Cu元素對Al-Si合金的力學(xué)性能及耐腐蝕性的影響

張麗華

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 成都 614000)

前言

鋁是一種輕金屬，密度小(2.78 g/cm3)，具有良好的強度和塑性，鋁合金具有較好的強度，超硬鋁合金的強度可達600 MPa，普通硬鋁合金的抗拉強度也達200～450 MPa，它的比鋼度遠高于鋼，因此在機械制造中得到廣泛的運用[1]。鋁的導(dǎo)電性僅次于銀和銅，居第三位，用于制造各種導(dǎo)線。鋁具有良好的導(dǎo)熱性，可用作各種散熱材料[2]。鋁還具有良好的抗腐蝕性能和較好的塑性，適合于各種壓力加工。

鑄造鋁合金是在純鋁的基礎(chǔ)上加入其他金屬或非金屬元素，不僅能保持純鋁的基本性能，而且由于合金化及熱處理的作用，使鋁合金具有良好的綜合性能。因此鑄造鋁合金在工業(yè)上占有重要的地位，目前已大量應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，也廣泛用作建筑結(jié)構(gòu)材料、家庭生活用具和體育用品等[3]。

Al-Si合金中一般Si的質(zhì)量分數(shù)為4%～22%。由于Al-Si合金具有優(yōu)良的鑄造性能，如流動性好、氣密性好、收縮率小和熱裂傾向性小，經(jīng)過變質(zhì)和熱處理后，具有良好的力學(xué)性能、物理性能、耐腐蝕性能和中等的機加工性能，是鑄造鋁合金中品種最多、用途最廣的一類合金[4]。其中ZL101合金常被用于承受中等負荷的復(fù)雜零件，如飛機零件、儀器、儀表殼體、發(fā)動機零件、汽車及船舶零件、汽缸體、泵體、剎車鼓和電氣零件等；ZL105合金主要被用于生產(chǎn)承受大負荷的飛機、發(fā)動機砂型和金屬型鑄造零件，如傳動機匣、汽缸體、液壓泵殼體和儀表零件，也可以做軸承支座和其他機器零件；ZL111合金主要用于制造形狀復(fù)雜、承受高載荷的零件，如用于飛機和導(dǎo)彈的鑄件等[5]。

純鋁的耐腐蝕性比任何一種鋁合金都好，因為鋁中的合金元素可以形成固溶體(例如鋁同鎂和鋅)、化合物(例如Mg2Si)或者元素的質(zhì)點(如硅的情況)[6]。固溶體通常比在其中形成化合物或元素質(zhì)點的鋁合金更耐腐蝕。一般情況下銅對鋁的耐腐蝕性有不利的影響，往99.99%鋁中添加0.1%的銅，使鋁的腐蝕速度提高1 599倍。含4%銅的合金對晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕裂紋是敏感的[7]。用控制熱處理的辦法，可以把Al-Cu合金的耐腐蝕性控制到一定程度。Al-Cu合金固溶處理后需要迅速淬火，以防止在晶界上出現(xiàn)粗大沉淀物。

腐蝕試樣承受75%屈服強度的應(yīng)力，在鹽-過氧化物溶液里交替浸泡48 h。腐蝕損失以抗拉強度損失的百分率為基礎(chǔ)。在Al-Cu合金的晶界上集聚大量沉淀物將會降低耐腐蝕性。接近晶粒邊界的區(qū)域為貧銅區(qū)，于是在存在腐蝕介質(zhì)時便會形成一個很小的電化學(xué)電池[8]。貧銅區(qū)比CuAl2有較高的陽極性或負電性。時效處理也大大地影響Al-Cu合金的耐腐蝕性。自然時效得到較好的耐腐蝕性，因為CuAl2沉淀物在自然時效合金中比在人工時效合金中更細并能均勻地彌散分布。人工時效大大地降低了Al-Cu合金的耐腐蝕性，這是由于CuAl2沉淀物只限于局部區(qū)域，但加長時效時間和提高時效溫度，可以使耐腐蝕性有一定的提高。Al-Cu-Si鑄造合金例如212合金的耐腐蝕性，主要取決于銅的含量和顯微組織。硅對這種合金的耐腐蝕性沒有多大影響[9]。

傳統(tǒng)的大氣腐蝕一般通過大氣暴露實驗、室內(nèi)模擬加速試驗進行研究。大氣暴露試驗?zāi)軌蚍磻?yīng)材料在自然環(huán)境中的實際腐蝕情況，所得數(shù)據(jù)直觀、可靠，雖然試驗周期長、速度慢、費用高，但它是鋁和鋁合金大氣腐蝕研究的重要方法。室內(nèi)模擬加速試驗可以顯著縮短試驗時間，快速地對材料的大氣腐蝕行為進行評價和預(yù)測，不能完全地取代大氣暴露試驗。鋁合金的腐蝕速率表征既采用普遍使用的年失質(zhì)量的多少，也使用孔蝕坑的深度及數(shù)量分布和力學(xué)性能(抗拉強度、屈服強度)的損失量。觀察腐蝕形貌和分析腐蝕產(chǎn)物時，使用一些物理化學(xué)分析手段，如光學(xué)微鏡、掃描電鏡、X射線衍射分析、X射線光電子能譜等[10～11]。

室內(nèi)模擬加速試驗有濕熱試驗、鹽霧試驗、干濕周浸循環(huán)試驗以及多因子復(fù)合試驗，一般認為干濕交替的周浸循環(huán)試驗比較能夠反映大氣腐蝕的特點。干濕交替的周浸循環(huán)試驗的最初提出是為了評價耐候鋼的性能，適用于有鈍化膜的金屬及合金。這種研究方法從電化學(xué)的角度來說，也是合理的。對于鋁合金，可以采用此方法進行大氣腐蝕試驗，評價鋁合金的耐蝕性。在工業(yè)純鋁ZL10和ZL109合金表面誘發(fā)腐蝕，觀察和分析了鑄鋁合金中第二相和腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌及化學(xué)成分。在吸附了水分和侵蝕性氯離子微觀孔隙周圍，由第二相粒子和鋁基體構(gòu)成腐蝕微電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電位較負的鋁首先發(fā)生溶解，導(dǎo)致局部點狀腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要為鋁的不溶性氫氧化物，還含有少量的氧化鋁等。用室內(nèi)加速試驗評價結(jié)構(gòu)鋁合金的耐大氣腐蝕性時，除測量失重和孔蝕深度外，應(yīng)包括金相分析和力學(xué)試驗。室內(nèi)模擬加速試驗從單因子控制到多因子控制，從簡單的電位測量到交流阻抗技術(shù)等多種測量技術(shù)的應(yīng)用，在過去的幾十年里得到一定程度的發(fā)展。但是在大氣腐蝕機理研究和準確地重現(xiàn)大氣暴露試驗結(jié)果方面，仍有較大的差距。室內(nèi)模擬加速試驗的重復(fù)性還需要提高。有研究者做了室內(nèi)氣體腐蝕試驗，通過對一種或幾種腐蝕性氣體組分濃度、相對濕度、溫度及暴露時間條件控制，觀察金屬的腐蝕，并通過多種手段分析腐蝕產(chǎn)物，給出腐蝕過程的動力學(xué)規(guī)律和腐蝕機理。不過，這些實驗僅僅局限于純鋁材料，研究工作處于起步階段。Oesch用氣體試驗箱分析了各腐蝕性氣體成分對純鋁大氣腐蝕的影響。他認為臭氧對鋁的大氣腐蝕的影響要強于SO2和NO2。通過控制空氣中CO2的濃度，研究了CO2阻礙NaCl引發(fā)鋁的大氣腐蝕機制。

綜上所述，傳統(tǒng)的大氣腐蝕試驗得到的數(shù)據(jù)是一段時間內(nèi)金屬的宏觀的、統(tǒng)計的腐蝕行為和規(guī)律，對大氣腐蝕過程中的關(guān)鍵反應(yīng)和中間過程缺乏清楚的描述。隨著儀器制造技術(shù)的進步，人們越來越趨向于對金屬的大氣腐蝕過程進行連續(xù)、原位的研究，從微觀上，甚至于原子尺度上認識其腐蝕規(guī)律。

一般可采取兩種方式提高和穩(wěn)定鑄造鋁合金的耐腐蝕性：

1)掌握金屬元素的性質(zhì)和作用以及適宜的加入量、使用方法，在鋁合金中加入有益于提高耐腐蝕性的元素，如Si、Mg、Mn等，是獲取耐腐蝕合金的一條重要途徑。比如Al-Mg、Al-Si、Al-Si-Cu-Mn-Mg等系合金均具有較好的耐腐蝕性。

2)微量元素和雜質(zhì)對合金耐腐蝕性的影響，嚴控有害元素或雜質(zhì)的進入或抑制其作用，充分發(fā)揮有益元素或雜質(zhì)提高合金耐腐蝕性。為滿足適宜的使用性能和鑄造性能，在熔煉鋁合金時除添加一定的主要金屬元素外，還需添加一些微量元素如Re、Na、Sr、P、Mn、Ca、Ni、Ti、Cr、Zn等。原輔材料及合金熔煉過程中不可避免地帶入某些微量元素和雜質(zhì)，給鑄造鋁合金的耐腐蝕性帶來不可忽視的影響[6]。

1 實驗部分

1.1 實驗所用材料

本實驗采用由立中合金集團生產(chǎn)的A380鑄造鋁合金為實驗材料，對試樣的成分進行調(diào)整，切割取樣。通過觀察試樣組織、硬度測試、拉伸實驗、斷口分析、電化學(xué)實驗和浸泡腐蝕實驗等分析銅含量的不同對其性能及耐腐蝕性的影響。A380產(chǎn)品主要元素內(nèi)控要求如表1所示。

表1 A380 主要元素內(nèi)控要求(質(zhì)量%)

合金元素對鋁和鋁合金耐蝕性的影響是一個復(fù)雜的問題。因為這不僅與合金元素的電極電位(電化學(xué)序) 有關(guān)，還與合金元素的存在形式(固溶體還是析出的金屬間化合物相)、合金元素的加入量等諸多因素有關(guān)[7]。各合金元素的作用如下：

1)Si。硅是大多數(shù)壓鑄合金的主要元素，它能改善合金的鑄造性能。硅與鋁能組成固溶體。在577 ℃時，硅在鋁中的溶解度為1.65%；室溫時為0.2%。含硅量至11.7%時，硅與鋁形成共晶體。提高合金的高溫造型性，減少收縮率，無熱裂傾向。硅對鋁耐蝕性的影響在不同鋁合金中是不同的。在Al-Si鑄造鋁合金中，過量的硅以片狀存在于合金中，它對鋁起陰極性相的作用，對耐蝕是有害的。在合金含有鐵時，硅可能會進入FeAl3金屬間化合物，起強陰極性相作用，對耐蝕性影響很大。而對于可熱處理的Al-Mg-Si合金，時效后生成Mg2Si相，這種化合物的出現(xiàn)對合金耐蝕性影響不大。所以，對于鋁和鋁合金，單獨的硅不如硅和鐵同時存在時的有害作用大。

2)Fe。在所有鋁合金中都含有害雜質(zhì)。鋁合金中含鐵太高時，鐵以FeAl3、Fe2Al7和Al-Si-Fe的片狀或針狀組織存在于合金中，降低機械性能。這種組織還會使合金的流動性降低，熱裂性增大，但由于鋁合金對模具的粘附作用十分強烈，當(dāng)含鐵量在0.6%以下時尤為強烈；當(dāng)超過0.6%時，粘?，F(xiàn)象可大為減輕，故鐵含量一般應(yīng)控制在0.6%～1%范圍內(nèi)，其對壓鑄是有好處的，但最高不能超過1.5%。鐵對合金的耐蝕性有相當(dāng)大的影響，其作用僅次于銅。鐵對鋁來說，也是強陰極性元素。鐵在鋁中的溶解度十分小，在溫度500 ℃時也僅為0.005%，過剩的鐵往往生成陰極性相FeAl3，對鋁形成微電偶腐蝕。

3)Mg。在高硅鋁合金中加入少量(0.2%～0.3%)的鎂，可提高強度和屈服極限，提高了合金的切削加工性[8]。含鎂8%的鋁合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性，但其鑄造性能差。在高溫下的強度和塑性都低，冷卻時收縮大，故易產(chǎn)生熱裂和形成疏松。

4)Ti。鋁合金中加入微量的鈦，能顯著細化鋁合金的晶粒組織，提高合金的機械性能，降低合金的熱裂傾向。鈦在鋁合金中的含量很小，它對耐蝕性的影響也不大。有文獻報導(dǎo)，含鈦0.007%～0.008%時會對超純鋁在堿中的耐蝕性不利。而在某些酸中，0.16%～0.37%鈦的加入對工業(yè)純鋁耐蝕性會產(chǎn)生有利影響，而鈦對鋁在氯化鈉溶液中耐蝕性的影響卻很小。

5)Cu。銅和鋁組成固溶體，當(dāng)溫度為548 ℃時，銅在鋁中的溶解度應(yīng)為5.65%，室溫時降至0.1%左右。增加含銅量，能提高合金的流動性，抗拉強度和硬度，但降低了耐腐蝕性和塑性。銅對鋁來說是強陰極性元素(電極電位正得多)，故即使銅的含量不多，也可對鋁及其合金的耐蝕性產(chǎn)生嚴重的影響。如當(dāng)含有0.1%銅時，高純鋁的腐蝕速度提高了1 600倍，要提高耐蝕性，銅的含量必須嚴格控制。

6)Mn。錳在鋁合金中能減少鐵的有害影響，能使鋁合金中由鐵形成的片狀或針狀組織變?yōu)榧毭艿木w組織。故一般鋁合金允許有0.5%以下的錳存在。含錳量過高時，會引起偏析[9]。錳在鋁合金中主要以MnAl6相存在而MnAl6相和鋁有著相同的自然電極電位，幾乎沒有電位差，少量的錳往往還會提高合金的耐蝕性，因為能生成MnFeAl6，從而部分消除含鐵的強陰極性相(如AlSi2Fe等)，從而增強了耐蝕性。所以Al-Mn合金是重要的防銹鋁合金之一。

7)Zn。鋅在鋁合金中能提高流動性，增加熱脆性，降低耐蝕性，故應(yīng)控制鋅的含量在規(guī)定范圍內(nèi)。至于含鋅量很高的ZL401鋁合金卻具有較好的鑄造性能和機械性能，切削加工也較好。鋅在0.2%以下時，對鋁合金耐蝕性的影響不大。當(dāng)鋅作為某些高強鋁合金的添加元素時，其析出的金屬間化合物仍然可能成為鋁的陰極，但其對耐蝕性的影響小于銅、鐵、鎳等陰極性元素。

8)Ni。鎳在鋁合金中能提高合金的強度和硬度，降低耐蝕性。鎳與鐵的作用一樣，能減少合金對模具的熔蝕，同時又能中和鐵的有害影響。提高合金的焊接性能。當(dāng)鎳含量在1.0%～1.5%時，鑄件經(jīng)拋光能獲得光潔的表面。由于鎳的來源缺乏，應(yīng)盡量少采用含鎳的鋁合金。

1.2 實驗方案

1.2.1 試樣煉制工藝的制定

實驗配料卡如表2所示 。

表2 實驗配料卡

其工藝流程如圖1所示。

圖1工藝流程

1.2.2 實驗流程

本實驗主要涉及A380鑄造鋁合金的金相組織分析及力學(xué)性能分析兩個方面[9]。通過金相組織分析了解Al-Si-Cu鑄造鋁合金在不同的銅含量下，其微觀組織的變化，結(jié)合硬度測試、拉伸實驗來分析不同的組織形態(tài)下Al-Si-Cu鑄造鋁合金性能的變化、耐腐蝕性的差異并最終確定A380鑄造鋁合金的最佳成分配比。實驗流程圖如圖2所示。

實驗所用到的設(shè)備有：工業(yè)電爐、成分試樣模具、拉力試棒模具、石墨除氣棒、撇渣勺、取樣勺、直讀光譜儀、車床、鋸床等。

1.2.3 實驗所用設(shè)備

本實驗分析過程所用到的設(shè)備有：HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計、立式顯微鏡、MC004-MPD-2W雙盤臺式金相磨拋機、PG-2C金相試樣拋光機、MDS實驗室金相顯微鏡、WDW100型拉力試驗機、PS-168C型電化學(xué)測量系統(tǒng)、KYKY-2800系列實用型掃描電子顯微鏡。其中，工業(yè)電爐用來制取試樣；HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計用來測定試樣的硬度；立式顯微鏡用來觀察斷口；MDS實驗室金相顯微鏡用來拍攝金相試樣顯微組織的照片；WDW100型拉力試驗機用來測試樣品抗拉強度；MC004-MPD-2W雙盤臺式金相磨拋機用來打磨試樣，PG-2C金相試樣拋光機用來制備金相試樣；PS-168C型電化學(xué)測量系統(tǒng)分別對合金的極化曲線、自腐蝕電位、自腐蝕電流密度等電化學(xué)進行測量。

圖2 實驗流程圖

1.3 實驗過程

1.3.1 取樣

將試樣分為A、B兩組，其中A組不含Cu，B組含3.38.%的Cu，其化學(xué)成分見表3。

表3 試驗合金的化學(xué)成分(質(zhì)量%)

根據(jù)需求用切割制成不同尺寸，其具體尺寸如下：

1)拉力試棒：直徑10 mm×150 mm試棒；

2)腐蝕樣塊：直徑15 mm×20 mm樣塊；

3)硬度樣塊：從鋁合金錠上鋸下厚30 mm的樣塊；

4)金相試樣：10 mm×10 mm×40 mm樣塊。

1.3.2 制備金相與拍攝金相照片

為了研究A380組織和性能，從合金錠上鋸下10 mm×10 mm×40 mm樣塊作為金相試樣，利用MDS實驗室金相顯微鏡對其進行金相顯微組織分析。

1)粗磨。在預(yù)磨機用240#金剛石砂紙預(yù)磨，保證試樣表而處于同一個平面。

2)細磨。經(jīng)粗磨后的試樣表面雖較平整，但還存在有較深的劃痕，細磨的目的就是為了消除這些磨痕，以得到平整而光滑的磨面，為下一步拋光做好準備。細磨是在不同粗細程度的金相砂紙上進行的，本次試驗分別用240#、800#、1200#砂紙進行細磨。細磨后的試樣表面應(yīng)平整光滑，劃痕較少，然后用水清洗干凈進行拋光。

3)拋光。使用拋光機進行拋光，拋光布上用金剛石研磨膏拋光。拋光液選用氧化鎂細粉末在水中的懸浮液，將拋光好的試樣清洗干凈后用酒精噴洗，然后吹風(fēng)機吹干。

4)侵蝕。浸蝕劑為15%HF+5%～6%H3PO4+H2O。

5)拍照。利用MDS實驗室金相顯微鏡對其進行金相顯微組織分析并拍照。

1.4 力學(xué)性能測試

1.4.1 硬度測試

通過測定不同含銅量的試樣的硬度可以從宏觀上判斷銅含量對鋁合金性能的影響，同時還可以大致判斷試樣內(nèi)部組織的分布情況。本實驗的硬度測定采用布氏硬度計，所用儀器是HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計。測量A組3塊試樣，每個試樣測3次然后取平均值，各個數(shù)值均保留一位有效數(shù)字。測量面為厚度大約30 mm的錠塊。硬度測試前需用車床將樣塊加工平整，然后使用拋磨機將樣品拋磨平整，且一定要保證被測上下兩面的平行，每個試樣上下兩面各測3次，實驗載荷選擇80 N。

1.4.2 拉伸實驗及斷口形貌

1.4.2.1 拉伸實驗

將澆鑄好的拉力試棒切削加工成標準圓棒試件，拉伸試件實驗段長度為大于100 mm，直徑為10 mm±0.2mm，試件夾持端直徑為15 mm。拉伸試驗在WDW100型拉力試驗機上進行，試驗環(huán)境為室溫，試驗拉伸速度設(shè)為5 mm/min。

1.4.2.2 斷口形貌

金屬材料在破斷后的斷裂面稱為斷口，斷口分析的目的：第一種情況是對材料力學(xué)性能試驗斷裂試樣的斷口分析，其目的是配合實驗結(jié)果分析與判斷材質(zhì)狀況；第二種情況是為失效分析或廢品分析進行的斷口分析[10]。本實驗通過立式顯微鏡，觀察A380試樣斷裂后斷口宏觀及微觀形貌特征，確定銅含量的不同對斷裂形式的影響。

斷口可以觀察其內(nèi)部宏觀組織缺陷，如夾雜物、偏析、氣泡、內(nèi)部裂紋。同種材料的試樣，缺口越深、越尖銳，缺口處應(yīng)力集中程度越大，越容易變形和斷裂。

通常用于斷口分析的試樣，斷口必須保持潔凈，因此在沖擊實驗后將試樣收集并編號，且收集時要注意將沖擊過程中的小塊斷裂碎片和大塊斷口試樣試樣一起收集，收集的試樣按分組分別裝入袋中，沖擊實驗做完后按組用丙酮清洗[11]。清洗過程中將放有丙酮溶液的燒杯(丙酮容易不得超過燒杯的2/3)放入超聲波清洗器中清洗15 min，然后用鑷子將試樣夾出用無水乙醇洗凈并吹干。吹干后的試樣放入干燥皿中防止斷口被氧化。

1.5 電化學(xué)實驗

經(jīng)粗磨、精磨，并機械拋光、清洗、干燥后，將試樣非工作面用石蠟覆膜保護。采用PS-168C型電化學(xué)測量系統(tǒng)分別對合金的極化曲線、自腐蝕電位、自腐蝕電流密度等進行電化學(xué)測試。電位掃描速度為1 mV/s，采樣速率為500 ms，參比電極為232型甘汞電極，腐蝕介質(zhì)是質(zhì)量濃度為3.5%的NaCl水溶液。

1.6 浸泡腐蝕實驗

試樣先進行磨制和拋光，再經(jīng)丙酮超聲清洗、吹干，并用分析天平測量腐蝕前的質(zhì)量，然后懸掛在濃度為3.5%NaCl溶液中恒溫(35 ℃±1 ℃)浸泡10 d。確保試樣和腐蝕液的面容比不小于2 dm2/L，試樣腐蝕后，用30%HNO3溶液清洗，再用軟毛刷和清水去除腐蝕產(chǎn)物，吹干后稱其質(zhì)量，并用掃描電鏡觀察腐蝕形貌。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 組織分析

鋁硅系合金通常金相檢驗的內(nèi)容是變質(zhì)情況，即檢驗變質(zhì)處理是否不足或已過度，以及檢驗含鐵相的形態(tài)，一般鐵相呈粗大的針狀。金相顯微組織特征(Sr變質(zhì))有如下幾種情況：

2.1.1 未變質(zhì)

共晶硅為長針狀或桿狀，分布無規(guī)律，可有α枝晶或少量塊狀初晶硅。

2.1.2 變質(zhì)不足

α枝晶與共晶體分布不均勻，部分共晶硅為短桿狀，部分為針狀。

2.1.3 變質(zhì)正常

α枝晶與共晶體分布均勻，部分共晶硅為點狀或蠕蟲狀。

2.1.4 變質(zhì)衰退

α枝晶與共晶體分布不夠均勻，共晶硅變粗，部分為短桿狀，部分為針狀。

圖3 金相顯微組織

2.1.5 輕度過變質(zhì)

α枝晶與共晶體分布基本均勻，但在一些共晶硅中出現(xiàn)線狀α帶。

2.1.6 嚴重過變質(zhì)

α枝晶與共晶體分布很不均勻，出現(xiàn)粗過變質(zhì)帶(細密共晶體中出現(xiàn)波浪狀分布的α帶，帶中有許多粗大的共晶硅)。

圖3為加銅前后的金相顯微組織。其中圖3(a)為加銅前，圖3(b)為加銅后。

表4 A1～A3試樣硬度值

從圖3可以看出，圖3(a)共晶硅為長針狀或桿狀，是未變質(zhì)的狀態(tài)；而圖3(b)為共晶硅為點狀或蠕蟲狀，說明變質(zhì)正常。出現(xiàn)這樣的情況與銅的加入沒有關(guān)系，因為銅沒有使鋁合金變質(zhì)的作用。

2.2 力學(xué)性能分析

2.2.1 硬度分析

表4為沒加銅的3個試樣A1～A3的硬度值及平均值。

表5為加銅之后的3個試樣B1～B2的硬度值及平均值。

表5 B1～B3試樣硬度值

通過表4、表5可以看出，過銅的加入對鋁合金的硬度一定程度上起到了強化作用。

2.2.2 拉伸試驗分析

拉伸試驗是在常溫條件下WDW100型拉力試驗機上完成。表6為拉伸力學(xué)性能。結(jié)果表明，加Cu之后合金的抗拉強度、延伸強度、斷裂伸長率均有所提高，分別提升16%、19.8%、2.5%。總體來講，加入Cu的合金，室溫時的力學(xué)性能有所提高。

表6 拉伸力學(xué)性能

圖4 斷口形貌

2.2.3 斷口分析

以下為試樣拉伸試驗后斷口斷裂形式的分析。圖4為沖擊實驗試樣斷裂后的形貌。其中圖4(a)為沒有加銅試樣的斷口宏觀圖；圖4(b)為加入銅的試樣的斷口宏觀圖。通過對該圖的分析確定斷口宏觀特征及兩者的區(qū)別。其斷裂均為準解理斷裂。在斷口表面都分布著雜質(zhì)、孔洞、鑄造縮孔和氧化膜等缺陷。

通過在立式顯微鏡下觀察拉力試驗后斷口的形貌，其中圖4(c)為沒有加銅試樣的斷口，圖4(d)是加入銅之后的，兩者均在放大20倍的情況下拍攝。通過觀察斷口形貌可以看出，加入銅后的斷口顏色略微有所變化，但是組織缺陷沒有發(fā)生任何改變。

2.3 電化學(xué)試驗分析

圖5為Al-Si鋁合金和Al-Si-Cu合金的極化曲線。自腐蝕電位分別是-700 mV和-400 mV，可知Al-Si鋁合金的自腐蝕電位正移了300 mV，腐蝕傾向大大降低。而且兩者的極化曲線形狀也一樣，Al-Si鋁合金的極化曲線在-400 mV～+40 mV之間出現(xiàn)電流平臺，為鈍化電位區(qū)間，意味著此電位區(qū)間內(nèi)，Al-Si鋁合金表面形成了鈍化膜，保護鋁合金基體，不易發(fā)生腐蝕：電位高壓+40 mV后，陽極電流徒增，鈍化膜破裂，失去保護作用，發(fā)生點蝕。相反Al-Si-Cu合金則沒有鈍化區(qū)間，直接發(fā)生點蝕，所以耐腐蝕性能差。

圖5 Al-Si 鋁合金和Al-Si-Cu合金的極化曲線

由圖5可知，添加合金元素后，合金的極化曲線均向右移動，自腐蝕電位向負向移動，腐蝕電流密度增大。這種趨勢說明，合金元素的添加降低了Al-Si的耐腐蝕性能。這主要是由于添加合金元素后形成了第二相，如CuAl2相，導(dǎo)致合金組成相的多樣化和相間電位差的擴大化，從而降低了α-Al基體表面保護膜的連續(xù)性，使抗腐蝕性能變差。

試驗合金的Icorr如表7所示。

表7 試驗合金的腐蝕電位Ecorr和腐蝕電流密度Icorr

2.4 浸泡腐蝕試驗分析

試驗合金的腐蝕質(zhì)量損失如表8所示。其中相對腐蝕速率為腐蝕質(zhì)量損失與腐蝕前質(zhì)量的百分比，腐蝕速度單位面積和單位時間內(nèi)的腐蝕質(zhì)量損失。由表8可知，Cu使Al-Si合金的腐蝕質(zhì)量增大，耐腐蝕性變差。相對腐蝕速率為2.88%，腐蝕速度為0.854 7 g·m-2h-1。

表8 試驗合金的腐蝕失重和腐蝕速率

各合金浸泡腐蝕后的形貌如圖6所示。

不難看出，Al-Si合金的腐蝕從硅及晶界處優(yōu)先開始。以點蝕為主，見圖6(a)。這是由于在鑄造條件下，硅在α-Al基體相中的固溶度和含量均非常低，硅很容易在α-Al晶界處于以針狀或板條狀硅相析出，從而引起α-Al晶界附近相對低電位“貧硅區(qū)”或“貧硅帶”。

此外，過飽和的硅還可能與雜質(zhì)鐵元素化合而形成AlFeSi相。而相對于α-Al鋁基體而言，游離態(tài)硅相和化合態(tài)AlFeSi相的電位均較高，成為陰極相，因而它們能夠與電位較低的α-Al鋁基體相構(gòu)成一對電極電偶，致使其周圍的α-Al鋁基體發(fā)生局部陽極溶解而產(chǎn)生點蝕。同時，α-Al鋁基體和硅晶體間粗大的相界面也對鋁硅合金的耐蝕性產(chǎn)生不良影響。

Al-Si-Cu合金不僅出現(xiàn)嚴重點蝕，而且還有明顯的晶間腐蝕現(xiàn)象，見圖6(b)。這是由于Cu的加入，導(dǎo)致鋁硅合金中沿α-Al晶界析出了更高電位的CuAl2相。同時由于CuAl2的析出，也導(dǎo)致α-Al晶界附近出現(xiàn)相對低電位的“貧銅區(qū)”。這樣在腐蝕介質(zhì)Cl的作用下，CuAl2相和“貧銅區(qū)”構(gòu)成一組電偶，使沿晶界分布的“貧銅區(qū)”發(fā)生陽極溶解，加劇腐蝕過程，因而出現(xiàn)明顯的晶間腐蝕特征。

圖6 掃描電鏡下的腐蝕形貌

3 結(jié)論

分析對比加入銅元素對鑄造鋁合金的金相組織，斷口形貌，力學(xué)性能，并著重研究了其耐腐蝕性的差距，得出結(jié)論如下：

1)銅元素對鋁合金的金相顯微組織沒有任何改變，銅不具有變質(zhì)的作用。

2)合金元素對鋁合金的力學(xué)性能有不同的影響，其中銅元素的加入可以一定程度的增強鋁合金的硬度，同時相應(yīng)地降低了其塑性。

3)合金元素對Al-Si-Cu系合金的耐腐蝕性有重要影響。雖著合金元素Cu的加入，合金的自腐蝕電位降低、腐蝕電流密度增大、腐蝕速度加快，亦即合金耐腐蝕性下降。

4)Cu使Al-Si合金的腐蝕質(zhì)量增大，耐腐蝕性變差。相對腐蝕速率為2.88%，腐蝕速度為0.854 7 g·m-2h-1，銅的加入不僅使Al-Si-Cu合金出現(xiàn)嚴重點蝕，而且還有明顯的晶間腐蝕現(xiàn)象。

綜合比較加銅前后鋁合金的金相組織、斷口形貌、力學(xué)性能、耐腐蝕性等幾個方面的變化我們可以看出，在鋁合金中加入銅元素在一定程度上可以增強其性能，但是銅會降低鋁合金的耐腐蝕性，要控制在合適的范圍。