馬龍飛,李秋梅,孫 巍,王東輝,劉兆偉,段英冶

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003)

6005A鋁合金以Mg和Si為主要元素。Mg2Si為主要強(qiáng)化相,是目前應(yīng)用最廣泛的合金。其特征有中等強(qiáng)度、耐腐蝕性能好,焊接性能好,工藝性能好(易擠壓成型)、氧化著色效果好。主要用于軌道交通建設(shè),包括地鐵、輕軌、高速列車(chē)等。

鋁合金在進(jìn)行熱處理加熱時(shí),當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)燒現(xiàn)象。組織中存在過(guò)燒會(huì)對(duì)合金的力學(xué)性能、疲勞和腐蝕性能等都產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因?yàn)楹辖疬^(guò)燒不能用熱處理或加工變形消除,任何鑄錠和制品發(fā)生過(guò)燒都為絕對(duì)廢品[1]。特別是用于航天工業(yè)的合金,更加不允許。過(guò)燒的宏觀(guān)組織特征為,過(guò)燒嚴(yán)重時(shí)鑄錠和加工制品表面色澤變暗、變黑,有時(shí)產(chǎn)生表面起泡。過(guò)燒的顯微組織典型特征:檢查鑄錠及加工制品是否過(guò)燒,只以顯微組織特征為依據(jù),其他方法只能作為旁證。對(duì)變形鋁合金,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),過(guò)燒的判定特征有3個(gè),即復(fù)熔共晶球、晶界局部復(fù)熔加寬和3個(gè)晶粒交叉處形成復(fù)熔三角形[2-4]。本人在工作中發(fā)現(xiàn)不同成分的鋁合金在其過(guò)燒情況下出現(xiàn)不同的特征,了解不同鋁合金過(guò)燒特征,對(duì)判別組織過(guò)燒有顯著意義,另外,確定6005A起始過(guò)燒溫度有利于大規(guī)模生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用本公司生產(chǎn)的6005A鋁合金進(jìn)行試驗(yàn),合金成分見(jiàn)表1。主要研究高Si低Mg(1#)、低Si高M(jìn)g(2#)、高Fe高Cu(3#)、高Fe高Cu高M(jìn)n(4#),由于合金沒(méi)有經(jīng)過(guò)高溫處理,組織內(nèi)部沒(méi)有被破壞,4種試樣組織形貌大致相同,如圖1所示。

圖1 試樣及原始組織

表1 6005A合金主要元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

主要采用差熱分析和金相檢測(cè)對(duì)過(guò)燒溫度及形貌進(jìn)行研究。將試樣在NA675/45納博熱固溶爐內(nèi)以不同高溫處理重新進(jìn)行固溶+水淬處理,高溫處理濕度為580 ℃、590 ℃、600 ℃,保溫時(shí)間為1 h、2 h、3 h;用VX5000-12無(wú)紙記錄儀測(cè)量金屬溫度。把1#～4#試樣磨拋處理,選用混合酸HF∶HC1∶HNO3∶H2O=2∶3∶5∶190溶液腐蝕,在顯微鏡下觀(guān)察金相組織。將試樣放入差熱分析儀中,使用軟件繪制出DTA曲線(xiàn)進(jìn)行差熱分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 DTA檢測(cè)

差熱分析是較為準(zhǔn)確的測(cè)定過(guò)燒溫度方法,是在程序控制溫度下,測(cè)量處于同一條件下樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品(參照物)溫度差與溫度或時(shí)間的關(guān)系的一種技術(shù)。其原理是根據(jù)合金中某種第二相發(fā)生熔化時(shí),必然有吸熱效應(yīng)。試樣被連續(xù)加熱,在溫差曲線(xiàn)上出現(xiàn)首個(gè)吸熱峰,即表征合金中某種第二相發(fā)生復(fù)熔現(xiàn)象[5,6]。Te溫度處某種第二相開(kāi)始融化,升溫到Tm時(shí)該第二相已經(jīng)完全融化,若在Te溫度持續(xù)保溫一段時(shí)間,第二相同樣會(huì)完全融化即第二相開(kāi)始融化,此處可知Te為試樣的過(guò)燒溫度。由圖2紅色圓圈標(biāo)注波谷處可以看出,4種試樣過(guò)燒溫度1#588 ℃、2#583.6 ℃、3#589 ℃、4#593.1 ℃。

圖2 鋁合金擠壓型材DTA曲線(xiàn)

2.2 升溫速率

本試驗(yàn)經(jīng)DTA檢測(cè)的過(guò)燒溫度593.1 ℃左右進(jìn)行高溫處理試驗(yàn),分別進(jìn)行580 ℃、590 ℃、600 ℃高溫處理,在不同溫度下保溫60 min、120 min、180 min,速率均為150 ℃/h,如圖3所示,升溫階段曲線(xiàn)基本一致,因此,排除升溫速率對(duì)結(jié)果的影響。

圖3 升溫曲線(xiàn)

2.3 顯微組織

在加熱溫度為580℃時(shí),如圖4所示其顯微組織都出現(xiàn)變圓、聚集等特征,與原始組織有很大差別,可以判定6005A鋁合金顯微組織顯示了該加熱溫度已過(guò)高,但并無(wú)過(guò)燒現(xiàn)象。

(a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#

當(dāng)溫度在590 ℃時(shí),如圖5所示,經(jīng)過(guò)淬火處理后的6005A合金顯微組織中,2#、3#試樣局部出現(xiàn)少量的復(fù)熔共晶球及三角晶界,可以判定該溫度下已出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象。

(a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#

當(dāng)溫度在600 ℃時(shí),如圖6所示,淬火處理后顯微組織下已明顯出現(xiàn)多處復(fù)熔共晶球,晶界紡錘結(jié)構(gòu),晶界變粗以及三個(gè)晶界處復(fù)熔三角形等非常明顯的過(guò)燒特征,表明該合金已出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)燒現(xiàn)象。

(a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#

2.4 結(jié)果分析

由顯微組織結(jié)果可知,2#在同一制度下出現(xiàn)過(guò)燒形貌較明顯,說(shuō)明重新固溶后低Si高M(jìn)g合金低熔點(diǎn)共晶相較多,過(guò)燒現(xiàn)象較明顯,其次是合金1#和3#,再其次是合金4#;1#與2#相比,說(shuō)明Si含量對(duì)合金過(guò)燒影響較大。3#與4#相比,說(shuō)明Mn含量的提高可提高低熔點(diǎn)共晶溫度,即過(guò)燒不明顯。實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果趨勢(shì)與DTA測(cè)量數(shù)值趨勢(shì)相一致。

Si元素含量過(guò)高或Mg元素含量過(guò)高會(huì)降低強(qiáng)化相Mg2Si在固溶體的溶解度,使鋁基體中的強(qiáng)化相析出。會(huì)致使低熔點(diǎn)共晶相Mg2Si含量較少,即過(guò)燒現(xiàn)象不明顯[7,8]。Cu加入鋁合金中,則會(huì)縮短析出相的析出時(shí)間,降低析出溫度,提高析出數(shù)量。Fe在鋁基體中的溶解度非常小,共晶溫度下只有0.05%。Fe會(huì)和其他元素反應(yīng)生成Al5FeSi,這是一種硬、脆且粗大的相[9,10]。當(dāng)Si高M(jìn)g高時(shí),合金在溫度相對(duì)較低時(shí)會(huì)比低Si低Mg情況下首先出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象,即先出現(xiàn)低熔點(diǎn)共晶體,當(dāng)溫度超過(guò)600 ℃時(shí)就會(huì)產(chǎn)生局部復(fù)熔的含有Si、Mg的固溶體,這種固溶體開(kāi)始局部復(fù)熔的溫度與合金中Si、Mg量多少及合金冷卻速度有關(guān)。因此,Cu和Fe元素增加多的合金過(guò)燒溫度影響較Si、Mg和Mn元素的影響較小。

3 總結(jié)

(1)低Si高M(jìn)g鋁合金在過(guò)燒溫度下,出現(xiàn)過(guò)燒形貌較明顯,Mn元素含量最高過(guò)燒現(xiàn)象較弱。Mg、Si、Mn元素對(duì)合金過(guò)燒形貌的影響較大。

(2)DTA測(cè)量起始過(guò)燒溫度,低Si高M(jìn)g時(shí)數(shù)值最低,為583.6 ℃。通過(guò)金相法驗(yàn)證,580 ℃時(shí)無(wú)過(guò)燒特征,590 ℃時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)一些三角形晶界,600 ℃過(guò)燒現(xiàn)象嚴(yán)重,變化趨勢(shì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)相一致。