高冠軍， 李家棟， 李 勇， 王昭東， 賀 晨， 邸洪雙， 許光明

(軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室(東北大學)，沈陽 110819)

不同Mg/Si比對含Zn的Al-Mg-Si合金再結(jié)晶組織及性能的影響

高冠軍， 李家棟， 李 勇， 王昭東， 賀 晨， 邸洪雙， 許光明

(軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室(東北大學)，沈陽 110819)

為改善Al-Mg-Si系合金汽車板綜合性能，通過澆鑄法制備出3組合金成分鑄錠，并經(jīng)過均勻化、熱軋、中間退火、冷軋，獲得1 mm厚的合金板材. 合金板材經(jīng)560 ℃固溶30 min后，立即在100 ℃條件下預(yù)時效8 h，室溫停放14天，模擬鋁板轉(zhuǎn)運存儲過程，并拉伸變形2%，再在185 ℃下進行20 min烘烤處理，實現(xiàn)烘烤硬化. 采用金相顯微鏡、裝備電子背散射衍射的掃描電鏡對合金進行顯微組織觀察及織構(gòu)分析，通過萬能電子試驗機進行力學性能測定，研究不同Mg/Si比和高Zn元素對合金再結(jié)晶組織及織構(gòu)、烘烤硬化性以及腐蝕敏感性的影響. 結(jié)果表明，Mg/Si比相等合金再結(jié)晶組織更加均勻細小，平均晶粒尺寸190 μm，存在相對較少的Cube織構(gòu){001}<100>和較多的P型織構(gòu){011}<122>；高Mg合金、高Si合金局部晶粒粗大，Cube織構(gòu){001}<100>較多，P型織構(gòu){011}<122>較少；預(yù)時效后，Mg/Si比相等合金強度較高，且烘烤硬化性優(yōu)異，烤漆硬化增量達到107 MPa；烤漆后，更多的Zn原子擴散到晶界上，強化晶界微電流反應(yīng)，欠時效態(tài)Mg/Si比相等合金較高Mg合金、高Si合金抗腐蝕敏感性降低，被腐蝕深度為121 μm.

Al-Mg-Si-Zn合金；Mg/Si比；再結(jié)晶組織及織構(gòu)；烘烤硬化性；腐蝕敏感性

隨著世界范圍內(nèi)汽車保有量不斷提高，低排放、低油耗已成為節(jié)約型社會長期發(fā)展所不可或缺的需要，汽車輕量化是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵技術(shù). 鋁合金憑借其質(zhì)輕、耐蝕、比強度高、易加工、表面美觀等諸多優(yōu)點，已成為汽車輕量化的首選材料[1-4].

鋁合金汽車車身覆蓋板目前主要采用Al-Mg-Si系合金，Zn元素是常用添加元素之一. Zn作為合金循環(huán)回收過程中可再利用元素，能夠大幅加快合金時效響應(yīng)速度，提高烘烤硬化性. Saito等[5-6]研究指出，Zn的加入并沒有改變Al-Mg-Si系合金時效SSSS→GP區(qū)→β"→β′→β析出順序，Zn原子只是固溶于基體或析出相中，提高合金強度. 不僅其他外加元素對合金產(chǎn)生影響，改變主元素Mg、Si含量也會使合金組織性能發(fā)生變化. 桑益等[7]研究表明，減小Mg/Si比值，晶界和晶粒內(nèi)未溶的過剩Si單質(zhì)增多，并在一定程度上提高合金時效響應(yīng)速度. Tao等[8]研究表明不同Mg/Si比對合金自然時效惡化效應(yīng)具有一定影響，合金經(jīng)固溶處理并室溫放置兩周后，再進行人工時效，發(fā)現(xiàn)不同Mg/Si比對欠時效態(tài)合金強度影響不大，而對峰時效強度影響顯著. 目前，對于含Zn量較高的Al-Mg-Si合金來說，合金中Mg/Si比優(yōu)化問題還沒解決，不同Mg/Si比對再結(jié)晶組織和性能的影響尚不明確.

本文改變Al-Mg-Si系合金中Mg/Si比，并同時添加高含量的Zn元素，對比研究不同Mg/Si比對合金再結(jié)晶組織及織構(gòu)、烘烤硬化性和抗腐蝕敏感性的影響規(guī)律.

1 試 驗

實驗合金采用水冷銅模進行澆鑄，成分見表1. 3組合金Mg/Si比分別為1:1、2:1和1:2，Mg和Si元素總量為1.5%，Zn元素含量約為1.0%. 澆鑄鑄錠進行470 ℃×5 h和540 ℃×20 h雙級均勻化，并銑削處理. 隨后，鑄錠熱軋至5 mm厚后，中間退火410 ℃×1.5 h，最終再冷軋至1 mm厚. 熱軋開軋溫度為460 ℃，終軋溫度控制在350 ℃以下，見表1.

表1 實驗合金化學成分

合金板固溶溫度為560 ℃，時間30 min，使可溶相充分回溶. 快速風冷后，立即進行100℃×8 h的預(yù)時效處理. 空冷至室溫后，停放14天模擬鋁板轉(zhuǎn)運存儲過程(T4P態(tài)). 將T4P態(tài)合金板進行2%拉伸變形，并在185 ℃條件下烘烤處理20 min，實現(xiàn)快速時效響應(yīng).

拉伸試樣根據(jù)GB/T228.1—2010標準制樣，拉伸試驗在型號為INSTRON 4206型萬能電子試驗機上進行. 采用Imager.M2m型蔡司金相顯微鏡進行再結(jié)晶和腐蝕組織金相觀察，其中合金再結(jié)晶組織觀察前先經(jīng)過電解拋光和陽極覆膜處理. 通過安裝在ZEISS ULTRA 55型掃描電鏡上的電子背散射衍射(EBSD)系統(tǒng)對試樣進行微觀取向分析，并計算得到其取向分布函數(shù)(ODF).

2 結(jié)果與分析

2.1不同Mg/Si比對合金再結(jié)晶組織及織構(gòu)的影響

合金中再結(jié)晶晶粒越細小，細晶強化效果越顯著，這樣合金具有高強度的同時，其塑性也表現(xiàn)良好. 因此，在實際工業(yè)生產(chǎn)中總是設(shè)法獲得細小而均勻的再結(jié)晶組織，從而提高合金的綜合力學性能[9]. T4P態(tài)實驗合金經(jīng)過電解拋光和陽極覆膜處理后，通過偏光顯微鏡對其顯微組織進行觀察，3組實驗合金顯微組織見圖1. 通過觀察可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過560 ℃×30 min固溶處理后，合金已充分再結(jié)晶，再結(jié)晶晶粒呈等軸狀. 合金A和合金B(yǎng)的平均晶粒尺寸為190 μm和198 μm，而合金C的平均再結(jié)晶晶粒尺寸較大，為251 μm. 已有研究表明[10]，在鋁合金固溶處理過程中，再結(jié)晶過程比可溶相顆?；厝芑w過程優(yōu)先完成，所以，合金進行再結(jié)晶時，還沒回溶可溶相粒子在一定程度上起到了形核質(zhì)點的作用，即再結(jié)晶晶粒優(yōu)先在這些粒子周圍形核. 由于可溶相顆粒尺寸越小，顆粒數(shù)目越多，非自發(fā)形核的機會增大，且細小的可溶相顆粒能有效阻礙晶界遷移，抑制再結(jié)晶晶粒進一步長大，降低再結(jié)晶晶粒的生長速度. 而隨著合金中Si含量增加，這些可溶相顆粒尺寸增大，分布均勻性變差[11]. 故較高Si含量合金C再結(jié)晶晶粒尺寸大于其他合金.

(a)合金A (b)合金B(yǎng) (c)合金C

鋁合金再結(jié)晶的形核機制主要為立方形核、原晶界形核、剪切帶形核和粒子周圍的形變區(qū)激發(fā)形核(PSN)[12-13]. 而對于Al-Mg-Si系合金的再結(jié)晶織構(gòu)，一般是由立方帶形核晶粒和PSN形核晶粒相互作用決定的. 通過調(diào)節(jié)合金元素配比，使彌散相合理分布，從而有效控制合金的再結(jié)晶織構(gòu). 圖2、圖3分別為不同Mg/Si比合金TD面再結(jié)晶織構(gòu)IPF圖(inverse pole figure, 標準反極圖)和ODF圖. 由圖可知，合金A中Cube織構(gòu){001}<100>體積分數(shù)明顯少于合金B(yǎng)和合金C，其織構(gòu)取向密度也相對較低，Cube織構(gòu){001}<100>體積分數(shù)約為5.72%，但P型織構(gòu){011}<122>體積分數(shù)較大. 合金B(yǎng)和合金C織構(gòu)類型體積分數(shù)相似，均為較高含量的Cube織構(gòu){001}<100>和較低含量的P型織構(gòu){011}<122>. 值得一提的是，合金B(yǎng)和合金C中Goss織構(gòu){011}<100>體積分數(shù)均較高，分別達到13.7%和19.5%. 統(tǒng)計主要織構(gòu)組分類型及體積分數(shù)見表2.

圖2 不同Mg/Si比合金再結(jié)晶織構(gòu)IPF

Fig.2 IPF images of recrystallization texture of alloys with different Mg/Si ratio

圖3 不同Mg/Si比合金再結(jié)晶織構(gòu)ODF

Tab.2 Volume fraction of recrystallization texture of alloys with different Mg/Si ratio

%

再結(jié)晶過程中，合金A基體上存在的大量均勻彌散第二相顆粒能夠為再結(jié)晶提供形核質(zhì)點，并通過粒子激發(fā)形核促進再結(jié)晶，產(chǎn)生一定數(shù)量的P型織構(gòu){011}<122>[12]. 而高Mg含量的合金B(yǎng)和高Si含量的合金C，均由于某一元素含量欠缺，導(dǎo)致其第二相顆粒數(shù)量少于合金A，其PSN形核作用減弱，故P型織構(gòu){011}<122>體積分數(shù)較低. 同時，合金B(yǎng)和合金C冷軋板中存在大量Cube帶，合金再結(jié)晶時，在Cube帶上的形核晶粒均為Cube織構(gòu){001}<100>，所以其Cube織構(gòu){001}<100>較合金A相對較高. 最后，合金B(yǎng)和合金C中的高體積分數(shù)Goss織構(gòu){011}<100>則可能是由于某些晶粒局部偏聚而造成的.

2.2不同Mg/Si比對合金烘烤硬化性的影響

預(yù)時效處理后的合金經(jīng)過拉伸變形，再在185 ℃條件下進行20 min的烤漆處理，合金板材強度迅速增加，達到汽車板抗凹性需求. 變形和烘烤處理使得合金強度增加，其強度增加值稱為烤漆硬化增量[14]. 圖4為不同Mg/Si比合金預(yù)時效處理后和烤漆硬化后平行于軋制方向的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖. 由圖可知，3組合金預(yù)時效處理后屈服強度(Rp0.2)分別為138 MPa、132 MPa和104 MPa，其中合金A與合金B(yǎng)強度較高. 一方面，合金再結(jié)晶晶粒細小均勻，小晶粒的應(yīng)力集中小，需要在較大的外加應(yīng)力下才能使相鄰晶粒發(fā)生塑性變形，細晶強化效果明顯；另一方面，恰當?shù)腗g/Si比使合金在預(yù)時效過程中產(chǎn)生大量與基體共格的GP區(qū)，也就是Mg-Si原子團簇，這些原子團簇可有效阻礙位錯運動，增大合金變形抗力，從而強度提高.

圖4 不同Mg/Si比合金預(yù)時效和烤漆處理后應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5為3組合金烤漆硬化增量圖，其增量分別為107 MPa、78 MPa和76 MPa. 由于合金在烘烤硬化過程中，溶質(zhì)原子繼續(xù)擴散，預(yù)時效時形成的Mg-Si原子團簇可作為強化相形核核心. 隨著烤漆處理的進行，原子團簇生長，并沿一維方向迅速長大，實現(xiàn)快速時效響應(yīng)[15-16]. 預(yù)時效時，合金A與合金B(yǎng)形成較多原子團簇，強化相形核核心數(shù)量明顯高于合金C；且合金A由于其合理的Mg/Si原子配比，使得原子團簇在長大的過程中，可得到有效的溶質(zhì)原子補充，烤漆處理后獲得更多的強化相，故其烤漆硬化增量較高.

2.3不同Mg/Si比對合金腐蝕敏感性的影響

汽車板尤其是車身外板要求合金板材具有一定的抗腐蝕性能，本研究中腐蝕試驗按照英標BS11846B進行. 烤漆處理的3組合金(欠時效態(tài))經(jīng)腐蝕后金相見圖6. 從圖中可觀察到，欠時效態(tài)時，其它兩組合金表現(xiàn)出的抗腐蝕性能要優(yōu)于合金A，其被腐蝕深度為121 μm，而合金B(yǎng)和合金C腐蝕深度分別為74 μm和64 μm.

圖5 不同Mg/Si比合金烤漆硬化增量

Fig.5 Bake hardening increment of the alloys with different Mg/Si ratio

圖6 不同Mg/Si比合金欠時效態(tài)腐蝕深度

3組合金腐蝕類型均屬于晶間腐蝕，而晶間腐蝕主要是由晶界上微電流反應(yīng)導(dǎo)致的[5,17]. 在合金欠時效態(tài)，基體中的析出主要由Mg、Si原子組成，由于3組合金中均含有1.0%Zn元素，在形成析出相過程中，若缺乏其它溶質(zhì)原子補充，Zn原子可擴散到析出中，替換其它溶質(zhì)原子. 合金A合理Mg/Si比，導(dǎo)致更少的Zn原子補充，取代其他原子形成析出，而更多的Zn原子聚集到晶界上，強化晶界上微電流反應(yīng)，從而降低其抗腐蝕敏感性.

3 結(jié) 論

1)大量形核質(zhì)點使Mg/Si比相等合金再結(jié)晶組織更加均勻細小，且PSN形核機制導(dǎo)致高體積分數(shù)的P型織構(gòu){011}<122>產(chǎn)生；高Mg合金、高Si合金形核質(zhì)點較少，部分再結(jié)晶晶粒粗大，PSN形核作用減弱，使Cube織構(gòu){001}<100>體積分數(shù)較高，P型織構(gòu){011}<122>含量相對較低.

2)預(yù)時效處理后，均勻細小晶粒以及GP區(qū)的形成使Mg/Si比相等合金和高Mg合金屈服強度高于高Si合金；Mg/Si比相等合金由于合理Mg/Si配比，烤漆時團簇長大得到有效的原子補充，所以其同時具有優(yōu)異的烘烤硬化性.

3)欠時效時，Mg/Si比相等合金中更多的Zn原子擴散到晶界上，強化晶界微電流反應(yīng)，相比于高Mg合金和高Si合金，其抗腐蝕敏感性降低.

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InfluenceofdifferentMg/SiratioonrecrystallizedstructureandmechanicalpropertiesofAl-Mg-SialloycontainingZn

GAO Guanjun, LI Jiadong, LI Yong, WANG Zhaodong, HE Chen, DI Hongshuang, XU Guangming

(The State Key Laboratory of Rolling and Automation(Northeastern University), Shenyang 110819, China)

In order to improve overall performance of automotive sheet of Al-Mg-Si series alloy, three groups of alloy ingots were prepared by casting method, then, 1 mm thick alloy sheets were achieved through homogenization, hot rolling, intermediate annealing, cold rolling. After solution treatment at 560 ℃ for 30 mins, immediately pre-aging at 100 ℃ for 8 h, and then stored at room temperature for 14 days to simulate the process of transportation and storage. Finally, the alloy sheets baked hardening at 185 ℃ for 20 mins after 2% deformation. The microscopic structure of alloy was observed by metallographic microscope; its texture was analyzed by scanning electron microscope equipped with electron back scattering diffraction, and the mechanical property was tested by electronic universal testing machine. The effect of different Mg/Si ratio and high Zn content on recrystallized structure and texture, bake hardenability and corrosion sensibility were studied. The results indicated that the recrystallized structure of alloy with equal Mg/Si ratio was smaller and more uniform. The average size of grains was 190 μm. The cube orientation {001} <100> was smaller, while the P orientation {011} <122> was larger. Whereas the local grains of alloys with high Mg content and high Si content were coarse, the cube component {001} <100> was larger and the P component {011} <122> was smaller. The strength of alloy with equal Mg/Si ratio was higher, accompanied by good bake hardenability after pre-aging. The paint-bake hardening increment was 107 MPa. After bake hardening, more Zn atoms were diffused into grain boundary, enhancing the response of micro-current. The resistance of corrosion sensibility was poorer than that of high Mg content and high Si content alloy. The depth of corrosion was 121 μm.

Al-Mg-Si-Zn alloy; Mg/Si ratio; recrystallized structure and texture; bake hardenability; corrosion sensibility

10.11918/j.issn.0367-6234.201704044

TG146.2

A

0367-6234(2017)11-0041-05

2017-04-10

重點基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化重點專項(2016YFB 0300605)

高冠軍(1989—)，男，博士研究生

李 勇，liyong.neu@163.com

(編輯苗秀芝)