鋯微合金化 6013型鋁合金的抗晶間腐蝕性能

張福豹, 許曉靜, 吳桂潮, 王 彬, 羅 勇, 宋 濤, 程曉農

(1.江蘇大學先進成形技術研究所,江蘇鎮江 212013;2.南通大學機械工程學院,江蘇南通 226019)

6013鋁合金是美國鋁業公司研制的一種新型Al-Mg-Si-Cu合金,具有高的強度、斷裂韌性、抗疲勞性能、抗腐蝕性能,并且具有良好的焊接性能和塑性成形性能[1-4]。T6狀態的 6013鋁合金抗拉強度比6061的高約 15%～25%。由于其具有良好的綜合性能,在大型民用飛機、軍用艦載飛機、軌道交通上具有重大應用背景。美國海軍在新型反潛戰斗巡邏飛機P-7A上選用6013-T6薄板作蒙皮和其他部件,取代包鋁的 2024-T3板材[5],在 A340飛機上也采用6013鋁合金作為機身下部壁板材料,目前 A380機身下壁板已經全部采用了 6013鋁合金的焊接整體壁板。民用方面,6013鋁合金代替 6061鋁合金在汽車輪轂、輪箍、計算機硬盤傳動臂、自行車結構件等對力學性能有較高要求場合的應用也有很好的前景。國外對 6013鋁合金做了大量的研究[6,7],而國內對此類合金的研究還較少。

6013鋁合金(Al-1.0%Mg-0.8%Si-0.85%Cu-0.5%Mn)(質量分數,下同)是在Al-Mg-Si合金的基礎上加入了少量的Cu,Cu對合金有一定的固溶強化作用,但隨著銅含量的增加,合金的抗腐蝕性能下降[8,9]。抗腐蝕性能是考察鋁合金性能的一項重要指標。國內外有學者認為,6013鋁合金較低的抗腐蝕性能主要源于晶間腐蝕[3,10]。所以研究鋁合金的抗腐蝕能力,可以從研究該類合金的抗晶間腐蝕能力方面著手進行。

鋯元素是一種能顯著改變鋁合金各種性能的微量元素,已成為現在發展高強鋁合金必需的合金化元素之一[11]。在合金中加入鋯元素,對鋁合金進行微合金化可以顯著提高鋁合金的組織和性能[12-14]。本研究對一種鋯微合金化 6013型鋁合金經 470℃/ 24h均質化處理,變形量約 150%的壓縮變形加工, 560℃/2h的固溶處理和151℃/8h+191℃/8h時效處理后的抗晶間腐蝕性能進行了實驗研究,有關此類合金這方面的研究尚未見國內外的公開報道。考慮到國內外對 6061合金的研究較成熟,在實際生產中應用廣泛,與 6013鋁合金又屬于同一系,因此,實驗中選擇這兩種合金進行對比。

1 試樣制備與實驗方法

鋯微合化的 6013型鋁合金熔煉原料采用工業純鋁、工業純鎂、Al-10%Si,Al-10%Mn,Al-4%Zr,Al-50%Cu,合金化學成分分析結果見表 1。在中頻坩鍋爐中進行熔煉,熔煉溫度為 800℃,采用金屬模澆鑄。鑄錠重約 28 kg,平均直徑為 217mm。依次對鑄錠進行均質化處理、鍛壓加工和固溶時效處理。均質化處理工藝為：470℃/24h;鍛壓加工工藝為：500℃/1h,在液壓機上壓縮變形,分兩次進行,變形量約150%,中間進行430℃/30min退火處理;固溶處理工藝為：560℃/2h后淬入水中,水溫約為 5℃,時效處理工藝為：151℃/8h+191℃/8h。

采用市售的DC鑄造鑄態6061(Al-1.0%Mg-0. 6%Si-0.28%Cu-0.20%Cr)合金做對比,固溶處理工藝為560℃/2h,時效處理工藝為 160℃/2h,即 T6處理。

表1 合金化學成分分析結果(質量分數/%)Tab le 1 Measured chemical composition of the experimental alloy(mass fraction/%)

試樣經磨平、拋光后,用Keller試劑(1%HF+ 1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O)浸蝕。微觀形貌觀察在型號為Nikon EPIPHOH 300的金相顯微鏡和JEOL JSM-7001F型的掃描電鏡上進行。顯微硬度測試在HV-1000型顯微硬度計上進行,載荷為200g,保壓時間為25s。晶間腐蝕實驗按國標GB/T 7998—1987和 ASTM G110—1992進行。試樣依次用 120#,280#,500#和 800#金相砂紙磨平磨光,然后用丙酮對試樣進行超聲波清洗,在室溫下用 10% NaOH溶液腐蝕去除氧化膜,清水洗凈,再用 30% HNO3溶液中和,最后用清水洗凈吹干。處理后的試樣垂直懸掛在NaCl-H2O2腐蝕液中,浸泡6h,溶液溫度保持在(35±2)℃。溶液表面積與試驗溶液體積間的比值小于20mm2/mL,避免試樣與容器及試樣之間相互接觸。腐蝕后的試樣用水洗凈吹干。

2 實驗結果與分析

2.1 硬度

圖1為本實驗合金與6061-T6合金的顯微硬度對比,可以看出,本實驗合金的硬度比 6061-T6合金的硬度高出很多,其值分別為147.05 HV和130.35 HV,提高幅度為12.81%。

圖1 合金顯微硬度(HV)Fig.1 Microhardness ofalloys(HV)

鋯微合金化 6013型鋁合金硬度較高,一方面是因為合金晶粒細小。Zr與Al在晶界和晶內處形成了細小彌散的Al3Zr粒子,對位錯的滑移和攀沿以及晶界的移動具有很強的釘扎作用,穩定了變形組織的亞結構[15],阻礙了固溶處理過程中的再結晶長大,細化了基體晶粒,使本實驗合金的晶粒尺寸比6061-T6小很多,如圖 2所示,提高了合金的硬度;另一方面,鋯微合金化 6013型鋁合金含有較多的Cu,Cu是鋁合金中重要的合金化元素,有一定的固溶強化作用[9]。Cu含量的提高在一定程度上也提高了合金的硬度。

圖2 鋁合金金相圖片Fig.2 Metallographs of alum inum alloys (a)6013 type alloy;(b)6061-T6 alloy

2.2 晶間腐蝕

試樣晶間腐蝕后橫截面金相組織如圖3所示。從金相圖上看,鋯微合金化 6013型鋁合金主要了發生晶間腐蝕和輕微點蝕,6061-T6合金也發生了點蝕和晶間腐蝕,但腐蝕程度比鋯微合金化 6013型鋁合金嚴重。鋯微合金化 6013型鋁合金晶間腐蝕最大深度為227.23μm,6061-T6鋁合金晶間腐蝕最大深度為 295.58μm,鋯微合金化 6013型鋁合金比6061-T6合金晶間腐蝕最大深度下降了 23%。

圖3 晶間腐蝕后試樣橫截面金相圖Fig.3 Metallographs of samp le cross section after intergranular corrosion (a)6013 type alloy;(b)6061-T6 alloy

晶間腐蝕的產生主要是因為鋁基體與析出相之間由于電化學行為相差很大,形成了微電池而在金屬表面引發了多個蝕坑,在材料表面蝕坑處形成一封閉的酸性環境,造成了晶間腐蝕,形成了深入合金組織的腐蝕溝。鋯微合金化 6013型鋁合金比 6061-T6鋁合金晶間腐蝕深度大幅度下降,其原因主要有以下三個方面：

第一,鋯的微合金化作用。Zr與 Al形成的Al3Zr粒子釘扎在晶界上,阻礙了位錯的滑移和攀沿以及晶界的移動,使固溶處理過程中再結晶長大傾向小,細化了基體晶粒。由于晶粒細小,晶界多,使腐蝕液要經歷更長的距離才能腐蝕進入材料內部,從而提高了合金的耐腐蝕性。

第二,從本合金主合金元素特點上看,一般的6013鋁合金Mg/Si比平均值等于1.25,而本合金的Mg/Si比為1.31,相對于一般的6013鋁合金,本合金中的鎂含量增高了,減小了合金的晶間腐蝕傾向;另一方面,一般的6013鋁合金中不含Zn元素,而本合金中有少量Zn元素,這些Zn元素通常出現在晶界區,提高了腐蝕電位,從而提高了合金的耐腐蝕性。

第三,合金中的析出相分散、不連續。合金在時效過程中析出的β(Mg2Si)相、θ(CuAl2)相和少量S (CuMgAl2)相相對于基體來講都是陽極,在腐蝕環境中首先發生腐蝕。因此,合金的耐腐蝕性在很大程度上取決于這些析出相的尺寸、分布和數量,尤其與其分布和形態有關。如果析出相在晶界處呈顆粒狀分布,則耐腐蝕性能較好;如果析出相在晶界處呈連續狀,則耐腐蝕性能下降。圖 4為鋯微合金化6013型鋁合金的SEM形貌,從圖中可以看出,沿晶界分布的析出相細化、粒化,未呈連續分布,有效阻止了腐蝕裂紋的擴展,提高了合金的抗腐蝕性能。

圖4 鋯微合化6013型鋁合金SEM形貌Fig.4 SEM image of zirconium microalloyed 6013 type alum inum alloy

3 結論

(1)鋯微合金化6013型鋁合金(Al-1.35%Mg-1.03%Si-0.895%Cu-0.539%Mn-0.112%Zr-0.436%Zn)具有高的再結晶抗力,經固溶時效處理后的晶粒組織細小,析出相在晶內和晶界處未呈連續分布。

(2)鋯微合金化 6013型鋁合金的顯微硬度值達147.05HV,較6013-T6合金高12.81%。

(3)鋯微合金化 6013型鋁合金經 470℃ ×24h均質化處理,變形量約 150%的壓縮變形加工, 560℃×2h的固溶處理和151℃ ×8h+191℃ ×8h時效處理后,晶間腐蝕最大深度為227.23μm,抗晶間腐蝕能力超過了相同實驗條件下的 6013-T6合金。

(4)鋯微合金化的 6013型鋁合金主合金成分與一般的6013鋁合金相比,Mg/Si比和Zn含量都有所提高,有利于提高合金的抗腐蝕性能。

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