绿色建筑装饰铝合金模板的组织与性能研究

何仕发

(厦门炫丽装饰工程有限公司，福建 厦门 361004)

近年来，质量轻、比强度高及具有良好耐腐蚀性能的建筑装饰用铝合金模板应用较为广泛，且随着节能环保意识的增强和使用便捷性要求的提高，传统的钢铁材质模板正逐步被铝合金模板取代，这也给建筑铝合金模板带来了巨大发展机遇。目前，国内在建筑铝合金模板方面的研究和报道相对较少，在材质选择以及工艺优化等方面还存在如选取Al-Cu合金作为建筑装饰用铝合金模板，Fe含量难以控制及对力学性能和耐腐蚀性能带来不利影响等问题[1]。因此，需要对建筑装饰用铝合金模板中的富铁相的存在形式及其演变规律进行研究[2]，通过工艺手段实现对富铁相的控制，然而，现在对铝合金中富铁相的研究多集中在Al-Si合金中，而对于Al-Cu合金中富铁相的存在形式和控制工艺方面的研究较少[3-4]。本文从成分优化和挤压工艺角度出发，考察Mn/Fe比例和挤压压力对建筑装饰用铝合金模板的微观组织和性能的影响，结果有助于新型建筑铝合金模板的开发与工业化应用。

1 试验材料与方法

采用挤压铸造的方法制备建筑装饰用铝合金模板，实际成分测试结果见表1。合金原料按照成分设计比熔炼和精炼处理后，采用挤压铸造的方法成型，浇注前的模具需要进行预热处理，室温升高至250 ℃并保温30 min，在0～70 MPa压力下进行成型，随后进行空冷和脱模，制成Φ100 mm×55 mm铝合金铸锭。

表1 挤压铸造铝合金化学成分的质量分数

在奥林巴斯GX51光学显微镜上对不同挤压铸造工艺下的铝合金试样进行金相组织观察，并用附带图像分析软件统计富铁相；采用NovaTMNanoSEM 430型扫描电镜观察微观形貌，并用附带能谱仪测试成分；采用钢研纳克GNT300型拉伸试验机，在拉伸速率2 mm/min和室温条件下进行拉伸性能测试。

2 试验结果及讨论

Mn/Fe比例分别为0，0.8，1.6，2.0时Al-Cu合金的扫描电镜显微形貌，见图1。合金中第二相的成分测试结果见表2。不同Mn/Fe比例的Al-Cu合金中的富铁相包括鱼骨状AlmFe、块状α-Fe(Al15(FeMn)3(CuSi)2)和Alm(FeMn)相以及针状β-Fe(Al7Cu2Fe)相。当Mn/Fe比例为0时，Al-Cu合金中主要第二相为鱼骨状AlmFe和针状β-Fe相；当Mn/Fe比例为0.8时，Al-Cu合金中除鱼骨状AlmFe和针状β-Fe相外，还出现了多边形块状Alm(FeMn)相和θ(Al2Cu)相；继续提高Mn/Fe比例至1.6时，Al-Cu合金中可见块状α-Fe和θ(Al2Cu)相；在Mn/Fe比例提高至2.0时，Al-Cu合金中可见块状α-Fe和Al6(FeMn)相。

(a)0 (b)0.8 (c)1.6 (d)2.0

表2 不同Mn/Fe比例的Al-Cu合金的微区成分

Al-Cu合金进行透射电镜显微形貌观察结果见图2。透射电镜下Al-Cu合金中第二相为鱼骨状，电子衍射花样表明表明其点阵参数a=b=0.883 nm，点阵参数c=2.15 nm(体心立方结构)，结合文献[5]可知，这种鱼骨状第二相为富铁相AlmFe相。

(a)形貌

Al-Cu合金中富铁相的形貌观察结果见图3。鱼骨状AlmFe相整体呈现为树枝状形貌特征，β-Fe整体呈现出针片状，α-Fe整体呈现出松散的台阶状，Al6(FeMn)整体呈现出带有分支的台阶状。结合图1的观察结果可知，Al6(FeMn)相出现在Mn/Fe比从1.6增大至2.0的阶段，推测其可能是由α-Fe相转变而来[6]。

(a)AlmFe

挤压压力为0 MPa时不同Mn/Fe比例Al-Cu合金的金相组织见图4。当Mn/Fe比例为0和0.4时，Al-Cu合金中可见明显鱼骨状AlmFe相、针状β-Fe相和θ(Al2Cu)相，如图中箭头所示；当Mn/Fe比例增加至0.8时，除AlmFe相、β-Fe相和θ相，块状α-Fe和Alm(FeMn)相也被发现；继续提高Mn/Fe比例至1.6时，Al-Cu合金中仅可见块状α-Fe和θ(Al2Cu)相；在Mn/Fe比例为2.0时，合金中存在α-Fe、θ和Al6(FeMn)相。总体而言，Mn/Fe比例从0增大至2.0，针状β-Fe相的含量呈现为逐渐减少的趋势，在Mn/Fe比例达到1.6时，针状β-Fe相基本消失，并在Mn/Fe比例为2.0时出现Al6(FeMn)相。由此可见，Mn/Fe比调整可改善富铁相的存在形式，在实际工业应用过程中可以加以控制。

(a)0

挤压压力为70 MPa时不同Mn/Fe比例Al-Cu合金的金相组织见图5。Mn/Fe比例为0及0.4时，Al-Cu合金有AlmFe相和β-Fe相，而θ(Al2Cu)相并不是很明显；Mn/Fe比例为0.8时，Al-Cu合金中主要为AlmFe相和α-Fe相；Mn/Fe比例为1.6时，Al-Cu合金只有块状α-Fe相；在Mn/Fe比例为2.0时，Al-Cu合金中除α-Fe相外，还出现了Al6(FeMn)相，如图中箭头所示。总体而言，合金中针状β-Fe相在Mn/Fe比例为1.6时已经基本消失。

(a)0

不同Mn/Fe比例和挤压压力下Al-Cu合金中富铁相的统计分析结果见图6。可以发现，当Mn/Fe比例从0增大至2.0或者挤压压力从0 MPa增大至70 MPa，针状富铁相长度减小、宽度增加，但是通过改变Mn/Fe比例和施加挤压压力的方法并不能显著改变合金中鱼骨状富铁相的尺寸。

图6 不同Mn/Fe比例和挤压压力下Al-Cu合金中富铁相的尺寸

不同Mn/Fe比例的Al-Cu合金的常温拉伸曲线见图7。从抗拉强度与Mn/Fe比例的变化曲线可知，随着Mn/Fe比例的增加，Al-Cu合金的抗拉强度先增大后减小，在Mn/Fe比例为1.2时取得最大值，且在相同Mn/Fe比例下，挤压压力越高则合金的抗拉强度越大；从屈服强度Mn/Fe比例的关系曲线可见，3种挤压压力下Al-Cu合金的屈服强度随着Mn/Fe比例的变化趋势与抗拉强度相似，在Mn/Fe比例为1.2时取得屈服强度最大值；从断后伸长率-Mn/Fe比例的关系曲线可见，当挤压压力为0时，断后伸长率先增加后降低，挤压压力为35，70 MPa时，断后伸长率逐渐减小。由此可见，在挤压压力为0，30，70 MPa条件下，Al-Cu合金的力学性能随着Mn/Fe比例的变化而表现为不同的变化特征，如挤压压力为0 MPa，Al-Cu合金在Mn/Fe比例为1.6时取得力学性能最佳值，而挤压压力为70 MPa时合金的最佳力学性能出现在Mn/Fe比例为1.2时，这主要与合金中富铁相的种类及其尺寸有关[8]，如在挤压压力为0、Mn/Fe比例为1.6时，有危害的针状β-Fe几乎全部转变为对强度有利的鱼骨状或者块状α-Fe[9-10]。

图7 Mn/Fe比例对挤压铸造Al-Cu合金力学性能的影响

3 结论

1)不同Mn/Fe比例的Al-Cu合金中富铁相包括AlmFe、α-Fe、Alm(FeMn)和针状β-Fe相。

2)合金中针状β-Fe相在Mn/Fe比例为1.6时已经基本消失。当Mn/Fe比从0增大至2.0或者挤压压力从0 MPa增大至70 MPa，针状富铁相长度减小、宽度增加，但是通过改变Mn/Fe比例和施加挤压压力的方法并不能显著改变合金中鱼骨状富铁相的尺寸。

3)随着Mn/Fe比例的增加，Al-Cu合金的抗拉强度先增大后减小，在Mn/Fe比例为1.2时取得最大值，且在相同Mn/Fe比例下，挤压压力越高则合金的抗拉强度越大。