铒元素对6063合金时效处理的影响.pdf

_ 看疡嘎孺 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G l N E E R l N G d o i 1 0 ．3 9 6 9 a ．i s s n ．2 0 9 5 1 7 4 4 ．2 0 1 2 ．0 5 ．0 0 4 铒元素对6 0 6 3 合金时效处理的影响 圜刘伟伟1 杨涛2 黄晖1 聂祚仁1 王月3 文胜平1 高坤元1 1 ．北京工业大学材料科学与工程学院北京 1 0 0 1 2 4 2 ．中原制药厂郑州4 5 0 0 0 1 3 ．中国船舶重工集团公司第七二五研究所河南洛阳4 7 1 0 0 0 摘要用硬度测试、金相分析、透射电镜分析等方法研究铒元素对轧制后6 0 6 3 合金时效过程中 声”相析出的影响。结果表明，铒元素的加入对固溶后的合金再结晶晶粒长大有非常明显的抑制作用， 适量的铒元素有助于合金力学性能的改善，与合金生成的A l ，E r 相对合金∥”相的析出有促进作用， 有利于合金硬度的提高。 关键词6 0 6 3 舍金；稀土元素；时效处理；显微组织 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G l 5 6 ．9 2文献标识码A 文章编号2 0 9 5 ．1 7 4 4 2 0 1 2 0 5 ．0 0 3 0 ．0 4 6 0 6 3 铝合金作为典型的6 x x x 系铝合金由于具有良 好的可挤压和导电导热性，尤其经固溶时效处理后，综 合性能得到较大提高，广泛用于工业、农业、轻工业、 交通运输业、家庭生活用具和体育用品等。6 x x x 系铝 合金 A I M g S i 系 的时效析出行为目前普遍比较认可 的析出方式为s s s s 过饱和固溶体 一G P 区一p r e 一 ∥一∥” M g s S i 。 一{ U 1 ，U 2 ；B 7 ，卢’ 一稳定的平衡∥相， 而其中以针状的∥相对合金力学性能贡献最为明显[ 1 1 。 稀土元素在铝合金中所起到的微合金化作用、细化作用、 变质作用以及净化作用等也被广泛关注【2 ] 。近期研究发 现铒元素加入到铝合金中可以与铝基体发生共晶反应形 成A l ，E r 相口J ，A l ，E r 具有稳定的L t 2 型结构，合金中加 入铒后还可以有效细化晶粒，提高合金强度、耐蚀性能 等。铒元素还会对合金的铸态及均匀化退火态的组织H 】， 以及后续轧制过程、合金的性能产生影响”J 。就稀土铒 元素的加入与基体形成的A l ，E r 相以及不同的热处理制 度对6 0 6 3 铝合金的组织和性能的影响进行研究。 1 实验方法 以A A 6 0 6 3 合金的主合金元素成分为基础，制备不 同铒含量的6 0 6 3 合金，试验合金选用镁和硅含量均为 0 ．5 ％，铒含量0 和0 ．1 5 ％两种合金来分析铒元素的添加 对6 0 6 3 合金产生的影响。设计合金成分如表1 所示。 表1 试验合金设计成分 舭 每种合金铸锭的设计质量为1 ．5k g ，分别采用高纯 铝 9 9 ．9 9 ％ 、纯镁、A l - 1 2 ．6 5 ％S i 和A 1 - 6 ．1 ％E r 中间合 金为原料制备目标合金。配料铝和镁元素的烧损率分别 按3 ％和2 0 ％考虑，以中间合金形式加入的原料不考虑 烧损。 试验用合金小锭子采用常规冶金铸锭法制备。熔炼 在S G 2 7 ．5 1 2 型坩埚电阻炉中进行，采用石墨黏土坩埚， 熔化温度为7 2 0 - 7 4 0 ℃。熔炼时先将高纯铝放入坩埚中， 然后根据合金的设计成分依次加入其他中间合金，待铝 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 1 0 1 0 0 1 ；国家高技 术研究发展计划 8 6 3 项目 2 0 0 7 A A 0 3 2 5 1 4 ， 2 0 0 9 A A 0 3 3 8 0 1 收稿日期2 0 1 2 0 3 2 0 作者简介刘伟伟 1 9 8 6 - ，男，河北高邑县入，硕士，主要从 事有色金属材料等方面的研究。 3 0 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据 和中间合金全部熔化后再加入镁，高纯镁用铝箔包住， 防止严重烧损。待所有原料完全熔化后再加人大约1 0g 除气剂 六氯乙烷 进行除气，然后搅拌均匀、静置、 扒渣，在铁模中铸造。浇注温度控制在7 1 0 ～7 2 0 ℃，铸 锭为扁锭，尺寸大约为2 0 0 m m X9 0 I ／I I T Ix3 0 m l n 。随后 进行均匀化处理，温度为5 7 0 ℃，保温6h ，将均匀化退 火后的铸锭切头、铣面，然后在双辊轧机上进行热轧。 热轧加热温度为4 5 01 2 ，保温2h 左右，热轧总变形量约 为9 0 ％。最后合金铸锭被轧成大约2m m 厚的薄板。之 后对合金进行固溶时效处理，固溶温度5 2 0 ℃，保温时 间4 0 m i n 后进行水淬处理。时效温度选取1 7 5 和2 1 5 ℃， 保温时间为0 ．5 - 4 8h 。熔铸之后实际合金成分见表2 镁 和铒测定方法为I C P ．A E S ，硅采用光度法测定 。 表2 试验合金成分／％ 2 试验结果与讨论 2 ．1铒元素对合金固溶时效处理后硬度的影响 如图l 所示，在1 7 5 ℃时效过程中，合金基本在9 h 达到峰值状态，其中铒含量0 ．1 5 ％的合金硬度值最高 为1 0 4 ．5H V ，不含铒的合金峰值硬度为9 8 ．5H V 。两种 合金经过5 0h 保温后硬度值依然位于1 0 0H V 左右。在 2 1 5 ℃时效处理过程中，0 ．1 5 ％E r 的合金基本在2h 左右 迅速达到峰值，硬度值为1 0 1 ．5H V ，而不含铒的合金在 4h 左右硬度达到峰值9 2 ．5H V ，见图2 。随着保温时间 的延长，两种合金硬度开始下降，最终硬度值与固溶状 态硬度值相近。从对两种合金硬度分析可以看出，添加 0 ．1 5 ％E r 元素对合金硬度有明显提升，在1 7 5 和2 1 5 ℃ 时效处理下，峰值硬度均高于不含铒元素的合金。在 2 1 5 ℃时效过程中，由于铒元素的加入，使得含铒合金 硬度峰值时间较不含铒的合金提前。而且硬度值并没有 时效时间／h 图l1 7 5 ℃时效合金硬度曲线 因为峰值n , - t l M 的提前而降低。 1 0 0 9 0 三8 0 型 器7 0 捌 Ⅱ 6 0 5 0 时效时间／h 图22 1 5 。C 时效合金硬度曲线 2 ．2 铒元素对合金晶粒大小的影响 在5 2 0 ℃下4 0m i n 固溶处理过程中，轧制后的变 形晶粒发生回复再结晶，晶粒由无畸变的等轴晶取代扁 平的变形晶粒。图3 为试样合金固溶处理之后的金相照 片，可以看到不含铒的合金晶粒在3 0 0 - 4 0 0 “m ，而含 0 ．1 5 ％E r 合金的晶粒在1 5 0um 左右，晶粒明显小于不 含铒合金的再结晶晶粒。金属及合金的再结晶形核有晶 界凸出机制、亚晶聚合机制和亚晶长大机制等，文献认 为是由于含铒铝合金基体中的次生A l ，E r 质点细小弥散 分布，而A l ，E r 粒子对位错和亚晶界具有较强的钉扎作 用，在回复过程中，A l ，E r 粒子的存在能够阻碍位错运 动以及亚晶界的合并，保持了较高的位错密度，使再结 晶形核延缓。在再结晶核心形成后长大的过程中，稳定 的亚组织加大了晶界迁移的阻力，从而阻止了再结晶核 心的进一步长大，因而抑制了再结晶吲。此种机理合理 地解释了含0 ．1 5 ％E r 合金的晶粒小于不含铒的合金晶粒 的原因。 L 。I n j 叭r _ u L l ；l b 舢l5u L r 图3 固溶处理后合金轧向金相组织 2 ．3 铒元素对合金∥相析出的影响 图4 为两种试验合金1 7 5 ℃时效处理9h 后的透射 电镜照片，可以看到，图4 a 中合金析出的第二相尺寸 均小于图4 b 中合金。由含0 ．1 5 ％E r 合金1 7 5 ℃9h 时效处理状态下的高分辨透射电镜照片可以看到，析 有色金属工程2 0 1 2 年第5 期3 1 万方数据 ■看么企蠢工程 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G l N E E R I N G 出的第二相与基体属于完全共格关系，结构为单斜晶 系典型的非平衡的声” M g ，S i 。 相，见图5 。图6 为图5 经过傅里叶变换 F F T 得到的衍射图谱，其中口” 的 6 l l0 与铝基体的 2 0 0 衍射斑点重叠。尺寸 为4n mx5 0n m 左右的针状∥”析出相与基体存在共格 关系，与基体原子作用产生的共格畸变能是较高的，所 以此种强化相对合金的强化效果贡献比较理想F l 。铒元 素加入产生的A l ，E r 相在轧制过程中有钉扎位错和亚晶 界的作用，抑制再结晶晶粒的长大，也促使时效处理时 镁和硅原子更易于偏聚形成G P 区，并促使G P 区的形 核长大向∥”相过渡。因此0 ．15 ％E r 的合金析出的第二 相因为有较好的弥散度和尺寸，对合金力学性能的贡献 也较高。 图7 为含0 ．15 ％E r 合金在1 7 5 ℃和2 1 5 ℃下经过 一 一 a 0 ．0 0 ％E r { b O ．1 5 ％E r 图41 7 5 。C9h 时效后合金透射电镜照片 【a J 平行 1 0 0 面l ‘b 垂直0 0 0 面 图50 ．1 5 ％E r 合金1 7 5 ℃9h 时效处理状态p ”相 H T E M 组织形貌 5 0h 时效之后合金的透射电镜照片。从图7 可以看到， 在1 7 5 ℃保温处理的合金析出相长度依然大部分位于 5 0 ～1 0 0a m ，与1 7 5 ℃9h 处理的合金析出相对比，其 形状尺寸并没有发生很大变化。2 1 5 ℃时效处理的合 金析出相则发生了很大的变化，尺寸也长大到4 0 0a m 以上。 2 ．4 分析与讨论 因为在时效过程中形成的与基体有共格关系的亚稳 相与基体产生的弹性应变是导致合金时效强化的重要原 因。在1 7 5 ℃时效处理过程中合金在5 0h 时效之后硬 度相对于9h 时效处理变化不大，是因为在1 7 5 ℃条件 图6 经过傅里叶变换后的合金衍射图谱 下，合金主要析出相为声”相[ 图4 b 与图7 a 】，并且 口”相随着保温时间的延长并没有明显的长大粗化，从 而硬度在达到峰值之后随着时效时间的延长变化不大。 而2 1 5 ℃时效过程峰值前后变化很大，是由于较高的时 效温度使得夕”相在达到峰值之后继续长大粗化，在时 效5 0h 以后第二相长度已经超过4 0 0n m ，直径在2 0n m 以上，见图7 b ，其强化效果相对于峰值时期的卢”相 较低，导致了合金在峰值过后硬度逐渐降低。 铒元素的加入使得合金晶粒细化，细小的再结晶晶 粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行， 塑性变形较均匀，应力集中较小。此外，晶粒越细，晶 界面积越大，晶界越曲折，对位错的阻碍作用越强，所以， 细小的晶粒对合金硬度的提升也有一定的贡献1 6 - 8 1 0 当合金在固溶处理之后变形晶粒发生再结晶，镁 7 和硅元素回溶到基体中，同时A l ，E r 相在固溶中有钉扎 位错和亚晶界的作用，抑制再结晶晶粒的长大，也促使 时效处理时镁和硅原子更易于偏聚形成G P 区，并促使 G P 区的形核长大向口”相过渡。加入0 ．1 5 ％E r 元素的 合金析出第二相尺寸较无铒元素的合金有明显的变化， 其声”相尺寸对合金贡献较高，有利于合金硬度和强度 的提高。 a 1 7 5 ℃刚效。【b 2 1 5c 时效 图7 含0 ．1 5 ％E r 合金时效处理5 0h 后透射电镜照片 3 结论 1 含0 ．1 5 ％E r 的合金硬度优于不含铒的合金。在 下转第4 2 页 3 2 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据 耵危企量动 N o N F E R R O U SM E T A L SE N G l N E E R l N G 表2 金洲城钼矿开采对藤桥西河流域生态系统 涵养水分功能影响分析结果 生态系统类型面积／h m 2 署鬈替／持水 t “ a 量- 1 ／葛豁戛 由表2 可知，金洲城钼矿占地范围内植被类型主要 为天然次生林，此外还包括由橡胶林、槟榔林、椰子林 等组成的人工经济林。由于矿山开采造成的生态系统涵 养水分损失约为2 4 28 3 8 ．8 6t ／a ，对照表1 ，矿山开发造 成的A 层土壤涵养水分损失约占藤桥西河流域的1 ．2 ％， 所占比例较小，折合经济损失约为1 6 ．2 8 万元／a 。由此 可知，项目建设对藤桥西河流域影响较小，不会对藤桥 西河流域生态系统涵养水分功能造成较大影响，项目建 设从此方面论证是可行的。 5结论 生态系统涵养水分在生物多样性保护、水源保护、 维持生态系统平衡方面具有很强的生态服务功能，保护 好区域涵养水源，减少矿山开采对生态系统的影响是矿 山开发中的重要工作内容。结合实例，定量分析矿山开 采对流域生态系统涵养水分功能及价值影响。研究结果 表明，金洲城钼矿开采造成的涵养水分损失约占藤桥西 河流域生态系统的1 ．2 ％，所占比例较小，折合经济损 失约为1 6 ．2 8 万元／a 。金洲城钼矿开采对藤桥西河流域 生态系统涵养水分功能不会造成较大影响，项目建设从 此方面论证可行。 参考文献 [ 1 ] 穆长龙，龚固堂．长江中上游防护林体系综合效益的计量与 评价[ J ] ．四川林业科技，2 0 0 1 ，2 2 1 1 5 ．2 3 ． [ 2 ] 王如松，林顾坤，欧阳志云．海南生态省建设的理论与实践 [ M 】．北京化学工业出版社，2 0 0 4 1 0 3 1 0 4 ． [ 3 】欧阳志云，赵同谦，赵景柱，等．海南岛生态系统生态调节 功能及其生态经济价值研究【J 1 ．应用生态学报，2 0 0 4 ，15 8 1 3 9 5 1 4 0 2 ． [ 4 ] 刘敏超，李迪强，温琰茂，等．三江源地区生态系统水源涵 养功能分析及其价值评估[ J ] ．长江流域资源与环境，2 0 0 6 ， 15 3 4 0 5 - 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