锆微合金化 6013型铝合金的抗晶间腐蚀性能

张福豹, 许晓静, 吴桂潮, 王 彬, 罗 勇, 宋 涛, 程晓农

(1.江苏大学先进成形技术研究所,江苏镇江 212013;2.南通大学机械工程学院,江苏南通 226019)

6013铝合金是美国铝业公司研制的一种新型Al-Mg-Si-Cu合金,具有高的强度、断裂韧性、抗疲劳性能、抗腐蚀性能,并且具有良好的焊接性能和塑性成形性能[1-4]。T6状态的 6013铝合金抗拉强度比6061的高约 15%～25%。由于其具有良好的综合性能,在大型民用飞机、军用舰载飞机、轨道交通上具有重大应用背景。美国海军在新型反潜战斗巡逻飞机P-7A上选用6013-T6薄板作蒙皮和其他部件,取代包铝的 2024-T3板材[5],在 A340飞机上也采用6013铝合金作为机身下部壁板材料,目前 A380机身下壁板已经全部采用了 6013铝合金的焊接整体壁板。民用方面,6013铝合金代替 6061铝合金在汽车轮毂、轮箍、计算机硬盘传动臂、自行车结构件等对力学性能有较高要求场合的应用也有很好的前景。国外对 6013铝合金做了大量的研究[6,7],而国内对此类合金的研究还较少。

6013铝合金(Al-1.0%Mg-0.8%Si-0.85%Cu-0.5%Mn)(质量分数,下同)是在Al-Mg-Si合金的基础上加入了少量的Cu,Cu对合金有一定的固溶强化作用,但随着铜含量的增加,合金的抗腐蚀性能下降[8,9]。抗腐蚀性能是考察铝合金性能的一项重要指标。国内外有学者认为,6013铝合金较低的抗腐蚀性能主要源于晶间腐蚀[3,10]。所以研究铝合金的抗腐蚀能力,可以从研究该类合金的抗晶间腐蚀能力方面着手进行。

锆元素是一种能显著改变铝合金各种性能的微量元素,已成为现在发展高强铝合金必需的合金化元素之一[11]。在合金中加入锆元素,对铝合金进行微合金化可以显著提高铝合金的组织和性能[12-14]。本研究对一种锆微合金化 6013型铝合金经 470℃/ 24h均质化处理,变形量约 150%的压缩变形加工, 560℃/2h的固溶处理和151℃/8h+191℃/8h时效处理后的抗晶间腐蚀性能进行了实验研究,有关此类合金这方面的研究尚未见国内外的公开报道。考虑到国内外对 6061合金的研究较成熟,在实际生产中应用广泛,与 6013铝合金又属于同一系,因此,实验中选择这两种合金进行对比。

1 试样制备与实验方法

锆微合化的 6013型铝合金熔炼原料采用工业纯铝、工业纯镁、Al-10%Si,Al-10%Mn,Al-4%Zr,Al-50%Cu,合金化学成分分析结果见表 1。在中频坩锅炉中进行熔炼,熔炼温度为 800℃,采用金属模浇铸。铸锭重约 28 kg,平均直径为 217mm。依次对铸锭进行均质化处理、锻压加工和固溶时效处理。均质化处理工艺为：470℃/24h;锻压加工工艺为：500℃/1h,在液压机上压缩变形,分两次进行,变形量约150%,中间进行430℃/30min退火处理;固溶处理工艺为：560℃/2h后淬入水中,水温约为 5℃,时效处理工艺为：151℃/8h+191℃/8h。

采用市售的DC铸造铸态6061(Al-1.0%Mg-0. 6%Si-0.28%Cu-0.20%Cr)合金做对比,固溶处理工艺为560℃/2h,时效处理工艺为 160℃/2h,即 T6处理。

表1 合金化学成分分析结果(质量分数/%)Tab le 1 Measured chemical composition of the experimental alloy(mass fraction/%)

试样经磨平、抛光后,用Keller试剂(1%HF+ 1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O)浸蚀。微观形貌观察在型号为Nikon EPIPHOH 300的金相显微镜和JEOL JSM-7001F型的扫描电镜上进行。显微硬度测试在HV-1000型显微硬度计上进行,载荷为200g,保压时间为25s。晶间腐蚀实验按国标GB/T 7998—1987和 ASTM G110—1992进行。试样依次用 120#,280#,500#和 800#金相砂纸磨平磨光,然后用丙酮对试样进行超声波清洗,在室温下用 10% NaOH溶液腐蚀去除氧化膜,清水洗净,再用 30% HNO3溶液中和,最后用清水洗净吹干。处理后的试样垂直悬挂在NaCl-H2O2腐蚀液中,浸泡6h,溶液温度保持在(35±2)℃。溶液表面积与试验溶液体积间的比值小于20mm2/mL,避免试样与容器及试样之间相互接触。腐蚀后的试样用水洗净吹干。

2 实验结果与分析

2.1 硬度

图1为本实验合金与6061-T6合金的显微硬度对比,可以看出,本实验合金的硬度比 6061-T6合金的硬度高出很多,其值分别为147.05 HV和130.35 HV,提高幅度为12.81%。

图1 合金显微硬度(HV)Fig.1 Microhardness ofalloys(HV)

锆微合金化 6013型铝合金硬度较高,一方面是因为合金晶粒细小。Zr与Al在晶界和晶内处形成了细小弥散的Al3Zr粒子,对位错的滑移和攀沿以及晶界的移动具有很强的钉扎作用,稳定了变形组织的亚结构[15],阻碍了固溶处理过程中的再结晶长大,细化了基体晶粒,使本实验合金的晶粒尺寸比6061-T6小很多,如图 2所示,提高了合金的硬度;另一方面,锆微合金化 6013型铝合金含有较多的Cu,Cu是铝合金中重要的合金化元素,有一定的固溶强化作用[9]。Cu含量的提高在一定程度上也提高了合金的硬度。

图2 铝合金金相图片Fig.2 Metallographs of alum inum alloys (a)6013 type alloy;(b)6061-T6 alloy

2.2 晶间腐蚀

试样晶间腐蚀后横截面金相组织如图3所示。从金相图上看,锆微合金化 6013型铝合金主要了发生晶间腐蚀和轻微点蚀,6061-T6合金也发生了点蚀和晶间腐蚀,但腐蚀程度比锆微合金化 6013型铝合金严重。锆微合金化 6013型铝合金晶间腐蚀最大深度为227.23μm,6061-T6铝合金晶间腐蚀最大深度为 295.58μm,锆微合金化 6013型铝合金比6061-T6合金晶间腐蚀最大深度下降了 23%。

图3 晶间腐蚀后试样横截面金相图Fig.3 Metallographs of samp le cross section after intergranular corrosion (a)6013 type alloy;(b)6061-T6 alloy

晶间腐蚀的产生主要是因为铝基体与析出相之间由于电化学行为相差很大,形成了微电池而在金属表面引发了多个蚀坑,在材料表面蚀坑处形成一封闭的酸性环境,造成了晶间腐蚀,形成了深入合金组织的腐蚀沟。锆微合金化 6013型铝合金比 6061-T6铝合金晶间腐蚀深度大幅度下降,其原因主要有以下三个方面：

第一,锆的微合金化作用。Zr与 Al形成的Al3Zr粒子钉扎在晶界上,阻碍了位错的滑移和攀沿以及晶界的移动,使固溶处理过程中再结晶长大倾向小,细化了基体晶粒。由于晶粒细小,晶界多,使腐蚀液要经历更长的距离才能腐蚀进入材料内部,从而提高了合金的耐腐蚀性。

第二,从本合金主合金元素特点上看,一般的6013铝合金Mg/Si比平均值等于1.25,而本合金的Mg/Si比为1.31,相对于一般的6013铝合金,本合金中的镁含量增高了,减小了合金的晶间腐蚀倾向;另一方面,一般的6013铝合金中不含Zn元素,而本合金中有少量Zn元素,这些Zn元素通常出现在晶界区,提高了腐蚀电位,从而提高了合金的耐腐蚀性。

第三,合金中的析出相分散、不连续。合金在时效过程中析出的β(Mg2Si)相、θ(CuAl2)相和少量S (CuMgAl2)相相对于基体来讲都是阳极,在腐蚀环境中首先发生腐蚀。因此,合金的耐腐蚀性在很大程度上取决于这些析出相的尺寸、分布和数量,尤其与其分布和形态有关。如果析出相在晶界处呈颗粒状分布,则耐腐蚀性能较好;如果析出相在晶界处呈连续状,则耐腐蚀性能下降。图 4为锆微合金化6013型铝合金的SEM形貌,从图中可以看出,沿晶界分布的析出相细化、粒化,未呈连续分布,有效阻止了腐蚀裂纹的扩展,提高了合金的抗腐蚀性能。

图4 锆微合化6013型铝合金SEM形貌Fig.4 SEM image of zirconium microalloyed 6013 type alum inum alloy

3 结论

(1)锆微合金化6013型铝合金(Al-1.35%Mg-1.03%Si-0.895%Cu-0.539%Mn-0.112%Zr-0.436%Zn)具有高的再结晶抗力,经固溶时效处理后的晶粒组织细小,析出相在晶内和晶界处未呈连续分布。

(2)锆微合金化 6013型铝合金的显微硬度值达147.05HV,较6013-T6合金高12.81%。

(3)锆微合金化 6013型铝合金经 470℃ ×24h均质化处理,变形量约 150%的压缩变形加工, 560℃×2h的固溶处理和151℃ ×8h+191℃ ×8h时效处理后,晶间腐蚀最大深度为227.23μm,抗晶间腐蚀能力超过了相同实验条件下的 6013-T6合金。

(4)锆微合金化的 6013型铝合金主合金成分与一般的6013铝合金相比,Mg/Si比和Zn含量都有所提高,有利于提高合金的抗腐蚀性能。

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