#→3#）枝晶網(wǎng)絡(luò)逐漸變厚，符合鑄錠結(jié)晶規(guī)律。

2.3   鑄錠顯微組織中富Fe相對比分析

鋁錠品位的改變，帶來了成品鑄錠中Fe元素含量的變化，在2種品位鑄錠的心部（1#）和寬度1/4位置（4#）處觀察到了富Fe相，如圖3所示。

2.4   鑄錠力學(xué)性能對比分析

對2種鑄錠進行了拉伸力學(xué)性能對比分析，取樣位置如圖5所示，分別在鑄錠寬度的中心（11#、12#、13#）、1/4位置（14#、15#、16#）選取試樣，力學(xué)性能分析結(jié)果見圖6。

由圖6可知，1號2號鑄錠的抗拉強度平均值分別為246.3和238.5 MPa；屈服強度平均值分別為180.8和160.7 MPa；延伸率平均值分別為4.52%和3.67%。2號鑄錠的抗拉強度與1號鑄錠基本一致，屈服強度比1號鑄錠低10 MPa，延伸率低0.8%，鑄錠整體性能略有降低。

2.5   板材力學(xué)性能對比分析

由于板材的力學(xué)性能指標以厚度50 mm為分界線，因此本文分別對比分析了厚度51~80 mm板材和50 mm及以下規(guī)格的板材力學(xué)性能，對比分析結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

由圖7可知，厚度51~80 mm的板材2號工藝下板材的縱向抗拉強度、延伸率與1號工藝下板材相當，屈服強度處于1號工藝下板材的中下水平，兩工藝的抗拉和屈服強度指標與訂貨標準值相比余量較大，延伸率指標與訂貨標準值相比的余量不大；兩工藝橫向拉伸性能指標的趨勢與縱向一致；2號工藝下板材的高向抗拉、屈服強度、延伸率指標均與1號工藝下板材相差不大，且余量充足；2號工藝下板材3個方向的斷裂韌性均處于1號工藝下板材的中上水平，余量充足。

由圖8可知，厚度≤50 mm的板材，2號工藝下板材的縱向和橫向抗拉、屈服強度及延伸率指標與1號工藝下板材相當，且余量較大；L-T和T-L方向的斷裂韌性處于1號工藝下板材的中下水平，余量仍然滿足兩個單位。

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，鋁錠品位的降低導(dǎo)致厚度51~80 mm的板材屈服強度有所降低，厚度≤50mm的板材斷裂韌性有所降低，但兩工藝的各項力學(xué)性能指標仍有余量，能夠滿足標準要求。

3.   分析與討論

3.1   鋁錠品位變化對鑄錠Fe、Si含量的影響

1號鋁錠的Fe質(zhì)量分數(shù)實測值為0.001%~0.002%，Si質(zhì)量分數(shù)實測值為0.001%~0.003%，1號鋁錠的Fe質(zhì)量分數(shù)實測值為0.0072%~0.0198%，Si質(zhì)量分數(shù)實測值為0.0073%~0.0199%之間。兩品位鋁錠的Fe、Si含量值相差較大，但鑄造成為成品鑄錠后，F(xiàn)e、Si含量之間的差異遠比鋁錠之間的差異小（見表1），這是由于在熔鑄過程中，會加入大量的中間合金、其他合金的廢料等原材料，這些原材料的加入，會沖淡鋁錠品位不同帶來的Fe、Si含量差異，使最終成品鑄錠Fe、Si含量相差不大。同時，在熔鑄過程中，攪拌、扒渣、精煉等工具均為鐵制品，這些制品的使用，也會對成品鑄錠的Fe含量產(chǎn)生一定的影響，造成成品鑄錠的Fe含量遠高于鋁錠。因此，在選擇鋁錠品位時，無須一味追求高品位，應(yīng)根據(jù)投料結(jié)構(gòu)、工具的使用情況等多方位進行考量。

3.2   Fe含量的提高對鑄錠顯微組織的影響

Fe是鋁合金中最常見的雜質(zhì)元素之一。Fe原子在鋁合金中可以形成各種形狀的Fe相，其中以針片狀鐵相最易形成、最為常見。Fe質(zhì)量分數(shù)不大于0.2%時，富Fe相的形態(tài)一般為漢字狀α相；Fe質(zhì)量分數(shù)不大于0.25%時，F(xiàn)e相的形態(tài)一般為細小片狀；Fe質(zhì)量分數(shù)大于0.3%時，F(xiàn)e相的形態(tài)為粗大針片狀β相[3]。隨著Fe含量的增加，富Fe相的形態(tài)發(fā)生變化。2種鋁錠工藝下成品鑄錠的Fe質(zhì)量分數(shù)均大于0.3%，在鑄錠中均以針片狀A(yù)l7Cu2Fe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含量的提高對鑄錠冶金質(zhì)量的影響

Fe含量增多時，大量針片狀富Fe相在凝固過程中會影響枝晶間的金屬液的流動，阻塞枝晶間的補縮通道能，從而增加鑄錠的縮孔和疏松等缺陷[4]。

3.4   Fe含量的提高對板材力學(xué)性能的影響

針片狀富Fe相粗大且脆，會割裂鋁合金基體，使其產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而脆性增加，致使鋁合金制品塑性、韌性等明顯下降[5]，因此，對成品板材的各項性能要求較高的產(chǎn)品，需要對鋁合金中的Fe元素含量進行控制。本文中的產(chǎn)品，現(xiàn)有2種品位鋁錠工藝下產(chǎn)品的Fe含量均能夠滿足最終成品板材的各項性能指標要求，且存在余量，滿足使用要求。

4.   結(jié)論

質(zhì)量分數(shù)99.99%和99.95%的鋁錠生產(chǎn)的產(chǎn)品的顯微組織、力學(xué)性能差異不大，均能夠滿足產(chǎn)品技術(shù)指標的要求和用戶的使用需求。而采用99.95%鋁錠作為原材料，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，可降低原材料的投入成本，提升公司產(chǎn)品在市場的競爭力，帶來可觀的經(jīng)濟效益。

文章來源——金屬世界