Mn對Al_Mg_Si_Cu鋁合金結晶相的影響

1、中國有色金屬學報The Chinese Journal of Nonferrous Metals2004年11月Nov. 2004文章編號:10040609(200411190606Mn對Al Mg Si Cu鋁合金結晶相的影響劉 宏1,2,劉艷華1,趙 剛1,劉春明1,左 良1(1.東北大學材料與冶金學院,沈陽110004; 2.山東輕工業(yè)學院機電工程學院,濟南250100A l8(FeM n2Si以及少量的M g2Si;增大含M n量,合金中A lFeM nSi型結晶相數(shù)量增多;對合金進行均勻化處理中圖分類號:T G146.21文獻標識碼:AEffects of Mn on constit

2、uents of Al Mg Si Cu alloysLIU H ong1,2,LIU Yan hua1,ZHAO Gang1,LIU Chun ming1,ZUO Liang1(1.School of M aterials and Metallurgy,Northeastern U niversity,Shenyang110004,China;2.School of M echanical and Electrical Eng ineering,Shandong Institute of Light Industry,Ji nan250100,China工業(yè)Al M g Si Cu鋁合金中常

3、添加錳元素,目的是在鑄錠均勻化處理過程中形成細小的(粒徑約0.1 m彌散相粒子,以阻礙合金的再結晶,細化晶粒,并且使滑移變形均勻,提高合金的塑性1,2。而工業(yè)用Al Mg Si Cu鋁合金通常含有約0.3%(質量分數(shù)的Fe,鑄造時極易形成粗大的(粒徑大于1 m結晶相,對合金的塑性產(chǎn)生不利影響3。但這類合金中若同時含有M n,則Mn會進入含F(xiàn)e的結晶相中,形成含M n和Fe的結晶相4。雖然關于M n在鋁合金中的作用已進行過大量的研究57,但M n含量的變化對Al M g Si Cu鋁合金結晶相影響的研究還不多見。本工作的目的是針對工業(yè)用Al Mg Si Cu鋁合金通常的含F(xiàn)e量范圍,研究Mn含量

4、的變化對其基金項目:教育部科學技術研究重大項目(0208;國家高技術研究發(fā)展計劃資助項目(2002AA331050;國家教育部高等學校優(yōu)秀青年教師教學科研獎勵計劃資助項目收稿日期:20040200;修訂日期:20040903作者簡介:劉 宏(1959,女,博士研究生,副教授.通訊作者:趙 剛,教授;電話:024 *結晶相的影響,以便控制Mn與Fe的配比,從而有效地控制結晶相粒子的變化,為提高合金的性能奠定基礎。1 實驗熔煉合金的原料為99.9%高純鋁、電解銅、M g 1純鎂以及Al 9.5%Si和Al 9%M n中間合金,并采用高純鐵箔增鐵。將上述原料按一定的添加順序放入電阻坩堝爐中熔化,然后

5、在水冷銅模中澆鑄成220mm120mm20mm的鑄錠,其化學成分見表1。其中4#合金為未增鐵的合金。表1 合金的化學成分Table1 Chemical compositions ofalloys(mass fraction,%鑄錠經(jīng)過470!,5h以及540!,16h的雙級均勻化處理,然后熱軋和冷軋成1.2mm厚的薄板。冷軋薄板的最終熱處理為550!、30min固溶水淬,170!、30min時效。采用LEICA MPS30型金相顯微鏡觀察合金組織中結晶相的分布,用SSX 550掃描電鏡及附帶的DX 4型能譜儀研究合金中結晶相的形貌和成分,并通過日本理學D/M ax YX射線衍射儀進行結構分析,

6、以確定結晶相的類型。2 結果與分析2.1 鑄態(tài)組織中的結晶相表2 合金鑄態(tài)結晶相成分的掃描電鏡能譜分析結果Table2 EDS analysis results ofas cast alloys(mole fraction,%AlloyNo.Spot Al Cu M g Si M n Fe(Fe+M n/Si Cu/Si1#2#287.1 4.8 2.2 2.9 1.1389.0 3.7 2.8 2.9 1.53#289.9 4.0 2.4 1.6 1.04#4#合金的Fe含量低于純鋁中的溶解度極限,其鑄態(tài)組織中未出現(xiàn)共晶形態(tài)魚骨狀結晶相,其結晶相的形態(tài)為條狀和小塊狀(見圖1(d中的2點。該合

7、金的X射線衍射譜中出現(xiàn)Al4Mn3Si2相的特征1907第14卷第11期 劉 宏,等:M n對Al M g Si Cu鋁合金結晶相的影響 圖1 合金鑄態(tài)組織的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM photographs of m icrostructures of as cast alloys(a#1#;(b#2#;(c#3#;(d#4 #圖2 合金鑄態(tài)下的X 射線衍射結果Fig.2 X ray diffraction profiles of as cast alloys (a#1#;(b#2#;(c#3#;(d#4#1908中國有色金屬學報 2004年11月峰,其中M n/Si比值分別為1.5。能

8、譜分析結果證明,4#合金中不存在不含F(xiàn)e的Al4M n3Si2結晶相,均為含AlMnFeSi型結晶相。這些結晶相中的Mn/Si 比值與Al4M n3Si2相的Mn/Si比值相差較大,但這些結晶相中的(Mn+Fe與Si比值和Al4M n3Si2相的M n/Si比值接近,說明在形成結晶相時,Fe有替代Mn的作用,鑄造時微量Fe溶入Al4M n3Si2形成Al4(MnFe3Si2相。綜合Mn在Al5FeSi和Al8Fe2Si型結晶相以及Fe在Al4Mn3Si2型結晶相中的作用,可以證明在形成結晶相時,Mn與Fe有相互替代作用。對于4#合金,由于在共晶溫度下,M n和Si在Al中均有較高的溶解度,形成

9、Al4M n3Si2型結晶相的體積分數(shù)較小,鑄造時容易產(chǎn)生離異共晶,因此合金中結晶相未表現(xiàn)出共晶的魚骨狀形態(tài)。合金中只有極少量的M g2Si結晶相,但X射線衍射譜中存在Mg2Si衍射峰,這可能是由于在鑄造過程中析出了Mg2Si強化相,尺寸較小,在500倍放大倍數(shù)下觀察不到該析出相的存在。2.2 均勻化組織中的結晶相根據(jù)Al Fe Si系富Al角處的液相面投影圖12可知,FeSiAl5結晶相是比Fe2SiAl8溫度更低的結晶產(chǎn)物。由于鑄造過程冷卻速度較快,合金發(fā)生非平衡凝固,使合金中出現(xiàn)較多的低溫結晶產(chǎn)物,即Al5FeSi型結晶相。隨Fe、Si比值升高其體積分數(shù)變小,當Fe與Si比值升高到一定程

10、度時,合金 的平圖3 合金均勻化處理后的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM photog raphs ofalloys after homogenization(a#1#;(b#3 #圖4 合金均勻化處理后的X射線衍射結果Fig.4 X ray diffraction profiles ofalloys after homogenization(a#1#;(b#3#1909第14卷第11期 劉 宏,等:M n對Al M g Si Cu鋁合金結晶相的影響衡組織中將不出現(xiàn)Al 5FeSi 結晶相。由于Mn 有替代Fe 的作用,在討論結晶相類型時,可以用(M n+Fe與Si 的比值代替Fe 與Si 的比

11、值。在均勻化處理過程,非平衡的Al 5FeSi 型結晶相要向平衡的Fe 2SiAl 8型結晶相狀轉變,導致1#合金的Al 5(FeMnSi 型結晶相數(shù)量減少。3#合金的M n 含量較高,(M n+Fe與Si 的比值較高,合金的平衡組織中可能不出現(xiàn)Al 5FeSi 型結晶相。因此該合金鑄錠均勻化處理后組織中的Al 5FeSi 型結晶相基本消失,轉變成Al 8Fe 2Si 型結晶相(即Al 5(FeM nSi 轉變成Al 8(FeM n2Si 相。2.3 最終熱處理后的結晶相將均勻化處理后的鑄錠經(jīng)過熱軋和冷軋加工制成板材,再進行最終的550!、30min 固溶水淬和170!、30min 時效處理。

12、其金相顯微組織如圖5所示?？梢姲宀闹械慕Y晶相完全碎化,并沿軋向呈纖維狀分布。掃描電鏡能譜分析結果表明:與均勻化處理后鑄錠中的結晶相相比,合金經(jīng)軋制和最終熱處理后,其結晶相的類型未發(fā)生變化。3 結論1Al 0.7Mg 1.0Si 0.7Cu (0.10.9M n 0.3%Fe (質量分數(shù)鋁合金在鑄造過程中形成的結晶相為Al 1.9CuMg 4.1Si 3.3、Al 5(FeMn Si 、Al 8 (FeMn2Si 以及少量的M g 2Si 。在均勻化處理過程中,Al 1.9CuMg 4.1Si 3.3相完全溶解,并且發(fā)生Al 5(FeMnSi 向Al 8(FeM n2Si 相的轉變,當M n 含

13、量很高時,Al 5(FeM nSi 結晶相可完全消失。2鑄態(tài)組織中的Al 1.9CuM g 4.1Si 3.3結晶相呈顆粒狀,Al 5(FeM nSi 具有共晶形態(tài)魚骨狀特征,而Al 8(FeMn2Si 則為不規(guī)則的條塊狀。3在形成結晶相時,Mn 與Fe 有相互替代作用,隨Mn 含量增加,合金中含AlFeM nSi 型結晶相增多。4合金經(jīng)熱軋和冷軋加工后,結晶相碎化且沿軋向呈纖維狀分布。在隨后的固溶處理和時效過 圖5 合金板材經(jīng)最終固溶處理時效后的金相組織Fig.5 Optical microstructures of alloy sheets after aging and solution

14、 treatment (a#1#;(b#2#;(c#3#;(d#4#1910中國有色金屬學報 2004年11月第 14 卷第 11 期 劉 宏, 等: M n 對 Al M g Si Cu 鋁合金結晶相的影響 1911 程中, 其結晶相的類型不發(fā)生變化。 REFERENCES 6 Dow ling J M , M artin J W. T he influence of M n addi tions on the deformation behaviour of an Al M g Si alloy J . Acta Metallurgica, 1976, 24: 1147 1153. 7 1

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