合金元素对3X04铝合金铸锭组织及性能的影响.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期 5 3 合金元素对3 X 0 4 铝合金铸锭组织及性能的影响 齐向前，武建军，李玉昌，童翔 河北工业大学材料学院，天津3 0 0 1 3 0 摘要采用正交试验方法设计了3 X 0 4 铝合金成分，并对退火后的合金进行了力学性能测试，分析了主要 合金元素对材料力学性能的影响；通过运用金相显微镜、扫描电镜等手段研究了铝合金退火组织及断口 形貌，阐述了其对力学性能影响的微观机制，找到了3 X 0 4 铝合金较佳的合金元素含量。 关键词正交试验；3 X 0 4 铝合金；力学性能；组织；断口 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 0 5 0 0 5 3 0 4 I n f l u e n c eo fA l l o y i n gE l e m e n t so nt h eS t r u c t u r e sa n dP r o p e r t i e s o f3 X 0 4A l u m i n u mA l l o yI n g o t Q IX i a n g q i a n ，W UJ i a n - j u n ，L IY u c h a n g ，T O N GX i a n g S c h o o lo fM 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 g ，H e b e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 。T i a n j i n3 0 0 1 3 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n ti su s e dt od e s i g nt h ec o m p o s i t i o no f3 X 0 4a l u m i n u ma l l o y ．T h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e da f t e ra n n e a l i n g ，a sw e l la st h em i c r o s t r u c t u r ea n df r a c t u r eo ft h ei n g o t s ．w e r eo b s e r v e dt h r o u g hm e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p ea n dS E M ．M e a n w h i l e ，t h ee f f e c tm e c h a n i c so ft h ea l l o y i n ga g e n t so n t h ep r o p e r t i e si sp o i n t e do u t ．T h eo p t i m u ma l l o y i n ga g e n t sh a v eb e e nf o u n d ． K e y w o r d s O r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；3 X 0 4a l u m i n u ma l l o y ；M e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；M i c r o s t r u c t u r e ；F r a c t u r e 3 X 0 4 3 0 0 4 、3 1 0 4 铝合金属于鲇一M n M g 系铝合金，该系合金具有强度高，耐蚀性和加工成形 性等方面优异的综合性能，目前主要应用于制罐板 材。当前，我国国产罐板材与国外还有很大差距， 9 5 ％以上仍需进口⋯，制约因素主要有两个方面 一是轧制加工工艺落后 尤其是热轧 ，二是材质纯 净度低、内部组织差，当前研究多集中在前者而忽视 了系统研究提高铝材内在冶金质量的重要性，本文 参照美国铝业协会3 0 0 4 、3 1 0 4 合金标准 见表1 ， 通过正交试验探索3 X 0 4 较佳合金成分，以达到改 善合金性能，提高产品质量、指导工业生产的目的。 表13 0 0 4 、3 1 0 4 铝合金化学成分 T a b l e1T h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fa l u m i n u ma l l o y／％ 1 试验设计及方法 在3 X 0 4 铝合金中，F e 、S i 作为杂质元素存在，但 F e ／S i 对于控制合金再结晶立方织构的生成，降低合 金的制耳率有着很重要的作用，参考相关文献[ 2 - 3 ] ， 作者简介齐向前 1 9 7 8 一 ，男，河北保定人，硕士研究生 本试验固定F e 含量为0 ．4 5 ％，C u 、Z n 做为杂质元素 含量均为0 ．2 5 ％。采用三因素三水平正交设计 L 9 3 4 配置合金来研究S i 、M n 、M g 对合金铸态组织 及力学性能的影响，因素水平为S i A 0 ．3 0 ％、 0 ．4 5 ％、0 ．6 0 ；M n B 0 ．9 5 ％、1 ．2 0 ％、1 ．4 5 ％；M g 万方数据 5 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期 c o ．8 5 ％、1 ．1 0 ％、1 ．3 5 ％。 合金在石墨坩埚电阻炉中进行熔炼，合金元素 以舢一1 0 F e 、A 1 1 0 M n 、A I 一1 2 S i 中间合金形式加 入，其余元素以纯金属形式加入。熔炼温度为7 4 0 ～ 7 8 0 ℃，铝合金专用覆盖剂覆盖，C 2 C 1 6 除气，铁模铸 造，浇铸温度约7 2 0 ℃，模温预热约2 0 0 ℃。铸锭尺 寸为①2 0m m 1 6 0m m ，在4k W 箱式电阻炉内对铸 锭进行均匀化退火处理，随炉升温，5 7 0 ℃保温1 4h ， 然后淬入室温水中，用金相显微镜及扫描电镜观察 退火后合金组织与拉伸断口形貌，并进行力学性能 试验，每种编号试验重复3 次取其平均值。 2试验结果 各因素对力学性能影响的极差分析结果见表1 ， 由表1 可知，M n 、M g 是影响力学性能的最主要因 素，其中M n 含量对抗拉强度和延伸率的影响最大， M g 含量对屈服强度影响最大，对抗拉强度的影响仅 次于M n ，而对延伸率的影响并不明显，S i 含量对合 复 、I 舌 1 6 0 0 ．2 S1 1 ．3 I f ．3 5 1 ．小 04 5 J ．s o0 ．5 5 ．“J0 ．6 5 S i ／％ 金的强度的影响较小、但对延伸率有较大的影响。 表1 各因素对力学性能影晌的极差分析 T a b l e1T h ev a r i a n c ea n a l y s i so ff a c t o r so n t h em e c h a n i c a lp r o p e r t y 由图1 可见，S i 含量增大、合金的强度升高、塑 性降低，M n 含量增加，合金强度、塑性都是先升高后 降低，当M n 含量为1 ．2 ％，合金的强度和延伸率都 达到最高值；M g 含量增加，合金的强度升高，但延伸 率变化不大，当M g 含量为1 ．1 ％时，合金的延伸率 最高。综合分析可以确定3 X 0 4 合金的优化成分为 S i0 ．3 ％、M n1 ．2 ％、M g1 ．1 ％，利用优化成分对合 金进行了熔炼和退火处理，测得合金的o b ≥2 4 0 M P a 、0 0 ．2 ≥1 5 0M P a ，8 ≥2 1 ％，由此可知，经正交试 验优化后，合金的综合性能优良。 [ 6 0 1 5 5 复 、 哼 1 5 0 图1各元素对力学性能影响的直观分析图 F i g ．1 T h ei n f l u e n c eo ff a c t o r so nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 3 分析与讨论 3 ．1S i 对3 X 0 4 合金性能的影响 在3 X 0 4 合金铸造组织中，存在的主要化合物 相是p 一他 F e M n 相和a 一舢1 2 F e M n 3 S i 相，两 种相的形貌在金相显微镜下观察没有明显区别，根 据A 1 一M n F e S i 四元平衡相图【4J 可知，在6 4 8 * 3 发生 L F e A l 3 A 1 6 F e M n 一～ ～1 2 F e M n 3 S i 即S i 可由共晶反应直接生成a 相，在均匀化处 理过程中，介稳的8 相会向稳定的a 相转化，使第二 相发生聚集和球化，由于B 相与a 相具有相近的晶 体结构和化学成分，所以a 相首先在B 相与基体界 面处形核并向p 相长大，同时吸收基体中的S i ，发生 反应 3 A 1 6 F e M n S i a A 1 1 2 F e M n 3 S i 6 A 1 c 5 1 生成的a 相粒子中含有“亮点”，经过电子探针 测定亮点区域S i 、F e 、M n 含量较低、舢含量较高，故 将亮点区域称为“触点”，背散射电子相下观察舢 点和基体具有相同的衬度，所以含有～点为均匀化 过程中由B 相转变生成的G t 相粒子的特征 如图2 。 a 相的硬度高于B 相，在铝罐成型过程中可防止铝 罐与基体的摩擦，提高合金的抗粘结性，由上可见， S i 无论是在凝固过程还是以后的均匀化处理都会 促进a 相生成，因此合金中适量的S i 是必要的。有 研究证实为使合金具有良好的冲压性能，a 相所占 比例应为3 0 ％～4 0 ％ 6 | 。但S i 含量过大，会使合金 的脆性增加，成型困难。原因一方面由于合金中固 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期 5 5 溶S i 含量增加；另一方面G 相几乎全部转变成a 相，由于其较高的硬度使萌生微细裂纹的能量降低， 合金塑性下降，对比2 和8 合金的拉伸断I 1 可以 看出 图3 ，其断口类型都属于混合型断裂 显微缩 松 韧窝 ，2 韧窝较深且分布均匀，具有较高的强 度和韧性，8 韧窝较浅且大小分布部不均，整体力 学性能较差。 3 ．2M n 对3 X 0 4 合金性能的影响 3 X 0 4 合金中F e 、M n 是主要合金元素，由越一 M n 相图可知，在5 2 7 ℃能固溶0 ．4 2 ％M n ，在4 2 7 ℃ 只有0 ．2 ％M n ，所以在铸锭中形成了M n 过饱和程 度很大的固溶体，M n 在铝中的扩散系数很小，形成 严重的晶内偏析，M n 能够显著提高合金的再结晶 图2A I O ．3 S i 一1 ．2 M n 一1 ．1 M g 1 退火 5 7 0 ℃．1 4 h 后的B S E 图像 F i g ．2B S Ei m a g eo ft h e3 X 0 4a l u m i n u ma l l o y a f t e ra n n e a l i n g 5 7 0 。Cl1 4 h 图3不同S i 含量的3 X 0 4 铝合金拉伸断口形貌 F i g ．3 S E Mf r a c t o g r a p h yo f3 X 0 4a l u m i n u mw i t hd i f f e r e n tS ic o n t e n t s 温度，明显影响板材的再结晶行为和深冲性能，所以 必须进行均匀化退火来消除M n 的偏析，由图1 可 见，M n 含量控制得当，合金不仅具有较高的强度， 还具有良好的塑性，由于F e 在舢中的最大固溶度 只有0 ．0 4 ％，当M n 含量较低时，即使含有微量F e 的合金，也易生成针状或片状她F e 相，严重降低合 金的塑性，舢一F e M n 系合金中F e 与M n 存在着 溶质交付作用，虬 F e M n 的生成是由于M n 溶于 F e A l 3 或F e 溶于M “地的结果。一定含量的M n 可改变F e 组分具有的针状和片状组织，提高合金的 塑性，F e 也能最大限度降低M n 在固溶体中的溶解 度，加速舢一M n 合金固溶体的分解，有利于减少 M n 的偏析。但是M n 含量过大，由A 卜F e M n 相 图7 J 判断，当 F e M n ％ 1 ．5 时，合金处于过共 晶区，会出现初晶A 1 6 F e M n 化合物，加上铸造过程 中由于冷却速度过快生成的共晶组织，如果 A l e F e M n 含量过多，即使长时间高温退火处理也 不能使其发生聚集球化。使合金性能变差。 由图4 可见，随M n 含量增加，2 合金的析出 相较窄且细小，3 合金的析出相呈粗大，断续或成 堆密集分布在晶界上，枝晶网络加厚，在晶界两侧可 以看到明显的无析出带，形成原因是M n 在晶内的 偏聚和在含M n 第二相粒子内部的富集导致上述区 域M n 的贫化。这些粗大的析出相分布在晶界上， 会降低晶界的强度，增大裂纹沿晶界扩展的倾向，这 与合金断口上看到明显的撕裂棱的特征相一致。本 试验条件下未发生第二相粒子的充分球化，原因可 能是由于均匀化时间较短或温度较低造成的。 3 ．3 M g 对3 X 0 4 合金性能的影响 M g 对3 X 0 4 合金主要起固溶强化作用，由越一 M g 相图可知，M g 在铝中最大固溶度为1 7 ．4 ％，即 使在快速冷却条件下，也可达3 ％～6 ％，在均匀化 处理时，3 X 0 4 合金不会产生M g 的脱溶，因此微量 的M g 使合金的强度提高，对合金的塑性不会产生 太大的影响。M g 和S i 具有极强的亲和力，除形成 少量的M 9 2 S i 外，难以再形成其它化合物。铸态组 万方数据 5 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期 织M 9 2 S i 相呈针状，T E M 下观察可看到其沿铝基体 的 1 0 0 方向排列。但M 9 2 S i 相不稳定，高于3 5 0 “ C 会发生分解[ 8 | ，M g 又重新固溶到合金中去，而S i 则 4结论 促进口相生成。本试验控制M g 含量为1 ．1 ％，S i 含 量为0 ．3 ％，得到了较好的结果。 图4不同M n 含量的3 X 0 4 铝合金铸锭退火后的金相组织 F i g ．3M o r p h o l o g yo f3 X 0 4a l u m i n u mi n g o t sw i t hd i f f e r e n tM nc o n t e n t s 报，2 0 0 2 1 2 1 4 6 ． 1 通过正交试验对3 X 0 4 铝合金主要合金元 素成分进行了优化，当含0 ．3 ％S i 、1 ．2 ％M n 、1 ．1 ％ M g 时，合金的c r b ≥2 4 0M P a 、唧．2 ≥1 5 0M P a ，8 ≥ 2 1 ％，合金具有优良的综合性能； 2 适量的S i 可促进a A I l 2 F e M n 3 S i 相生 成，提高合金的抗粘结性能。随M n 含量增加，会形 成粗大的p 一眦 F e M n 相，枝晶网络变厚，合金力 学性能变差。M g 在3 X 0 4 铝合金中主要起固溶强 化作用，微量的M g 在基本不影响塑性的前提下，会 使合金的强度提高。 参考文献 [ 1 ] 陈永禄，傅高升，孙锋山，等．易拉罐用铝材经高效熔体 处理后的铸态及均匀化组织特征【J ] ．中国有色金属学 [ 2 ] 姜秀平．3 1 0 4 铝合金板再结晶织构的研究[ D ] ．沈阳 东北大学硕士学位论文，2 0 0 2 5 6 ． [ 3 ] 洪永先，译．F e ／S i 比值对铝箔性能的影响[ J ] ．轻金属． 1 9 9 0 5 6 3 6 5 ． [ 4 ] 佟长清．3 0 0 4 合金铸锭锰偏析及均匀化处理[ J ] ．轻合 金加工技术．1 9 9 7 ，2 5 1 3 5 ． [ 5 ] A l e x a n d e rD TL ，G r e e rAL ．S o l i d s t a t ei n t e r m e t a l l i c p h a s et r a n s f o r m a t i o ni n3 x x xa l u m i n u ma l l o y s [ J ] ．A c t a m a t e r i a l ，2 0 0 2 ，5 0 2 5 7 8 ． [ 6 ] 陈文，林林．易拉罐体针孔缺陷分析与改进工艺的思路 [ J ] ．板带条箔材．2 0 0 0 ，2 3 3 1 7 ． [ 7 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