Si、Mn元素含量對鋁合金型材組織及性能影響

李秋梅，王春雷，董劉穎，劉 歡，李萬龍

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6xxx系鋁合金具有極好的熱塑性，高的沖擊韌性，對缺口不敏感，可以高速擠壓出不同種斷面的擠壓型材，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁、中空的型材，也可以進(jìn)行鍛造、拉伸、沖壓等各種大變形的加工[1-3]。合金含量的不同會影響該合金的組織和力學(xué)性能[4,5]，Si元素的添加可以改善合金的鑄造性能，提高合金的耐磨性能，降低了原材料成本；Mn元素可以抑制合金再結(jié)晶，提高合金的再結(jié)晶溫度。因此，為了更好地選擇滿足不同需求的含Si、Mn可熱處理強(qiáng)化鋁合金，同時為開發(fā)新型高性能合金奠定基礎(chǔ)，有必要系統(tǒng)地研究Si、Mn含量變化對可熱處理強(qiáng)化變形鋁合金組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律。只有Si含量及Mn含量適中時，才能使6xxx系鋁合金板材組織中的結(jié)晶相不過多，使合金在得到強(qiáng)化的同時，仍能保持較高的塑性[6-8]。本試驗(yàn)自行研制3種合金成分，低Si低Mn、高Si低Mn、高Si高M(jìn)n并進(jìn)行對比，研究不同元素含量對鋁合金組織和性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用半連續(xù)鑄造方法，生產(chǎn)規(guī)格為Φ254 mm的不同成分的鋁合金鑄錠。其主要化學(xué)成分見表1。采用同一擠壓工藝、同一時效制度(185℃×8h)研究6xxx系鋁合金組織及性能。

表1 鋁合金成分實(shí)測值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

將鑄棒擠壓時效后，對每種成分的擠壓型材在相同位置取樣，并分別進(jìn)行如下檢測：(1)利用蔡司顯微鏡進(jìn)行金相顯微組織及偏光顯微組織檢測，觀察橫向試樣中第二相的析出情況、晶粒大小及皮質(zhì)層厚度；(2)采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，最終數(shù)據(jù)取5個試樣的平均值；(3)分別對每種成分的鋁合金橫向、縱向進(jìn)行折彎性能檢測；(4)利用維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測，每個檢測值取5個試樣的平均值；(5)利用渦流電導(dǎo)率儀進(jìn)行導(dǎo)電性能的檢測。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 對鋁合金組織的影響

圖1為3種成分鋁合金的金相顯微組織，圖1(a)與圖1(b)對比可知，兩者均出現(xiàn)顆粒狀和少量針狀析出相，隨著Si含量的增加，部分黑色析出相發(fā)生聚集，出現(xiàn)偏析現(xiàn)象；圖1(b)與圖1(c)對比可知，Mn含量的增加，圖1(c)出現(xiàn)較多的黑色析出相。

圖2為3種成分鋁合金的偏光顯微組織，整體邊部均出現(xiàn)細(xì)晶組織，心部呈纖維狀組織，圖2(a)中細(xì)晶組織最厚，其次是圖2(c)，最薄的是圖2(b)。說明Mn含量的增加可促進(jìn)細(xì)晶組織的形成，這是由于Mn對鋁及鋁合金的再結(jié)晶過程有很大影響，它能抑制鋁及其合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度；最終完全再結(jié)晶階段Mn能顯著細(xì)化晶粒。

2.2 對鋁合金性能的影響

圖3為3種成分鋁合金的力學(xué)性能?？梢钥闯觯煞?與成分2對比可知，Si含量的增加，使成分2強(qiáng)度增加，斷后伸長率變化不大；成分2與成分3對比可知，Mn含量的增加，使成分3強(qiáng)度降低，斷后伸長率也降低；即高Si低Mn成分的鋁合金力學(xué)性能最高，分別為屈服強(qiáng)度275MPa，抗拉強(qiáng)度304MPa，斷后伸長率15.3%，較最低性能的鋁合金相比分別增加了13.8%、10.9%和26.1%。

這是由于當(dāng)Mg含量保持不變時，Al-Mg-Si系鋁合金中的抗拉強(qiáng)度隨Si含量的增加而升高。由于過剩Si提高鋁固溶體的過飽和度，也增加了時效期間GP區(qū)的密度，因而提高了時效硬化效應(yīng)。而且，Mn形成的彌散強(qiáng)化相對硬度和強(qiáng)度的提高也有貢獻(xiàn)，故成分2力學(xué)性能最高；又由于Mn含量繼續(xù)增加，Mn、Si結(jié)合形成AlMnSi相，損失了一部分形成Mg2Si相所必須的Si，而AlMnSi相的強(qiáng)化效果比Mg2Si相小[9]，因而合金強(qiáng)化效果下降，故成分3力學(xué)性能較成分2低。

圖4為3種成分的鋁合金折彎性能。成分1與成分2對比可知，隨著Si含量的增加，折彎性能增加；成分2與成分3對比可知，隨著Mn含量的增加，折彎性能降低。與力學(xué)性能相一致，合金元素越多對位錯的阻礙作用越明顯，大幅塑性變形使晶內(nèi)產(chǎn)生大量的位錯，位錯對晶界有釘扎作用，從而提高了塑性變形的抗力，變形不易進(jìn)行，即成分3折彎性能降低。即加入適當(dāng)?shù)腟i與Mn，可以提高合金的強(qiáng)度及韌性。

2.3 對鋁合金硬度及電導(dǎo)率的影響

圖5為3種成分的鋁合金維氏硬度值和電導(dǎo)率值?？梢钥闯?，成分1與成分2對比可知，Si含量變化時對合金硬度影響較大，由89 HV增加到100 HV；成分2與成分3對比可知，Mn含量變化時，合金硬度變化不大；故Si含量對合金硬度的影響較Mn含量的影響大。

從圖5也可以看出電導(dǎo)率呈先增加后降低的趨勢，成分1與成分2對比可知，Mn元素含量一定時，Si含量分別為0.55 wt.%、0.65 wt.%時，隨著Si含量的增加，電導(dǎo)率下降；由于過剩Si可形成硬質(zhì)合金相，降低合金的導(dǎo)電性能，即導(dǎo)電性能成分2<成分1。成分2與成分3對比可知，Si含量一定時，Mn含量分別為0.60 wt.%、0.66 wt.%時，隨著Mn含量的增加，電導(dǎo)率上升，由于Mn元素的增加可促進(jìn)晶粒細(xì)化，減弱雜質(zhì)鐵的有害作用，改善溶解均勻性，晶界數(shù)量減少，晶體缺陷減少，保證了鋁合金較好的導(dǎo)電性能，進(jìn)而提高合金的導(dǎo)電性能，即導(dǎo)電性能成分2<成分3。

3 結(jié)論

(1)Mn含量一定時，隨著Si含量的增加，含量達(dá)到0.65 wt.%時，出現(xiàn)了偏析現(xiàn)象；Si含量一定時，隨著Mn含量的增加，含量達(dá)到0.66 wt.%時，黑色析出相增多；皮質(zhì)層厚度成分3>成分1>成分2；

(2)Si、Mn含量分別為0.65 wt.%和0.66 wt.%時即成分2，力學(xué)性能最強(qiáng)，較最低性能的鋁合金分別增加了13.8%、10.9%和26.1%，且合金的韌性最好；

(3)Si含量的增加對合金硬度較Mn含量的增加影響程度大；導(dǎo)電性能成分2最低。