3104铝合金的均匀化退火工艺_曹勇

3104铝合金的均匀化退火工艺_曹勇3104铝合金的均匀化退火工艺曹勇,黄光杰(重庆大学材料科学与工程学院,重庆400030)摘要:采用热分析仪、光学显微镜等研究了3104铝合金的铸态和不同工艺均匀化退火后的显微组织,为其制定了合理的均匀化退火工艺,利用扫描电镜及其附件确定了合金均匀化退火后组织中主要化合物的形貌及类型。结果表明:3104铝合金合适的均匀化退火工艺为590e保温12h;均匀化退火后,因合金成分的差异,形成了形貌各异、类型不同的金属间化合物,主要有(FeMn)Al6、MnAl6、(Al、Fe、Mn、Si)四元相、Mg2Si相、(Al、Mn、Si)三元相、Al8Mg5、(Al、Mn、Mg、Fe)四元相等。关键词:3104铝合金;均匀化退火;显微组织中图分类号:TG166.3文献标志码:A文章编号:1000-3738(2021)01-0009-04HomogenizingAnnealingof3104AluminumAlloyCAOYong,HUANGGuang-jie(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)Abstract:Themicrostructureofas-castedandhomogenizingannealingwithdifferentparameters3104aluminumalloywerestudiedbymeansofthermalanalysisandopticalmicroscope,thenhomogenizationannealingparametersweredetermined.Themorphologyandtypesofmaincompoundswerestudiedbyscanningelectronmicroscopeanditsaccessory.Theresultsshowthatthereasonablehomogenizingannealingparameterswas590efor12h,andvariouscompoundsappearedduetothedifferenceofmainalloycomponentsafterhomogenizingannealingwhichmainlyconsistingof(FeMn)Al6,MnAl6,(Al,Fe,Mn,Si)quaternaryphase,Mg2Siphase,(Al,Mn,Si)ternaryphase,Al8Mg5,(Al,Mn,Mg,Fe)quaternaryphaseandsoon.Keywords:3104aluminumalloy;homogenizingannealing;microstructure0引言铝合金在铸造过程中通常存在非平衡结晶,使主要合金元素因过饱和固溶而产生成分偏析、区域偏析、粗大的化合物等缺陷,导致铸锭在冷却过程中形成很大的内应力,使合金的压力加工性能变差,强韧性降低,各向异性和腐蚀敏感性增大[1-5]。因此,铝合金铸锭在热变形前必须进行均匀化退火,使偏析和富集在晶界和枝晶网络上的部分化合物溶解,提高合金元素在基体中的固溶度,降低内应力,提高热塑性[6-7]。均匀化退火工艺参数主要包括均匀化温度、保温时间和冷却速率[8-9]。在铸锭加热和保温过程中,由于铸造时快速凝固而没有充分时间扩散的化收稿日期:2021-11-20;修订日期:2021-05-05作者简介:曹勇(1983-),男,江苏吴江人,硕士研究生。导师:黄光杰教授合物在高温下重溶于铝基体,且低熔点共晶相的溶解度会随加热速率的减小、均匀化温度的升高和保温时间的延长而增大[10]。另外,冷却速率是影响析出相含量、分布的重要因素,关系到材料的塑性变形能力[10]。3104铝合金为进口罐用材料,目前国内关于该合金均匀化退火工艺的研究鲜有报道。为了加快该合金的国产化进程,作者对其铸坯进行了不同工艺的均匀化退火,最后确定了合适的退火工艺,研究了均匀化态组织中各化合物的类型及形貌。1试样制备与试验方法1.1试样制备试验材料为西南铝业(集团)有限责任公司提供的6组不同化学成分、未经均匀化退火的3104铝合金半连续铸锭,铸造温度为740e,冷却水压力为0.04MPa,尺寸为400mm@400mm@20mm,其编号及化学成分见表1;分别将1#~6#合金铸锭置#9#第34卷第1期2021年1月机械工程材料MaterialsforMechanicalEngineeringVol.34No.1Jan.2021于KRJ3-4-600型高精度热处理炉中均进行六种工艺均匀化退火,退火工艺见表2,出炉后水淬冷却。表1不同3104合金锭的化学成分(质量分数)Tab.1Chemicalcompositionofdifferent3104aluminumalloyingots(mass)%编号SiFeCuMnMgNiZnTi其它1#0.230.390.211.011.19表23104铝合金的均匀化退火工艺Tab.2Thehomogenizedannealingtechnicsfor3104aluminumalloy均匀化温度/e590595600605610610保温时间/h1212121212241.2试验方法从1#~6#铸锭上分别截取小块试样(质量约34.470mg)在NETZSCHSTA449C型差示扫描热分析仪(DSC)上进行差热分析,确定低熔点共晶相的熔化温度,设定升温速率为10K#min-1,最高温度为740e;从均匀化后的铸锭上截取块状试样(尺寸为10mm@8mm@5mm),磨平、抛光后采用混合酸腐蚀2~3min,在Axiovert40MAT型光学显微镜上进行显微组织观察;在J8M-6460LV型扫描电镜(SEM)及附带的Oxford7573型能谱仪(EDS)上对组织中各种化合物的形貌及类型进行鉴别,扫描电镜工作电压为15.0kV,能谱仪工作电压为20.0kV。2试验结果与讨论2.1铸态合金的DSC曲线DSC结果表明:1#~6#3104铝合金的熔点及相变温度均十分接近,相对差值小于3e。现以5#合金为例进行分析,由图1可以看出,该铝合金的熔点约为626.0e,在曲线上约587e处有明显的吸热现象,且为不定温热效应,到593.3e时吸热结束。根据温度、吸热性质,可知该热效应是3104铝合金组织中非平衡低熔点共晶相的熔化相变所致,而且发生熔化的有多种共晶相[11]。2.2均匀化退火后合金的显微组织按表2工艺均匀化退火处理后,发现1#~6#3104铝合金的过热、过烧温度均十分接近,相对差(a)全曲线(b)局部放大区域图15#合金铸锭DSC曲线Fig.1TheDSCcurvesof5#alloyingot:(a)thecurveand(b)partialenlargezone值小于5e。现以3#试样为例对不同工艺的结果进行分析。由图2可见,与铸态合金相比,590e保温12h后,合金中大块状化合物明显减少;595e保温12h后,化合物数量继续减少;600e保温12h后,组织中开始产生较多的析出物,并出现少许复熔球,合金开始过热;605e保温12h后,复熔球尺寸变大,数量增多,开始过烧;此后,随着退火温度的升高和保温时间的延长,合金过烧更加明显(图略)。2.3均匀化退火工艺的确定根据均匀化退火理论[12],合金元素在固溶体中的扩散系数随温度稍有升高将明显增大,使扩散过程大大加速;而非平衡结晶相在固溶体中的溶解时间与尺寸、均匀化温度及合金成分有关,为了达到充分均匀化的目的,在尽可能提高均匀化退火温度的同时,还应视温度高低选取恰当的保温时间。根据图2,经590e均匀化退火处理的合金,枝晶偏析和非平衡相基本消除,并且基体未发生明显粗化,当均匀化温度升高时,材料开始出现过热、过烧。由图1,2可知,均匀化温度须控制在593.3e以下,因此最终确定3104铝合金均匀化退火工艺为590e保温12h。2.4均匀化退火后合金中化合物形貌及类型根据EDS测试结果(图略)和图3可知,590e保温12h均匀化退火处理后,不同3104铝合金中主要含有不同形貌的(FeMn)Al6(图中点1)、MnAl6(图中点2)、(Al、Fe、Mn、Si)四元相(图中点#10#(a)铸态(b)590e@12h(c)595e@12h(d)600e@12h(e)605e@12h(f)610e@12h图23#铝合金铸态和不同均匀化退火后的显微组织Fig.2Themicrostructureofascasted(a)andhomogenizedannealingbydifferentprocesses(b)-(g)3#aluminumalloy3,可能为A-Al12(FeMn)3Si或B-Al(FeMnSi)相)、Mg2Si相(图中点4)(Al、Mn、Si)三元相、Al8Mg5、(Al、Mn、Mg、Fe)四元相等。可见均匀化退火后3104铝合金由于主要合金成分的差异而产生了形状各异、类型不同的金属间化合物。Minoda等研究发现[13],锰元素能溶于铝中形成固溶体,但溶解度很小,在共晶温度658e时,锰在固溶体中的最大溶解度为1.82%。随着温度的下降,锰的溶解度也急剧下降,冷却速率很快时将形成过饱和固溶体,凝固冷却时析出的锰和铝能形成分散的第二相化合物MnAl6。在罐用铝合金中,铁的存在会进一步降低锰在铝中的溶解度,这有利于减少合金的晶内偏析,(a)1#(b)2#(c)3#(d)4#(e)5#(f)6#图3均匀化态合金中化合物的形貌Fig.3Themorphologyofcompoundsinhomogenizedalloys#11#防止板材退火时产生粗大晶粒,同时对细化铸态组织也有好处。但是,铁与MnAl6形成的(FeMn)Al6相属脆而硬的化合物,呈大片状分布在组织中,降低了合金的塑性和强度。如果硅与铁同时存在,会使(FeMn)Al6相大为减少,甚至完全消失,这是因为硅能与(FeMn)Al6反应形成(Al、Fe、Mn、Si)四元金属间化合物,或为A-Al12(FeMn)3Si相,或为B-Al(FeMnSi)相。该化合物为硬质点,在合金板变薄拉伸时能防止板带与工具的热粘着,但在减薄深冲加工时也可能成为破裂的起点,形成针孔等缺陷,故必须控制其大小和分布,经验认为该种颗粒的尺寸最好不要超过15Lm。(Al、Fe、Mn、Si)第二相粒子的大小主要取决于化学成分,以罐用3004合金为例,如果铁和锰的质量分数超过一定限度(合金中铁含量超0.70%,且锰含量超1.07%或两者之和达到1.707%),就会产生巨大的化合物粒子;即使在该限度以下,如果硅、铁、锰总的含量增加,析出的金属间化合物也会变大[14]。与锰的情况相反,镁在铝中的溶解度很大,对铝镁合金,在共晶温度449e时为17.4%,室温下仍达1.4%。在罐用铝合金中尽管镁的溶解度受到一定影响,但镁仍以大量固溶于基体的形式存在,而且镁最优先形成的化合物是Mg2Si。Mg2Si的析出可以提高合金强度,但大量析出就不利于降低制耳,镁还有可能与锰、铁、硅等元素形成复杂的多元相[15]。3结论(1)3104铝合金比较合适的均匀化退火工艺为590e保温12h后水冷。(2)3104铝合金均匀化退火后的显微组织由于合金成分差异而产生了形状各异、类型不同的金属间化合物;经590e保温12h后,3104铝合金组织中主要存在(FeMn)Al6、MnAl6、(Al、Fe、Mn、Si)四元相、Mg2Si相、(Al、Mn、Si)三元相、Al8Mg5、(Al、Mn、Mg、Fe)四元相等相。参考文献:[1]刘晓涛,董杰,崔建中,等.高强铝合金均匀化热处理[J].中国有色金属学报,2021,13(4):909-913.[2]李国峰,张新明,朱航飞,等.7B50高强铝合金的均匀化[J].中国有色金属学报,2021,18(5):764-77