Mn含量對6xxx系鋁合金擠壓型材組織和性能的影響

孫曉麗，李秋梅

(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，且沖擊韌性高。微量元素的添加可以滿足擠壓成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁、中空的各種型材，也可以進(jìn)行鍛造、擠壓、軋制等各種大變形的加工[1-5]。然而，合金含量還會(huì)影響6xxx系鋁合金的組織和性能。在鋁合金中添加適量的錳可以提高合金強(qiáng)度、耐蝕性和彎曲性能。因此，本實(shí)驗(yàn)自行設(shè)計(jì)合金成分，研究不同Mn含量對擠壓型材組織和性能的影響，分析其變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)合金成分設(shè)計(jì)方案為：Mg/Si質(zhì)量比為1.1，其它元素含量相同。具體合金成分設(shè)計(jì)見表1。

表1 合金成分設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

采用同一擠壓工藝對不同Mn含量的6xxx系鋁合金進(jìn)行擠壓，擠壓工藝參數(shù)如表2所示。采用蔡司金相顯微鏡觀察擠壓型材第二相的析出和晶間腐蝕情況；采用偏光金相顯微鏡觀察擠壓后平行于擠壓方向的晶粒大小及皮質(zhì)層厚度；采用室溫拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)對擠壓型材進(jìn)行力學(xué)性能測試，檢測5次，取平均值；采用維氏硬度計(jì)對擠壓型材進(jìn)行硬度檢測，測5點(diǎn)取平均值。利用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行平行于擠壓方向和垂直于擠壓方向的折彎性能檢測；使用數(shù)字?jǐn)y式渦流電導(dǎo)儀檢測擠壓型材電導(dǎo)率。

表2 擠壓工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織

圖1為不同Mn含量合金試樣的顯微組織，從圖中可以看出，析出相主要由針狀、顆粒狀第二相組成。Mn含量為0.43%時(shí)，大部分為顆粒狀和少量針狀第二相，部分沿?cái)D壓方向析出(見圖1(a))。當(dāng)Mn含量為0.53%時(shí)，主要為顆粒狀析出相，且分布均勻(見圖1(b))。隨著Mn含量增加至0.58%時(shí)，針狀析出相含量增多，而顆粒狀析出相較Mn含量為0.53%時(shí)少，且具有明顯的析出取向，主要沿軋制方向析出(見圖1(c))；當(dāng)Mn含量為0.66%時(shí)，大部分為針狀析出相，含量最多，且沿?cái)D壓方向均勻排列(見圖1(d))。

圖2為不同Mn含量合金試樣的偏光顯微組織。從圖中可以看出，邊部出現(xiàn)一層細(xì)小的晶粒，心部為纖維狀組織，且沿?cái)D壓方向，貫穿排列。Mn含量分別為0.43%、0.53%、0.58%和0.66%時(shí)，對應(yīng)的皮質(zhì)層厚度分別為359.4、160.38、205.58和405.5 μm。Mn含量為0.43%和0.66%時(shí)，出現(xiàn)較厚的皮質(zhì)層，這說明擠壓過程中這兩種合金試樣變形較嚴(yán)重；其次是Mn含量為0.58%；最薄的是Mn含量為0.53%。

2.2 Mn含量對合金機(jī)械性能的影響

圖3為不同Mn含量合金試樣的力學(xué)性能。從圖中可以看出，Mn含量在0.43%～0.58%之間，合金力學(xué)性能變化不大。Mn含量為0.53%時(shí)，合金強(qiáng)度最小，但斷后伸長率大大提高。Mn含量為0.66%時(shí)，強(qiáng)度及斷后伸長率均明顯下降。

圖3 不同Mn含量合金的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of alloy with different Mn contents

圖4為不同Mn含量合金試樣的折彎性能。從圖中可以看出，無論是平行擠壓方向還是垂直擠壓方向，折彎角度均出現(xiàn)先增加后減少的變化。Mn含量在0.43%～0.58%之間，折彎角度逐漸增大，并在0.58%達(dá)到最大；Mn含量為0.66%時(shí)，垂直擠壓方向折彎角度最低，但折彎性能較差。這與圖3斷后伸長率變化趨勢相同。

圖4 不同Mn含量合金的折彎性能Fig.4 Bending properties of alloy with different Mn contents

相關(guān)文獻(xiàn)表明[6-7]：在Al-Mg-Si合金中添加一定量的Mn，Mn與Fe可以互相替代，形成多元相替代β-AlFeSi相中的部分Fe而構(gòu)成β-AlFeMnSi相，從而改善β相的生成與生長，使β相由針狀向顆粒狀α相轉(zhuǎn)變，消除Fe的有害作用，起到改善合金性能的作用。因此，當(dāng)Mn含量較低時(shí)會(huì)形成顆粒狀的α-AlFeMnSi相；當(dāng)Mn含量為0.53%時(shí)，會(huì)增加顆粒狀α-AlFeMnSi相的體積分?jǐn)?shù)，從而降低合金性能。隨著Mn含量增加至0.58%時(shí)，含Mn的α相彌散顆粒可以作為合金時(shí)效強(qiáng)化相β′的非均勻形核核心，促進(jìn)β′相的析出，從而促進(jìn)合金獲得較好的強(qiáng)度和塑性。但Mn含量繼續(xù)增加后，針狀第二相含量增多，所形成的第二相強(qiáng)化作用比Mg2Si相小，同時(shí)還會(huì)抑制Mg2Si相析出，從而使合金強(qiáng)化效果下降。

2.3 Mn含量對合金電導(dǎo)率的影響

電導(dǎo)率不僅反映了金屬材料的導(dǎo)電能力，也反映了材料的化學(xué)成分和內(nèi)部微觀組織的差別，同時(shí)材料的宏觀性能與其內(nèi)部的微觀組織密切聯(lián)系，所以金屬材料的導(dǎo)電率與材料的微觀組織和宏觀性能有一定的關(guān)聯(lián)[8-9]。

圖5為不同Mn含量合金電導(dǎo)率變化圖?？梢钥闯觯S著Mn含量的增加，電導(dǎo)率呈先增加后下降的趨勢。這是因?yàn)镸n含量在0.43%～0.53%時(shí)，隨著Mn含量的增加，合金晶粒會(huì)細(xì)化并被拉長，晶界數(shù)量減少，晶體缺陷減少，從而使合金電導(dǎo)率提高。但隨著Mn含量增加為0.66%時(shí)，電導(dǎo)率最低，這可能是第二相的尺寸較大，含量較多，會(huì)阻礙電子的傳導(dǎo)，對合金電導(dǎo)率產(chǎn)生不利影響。

圖5 不同Mn含量合金的電導(dǎo)率Fig.5 Conductivity of alloy with different Mn contents

2.4 Mn含量對合金晶間腐蝕的影響

圖6為不同Mn含量合金的晶間腐蝕形貌圖?？梢钥闯觯琈n含量分別為0.43%、0.53%、0.58%和0.66%時(shí)，合金的最大腐蝕深度分別為329.75、233.68、269.3和284.41 μm。Mn含量為0.53%時(shí)，合金耐腐蝕性能最好，其次分別為0.58%、0.66%和0.43%，這與合金電導(dǎo)率變化規(guī)律相符合。鋁合金的晶間腐蝕與在晶界形成的微電偶腐蝕關(guān)，晶界析出相的電位相對于鋁基體而言，有些較高，有些較低。一般認(rèn)為，導(dǎo)電率可以用來評判合金耐腐蝕性的優(yōu)劣，電導(dǎo)率越高，其耐腐蝕性能越好[10]。

(a)0.43%; (b)0.53%; (c)0.58%; (d)0.66%圖6 不同Mn含量合金的晶間腐蝕形貌Fig.6 Intergranular corrosion morphology of alloy with different Mn contents

3 結(jié)論

1)Mn含量為0.43%～0.53%時(shí)，第二相多為顆粒狀，但隨著Mn含量增加至0.58%～0.66%時(shí)，針狀第二相較多；皮質(zhì)層厚度依次為0.66% Mn>0.43% Mn>0.53% Mn>0.58% Mn。

2)隨著Mn含量的增加，合金的力學(xué)性能呈先降低后增加再降低的趨勢，折彎性能與斷后伸長率均呈先上升后降低的趨勢。Mn含量為0.58%時(shí)，合金的力學(xué)性能最高，折彎性能最好；

3)晶間腐蝕深度大小為0.43% Mn>0.66% Mn>0.58% Mn>0.53% Mn，與電導(dǎo)率變化規(guī)律相符合，Mn含量在0.53%時(shí)合金的電導(dǎo)率最高，耐蝕性能最好。

4)綜合考慮合金組織、力學(xué)性能、折彎性能和腐蝕性能，Mn含量為0.53%～0.58%時(shí)，合金成分設(shè)計(jì)較優(yōu)。