Mn含量对6xxx系铝合金挤压型材组织和性能的影响

2020-06-28孙晓丽李秋梅

热处理技术与装备 2020年3期

孙晓丽，李秋梅

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003)

6xxx系铝合金具有极好的热塑性，且冲击韧性高。微量元素的添加可以满足挤压成结构复杂、薄壁、中空的各种型材，也可以进行锻造、挤压、轧制等各种大变形的加工[1-5]。然而，合金含量还会影响6xxx系铝合金的组织和性能。在铝合金中添加适量的锰可以提高合金强度、耐蚀性和弯曲性能。因此，本实验自行设计合金成分，研究不同Mn含量对挤压型材组织和性能的影响，分析其变化规律。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

本试验合金成分设计方案为：Mg/Si质量比为1.1，其它元素含量相同。具体合金成分设计见表1。

表1 合金成分设计(质量分数，%)

1.2 试验方法

采用同一挤压工艺对不同Mn含量的6xxx系铝合金进行挤压，挤压工艺参数如表2所示。采用蔡司金相显微镜观察挤压型材第二相的析出和晶间腐蚀情况；采用偏光金相显微镜观察挤压后平行于挤压方向的晶粒大小及皮质层厚度；采用室温拉伸实验机对挤压型材进行力学性能测试，检测5次，取平均值；采用维氏硬度计对挤压型材进行硬度检测，测5点取平均值。利用万能试验机进行平行于挤压方向和垂直于挤压方向的折弯性能检测；使用数字携式涡流电导仪检测挤压型材电导率。

表2 挤压工艺参数

2 试验结果

2.1 显微组织

图1为不同Mn含量合金试样的显微组织，从图中可以看出，析出相主要由针状、颗粒状第二相组成。Mn含量为0.43%时，大部分为颗粒状和少量针状第二相，部分沿挤压方向析出(见图1(a))。当Mn含量为0.53%时，主要为颗粒状析出相，且分布均匀(见图1(b))。随着Mn含量增加至0.58%时，针状析出相含量增多，而颗粒状析出相较Mn含量为0.53%时少，且具有明显的析出取向，主要沿轧制方向析出(见图1(c))；当Mn含量为0.66%时，大部分为针状析出相，含量最多，且沿挤压方向均匀排列(见图1(d))。

图2为不同Mn含量合金试样的偏光显微组织。从图中可以看出，边部出现一层细小的晶粒，心部为纤维状组织，且沿挤压方向，贯穿排列。Mn含量分别为0.43%、0.53%、0.58%和0.66%时，对应的皮质层厚度分别为359.4、160.38、205.58和405.5 μm。Mn含量为0.43%和0.66%时，出现较厚的皮质层，这说明挤压过程中这两种合金试样变形较严重；其次是Mn含量为0.58%；最薄的是Mn含量为0.53%。

2.2 Mn含量对合金机械性能的影响

图3为不同Mn含量合金试样的力学性能。从图中可以看出，Mn含量在0.43%～0.58%之间，合金力学性能变化不大。Mn含量为0.53%时，合金强度最小，但断后伸长率大大提高。Mn含量为0.66%时，强度及断后伸长率均明显下降。

图3 不同Mn含量合金的力学性能Fig.3 Mechanical properties of alloy with different Mn contents

图4为不同Mn含量合金试样的折弯性能。从图中可以看出，无论是平行挤压方向还是垂直挤压方向，折弯角度均出现先增加后减少的变化。Mn含量在0.43%～0.58%之间，折弯角度逐渐增大，并在0.58%达到最大；Mn含量为0.66%时，垂直挤压方向折弯角度最低，但折弯性能较差。这与图3断后伸长率变化趋势相同。

图4 不同Mn含量合金的折弯性能Fig.4 Bending properties of alloy with different Mn contents

相关文献表明[6-7]：在Al-Mg-Si合金中添加一定量的Mn，Mn与Fe可以互相替代，形成多元相替代β-AlFeSi相中的部分Fe而构成β-AlFeMnSi相，从而改善β相的生成与生长，使β相由针状向颗粒状α相转变，消除Fe的有害作用，起到改善合金性能的作用。因此，当Mn含量较低时会形成颗粒状的α-AlFeMnSi相；当Mn含量为0.53%时，会增加颗粒状α-AlFeMnSi相的体积分数，从而降低合金性能。随着Mn含量增加至0.58%时，含Mn的α相弥散颗粒可以作为合金时效强化相β′的非均匀形核核心，促进β′相的析出，从而促进合金获得较好的强度和塑性。但Mn含量继续增加后，针状第二相含量增多，所形成的第二相强化作用比Mg2Si相小，同时还会抑制Mg2Si相析出，从而使合金强化效果下降。

2.3 Mn含量对合金电导率的影响

电导率不仅反映了金属材料的导电能力，也反映了材料的化学成分和内部微观组织的差别，同时材料的宏观性能与其内部的微观组织密切联系，所以金属材料的导电率与材料的微观组织和宏观性能有一定的关联[8-9]。

图5为不同Mn含量合金电导率变化图。可以看出，随着Mn含量的增加，电导率呈先增加后下降的趋势。这是因为Mn含量在0.43%～0.53%时，随着Mn含量的增加，合金晶粒会细化并被拉长，晶界数量减少，晶体缺陷减少，从而使合金电导率提高。但随着Mn含量增加为0.66%时，电导率最低，这可能是第二相的尺寸较大，含量较多，会阻碍电子的传导，对合金电导率产生不利影响。

图5 不同Mn含量合金的电导率Fig.5 Conductivity of alloy with different Mn contents

2.4 Mn含量对合金晶间腐蚀的影响

图6为不同Mn含量合金的晶间腐蚀形貌图。可以看出，Mn含量分别为0.43%、0.53%、0.58%和0.66%时，合金的最大腐蚀深度分别为329.75、233.68、269.3和284.41 μm。Mn含量为0.53%时，合金耐腐蚀性能最好，其次分别为0.58%、0.66%和0.43%，这与合金电导率变化规律相符合。铝合金的晶间腐蚀与在晶界形成的微电偶腐蚀关，晶界析出相的电位相对于铝基体而言，有些较高，有些较低。一般认为，导电率可以用来评判合金耐腐蚀性的优劣，电导率越高，其耐腐蚀性能越好[10]。