2024年9月7日发(作者：戚冰枫)

微量合金元素Ti、Zr、Sc对5A06铝合金棒材粗晶组织的影

响

林顺岩;周志军;温庆红;姚勇;杜君

【摘 要】考察了微量合金元素Ti、Zr、Sc及其复合作用对5A06合金粗晶组织的

影响,并对合金挤压棒材形成粗晶组织的机理进行了探讨.结果表明:5A06合金挤压

时主要以动态再结晶为主,粗晶组织主要是在挤压生产过程中产生的.单独增加Ti的

含量,或者添加Ti、Zr元素,对抑制和消除合金挤压棒材粗晶组织的效果不明显;采

用微量合金元素Ti、Zr、Sc共同复合,充分发挥合金元素Ti、Zr、Sc复合微合金

化抑制合金再结晶的作用,可有效抑制合金挤压棒材粗晶组织的形成.

【期刊名称】《铝加工》

【年(卷),期】2017(000)006

【总页数】8页(P14-21)

【关键词】5A06铝合金;粗晶组织;微合金化;均匀化热处理

【作 者】林顺岩;周志军;温庆红;姚勇;杜君

【作者单位】西南铝业(集团)有限责任公司,重庆401326;西南铝业(集团)有限责任

公司,重庆401326;西南铝业(集团)有限责任公司,重庆401326;西南铝业(集团)有限

责任公司,重庆401326;西南铝业(集团)有限责任公司,重庆401326

【正文语种】中 文

【中图分类】TG146.21;TG376.8

5A06铝合金具有较高的强度、良好的耐蚀性和焊接性等特点，是Al-Mg系合金

中的典型合金，特别适用于轻量化要求和耐蚀性要求的结构件，广泛应用于航空航

天、交通运输、机械工业等领域中[1]。Mg是合金的主要强化相。Mn能部分溶于

固溶体，部分以MnAl6形式存在，有一定的强化作用。但添加Mn主要是为了提

高合金的再结晶温度和改善合金焊接性能，减少焊接裂纹和提高焊接强度。Ti能

细化焊接铸造组织和焊缝组织。Be显著提高合金熔体抗氧化性能。合金室温时的

主要相为：α（Al）、β（Mg5Al8）、MnAl6等；可能的杂质相为Mg2Si、

FeAl3、(Fe，Mn)Al6等[2]。

粗晶环是铝合金挤压制品中的主要缺陷之一，当断面形成相当大面积的粗晶区域时，

材料的力学性能、疲劳强度显著降低，造成挤压制品的报废。根据粗晶环的出现时

间，将其分为两类，第一类是挤压过程中出现的粗晶环，第二类是挤压制品在热处

理过程中出现的粗晶环[2～4]。

消除铝合金挤压形成粗晶组织缺陷一直是工业化生产中的难题之一。目前，西南铝

业（集团）有限责任公司生产的5A06-H112或O态的挤压棒材，合金截面低倍

组织中有较明显的粗晶组织，且合金组织不均匀。具体表现为：合金棒材低倍组织

均出现细-粗-细、细粗等现象，粗、细晶边界有时无明显界限；优化调整挤压系数、

挤压温度（高、中、低温）等工艺参数均没有明显改善。粗晶缺陷在H112状态

就已出现，若H112状态没有粗晶，退火后也没有，若H112状态有粗晶，退火

后仍然存在。合金棒材的粗晶组织，在挤压直径小于40mm小规格棒材中表现更

为明显（见图1）。

通过分析5A06合金挤压棒材粗晶组织缺陷特点和形成机理，采用添加微量合金元

素Zr、Sc和增加合金细化剂Ti的含量，提高合金的再结晶温度，考察微合金化对

5A06合金挤压棒材粗晶组织的影响。

选取直径为30mm、40mm的5A06合金挤压棒材，观察合金截面的组织形貌。

结果表明，ϕ40mm棒材在距表层1～2mm深度范围内晶粒均较为细小；而深度

进一步扩大时开始出现异常长大的晶粒，粗大的晶粒分布在细小晶粒组织之中；观

察位置进一步向心部移动，异常长大的晶粒尺寸逐渐减小，直到心部组织中只观察

到正常尺度范围内的再结晶，而没有异常长大的情况发生（见图2）。ϕ 30mm

棒材中也观察到类似的结果，但其粗晶区域更连续，粗晶区域尺寸更大，大晶粒之

间的细晶粒区域更小（见图3）。

从EBSD分析的晶界形貌图来看，合金挤压棒材心部晶粒尺寸均大于表层晶粒尺

寸。棒材心部及表层的细晶区域均发生了明显的再结晶，其组织以完全再结晶的细

小晶粒为主；棒材粗晶组织区域为在细晶组织中分布着异常长大的粗大晶粒（如图

4、图5）。

挤压过程中，铝合金不可避免的存在有强烈的剪切变形和不均匀变形。一般认为，

合金挤压粗晶环形成的原因是：由于挤压模子形状约束与坯料和挤压筒壁之间的剧

烈摩擦作用，造成金属流动不均匀，外层金属流动滞后于内层金属，在摩擦力和附

加应力作用下，外层金属所承受的变形程度比内层大，晶粒受到严重的剪切变形，

晶粒和晶界化合物遭到严重破坏，晶粒内部和晶粒间积累较高的畸变能，从而使外

层金属再结晶温度低，容易发生再结晶并长大，形成粗晶组织[4]。有研究指出，

制品周边层的完全再结晶温度比中心部分的要低35℃左右[5]。由于挤压不均匀变

形是绝对的，所以任何一种挤压制品均有可能在挤压过程中出现粗晶环的倾向。

铝合金在挤压过程中，棒材表层会经历强烈的剪切变形，造成棒材表层形变储能更

高，再结晶驱动力更强，因此表层会形成大量的细小的再结晶晶粒。同时，棒材挤

压过程中表层的剧烈剪切变形还会导致第二相粒子的充分破碎，合金最表层第二相

粒子尺寸更小、分布更弥散，这对再结晶晶界迁移有更强的钉扎作用，有效限制了

晶粒的异常长大。而在距表层一定距离处，由于第二相尺寸较大、钉扎作用减弱，

加之该区域形变储能很高，导致容易发生某些晶粒的异常长大。在近心部位置由于

变形量相对较小，形变储能较小，不足以使晶粒发生明显的长大[5]。因此，合金

挤压棒材形成粗晶组织可能的主要原因为：（1）5A06合金挤压时主要以动态再

结晶为主，粗晶组织主要是在挤压生产过程中产生的；（2）合金挤压变形是不均

匀变形，模孔边缘和中心部位的变形程度不同；（3）不均匀变形造成合金不同部

位金属畸变储能的差异，导致合金开始再结晶温度不同；（4）合金开始再结晶温

度较低的部位优先再结晶，再结晶晶粒长大，形成粗晶组织缺陷。

铝合金挤压过程中的强烈的剪切变形和不均匀变形是无法避免的。受目前挤压设备

条件的限制，优化调整合金挤压工艺参数的空间不大。试验已经证明，优化和改善

合金挤压工艺，消除合金棒材粗晶组织的效果不明显。因此，提高合金的开始再结

晶温度，尽可能地提高合金组织的均匀性，应是消除合金棒材粗晶组织缺陷较好的

选择。

合金化学成分必须符合GB/T 3190标准。优化合金化学成分，主要是采用微合金

化方法，添加微量合金化元素，辅以相配套的热处理工艺，提高合金的开始再结晶

温度和组织均匀性。试验合金铸棒规格为直径162mm，合金化学成分控制见表1。

挤压试验选取三种合金成分的合金铸锭。为降低合金挤压时不均匀变形的程度，采

用优化后的挤压工艺进行挤压试验。挤压工艺为：棒温410～430℃，模温 420～

450℃，挤压速度 0.8～1.5m/min，挤压系数小于20。同时，采用挤压在线水冷

或空冷，考察不同冷却方式对抑制挤压棒材表面再结晶的影响（见表2）。挤压后

的棒材组织见图6和图7。

试验结果表明，采用Ti、Zr、Sc复合微合金化的5A06合金铸棒（熔次号15-

112），辅助以合适的均匀化退火，适当降低挤压时铸锭加热温度和模具温度、控

制挤压速度和挤压系数，防止因挤压系数过大、挤压速度过快造成挤压棒材温度上

升过高的挤压工艺，可较好地消除合金挤压棒材粗晶组织缺陷，且挤压棒材组织均

匀，晶粒度不大于3级，室温力学性能满足规定的标准要求(见表3)。

5A06合金挤压棒材粗晶组织的缺陷分析结果表明，合金的粗晶组织主要是在挤压

生产过程中产生的；合金挤压变形是不均匀变形，不均匀变形造成合金不同部位金

属畸变储能的差异，导致合金开始再结晶温度不同；合金开始再结晶温度较低的部

位优先再结晶，再结晶晶粒长大，形成粗晶组织缺陷。因此，提高合金的开始再结

晶温度，是消除合金棒材粗晶组织缺陷较好的选择。

研究已经证明，微量合金元素Ti、Zr、Sc等可细化合金晶粒，提高合金的再结晶

温度。Ti是工业上常用的晶粒细化剂，主要作用是细化合金铸态时晶粒组织，有

一定的提高合金再结晶温度的作用。Zr作为微合金化元素添加到铝合金中，形成

的A13Zr粒子的再结晶抑制作用表现在两方面：抑制再结晶形核过程和阻碍晶粒

长大。在再结晶晶粒的形核阶段，相邻亚晶粒边界上的位错通过滑移或攀移，使得

中间的亚晶界消失，多个亚晶合并成为一个大的亚晶粒，大的亚晶粒边界通过吸收

位错而逐渐转化为大角度晶界，并最终成为再结晶核心。而弥散的A13Zr粒子尺

寸小，密集度很高，与母相的失配率只有0.8%，对位错和晶界具有很强的钉扎作

用，可以阻碍位错重新排列成亚晶界及其发展成大角度晶界的过程，从而阻碍再结

晶的形核[6、7]。

金属钪（Sc）是人们所发现的对铝合金最为有效的合金化元素，只要在铝中加入

千分之几的钪就对铝合金起强烈的变质作用，使合金的结构和性能发生明显的变化。

微量钪加入到铝合金中不仅能显著细化铝合金的晶粒，抑制合金的再结晶，而且可

显著提高合金的强度、塑性、高温性能、抗蚀性能及焊接性能，甚至增强抗中子辐

照损伤性能[8]。钪是一种有效的再结晶抑制剂，能将铝合金的再结晶温度提高到

450～550℃，合金在均匀化、热变形和淬火后仍能保持未再结晶状态[9]。与Mn、

Cr、Ti、V等其他过渡族金属元素相比，Sc能显著提高合金的再结晶温度，特别

是与Zr复合添加后，合金的抗再结晶效应非常强烈，再结晶温度很高以至于在再

结晶终了时合金就开始熔化[10]。

合金元素Ti、Zr、Sc都有细化合金晶粒、提高合金再结晶温度的作用，但由于

5A06合金化学成分标准的限制，微量合金元素的添加量不能超过标准规定的含量，

且三种合金元素提高合金再结晶温度的程度不尽相同。如采用三种合金元素复合添

加，必须考虑三种元素的相互影响。研究表明，Ti能溶解入Al3Sc相内，但在

Al3Sc相内的溶解度相当小。Zr能较多地溶解入Al3Sc相中，并形成Al3（Sc，

Zr）相，这种相的晶格类型、点阵参数与Al3Sc相差甚小，Al3（Sc，Zr）相不仅

保持了Al3Sc相的全部有益作用，而且在高温加热下的聚集倾向比Al3Sc相小得

多[10]。因此，采用微量的合金元素Ti、Zr、Sc共同复合，三种微量元素Ti、Zr、

Sc与合金的主要合金元素Mg、Mn均不发生反应，且有着较好的协同作用，可

较好地实现提高合金再结晶温度的目的。

一般来说，铝合会铸锭在铸造过程中通常会产生晶内偏析、区域偏析和形成粗大金

属间化合物，铝基体中固溶的主要合金元素也处于过饱和状态，铸锭有很强的内应

力。均匀化热处理就是为了消除这些非平衡结晶，使偏析和富集在晶界和枝晶网络

上的可溶解金属间化合物发生溶解，使固溶体浓度沿晶粒或整个枝晶均匀一致，消

除内应力。Zr作为微量元素添加到铝合金中，在不同加工及热处理状态下有四种

不同的存在形式：（1）固溶在铝合金基体中；（2）生成粗大的初生Al3Zr相；

（3）形成亚稳态的Al3Zr(Ll2)相；（4）形成平衡态的Al3Zr相[11]。常温条件下，

在铝合金中真正发挥Zr元素作用绝大部分与亚稳Al3Zr相有关。Zr在铝合金中固

溶度很低，在均匀化处理过程中以Al3Zr相形式沉淀析出，在随后的加工和固溶

处理等工艺过程中，这些粒子起到抑制溶解和晶粒粗化作用，并有效控制晶粒和亚

结构演变。亚稳Al3Zr相作用效果的高低主要取决于粒子的尺寸、分布空间及弥

散程度。

在5A06合金中添加微量的Zr、Sc合金元素，其主要目的就是要提高合金的再结

晶温度，铸锭均匀化处理应根据Al3Sc与Al3Zr粒子的析出特性，充分发挥其抑

制合金再结晶的能力，其次兼顾一般意义上的均匀化处理消除晶内偏析和铸造应力

等。因此，采用均匀化退火热处理，希望获得弥散、均匀、细小的 Al3Ti、Al3Sc、

Al3Zr和 Al3（Sc、Zr） 粒子，发挥其在挤压过程中抑制合金再结晶的作用，消

除合金挤压棒材粗晶组织。试验结果表明，单独增加Ti含量（15-110#）或Ti与

微量Zr复合添加（15-111#），对提高再结晶温度的作用有限，抑制粗晶组织效

果不明显。只有Ti、Zr、Sc三种合金元素的复合共同作用（15-112#），辅以合

适的均匀化热处理，才能较好地提高合金的再结晶温度，消除合金挤压棒材粗晶组

织缺陷。没有均匀化的铸锭，由于有效提高再结晶温度的Al3Ti、Al3Sc、Al3Zr

和Al3（Sc、Zr）等粒子没有充分弥散析出，不能有效抑制挤压过程中的动态再结

晶。试验证明，采用合适的均匀化退火工艺（15-112#），在保证Al3Ti、Al3Sc、

Al3Zr和Al3（Sc、Zr）等粒子充分析出、弥散分布的同时，防止其粗大化，可提

高合金再结晶温度，有效消除挤压棒材的粗晶组织缺陷。

（1）5A06合金复合添加Ti、Zr、Sc微量元素，提高了合金的开始再结晶温度，

可消除合金挤压棒材的粗晶组织缺陷。

（2）适当地降低合金的挤压温度、控制挤压系数和挤压速度，可控制挤压棒材温

升过高和减小挤压不均匀变形的有害影响。合适的挤压工艺为：棒温410～430℃，

模温420～450℃，挤压系数小于20，挤压速度0.8～1.5m/min。

【相关文献】

[1]王英君，张克伟.微量稀土元素对5A06铝合金组织和性能的影响[J].轻合金加工技术，2014，

42（2）：65-68

[2]王祝堂，田荣璋.铝合金及其加工手册[M].长沙：中南工业大学出版社,1989

[3]潘复生，张丁非.铝合金及应用[M].北京：化学工业出版社，2006

[4]文方，李铁.2A02铝合金挤压棒材粗晶环的消除方法[J].轻合金加工技术，2003，31（3）：

33-35

[5]马怀宪.金属塑性加工学[M].北京：冶金工业出版社，2012，51

[6]余琨，李松瑞，黎文献，等.微量Sc和Zr对2618铝合金再结晶行为的影响[J].中国有色金属学

报，1999，9(4)：709-713

[7]谢优华，杨守杰，戴圣龙，等．锆元素在铝合金中的应用[J].航空材料学报，2000，22(4)：56-

61

[8]郑洪，林顺岩.铝钪合金的研究与开发[J].铝加工，2005，164（5）：43-48

[9]李子炯.Sc、Zr和Ti复合微合金化Al-5Mg合金组织和力学性能研究[D].硕士学位论文，郑州大

学，2006

[10]尹志民，潘清林，姜锋，等.钪和含钪合金[M].长沙：中南大学出版社，2007：313，168

[11]周静，丛福官，曹永亮，等.Zr在7050铝合金中的分布形式及其对组织的影响[J].轻合金加工

技术，2015，43（4）：17-20

2024年9月7日发(作者：戚冰枫)

微量合金元素Ti、Zr、Sc对5A06铝合金棒材粗晶组织的影

响

林顺岩;周志军;温庆红;姚勇;杜君

【摘 要】考察了微量合金元素Ti、Zr、Sc及其复合作用对5A06合金粗晶组织的

影响,并对合金挤压棒材形成粗晶组织的机理进行了探讨.结果表明:5A06合金挤压

时主要以动态再结晶为主,粗晶组织主要是在挤压生产过程中产生的.单独增加Ti的

含量,或者添加Ti、Zr元素,对抑制和消除合金挤压棒材粗晶组织的效果不明显;采

用微量合金元素Ti、Zr、Sc共同复合,充分发挥合金元素Ti、Zr、Sc复合微合金

化抑制合金再结晶的作用,可有效抑制合金挤压棒材粗晶组织的形成.

【期刊名称】《铝加工》

【年(卷),期】2017(000)006

【总页数】8页(P14-21)

【关键词】5A06铝合金;粗晶组织;微合金化;均匀化热处理

【作 者】林顺岩;周志军;温庆红;姚勇;杜君

【作者单位】西南铝业(集团)有限责任公司,重庆401326;西南铝业(集团)有限责任

公司,重庆401326;西南铝业(集团)有限责任公司,重庆401326;西南铝业(集团)有限

责任公司,重庆401326;西南铝业(集团)有限责任公司,重庆401326

【正文语种】中 文

【中图分类】TG146.21;TG376.8

5A06铝合金具有较高的强度、良好的耐蚀性和焊接性等特点，是Al-Mg系合金

中的典型合金，特别适用于轻量化要求和耐蚀性要求的结构件，广泛应用于航空航

天、交通运输、机械工业等领域中[1]。Mg是合金的主要强化相。Mn能部分溶于

固溶体，部分以MnAl6形式存在，有一定的强化作用。但添加Mn主要是为了提

高合金的再结晶温度和改善合金焊接性能，减少焊接裂纹和提高焊接强度。Ti能

细化焊接铸造组织和焊缝组织。Be显著提高合金熔体抗氧化性能。合金室温时的

主要相为：α（Al）、β（Mg5Al8）、MnAl6等；可能的杂质相为Mg2Si、

FeAl3、(Fe，Mn)Al6等[2]。

粗晶环是铝合金挤压制品中的主要缺陷之一，当断面形成相当大面积的粗晶区域时，

材料的力学性能、疲劳强度显著降低，造成挤压制品的报废。根据粗晶环的出现时

间，将其分为两类，第一类是挤压过程中出现的粗晶环，第二类是挤压制品在热处

理过程中出现的粗晶环[2～4]。

消除铝合金挤压形成粗晶组织缺陷一直是工业化生产中的难题之一。目前，西南铝

业（集团）有限责任公司生产的5A06-H112或O态的挤压棒材，合金截面低倍

组织中有较明显的粗晶组织，且合金组织不均匀。具体表现为：合金棒材低倍组织

均出现细-粗-细、细粗等现象，粗、细晶边界有时无明显界限；优化调整挤压系数、

挤压温度（高、中、低温）等工艺参数均没有明显改善。粗晶缺陷在H112状态

就已出现，若H112状态没有粗晶，退火后也没有，若H112状态有粗晶，退火

后仍然存在。合金棒材的粗晶组织，在挤压直径小于40mm小规格棒材中表现更

为明显（见图1）。

通过分析5A06合金挤压棒材粗晶组织缺陷特点和形成机理，采用添加微量合金元

素Zr、Sc和增加合金细化剂Ti的含量，提高合金的再结晶温度，考察微合金化对

5A06合金挤压棒材粗晶组织的影响。

选取直径为30mm、40mm的5A06合金挤压棒材，观察合金截面的组织形貌。

结果表明，ϕ40mm棒材在距表层1～2mm深度范围内晶粒均较为细小；而深度

进一步扩大时开始出现异常长大的晶粒，粗大的晶粒分布在细小晶粒组织之中；观

察位置进一步向心部移动，异常长大的晶粒尺寸逐渐减小，直到心部组织中只观察

到正常尺度范围内的再结晶，而没有异常长大的情况发生（见图2）。ϕ 30mm

棒材中也观察到类似的结果，但其粗晶区域更连续，粗晶区域尺寸更大，大晶粒之

间的细晶粒区域更小（见图3）。

从EBSD分析的晶界形貌图来看，合金挤压棒材心部晶粒尺寸均大于表层晶粒尺

寸。棒材心部及表层的细晶区域均发生了明显的再结晶，其组织以完全再结晶的细

小晶粒为主；棒材粗晶组织区域为在细晶组织中分布着异常长大的粗大晶粒（如图

4、图5）。

挤压过程中，铝合金不可避免的存在有强烈的剪切变形和不均匀变形。一般认为，

合金挤压粗晶环形成的原因是：由于挤压模子形状约束与坯料和挤压筒壁之间的剧

烈摩擦作用，造成金属流动不均匀，外层金属流动滞后于内层金属，在摩擦力和附

加应力作用下，外层金属所承受的变形程度比内层大，晶粒受到严重的剪切变形，

晶粒和晶界化合物遭到严重破坏，晶粒内部和晶粒间积累较高的畸变能，从而使外

层金属再结晶温度低，容易发生再结晶并长大，形成粗晶组织[4]。有研究指出，

制品周边层的完全再结晶温度比中心部分的要低35℃左右[5]。由于挤压不均匀变

形是绝对的，所以任何一种挤压制品均有可能在挤压过程中出现粗晶环的倾向。

铝合金在挤压过程中，棒材表层会经历强烈的剪切变形，造成棒材表层形变储能更

高，再结晶驱动力更强，因此表层会形成大量的细小的再结晶晶粒。同时，棒材挤

压过程中表层的剧烈剪切变形还会导致第二相粒子的充分破碎，合金最表层第二相

粒子尺寸更小、分布更弥散，这对再结晶晶界迁移有更强的钉扎作用，有效限制了

晶粒的异常长大。而在距表层一定距离处，由于第二相尺寸较大、钉扎作用减弱，

加之该区域形变储能很高，导致容易发生某些晶粒的异常长大。在近心部位置由于

变形量相对较小，形变储能较小，不足以使晶粒发生明显的长大[5]。因此，合金

挤压棒材形成粗晶组织可能的主要原因为：（1）5A06合金挤压时主要以动态再

结晶为主，粗晶组织主要是在挤压生产过程中产生的；（2）合金挤压变形是不均

匀变形，模孔边缘和中心部位的变形程度不同；（3）不均匀变形造成合金不同部

位金属畸变储能的差异，导致合金开始再结晶温度不同；（4）合金开始再结晶温

度较低的部位优先再结晶，再结晶晶粒长大，形成粗晶组织缺陷。

铝合金挤压过程中的强烈的剪切变形和不均匀变形是无法避免的。受目前挤压设备

条件的限制，优化调整合金挤压工艺参数的空间不大。试验已经证明，优化和改善

合金挤压工艺，消除合金棒材粗晶组织的效果不明显。因此，提高合金的开始再结

晶温度，尽可能地提高合金组织的均匀性，应是消除合金棒材粗晶组织缺陷较好的

选择。

合金化学成分必须符合GB/T 3190标准。优化合金化学成分，主要是采用微合金

化方法，添加微量合金化元素，辅以相配套的热处理工艺，提高合金的开始再结晶

温度和组织均匀性。试验合金铸棒规格为直径162mm，合金化学成分控制见表1。

挤压试验选取三种合金成分的合金铸锭。为降低合金挤压时不均匀变形的程度，采

用优化后的挤压工艺进行挤压试验。挤压工艺为：棒温410～430℃，模温 420～

450℃，挤压速度 0.8～1.5m/min，挤压系数小于20。同时，采用挤压在线水冷

或空冷，考察不同冷却方式对抑制挤压棒材表面再结晶的影响（见表2）。挤压后

的棒材组织见图6和图7。

试验结果表明，采用Ti、Zr、Sc复合微合金化的5A06合金铸棒（熔次号15-

112），辅助以合适的均匀化退火，适当降低挤压时铸锭加热温度和模具温度、控

制挤压速度和挤压系数，防止因挤压系数过大、挤压速度过快造成挤压棒材温度上

升过高的挤压工艺，可较好地消除合金挤压棒材粗晶组织缺陷，且挤压棒材组织均

匀，晶粒度不大于3级，室温力学性能满足规定的标准要求(见表3)。

5A06合金挤压棒材粗晶组织的缺陷分析结果表明，合金的粗晶组织主要是在挤压

生产过程中产生的；合金挤压变形是不均匀变形，不均匀变形造成合金不同部位金

属畸变储能的差异，导致合金开始再结晶温度不同；合金开始再结晶温度较低的部

位优先再结晶，再结晶晶粒长大，形成粗晶组织缺陷。因此，提高合金的开始再结

晶温度，是消除合金棒材粗晶组织缺陷较好的选择。

研究已经证明，微量合金元素Ti、Zr、Sc等可细化合金晶粒，提高合金的再结晶

温度。Ti是工业上常用的晶粒细化剂，主要作用是细化合金铸态时晶粒组织，有

一定的提高合金再结晶温度的作用。Zr作为微合金化元素添加到铝合金中，形成

的A13Zr粒子的再结晶抑制作用表现在两方面：抑制再结晶形核过程和阻碍晶粒

长大。在再结晶晶粒的形核阶段，相邻亚晶粒边界上的位错通过滑移或攀移，使得

中间的亚晶界消失，多个亚晶合并成为一个大的亚晶粒，大的亚晶粒边界通过吸收

位错而逐渐转化为大角度晶界，并最终成为再结晶核心。而弥散的A13Zr粒子尺

寸小，密集度很高，与母相的失配率只有0.8%，对位错和晶界具有很强的钉扎作

用，可以阻碍位错重新排列成亚晶界及其发展成大角度晶界的过程，从而阻碍再结

晶的形核[6、7]。

金属钪（Sc）是人们所发现的对铝合金最为有效的合金化元素，只要在铝中加入

千分之几的钪就对铝合金起强烈的变质作用，使合金的结构和性能发生明显的变化。

微量钪加入到铝合金中不仅能显著细化铝合金的晶粒，抑制合金的再结晶，而且可

显著提高合金的强度、塑性、高温性能、抗蚀性能及焊接性能，甚至增强抗中子辐

照损伤性能[8]。钪是一种有效的再结晶抑制剂，能将铝合金的再结晶温度提高到

450～550℃，合金在均匀化、热变形和淬火后仍能保持未再结晶状态[9]。与Mn、

Cr、Ti、V等其他过渡族金属元素相比，Sc能显著提高合金的再结晶温度，特别

是与Zr复合添加后，合金的抗再结晶效应非常强烈，再结晶温度很高以至于在再

结晶终了时合金就开始熔化[10]。

合金元素Ti、Zr、Sc都有细化合金晶粒、提高合金再结晶温度的作用，但由于

5A06合金化学成分标准的限制，微量合金元素的添加量不能超过标准规定的含量，

且三种合金元素提高合金再结晶温度的程度不尽相同。如采用三种合金元素复合添

加，必须考虑三种元素的相互影响。研究表明，Ti能溶解入Al3Sc相内，但在

Al3Sc相内的溶解度相当小。Zr能较多地溶解入Al3Sc相中，并形成Al3（Sc，

Zr）相，这种相的晶格类型、点阵参数与Al3Sc相差甚小，Al3（Sc，Zr）相不仅

保持了Al3Sc相的全部有益作用，而且在高温加热下的聚集倾向比Al3Sc相小得

多[10]。因此，采用微量的合金元素Ti、Zr、Sc共同复合，三种微量元素Ti、Zr、

Sc与合金的主要合金元素Mg、Mn均不发生反应，且有着较好的协同作用，可

较好地实现提高合金再结晶温度的目的。

一般来说，铝合会铸锭在铸造过程中通常会产生晶内偏析、区域偏析和形成粗大金

属间化合物，铝基体中固溶的主要合金元素也处于过饱和状态，铸锭有很强的内应

力。均匀化热处理就是为了消除这些非平衡结晶，使偏析和富集在晶界和枝晶网络

上的可溶解金属间化合物发生溶解，使固溶体浓度沿晶粒或整个枝晶均匀一致，消

除内应力。Zr作为微量元素添加到铝合金中，在不同加工及热处理状态下有四种

不同的存在形式：（1）固溶在铝合金基体中；（2）生成粗大的初生Al3Zr相；

（3）形成亚稳态的Al3Zr(Ll2)相；（4）形成平衡态的Al3Zr相[11]。常温条件下，

在铝合金中真正发挥Zr元素作用绝大部分与亚稳Al3Zr相有关。Zr在铝合金中固

溶度很低，在均匀化处理过程中以Al3Zr相形式沉淀析出，在随后的加工和固溶

处理等工艺过程中，这些粒子起到抑制溶解和晶粒粗化作用，并有效控制晶粒和亚

结构演变。亚稳Al3Zr相作用效果的高低主要取决于粒子的尺寸、分布空间及弥

散程度。

在5A06合金中添加微量的Zr、Sc合金元素，其主要目的就是要提高合金的再结

晶温度，铸锭均匀化处理应根据Al3Sc与Al3Zr粒子的析出特性，充分发挥其抑

制合金再结晶的能力，其次兼顾一般意义上的均匀化处理消除晶内偏析和铸造应力

等。因此，采用均匀化退火热处理，希望获得弥散、均匀、细小的 Al3Ti、Al3Sc、

Al3Zr和 Al3（Sc、Zr） 粒子，发挥其在挤压过程中抑制合金再结晶的作用，消

除合金挤压棒材粗晶组织。试验结果表明，单独增加Ti含量（15-110#）或Ti与

微量Zr复合添加（15-111#），对提高再结晶温度的作用有限，抑制粗晶组织效

果不明显。只有Ti、Zr、Sc三种合金元素的复合共同作用（15-112#），辅以合

适的均匀化热处理，才能较好地提高合金的再结晶温度，消除合金挤压棒材粗晶组

织缺陷。没有均匀化的铸锭，由于有效提高再结晶温度的Al3Ti、Al3Sc、Al3Zr

和Al3（Sc、Zr）等粒子没有充分弥散析出，不能有效抑制挤压过程中的动态再结

晶。试验证明，采用合适的均匀化退火工艺（15-112#），在保证Al3Ti、Al3Sc、

Al3Zr和Al3（Sc、Zr）等粒子充分析出、弥散分布的同时，防止其粗大化，可提

高合金再结晶温度，有效消除挤压棒材的粗晶组织缺陷。

（1）5A06合金复合添加Ti、Zr、Sc微量元素，提高了合金的开始再结晶温度，

可消除合金挤压棒材的粗晶组织缺陷。

（2）适当地降低合金的挤压温度、控制挤压系数和挤压速度，可控制挤压棒材温

升过高和减小挤压不均匀变形的有害影响。合适的挤压工艺为：棒温410～430℃，

模温420～450℃，挤压系数小于20，挤压速度0.8～1.5m/min。

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