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高品质6061铝合金成分优化及均匀化工艺研究

作　者: 杨银
导　师: 沈健；闫晓东
学　校: 北京有色金属研究总院
专　业: 材料科学与工程
关键词: 高品质6061铝合金 元素配比 富Fe相 均匀化
分类号: TG292
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


高品质6061铝合金结构件为目前国际主流半导体设备用关键材料之一。随着我国半导体装备业水平的迅猛发展,对高品质6061铝合金的需求增长迅速,而国产6061铝合金因其阳极氧化膜均匀性和致密性差,难以满足使用要求,该合金的进口又需要很长的周期,严重制约了我国半导体行业的发展。因此,实现高品质6061铝合金的国产化要求迫切。本文通过OM,SEM,EDS,TEM等手段研究了元素配比、熔铸工艺对6061铝合金铸锭组织的影响,优化了合金成分和熔铸工艺,并深入研究了均匀化工艺以及Mn含量在均匀化过程中对第二相的影响规律,为实现半导体设备用高品质6061铝合金结构件的国产化提供理论指导。本文研究的主要结果如下：成分优化实验表明,Mg/Si比、Mn/Fe比对铸锭组织影响显著：①Mg/Si比应控制在1.73-1.88之间,可获得较好质量的阳极氧化膜。Mg/Si比为1.33(Si过剩)时,过剩Si使6061铝合金铸态组织中出现单质Si,均匀化后晶界处仍存在偏聚Si相,导致基体组织不均匀,影响阳极氧化膜质量。Mg/Si比大于1.73(Mg过剩)时,过剩Mg使铸态组织晶界处Mg2Si富集量增加,均匀化后晶界处Mg2Si相回溶,对阳极氧化膜影响不大,且Mg能改善阳极氧化膜的质量,因此Mg/Si比为1.88的阳极氧化膜质量较佳。②Mn/Fe比应控制在1左右,能得到较好的铸锭组织。Mn能影响富Fe相的形态,能有效促进a-A1FeMnSi的生成；Mn/Fe比为1时,Mn能很好的改善富Fe相的形态;Mn/Fe比小于0.5时,不能很好的改善富Fe相的形态。冷却速度的增加能改善结晶相的尺寸和形态及细化晶粒。铁模铸造时,晶界处结晶相主要为粗大的富Fe相以及少量的Mg2Si相；水冷铜模铸造时,晶粒细小均匀,晶界处结晶相主要以Mg2Si相以及少量的骨骼状富Fe相。电磁搅拌能减少6061铝合金的冶金缺陷及宏观偏析,细化晶粒并改善Mg2Si及富Fe相形态和尺寸。均匀化实验过程中,Mn含量会影响均匀化进程,Mn含量为0.036%的6061铝合金较佳均匀化工艺为570℃/24h,Mn含量为0.14%的6061铝合金较佳均匀化工艺为570℃/12h。Mn含量的增加对Mg2Si的回溶无明显影响,但能够促进粗大富Fe相的球化。TEM组织观察表明,均匀化过程中富铁相会发生转化和析出两种相变。其中转化相变分为两种：①p-A14.5FeSi相→α-Al8Fe2Si相②p-A14.5FeSi相→α-AlMnFeSi相。过程②的相变程度受Mn含量的控约,Mn能促进该过程的转变。同时均匀化过程中会析出弥散的颗粒状富铁相。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
1 引言  11-24
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 半导体设备用铝合金研究现状  12-15
    1.2.1 国外半导体设备用铝合金研究现状  12
    1.2.2 国内半导体设备用铝合金研究现状  12-13
    1.2.3 国内外半导体设备用6061铝合金对比  13-15
  1.3 铝合金的阳极氧化  15-17
    1.3.1 铝合金的阳极氧化膜  15
    1.3.2 影响6xxx铝合金阳极氧化膜质量的因素  15-17
  1.4 铝合金的合金化及熔铸工艺  17-20
    1.4.1 合金元素对6xxx铝合金组织和性能的影响  17-19
    1.4.2 熔铸工艺对6xxx铝合金组织和性能的影响  19-20
  1.5 铝合金的均匀化处理工艺  20-22
    1.5.1 均匀化处理的作用  20-21
    1.5.2 铝合金铸锭均匀化处理工艺  21-22
    1.5.3 制定均匀化处理工艺的原则  22
  1.6 论文研究的目的和主要内容  22-24
    1.6.1 本论文研究的目的  22-23
    1.6.2 本论文研究的主要内容  23-24
2 实验材料及研究方法  24-30
  2.1 实验方案  24-26
    2.1.1 合金成分设计  24-25
    2.1.2 工艺流程及材料制备原料  25-26
  2.2 合金的制备  26-27
    2.2.1 熔铸及铸锭均匀化处理  26-27
    2.2.2 阳极氧化  27
  2.3 试验方法  27-30
    2.3.1 显微组织分析  28
      2.3.1.1 金相组织观察  28
      2.3.1.2 扫描电子显微镜及能谱分析  28
      2.3.1.3 透射电子显微镜及相结构标定  28
    2.3.2 DSC分析  28
    2.3.3 硬度测量  28-29
    2.3.4 阳极氧化膜厚度测量  29
    2.3.5 定量金相分析  29-30
3 高品质6061铝合金成分优化  30-40
  3.1 实验方法  30-31
  3.2 Mg/Si比对6061铝合金组织和性能的影响  31-36
    3.2.1 Mg/Si比对6061铝合金铸态显微组织的影响  31-32
    3.2.2 Mg/Si比对阳极氧化膜膜厚均匀性的影响  32-33
    3.2.3 Mg/Si比对阳极氧化膜硬度的影响  33-35
    3.2.4 Mg/Si比对阳极氧化膜致密性的影响  35-36
  3.3 Mn/Fe比对6061铝合金显微组织的影响  36-39
    3.3.1 Mn/Fe比对6061铝合金铸态组织结晶相的影响  36-38
    3.3.2 富铁相的形态控制  38-39
  3.4 本章小结  39-40
4 高品质6061铝合金熔铸工艺研究  40-47
  4.1 实验方法  40
  4.2 冷却速度对6061铝合金铸态组织的影响  40-43
    4.2.1 冷却速度对高Mn6061铝合金晶粒度的影响  40-41
    4.2.2 冷却速度对高Mn6061合金结晶相的影响  41-43
  4.3 电磁搅拌对6061铝合金铸态组织的影响  43-46
    4.3.1 电磁搅拌对6061铝合金铸态低倍组织的影响  43-44
    4.3.2 电磁搅拌对6061铝合金结晶相形态分布的影响  44-45
    4.3.3 电磁搅拌对6061铝合金宏观偏析的影响  45-46
  4.4 本章小结  46-47
5 高品质6061铝合金均匀化工艺研究  47-63
  5.1 铸态组织  47-48
  5.2 铝合金均匀化工艺的制定  48-49
  5.3 均匀化温度对第二相的影响  49-51
  5.4 均匀化时间对第二相的影响  51-56
    5.4.1 第二相在均匀化过程中尺寸的变化  51-52
    5.4.2 可溶第二相在均匀化过程中的变化  52-54
    5.4.3 难溶第二相在均匀化过程中的变化  54-56
  5.5 6061铝合金均匀化过程中相转变及机理  56-60
  5.6 高温均匀化工艺对第二相的影响  60-62
  5.7 本章小结  62-63
结论  63-64
参考文献  64-70
在学科研成果  70-71
致谢  71

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 铸造 > 有色金属铸造 > 轻金属铸造
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