王遠(yuǎn) 張若凡
摘要:6系列鋁合金是指通過澆鑄、擠壓而成的合金材料,具有良好的加工性能,在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。在GIS產(chǎn)品中,6系列鋁合金廣泛應(yīng)用于法蘭、母線、管材和棒材等。不同鐵元素含量在6系列鋁合金的電學(xué)性能、機(jī)械性能的影響有著決定性的作用,如若處理不好,容易發(fā)生各類生產(chǎn)事故。6063鋁合金通常用作導(dǎo)電產(chǎn)品的導(dǎo)體、觸頭等,是一種常見的鋁合金材料。因此,有必要對6063鋁合金中Fe元素的作用進(jìn)行研究。
關(guān)鍵詞:6系列鋁合金;鐵元素;影響消除方法;合金材料;耐腐蝕性;機(jī)械性能 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
中圖分類號:TG115 文章編號:1009-2374(2015)05-0072-02 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0368
1 概述
6系列鋁合金是指通過澆鑄、擠壓而成的合金材料,除了NC2標(biāo)號之外,其余都是以6字頭命名的,其中6063為常規(guī)型號。6系列鋁合金在機(jī)械加工、汽車、飛機(jī)、船舶制造、通訊設(shè)施、建筑型材、農(nóng)業(yè)管網(wǎng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因?yàn)槠渚哂辛己玫募庸ば阅?,在?shí)際應(yīng)用中,可以被加工成管、棒、方形以及各種異型,是一種常見的鋁合金材料。
在生產(chǎn)實(shí)踐中,由于6063鋁合金中的Fe的變量對鋁合金性能影響較大,會(huì)在后期加工中對型材的機(jī)械性能產(chǎn)生較大范圍的改變,嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致氧化著色不均、機(jī)械性能降低等缺陷,所以,必須認(rèn)真研究所含F(xiàn)e元素對6063鋁合金的負(fù)面影響。6063鋁合金主要成分含量詳見表1:
表1 6063鋁合金化學(xué)成分
金屬元素 Al Mg Si Fe Cu/Mn/Zn/Ti
含量(%) 98~99 0.45~0.9 0.2~0.6 0.3~0.35 ≤0.1
2 鐵元素在6063鋁合金中的影響
2.1 鐵元素對6063鋁合金的耐腐蝕性能的影響
在戶外和潮濕環(huán)境中,金屬材料等極易腐蝕。因此,對化學(xué)性質(zhì)較為活潑的鋁材的耐腐蝕性能要求較高。
純鋁以及鋁合金在空氣中很容易氧化,生成致密堅(jiān)實(shí)的氧化膜,具有很好的自我保護(hù)作用,而且,當(dāng)氧化膜被破壞的時(shí)候,還可以與氧氣反應(yīng),重新生成氧化膜,具有很好的“自愈”功能。但是,鐵元素對鋁合金的這種“自愈”功能卻有著嚴(yán)重的影響。隨著鐵含量的增加,鋁合金的腐蝕程度依然是呈現(xiàn)劇烈的增長勢頭。實(shí)驗(yàn)可知,鐵含量近乎0的時(shí)候,年腐蝕深度最??;鐵含量增加到0.1%,年腐蝕深度增加到2倍;鐵含量增加到0.3%,年腐蝕深度增加到4倍;鐵含量增加到0.4%,年腐蝕深度增加到近乎6倍;這是因?yàn)殇X與鐵的電勢差高達(dá)1.2V,鐵元素以A1FeSi、FeA13等化合物存在,散布在鋁合金各個(gè)地方,先產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕,然后逐步沿著晶線方向發(fā)展,由點(diǎn)腐蝕發(fā)展成剝層腐蝕,消弱了鋁合金的耐腐蝕能力。
2.2 鐵元素對6063鋁合金機(jī)械性能的影響
Fe原子在鋁合金中可以形成各種形狀的鐵相,其中以片狀鐵相最易形成、最為常見,該鐵相的最大負(fù)作用是可以造成鋁合金基體的斷裂,降低鋁合金的機(jī)械性能。不同的鐵元素含量對鋁合金主要機(jī)械性能影響情況見表2:
表2 鐵元素對鋁合金機(jī)械性能的影響
Fe含量(%) 腐蝕相對損失率(%) 鐵相形態(tài) 耐腐蝕性拉伸強(qiáng)度(MPa) 延伸率(%)
0.3~0.35 8 粗大針片狀β相 106(弱) 0.9
0.25 6 細(xì)小片狀 158(中) 1.1
0.2 3 漢字狀
α相 174(強(qiáng)) 1.6
由此可知,為了滿足生產(chǎn)加工的需要,就需要對鋁合金中的Fe元素含量進(jìn)行調(diào)整,從而消除Fe元素的有害作用。通過金相研究得知,F(xiàn)e多以富鐵質(zhì)金屬化合物的狀態(tài)存在于鋁合金中,其中,粗大針片狀β鐵相具有小面特征,會(huì)割裂基體,造成應(yīng)力集中,降低合金的力學(xué)性能,降低其伸長率,對其塑性造成不利影響。因此,消除β鐵相具有重要意義。
2.3 相關(guān)的數(shù)據(jù)分析與總結(jié)
鐵鋁基合金材料在加入不同的金屬非金屬元素之后,可以表現(xiàn)出強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗氧化、重量輕等機(jī)械特點(diǎn)。
當(dāng)鋁合金在鑄造和拉伸的時(shí)候,由于Fe、Al、Ti、Si、B等元素在一定的溫度下可以形成復(fù)合粒子,所以會(huì)出現(xiàn)鑄造縮孔、氧化膜等缺陷,其最大屈服強(qiáng)度為216.64MPa,隨著拉伸長度的增加而逐漸減??;最大斷裂強(qiáng)度為224MPa,表現(xiàn)為先減小后增大的特性。這是因?yàn)?,在共晶粒子與基體結(jié)合部出現(xiàn)的裂紋,其發(fā)展方向是沿著柱狀晶的生長方向發(fā)展的,當(dāng)受到方向不一致的共晶粒子的阻擋的時(shí)候,就會(huì)增大斷裂強(qiáng)度。
通過實(shí)驗(yàn),可以得知,α-Fe固熔體彌散分布于基體之中,當(dāng)加入1.5%Ti、0.1%B,可以有效抑制柱狀晶的形成,鋁合金的抗拉強(qiáng)度為585MPa,此時(shí)鋁合金的塑性較差。當(dāng)加入1.5%Ti、0.1%B、3%Mn,F(xiàn)e-AI合金的抗拉強(qiáng)度為530MPa,雖有小幅度的下降,但是其伸長率≥4%,延展性明顯得到提高。
3 消除Fe相的有害作用兩種思路的應(yīng)用
消除Fe相的有害作用,多依據(jù)兩種思路而行:(1)改善Fe元素在鋁合金內(nèi)部的形貌形成,減少危害較大的針狀鐵相,使其變?yōu)槲:^小的漢字狀α相或其他形狀;(2)通過物理或化學(xué)方法,降低鋁熔體中Fe元素的含量。
3.1 改變Fe相的存在形貌
3.1.1 加入其他金屬中和Fe相。通過加入特定的金屬,將Fe分子的排列形態(tài)變成漢字狀α相,減少針狀β鐵相,進(jìn)而改變合金的強(qiáng)度、塑性與機(jī)械性能。常用金屬M(fèi)n作為中和媒介,加入適量的Mn,可以有效減少β鐵相的數(shù)量,甚至能夠讓β鐵相完全消失。
3.1.2 熔體過熱。根據(jù)β鐵相在γ-氧化鋁夾雜物上可以生核的原理,澆注過熱鋁液,人為制造充分過熱條件,能夠顯著消滅有害富鐵相的形核。將合金加熱到導(dǎo)致合金結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的溫度之上,然后迅速冷卻,迫使粗大針片狀鐵相的生成受到抑制。
3.1.3 提高冷卻速度。提高冷卻速度,可以縮短鐵相化合物的形成尺寸,在鋁合金內(nèi)部生成漢字狀化合物,替代β鐵相的生成。研究證明,低速(O.1℃/s)冷卻可以促進(jìn)β鐵相的形成,高速(10℃/s)冷卻可以有效減少β鐵相的產(chǎn)生。另外,提高冷卻速度還可以促進(jìn)鐵相的均勻分布,從而降低應(yīng)力不均勻的危害。
3.1.4 熱處理。常用的熱處理方法如下:加熱鋁合金到液相線之下的某一溫度并保持住,經(jīng)過一段時(shí)間,富Fe相即被溶解,發(fā)生碎斷和球化變化。
3.2 降低鋁熔體Fe元素含量
3.2.1 稀釋法。把純鋁或含鐵量較低的鋁合金,投入到含鐵量較高的鋁熔體中,從含量百分比的角度降低鋁合金的含鐵量。
3.2.2 沉淀法。沉淀法有兩種:(1)自由沉降法;(2)化學(xué)沉淀法。
自由沉降法的原理是:初生鐵相比鋁熔體密度大,在過熱溫度下,靜置鋁合金熔體,一段時(shí)間后,富鐵相就會(huì)下沉至熔體底部,類似水中沉淀泥沙。
化學(xué)沉淀法的原理是:在過熱溫度下,使用添加劑,與鐵相發(fā)生化學(xué)凝聚或置換反應(yīng),生成密度更大的富鐵相化合物,一段時(shí)間后,富鐵相化合物從熔體底部析出。添加劑多使用含有Mn、Cr、Ni等金屬元素的金屬化合物。
3.2.3 離心法。根據(jù)離心力原理,鋁合金熔體中密度較大的鐵相會(huì)移向外緣,與鋁熔體分離。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以快速高效地降低鋁合金的含鐵量,缺點(diǎn)是浪費(fèi)很大,生產(chǎn)工序增多。
在實(shí)際工作中,多采用綜合辦法以提高祛除效率。如中和劑+沉淀+過濾,中和劑+沉淀+離心法等。
4 結(jié)語
鋁合金的耐腐蝕性和機(jī)械性能等性能都與鐵元素含量有明顯的關(guān)系。通過上述方法可以有效降低鐵元素含量,可以有效改變鐵相狀態(tài),從而提高了鋁合金的機(jī)械性能。當(dāng)鐵相狀態(tài)被改變后,鋁合金的耐腐蝕性提高1~2.5倍,拉伸強(qiáng)度提高1.49~1.64倍,延伸率提高1.22~1.78倍,可以得到組織致密的鋁合金原件,對機(jī)械加工有著極大的幫助。
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(責(zé)任編輯:黃銀芳)