合金化比例对6005A合金的过烧影响研究

马龙飞,李秋梅,孙 巍,王东辉,刘兆伟,段英冶

(辽宁忠旺集团有限公司,辽宁 辽阳 111003)

6005A铝合金以Mg和Si为主要元素。Mg2Si为主要强化相,是目前应用最广泛的合金。其特征有中等强度、耐腐蚀性能好,焊接性能好,工艺性能好(易挤压成型)、氧化着色效果好。主要用于轨道交通建设,包括地铁、轻轨、高速列车等。

铝合金在进行热处理加热时,当温度过高时会产生过烧现象。组织中存在过烧会对合金的力学性能、疲劳和腐蚀性能等都产生严重影响。因为合金过烧不能用热处理或加工变形消除,任何铸锭和制品发生过烧都为绝对废品[1]。特别是用于航天工业的合金,更加不允许。过烧的宏观组织特征为,过烧严重时铸锭和加工制品表面色泽变暗、变黑,有时产生表面起泡。过烧的显微组织典型特征:检查铸锭及加工制品是否过烧,只以显微组织特征为依据,其他方法只能作为旁证。对变形铝合金,根据国家标准,过烧的判定特征有3个,即复熔共晶球、晶界局部复熔加宽和3个晶粒交叉处形成复熔三角形[2-4]。本人在工作中发现不同成分的铝合金在其过烧情况下出现不同的特征,了解不同铝合金过烧特征,对判别组织过烧有显著意义,另外,确定6005A起始过烧温度有利于大规模生产提供基础数据。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

选用本公司生产的6005A铝合金进行试验,合金成分见表1。主要研究高Si低Mg(1#)、低Si高Mg(2#)、高Fe高Cu(3#)、高Fe高Cu高Mn(4#),由于合金没有经过高温处理,组织内部没有被破坏,4种试样组织形貌大致相同,如图1所示。

图1 试样及原始组织

表1 6005A合金主要元素含量(质量分数,%)

1.2 实验方法

主要采用差热分析和金相检测对过烧温度及形貌进行研究。将试样在NA675/45纳博热固溶炉内以不同高温处理重新进行固溶+水淬处理,高温处理湿度为580 ℃、590 ℃、600 ℃,保温时间为1 h、2 h、3 h;用VX5000-12无纸记录仪测量金属温度。把1#～4#试样磨抛处理,选用混合酸HF∶HC1∶HNO3∶H2O=2∶3∶5∶190溶液腐蚀,在显微镜下观察金相组织。将试样放入差热分析仪中,使用软件绘制出DTA曲线进行差热分析。

2 试验结果及分析

2.1 DTA检测

差热分析是较为准确的测定过烧温度方法,是在程序控制温度下,测量处于同一条件下样品与标准样品(参照物)温度差与温度或时间的关系的一种技术。其原理是根据合金中某种第二相发生熔化时,必然有吸热效应。试样被连续加热,在温差曲线上出现首个吸热峰,即表征合金中某种第二相发生复熔现象[5,6]。Te温度处某种第二相开始融化,升温到Tm时该第二相已经完全融化,若在Te温度持续保温一段时间,第二相同样会完全融化即第二相开始融化,此处可知Te为试样的过烧温度。由图2红色圆圈标注波谷处可以看出,4种试样过烧温度1#588 ℃、2#583.6 ℃、3#589 ℃、4#593.1 ℃。

图2 铝合金挤压型材DTA曲线

2.2 升温速率

本试验经DTA检测的过烧温度593.1 ℃左右进行高温处理试验,分别进行580 ℃、590 ℃、600 ℃高温处理,在不同温度下保温60 min、120 min、180 min,速率均为150 ℃/h,如图3所示,升温阶段曲线基本一致,因此,排除升温速率对结果的影响。

图3 升温曲线

2.3 显微组织

在加热温度为580℃时,如图4所示其显微组织都出现变圆、聚集等特征,与原始组织有很大差别,可以判定6005A铝合金显微组织显示了该加热温度已过高,但并无过烧现象。

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

当温度在590 ℃时,如图5所示,经过淬火处理后的6005A合金显微组织中,2#、3#试样局部出现少量的复熔共晶球及三角晶界,可以判定该温度下已出现过烧现象。

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

当温度在600 ℃时,如图6所示,淬火处理后显微组织下已明显出现多处复熔共晶球,晶界纺锤结构,晶界变粗以及三个晶界处复熔三角形等非常明显的过烧特征,表明该合金已出现严重过烧现象。

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

2.4 结果分析

由显微组织结果可知,2#在同一制度下出现过烧形貌较明显,说明重新固溶后低Si高Mg合金低熔点共晶相较多,过烧现象较明显,其次是合金1#和3#,再其次是合金4#;1#与2#相比,说明Si含量对合金过烧影响较大。3#与4#相比,说明Mn含量的提高可提高低熔点共晶温度,即过烧不明显。实验所得结果趋势与DTA测量数值趋势相一致。

Si元素含量过高或Mg元素含量过高会降低强化相Mg2Si在固溶体的溶解度,使铝基体中的强化相析出。会致使低熔点共晶相Mg2Si含量较少,即过烧现象不明显[7,8]。Cu加入铝合金中,则会缩短析出相的析出时间,降低析出温度,提高析出数量。Fe在铝基体中的溶解度非常小,共晶温度下只有0.05%。Fe会和其他元素反应生成Al5FeSi,这是一种硬、脆且粗大的相[9,10]。当Si高Mg高时,合金在温度相对较低时会比低Si低Mg情况下首先出现过烧现象,即先出现低熔点共晶体,当温度超过600 ℃时就会产生局部复熔的含有Si、Mg的固溶体,这种固溶体开始局部复熔的温度与合金中Si、Mg量多少及合金冷却速度有关。因此,Cu和Fe元素增加多的合金过烧温度影响较Si、Mg和Mn元素的影响较小。

3 总结

(1)低Si高Mg铝合金在过烧温度下,出现过烧形貌较明显,Mn元素含量最高过烧现象较弱。Mg、Si、Mn元素对合金过烧形貌的影响较大。

(2)DTA测量起始过烧温度,低Si高Mg时数值最低,为583.6 ℃。通过金相法验证,580 ℃时无过烧特征,590 ℃时,开始出现一些三角形晶界,600 ℃过烧现象严重,变化趋势与试验数据趋势相一致。