銅含量對(duì)鋁鎂硅合金板晶間腐蝕敏感性的影響

陶志民，李延成，王芝東，張德鎮(zhèn)，麻慧琳

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 龍口 265713)

鋁鎂硅系合金被廣泛用于汽車車身制造，固溶淬火后經(jīng)預(yù)時(shí)效處理的鋁鎂硅系合金具有優(yōu)異的沖壓成型性能，并能夠利用在車身表面處理過程中的加熱過程(烘干、固化)實(shí)現(xiàn)快速時(shí)效強(qiáng)化。Prillhofer等分析了不同成分的鋁鎂硅合金，包括6016、6005、6013和6063鋁合金的成型性能、時(shí)效穩(wěn)定性、烘烤性能、連接性能、包邊性能及耐腐蝕性能的綜合對(duì)比評(píng)價(jià)[1]。Svenningsen等人研究發(fā)現(xiàn)降低銅含量可降低鋁鎂硅系合金的晶間腐蝕敏感性，但對(duì)于高銅含量合金，通過峰值時(shí)效仍可使材料的晶間腐蝕敏感性達(dá)到使用要求[2]。車身用鋁鎂硅合金，需要較高的烘烤性能和時(shí)效穩(wěn)定性，因此需要適當(dāng)添加銅元素，在車身制造過程中通過烤漆過程實(shí)現(xiàn)人工時(shí)效。同時(shí)由于車輛使用過程中，貼近發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫運(yùn)行的車身部件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)罩等需處在較高的溫度下 ，需要耐受復(fù)雜自然環(huán)境造成的腐蝕。晶間腐蝕系沿著金屬晶粒間的分界面向內(nèi)部擴(kuò)展的腐蝕，主要是由于晶粒表面和內(nèi)部之間的化學(xué)成分差異以及晶界雜質(zhì)或內(nèi)應(yīng)力的存在所致。晶間腐蝕破壞晶粒間的結(jié)合，大大降低金屬的強(qiáng)度；而且腐蝕發(fā)生后合金的表面仍保持一定的金屬光澤，看不出被破壞的跡象，但晶粒間結(jié)合力顯著減弱，力學(xué)性能惡化，所以是一種很危險(xiǎn)的腐蝕。因此，在保證材料室溫和烘烤性能的同時(shí)，確保其長期使用環(huán)境下的抗腐蝕性能也是必須認(rèn)真考慮的。本研究通過模擬車輛使用過程中材料的人工時(shí)效熱處理過程，分析銅含量對(duì)于長時(shí)效期和高溫時(shí)效后材料晶間腐蝕性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

取相同工藝生產(chǎn)的三種銅含量的Al-1.0Si-0.4Mg合金薄板，w(Cu)分別為0.05%(A組)、0.15%(B組)和0.25%(C組)。每種銅含量的合金薄板制出三種狀態(tài)的試樣：未經(jīng)進(jìn)一步熱處理(固溶淬火后經(jīng)預(yù)時(shí)效處理的狀態(tài)，代號(hào)T4P)，經(jīng)過(190～230)℃(30～60)min時(shí)效(代號(hào)為HS)和經(jīng)(110～160)℃(400～1 000)h時(shí)效(代號(hào)為LL)。對(duì)三種狀態(tài)的試樣表面進(jìn)行脫脂清洗，浸入預(yù)先配制好的溶液，在30 ℃±0.2 ℃溫度條件下，放置24 h±0.25 h，進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，對(duì)比分析腐蝕深度與銅含量的關(guān)系。溶液使用量根據(jù)試樣表面積計(jì)算。腐蝕試驗(yàn)箱型號(hào)為YWX-750，透射電鏡分析設(shè)備型號(hào)為JEM-2100F，制樣設(shè)備為離子減薄儀、雙噴電解拋光儀。

2 結(jié)果分析

實(shí)測(cè)三組不同銅含量試樣，不經(jīng)進(jìn)一步時(shí)效處理T4P、經(jīng)進(jìn)一步時(shí)效處理的HS態(tài)和LL態(tài)的晶間腐蝕深度如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)合金薄板晶間腐蝕深度與銅含量的關(guān)系

T4P態(tài)高銅含量合金晶間腐蝕深度是低銅含量合金的約2倍，HS態(tài)高銅含量合金晶間腐蝕深度是低銅含量合金的2.5倍以上，LL態(tài)高銅含量合金比低銅含量合金高約20%。可見，隨著銅含量的提高，晶間腐蝕深度呈現(xiàn)增高趨勢(shì)。

A組和C組合金的T4P態(tài)樣品的透射電鏡(TEM)觀察結(jié)果如圖2。A組樣品晶界上未見明顯析出相；而C組樣品在晶界處形成了連續(xù)的析出相，從析出相成分來看主要含Si、Mg和Cu，可以確定為Q相或其前驅(qū)相。這進(jìn)一步驗(yàn)證C組樣品晶間腐蝕與銅含量有直接關(guān)系。

圖2 T4P態(tài)試樣晶界TEM電鏡照片

A組和B組合金LL時(shí)效工藝試樣的晶界形貌如圖3。

圖3 LL時(shí)效工藝樣品晶界TEM電鏡照片

由圖3可知，經(jīng)低溫長時(shí)間時(shí)效后，兩組合金試樣晶界上均出現(xiàn)了大量的析出相。A組合金析出相主要是MgSi相，即β″相，析出相不連續(xù)；B組合金析出相包括MgSi相和含Cu的Q相，析出相沿晶界連續(xù)分布。由此看來，由于經(jīng)LL時(shí)效工藝處理后，析出更加充分，導(dǎo)致晶界處的析出相增多，從而導(dǎo)致晶間腐蝕性能惡化。對(duì)比A組和B組合金試樣，高的銅含量導(dǎo)致晶界上的析出相連續(xù)分布[2-3]，進(jìn)一步加劇晶間腐蝕性能的惡化。這與Larsen等的研究成果相符[3]。

板材基體中都存在離散分布的橢圓形或球形的Fe-Mn-Si-Cr偏聚區(qū)，為富鐵相，它對(duì)晶間腐蝕影響不大[4]。

3 結(jié) 論

通過上述試驗(yàn)對(duì)比分析，w(Cu)=0.05%的鋁鎂硅合金在T4P狀態(tài)下、HS時(shí)效工藝處理后及LL時(shí)效處理后，均表現(xiàn)出比銅含量高的合金有更好的抗晶間腐蝕能力。對(duì)比不同銅含量的樣品試驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論：

1)鋁硅鎂合金中隨銅含量增加，其抗晶間腐蝕性能呈惡化趨勢(shì)；

2)過高的銅含量直接導(dǎo)致T4P態(tài)板材抗晶間腐蝕性能急劇下降;

3)即使銅含量降低至中等水平，仍對(duì)低溫長時(shí)間時(shí)效后合金的抗晶間腐蝕產(chǎn)生不利影響。