稀土La对6063铝合金组织与时效性能的影响.pdf

第6 2 卷第1 期 2010 年2 月 有色金属 N o n f e n D u sM e t a l s V 0 1 ．6 2 ．N o ．1 F e b r u a r y ．201 0 稀土L a 对6 0 6 3 铝合金组织与时效性能的影响 张向宇1 ，熊计1 ，赵国忠2 ，赖人铭1 ，吴悦梅1 1 ．四川大学制造科学与工程学院，成都6 1 0 0 6 5 ；2 ．成都阳光铝制品有限公司，成都6 10 10 0 摘 要用硬度 H B 、H V 测试仪、差示扫描量热仪 D S C 、x 射线衍射仪 X R D 和扫描电子显微镜 S E M 等方法研究稀土 L a 对6 0 6 3 合金铸态组织、力学性能、时效性能及时效序列的影响。结果表明．稀土L a 对合金铸锭枝晶组织有明显的细化作用，添 加适量的L a 有利于合金力学性能和改善。并且稀土的加入并没有改变合金的析出顺序，但随着稀土含量的提高．稀土L a 会消耗 大鼍的s i ，并在合金中形成粗大的A I F e S i L a 化合物，抑制了中间沉淀析出相B 。和p ‘析出，使强化相M 9 2 S i 减少，反而使合金力学性 能降低。 关键词金属材料；6 0 6 3 铝合金；L a ；时效；D S C 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G l 4 6 ．4 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 i 2 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 5 用稀土增强铝基合金及其复合材料的组织力学 及其阳极氧化等性能，具有良好的应用前景，近年来 受到国内外的广泛关注。o 。由于稀土加入以后对 铝基材料的整体性能影响较大，因而一般选用可时 效硬化的A l C u ，A 1 一C u - M g ，A I M g S i 等合金为基体。 因此，了解稀土元素在铝合金时效析出行为中的影 响尤为重要，希望通过时效处理优化铝基复合材料 的性能，国外有关稀土在铝基材料中的时效问题的 研究文献已有不少Ho ，稀土的引入推迟或延缓了铝 基材料中G P 区 或G P B 区 的形成，抑制了中间沉 淀相的沉淀析出。然而，也有相反的结果∞一“。 6 0 6 3 铝合金属A I - M g - S i 系变形铝合金，由于具有较 高强度、良好的塑性和优良的耐蚀性，并可氧化着色 等特点，广泛地应用于门、窗、幕墙等建筑型材以及 汽车、轮船的某些构件上- 。用强度测试、硬度测 试 H V 和H B 、差示扫描量热仪 D S C 以及扫描电 镜 S E M 等手段，研究了稀土增强6 0 6 3 铝合金材料 及其基体合金的时效行为与稀土对合金组织及其力 学性能的影响。 1 实验方法 用四川某铝厂生产的9 9 ．7 ％工业铝锭、9 9 ．8 ％ 工业镁锭、A I 一2 2 ％S i 中间合金和9 9 ．9 ％的稀土纯 L a 配制6 0 6 3 合金，试验用合金的主要成分见表1 。 合金在电阻式石墨坩锅炉内熔炼，铝锭熔化后依次 收稿日期2 0 0 7 1 0 2 9 作者简介张向宇 1 9 8 3 一 ，男，四川白贡市人，硕士，主要从事铝 合金与硬质合金刀具等方面的研究。 加入铝硅中间合金、镁锭和稀土金属L a ，经过除气、 精炼、搅拌、扒渣等工序后于7 3 0 ℃在铁模中浇铸成 q b 9 0 m m 的圆柱。将铸锭在5 6 0 0 C 均匀化处理6 h ，由 6 0 0 t 三菱挤压机挤压成3 0 m m 3 m m 的铝排，在 2 0 0 0 C 时效2 h 。铸态试样经抛光、K e l l e r 试剂腐蚀 后，在O L Y M P U S 金相显微镜上观察铸态宏观组织 形貌。用W - 2 0 型韦氏硬度计测试合金的硬度，硬 度测试取5 个测点的平均值为试验硬度值。以 J S M - 5 9 0 0 L V 型扫描电镜进行分析并用O x f o r d 能谱 仪分析合金中第二相的成分。铸态试样加工成 3 0 m mX2 0 r a m 4 m m 长方排体，在5 3 5 ℃下固溶处 理3 h ，经冰水混合液淬火，随后在1 7 5 ℃下进行等温 时效处理，用H B - 3 0 0 0 B 型布氏硬度计硬度跟踪实 效硬度，同样取5 个测点的平均值为试验硬度值， D S C 试样加工成蝉．5 m m 2 r a m 圆片，质量在6 0 ～ 8 0 m g 之间，同样在5 3 5 ℃下同溶处理3 h 后，冰水混 合液淬火。淬火后的D S C 圆片试样经1 0 0 0 。水磨砂 纸去除表面氧化层，由丙酮溶液浸泡除污，再经快速 超声清洗后，立即在S T A 4 0 9 差示扫描量热仪上进 行连续升温测试，升温速度为1 0 。C ／r a i n 一1 ，测温范 围为3 0 5 0 0 ℃。 表1 试样成分配比 T a b l e1 S a m p l ec o m p o s i t i o n 编号 成分／％ M g S iL a O ．5 20 ．4 00 ．0 O ．5 20 ．4 00 ．1 O ．5 2 0 ．4 00 ．3 O ．5 20 ．4 00 ．5 O ．5 20 ．4 00 ．7 F eA I ≤0 ．1 0 余量 ≤O ．1 0余{ 量 ≤O ．1 0余量 ≤o ．1 0 余量 ≤0 ．1 0余量 1 ‘ 2 0 3 。 4 。 5 ’ 万方数据 2 有 色金属 第6 2 卷 2 试验结果与分析 2 ．1 稀土对合金金相组织的影响及分析 在距圆铸锭底部1c m 处、半径2 ／3 处取铸锭试 样，抛光腐蚀后在金相显微镜下的观察结果如图1 所示。从图1 可以看出，稀土L a 的加入对合金的枝 晶组织有明显的细化作用。 图l a 为未加L a 的I 群合金的铸态组织，合金 的枝晶组织清晰可见，十分粗大。加入少量稀土对 铸锭组织的影响不大，但随着稀土含量的增加，合金 的枝晶组织越来越细。图1 e 为加0 ．7 ％L a 的5 合金的铸态组织，枝晶组织较1 合金已明显细化。 从图2 与图3 中可见，铸态试样随着加L a 加入量的 增加，合金硬度和断裂强度逐渐增加。当L a 的加入 量达到0 ．3 ％左右时，硬度与断裂强度值达到都达 到较高值，而当L a 加入量超过0 ．3 ％后，断裂强度 与硬度都有所降低，当加入量超过0 ．5 ％以后，硬度 和断裂强度值低于基体。 图11 。一5 。铸锭试样的光镜组织 F i g ．1M i c r o s c o p ep h o t o g r a p h so fc a s ti n g o ts a m p l e s 由稀土在合金中的作用可知，当加入量适当，稀 土化合物细小分散时，它可以作为强化相使合金的 硬度提高。如果含量过多，化合物变得比较粗大时， 如图4 所示出现棒状富稀土相，通过能普分析最终 确定是A I F e S i L a 化合物，见图5 。这种过量的稀土 与合金中s i 和F e 原子形成粗大的棒状化合物，这 种针状相起割裂基体的作用，在其界面处易造成应 力集中，使合金的硬度和强度降低。 ￡ ≤ 蓉 图2 稀土含量对6 0 6 3 铝合金硬度的影响 F i g ．2 E f f e c t so fr a r ee a r t hc o n t e n to n r i g i d i t yo f6 0 6 3a l u m i n i u ma l l o y 0 ．00 ．10 ．20 ．3o ．40 ．50 ．60 ．70 ．8 稀土含量，％ 图3稀土含量对6 0 6 3 铝合金强度的影响 F i g ．3 E f f e c t so fr a r ee a r t hc o n t e n to n i n t e n s i t yo f6 0 6 3a l u m i n i u ma l l o y 图45 ’挤压试样中粗大的A I F e S i L a 化合物S E M 组织 F i g ．4 S E Mp h o t o g r a p h so fc r a s s i t u d eA I F e S i L a c o m p o u n di n5 。e x t r u s i o ns a m p l e 参照A 1 ．S i ．C e 系合金可知，生成物可能是 L a 2 S i 2 A 1 3 ，也有报道生成L a S i A 1 2 ⋯。S i 是合金时 效强化项M g S i 的主要组成元素，同时合金中少量 的过剩s i 也有利于合金力学性能的提高。由于S i 和稀土L a 亲和性很强，形成大量的A I F e S i L a 化合 物，消耗了s i 元素使合金的强化相数量减少，从而 造成合金基体软化。还有人认为在合金凝固过程中 万方数据 第1 期 张向宇等稀土L a 对6 0 6 3 铝合金组织与时效性能的影响 3 由于过冷效应，稀土元素较多聚集在固液界面前沿 的液相中，增大了该处液相的成分过冷度，从而使二 次枝晶间距减小，晶粒细化⋯】。因此，稀土的加入 既可细化铸态晶粒，也可以明显细化枝晶组织，但其 最佳效果与稀土含量有关。当稀土含量超过一定量 后，尽管稀土的加入可显著减少晶粒尺寸，但却粗化 了枝晶组织，实际上只有当稀土含量处于某一范围 时，稀土才会在细化晶粒的同时，也细化枝晶组织。 E l e m e n t W e i g h t A t o m i c ％％ A l 6 4 ．7 l 8 2 ．5 l S i7 ．1 68 J 8 l 4 ．2 52 ．6 2 L a2 4 ．4 26 ．0 6 T o t a l sl o o ．0 0 图5图4 中A 点的X R D 能谱 F i g ．5 X R D p r o f i l e so f As p o ti nF i g ．4 2 ．2 稀土含量对时效硬化行为的影响 图6 给出了稀土含量不同的5 类材料在1 7 5 o C 的时效硬化曲线。可以看出，经过7 9 0 m i n 时效处理 后，各号材料都具有明显的G P 硬化区的特征“， 1 7 5 ℃等温时效时，各号材料都经过了欠时效、达到 时效峰、过时效3 个阶段，具有完整的时效硬化曲 线。通过对不同稀土含量的各类材料等温时效硬化 曲线的比较可以得出，随着稀土含量的提高，合金的 硬化峰值上升，当稀土含量为0 ．3 ％时，时效硬化峰 值达到最高。而当稀土含量超过0 ．3 ％时，时效获 得的最大硬度值则随稀土含量的升高而快速降低。 ∞ 善 越 落 图61 ’一5 。合金1 7 5 。C 等温时效硬化曲线 F i g ．6 I s o t h e r m a la g e h a r d e n i n gc u r v e sw i t h d i f f e r e n tc o n t e n to fr a r ee a r ta tl7 5 ℃ 2 ．3 时效析出序列 A I M g S i 合金的经典D S C 脱溶析出次序是合 金过饱和固溶区一G P 偏聚区一针状过渡相∥棒状 过渡相卢’一平衡强化相卢一M g S i ⋯。16 1 。图7 为稀土 含量0 ．5 ％的4 。合金及其l 。基体材料的D S C 曲线， 升温速度为1 0 0 c ／m i n 。 7 y ℃ 图7 含稀土0 ．5 ％的4 ’合金与基体材料1 ‘ 合金的D S C 曲线 升温速度1 0 0 C ／m i n F i g ．7 D S Ct h e r m o g r a m so f4 。a l l o ya n d 1 ’b a s ea l l o y 1 0 。c ／r a i n 由图7 可以看出，含稀土0 ．5 ％的4 。合金与1 ‘ 基体合金的D S C 曲线形状并无明显差异，说明二者 在相的析出顺序上并无本质区别。这与宏观跟踪的 时效硬化曲线的相似性是一致的。低温时效阶段 室温一1 5 0 。C 复合材料与其基体合金G P 区的形 状几乎没有区别，说明稀土对基体合金的G P 区形 成并无明显的抑制。随着温度的升高 2 0 0 3 0 0 。C ，基体合金和复合材料都有∥相的形核和长 大，但4 材料中∥的形核明显晚于基体合金，且放 热峰较基体合金低，说明稀土的引入抑制了析出相 的形核与扩散。随着温度进一步升高，复合材料和 基体合金都经过了卢7 的形成与溶解，以及稳定相卢 的生成与长大的过程。然而，随着稀土含量的增加， 复合材料中卢’峰值右移，或很难确定，有学者认为 稀土的存在会使口’的形成被推延与抑制，并最终造 成强化相M g S i 的减少⋯’，这与先前试验所得是相 一致的。造成这种现象的原因是由于稀土特殊的电 子层结构使得其化学性质非常活泼，与6 0 6 3 合金中 的A I ，M g ，S i 及杂质F e 等形成化合物。稀土的细化 晶粒作用与减少M g S i 作用综合影响了合金的力学 性能。通过时效硬化曲线可知，在稀土含量不太大 0 ．3 ％ 时，稀土的加入对合金的硬度及强度有 较好的提高，但当稀土过量时，与S i 原子形成大量 的A I F e S i L a 化合物，并使得强化相M g S i 减少，合金 的各项性能都急剧下降，这也与之前的文献所述相 符合‘1 8 。2 0 1 。 M 2 j m僻m∞窨}o舵舛∞ 0 O n 0 O O O 0 0 0 t鬟爹螽豢 万方数据 4 有色金属第6 2 卷 3结论 在6 0 6 3 铝合金中加入稀土L a 元素能显著细化 合金铸锭枝晶组织，这主要是因为稀土在液一固界面 前沿产生富集阻碍了M g 和s i 原子越过界面进入固 溶体，使M g 和s i 的分配系数减小，从而抑制了枝晶 的粗化。同时随着枝晶的细化，铸锭的共晶相也更 加均匀细小。 在6 0 6 3 合金中加入适量的稀土L a ，能提高合 金的力学性能，但稀土加入过量，合金的力学性能又 参考文献 急剧恶化，主要是因为过量的稀土L a 与s i 和F e 等 元素形成粗大的A I F e S i L a 化合物。 稀土的引入对A I M g ．S i 合金具有一定的强化 作用，并一定程度地影响了基体合金的时效硬化过 程。引入稀土并没有改变基体合金的时效析出序列 及析出相，但会使过渡相卢”和口’的形成被推延与抑 制，并最终造成强化相M g ，S i 的减少，加入量过大会 使合金硬度急剧下降。所以综合稀土对合金的细化 强化作用，稀土加入量以0 ．3 ％为宜。 [ 1 ] K a nH a c h i y a ，Y a s u h i k oI t o ．A ne f f i c i e n ts e m i - e m p i r i c a li n t e r a t o m i cp o t e n t i a lm o d e lf o r C l 5L a v e sp h a s eA I - r a r e e a r t hi n t e r m e t a l l i c c o m p o u n d s [ J ] ．E l e c t r o c h i m i e aA c t s ，2 0 0 7 ，5 3 1 2 2 4 2 2 8 ． [ 2 ] L i uJ i n g y u a n ，D i n gP e i d a o ，P a nF u s h e n g ，e ta 1 ．E f f e c t so fm i s e h m e t a la d d i t i o no nt h ec a s tm i c r o s t r u e t u r eo f6 0 6 3a l l o y s [ J ] ． T r a n s a c t i o n so fN a n j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s ＆A s t r o n a u t i c s ，1 9 9 7 ，1 4 8 6 0 6 6 ． [ 3 ] 孙海斌，左秀荣，仲志国，等．R E 对细晶铝锭细化效果的影响[ J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 6 ，2 6 6 3 8 1 3 8 3 ． [ 4 ] B o u c h a r a t ，R o s n e rH ，Wi l d eG ，e ta 1 ．D e v e l o p m e n to fn a n o e r y s t a l si na m o r p h o u sA I - a l l o y s 【J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n gC ，2 0 0 3 ，2 3 1 ／2 5 5 5 9 ． [ 5 ] D ux ，Q i nM ，F a r i dA ，e ta 1 ．S t u d yo fr a r e e a r t ho x i d es i n t e r i n ga i ds y s t e m sf o rA I Nc e r a m i c s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n gA ，2 0 0 7 ，4 6 0 ／4 6 1 1 5 4 7 1 4 7 4 ． [ 6 ] M o n t e m o rMF ，S i m i J c sAM ，C a r m e z i mMJ ，e ta 1 ．C h a r a c t e r i z a t i o no fr a r ee a r t hc o n v e r s i o nf i l m sf o r m e do nt h eA Z 3 1m a g n e s i u m a l l o ya n di t sr e l a t i o nw i t hc o r r o s i o np r o t e c t i o n [ J ] ．A p p l i e dS u r f a c eS c i e n c e ，2 0 0 7 ，2 5 3 1 6 6 9 2 2 6 9 31 ． [ 7 ] C o l eJM ，N e w p o r tRJ ，H a n n o nAc ．D i r e c to b s e r v a t i o no ft h eR ⋯Rs e p a r a t i o ni nr a r e - e a r t hp h o s p h a t eg l a s s e s [ J ] ．J o u r n a lo f N o n C r y s t a l l i n eS o l i d s ，2 0 0 7 ，3 5 3 1 8 2 1 1 7 7 3 1 7 7 8 ． [ 8 ] 钟建华，张聚国，刘金明．稀土对6 0 6 3 铝合金组织性能的影响[ J ] ．表面技术，2 0 0 4 ，3 3 5 2 7 2 9 ． [ 9 ] 李伟，龙剑平，涂铭旌．A l _ 4 ．5 C u 和M u i l i t e 增强A 1 ．4 ．5 C u 复合材料时效析出行为的D S C 研究[ J ] ．分析测试学报， 2 0 0 2 ，2 1 1 8 1 0 ． [ 1 0 ] X i a oY a q i n g ，T a n gG u i l i n ．E x i s t e n c ea n de f f e c to fr a r e e a r t ho nm i c r o s t r u c t u r ca n dp r o p e r t i e so f6 0 6 3 a l u m i n u ma l l o y [ J ] ． M a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g yo fL i g h tA l l o y s ，1 9 9 6 ，2 4 11 3 3 3 6 ． [ 1 1 ] 郑志强，书陈克燕．稀土铝合金结晶过程的研究[ J ] ．材料与冶金学报，2 0 0 4 ，3 3 1 1 1 4 ． [ 1 2 ] 布鲁克斯．有色合金的热处理组织与性能[ M ] ．丁夫译．北京冶金工业出版社，1 9 8 8 1 1 7 ． [ 1 3 ] G u i q i n gW a n g ，X i u f a n gB i a n ，W e i m i nW a n g ．I n f l u e n c eo fC ua n dm i n o re l e m e n t so ns o l u t i o nt r e a t m e n to fA 1 一S i - C u - M gc a s t a l l o y s [ J ] ．M a t e r i a l sL e t t e r s ，2 0 0 3 ，5 7 2 4 ／2 5 4 0 8 3 4 0 8 7 ． [ 1 4 ] G a b e rA ，M o s s a d a l iA ，M a t s u d aK ．S t u d yo ft h ed e v e l o p e dp r e c i p i t a t e si nA I - O ．6 3 M g - O ．3 7 S i 旬．5C u w t ．％ a l l o yb yu s i n g D S Ca n dT E Mt e c h n i q u e s [ J ] ．J o u r n a lo fA l l o y sa n dC o m p o u n d s ，2 0 0 7 ，4 3 2 I ／2 1 4 9 1 5 5 ． [ 1 5 ] Y a nM ，Z h uWZ ，C a n t o rB ．T h em i c r o s t r n c t u r eo fa s - m e l ts p u nA 1 - 7 ％S i - O ．3 ％M ga l l o ya n di t sv a r i a t i o ni nc o n t i n u o u sh e a t t r e a t m e n t [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA 。2 0 0 0 ，2 8 4 1 ／2 7 7 8 3 ． [ 1 6 ] G u p t aAK ，L l o y d aDJ ，C o u r tSA ．P r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n gi nA I - M g S ia l l o y sw i t ha n dw i t h o u te x c e s sS i [ J ] ．M a t e r i a l s S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ，2 0 0 1 。3 1 6 1 ／2 1 l 1 7 ． [ 1 7 ] F u k u iK ，T a k e d aM ，E n d oTT ．M o r p h o l o g ya n dt h e r m a ls t a b i l i t yo fm e t a s t a b l ep r e c i p i t a t e sf o r m e di na nA I M g - S it e r n a r ya l l o y a g e da t4 0 3Kt o4 8 3K [ J ] ．M a t e r i a l sL e t t e r s ，2 0 0 5 ，5 9 1 1 1 4 4 4 1 4 4 8 ． [ 1 8 ] Z h e nL ，K a n gSB ．D S Ca n a l y s e so ft h ep r e c i p i t a t i o nb e h a v i o ro ft w oA I - M 8 一S ia l l o y sn a t u r a l l ya g e df o rd i f f e r e n tt i m e s [ J ] ． M a t e r i a l sL e t t e r s ，1 9 9 8 ．3 7 6 3 4 9 3 5 3 ． [ 1 9 ] 林清华，王佳夫，陆建生．稀土L a 镧 对A 1 ．s i 共晶合金性能的影响[ J ] ，轻合金加工技术，2 0 0 3 ，3 l 1 3 5 3 7 ． [ 2 0 ] Z h a n gLY ，Z h a nzJ ，J i aYz ．C h a r a c t e r i z a t i o no fA I - S i - M ga l l o y sf a s tq u e n c h e df r o mt h em e l tb ys p e c i a lm e d i u m [ J ] ．J o u r n a l o fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ，1 8 7 ／1 8 8 1 2 7 9 1 7 9 3 ． 万方数据 第l 期张向宇等稀土L a 对6 0 6 3 铝合金组织与时效性能的影响 5 E f f e c to fR a r eE a r t hL ao nM i c r o s t r u c t u r e sa n dA g e i n g C h a r a c t e r i s t i c so f6 0 6 3A l u m i n u mA l l o y Z H A N G X i a n g y u ’。X I O N GJ i l ，Z H A OG u o - z h o n 9 2 ，“，R e n ．r u i n 9 1 ，形UY u e ．m e i l 1 ．C o l 如g eo fM a n u f a c t u r eS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，S i c h u a nU n i v e r s i t y ，C h e n g d u610 0 6 5 ．C h i n a ； 2 ．C h e n g d uS u n s h i n eA l u m i n u mP r o d u c tC o ．L i d ．C h e n g d u6 1 0 1 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to fr a r ee a r t hL ao na s c a s ts t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dt h ea g e i n gb e h a v i o r so f6 0 6 3A Ia l l o y a r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fh a r d n e s sm e a s u r e m e n t H B ／H V ，d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y D S C ，X r a y d i f f r a c t i o n X R D ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e S E M ．T h er e s u l t ss h o wt h a tL ah a sm a d et h ed e n d r i t i c s t r u c t r u er e f i n e ds i g n i f i c a n t l ya n dp r o p e rc o n t e n to fL ai m p r o v et h em e c h a n i c a lo ft h ea l l o y ．F u r t h e r m o r e ，t h e a g e i n gp r e c i p i t a t i o ns e q u e n c eo ft h em a t r i xa l l o yi sn o tc h a n g e db yt h ea d d i t i o no ft h er a r ee a r t h ，b u tt h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ei sd e c r e a s e da n dt h ep r e c i p i t a t i o no ft h eB _ a n d1 3 ‘p h a s e sa r er e s t r a i n e db ya d d i t i o no ft h ee x c e s s i v eL a b e c a u s eo ft h ea p p e a r a n c eo fb u l k yA I F e S i L ，ac o m p o u n d ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；6 0 6 3A Ia l l o y ；L a ；a g ep r e c i p i t a t i o n ；D S C 万方数据