張建新, 高愛華
(1.河南理工大學材料科學與工程學院,河南焦作454000;2.河南理工大學機械與動力工程學院,河南焦作454000)
6063鋁合金具有良好的熱塑性、優(yōu)良的耐蝕性及理想的綜合機械性能,而且容易進行電鍍處理,因而被廣泛用于生產(chǎn)工業(yè)型材、建筑行業(yè)型材及電子散熱器材。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同,對材料的性能要求存在很大差別,例如用于電子基站散熱系統(tǒng)的高端產(chǎn)品,往往要經(jīng)過復(fù)雜的鍍鎳、鍍錫處理,這對材料的表面性能要求較高[1~3]。生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn),不少鋁型材經(jīng)過鍍錫處理后,產(chǎn)品表面出現(xiàn)很多黑斑點,隨后斑點處表層開始剝落(大約2個月后),型材表面出現(xiàn)了大面積的腐蝕缺陷(見圖1),嚴重影響了產(chǎn)品的表面質(zhì)量。電鍍前要經(jīng)過很多中間環(huán)節(jié)(如堿蝕、酸洗、鍍鋅等),材料所處環(huán)境極為惡劣[4~6]。為了合理改善鋁型材的組織結(jié)構(gòu),獲得良好的耐蝕性能,有必要研發(fā)一種高性能電鍍鋁合金材料,以適應(yīng)當前高端產(chǎn)品的市場需求[7]。本工作以6063鋁合金為研究對象,通過調(diào)整化學成分、改善均勻化制度和采用合理的擠壓工藝三種途徑,對電鍍產(chǎn)品的耐蝕性能進行了分析。
圖1 電鍍鋁型材出現(xiàn)的表面缺陷Fig.1 Surface defect of plating aluminum extrusion
采用純鋁錠、純鎂、鋁硅中間合金配制6063鋁合金,合金化學成分見表1。在7.5kW電阻爐中用石墨坩堝熔煉相應(yīng)的實驗材料,然后澆鑄成直徑為85mm的圓形鑄錠,用300噸油壓機將鑄錠擠壓成散熱鋁型材,然后對擠壓型材進行人工時效處理。各試樣編號后進行表面鍍錫,然后對比材料的電鍍性能。
表1 6063鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 The chemical ingredient of 6063 aluminum alloy(mass fraction/%)
用PHILIPS-XL30型掃描電子顯微鏡觀察組織的形貌特征,利用EPMA電子探針技術(shù)分析材料的成分組成,采用X射線衍射儀進行物相定性分析(XRD),用物理天平和化學腐蝕方法測定其他腐蝕參數(shù)。
為了獲得表面耐蝕性能較好的鋁型材制品,先分析腐蝕缺陷處殘留物的化學成分,篩選出合理的成分配比。表2是利用EPMA電子探針技術(shù)對腐蝕處殘留物進行成分分析的數(shù)據(jù),其中編號為1,2,3,4的試樣表面腐蝕情況較為嚴重,5號試樣則是按正常工藝處理,腐蝕缺陷情況較輕。
表2 腐蝕缺陷處殘留物的成分分析(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 2 Composition analysis of residuum in corrosion defect(mass fraction/%)
從表中數(shù)據(jù)可知,腐蝕斑點處的殘留物成分主要是游離Si相(1,2點)和AlSiFe相(3,4點),而另一種合金元素Mg則很少參與,同時還發(fā)現(xiàn)氯元素在殘留物處發(fā)生了吸附,這說明氯離子(Cl―)可能參與了腐蝕過程。不論是游離Si相還是三元化合物AlSiFe相,都有Si元素的參與。設(shè)想組織中沒有多余的Si元素存在,也就消除了游離Si相和AlSiFe相,從這個意義分析,說明合理調(diào)整鋁合金的化學成分十分重要。在6063鋁合金中,主要合金元素Mg,Si成分范圍較寬,不同用途的材料其質(zhì)量比值不同,為了改善合金的強度,確保Mg元素能充分形成強化相Mg2Si,一般在配制合金成分時使Si元素適量過剩,因為隨著Si含量的增加,組織晶粒變細,熱處理效果明顯[8]。另一方面,Si元素的過剩也有負面作用,使合金材料的塑性降低,耐蝕性能變壞。研究表明:當鎂、硅質(zhì)量比值在1.70~1.50之間時(正常比值為1.73),組織中出現(xiàn)的游離Si相和AlSiFe相很少,合金材料的耐腐蝕性能較好,電鍍型材的表面出現(xiàn)腐蝕缺陷的概率大大降低(見圖2);當鎂、硅質(zhì)量比值小于1.4后,晶界處出現(xiàn)了很多游離態(tài)Si元素(見圖3),鋁合金的耐蝕性能顯著降低,電鍍后產(chǎn)品表面出現(xiàn)了大面積的腐蝕缺陷。
針對以上理論分析,結(jié)合多次現(xiàn)場實驗對比,得出控制6063鋁型材電鍍產(chǎn)品的腐蝕缺陷,改善6063鋁型材耐蝕性能的途徑之一就是:在滿足材料強度要求的前提下,采用下限配制合金化學成分,具體配方為Mg含量0.596%,Si含量0.383%,此時二者質(zhì)量之比為1.556,Si過剩0.04%。
鋁合金鑄錠在擠壓成型前的均勻化處理對改善型材的組織十分重要。不少廠家為了降低加工成本,省去了均勻化處理,然而對于電鍍鋁型材產(chǎn)品這道工序不能沒有,因為均勻化處理對鋁型材的表面性能至關(guān)重要。為了分析均勻化處理對材料耐蝕性能的影響,采取對比手法做了如下實驗:在室溫條件下,將經(jīng)過均勻化處理快速冷卻、均勻化處理緩慢冷卻及未經(jīng)均勻化處理的試樣分別稱重后浸入3.5% NaCl+1%H2O2的腐蝕介質(zhì)中72h,取出晾干后再次用物理天平稱重,獲得表3數(shù)據(jù),其中Wf,Wa分別表示試樣腐蝕前后的質(zhì)量,Ht表示均勻化處理方式,Slip代表相對損失率。
表中數(shù)據(jù)表明:經(jīng)均勻化處理快速冷卻方式得到的試樣具有良好的耐腐蝕性能,未經(jīng)均勻化處理的試樣耐腐蝕性能最差,而經(jīng)均勻化處理緩慢冷卻的試樣耐腐蝕性能居中。6063鋁合金產(chǎn)生腐蝕的典型現(xiàn)象是局部點腐蝕,從電化學腐蝕的機理看,引起局部點蝕的重要原因是微電池的形成,一般說來,成分及組織的均勻性提高可抑制微電池的形成,這就是說組織越均勻,腐蝕中反應(yīng)速率越慢,材料的相對損失率越?。?]。鑄錠通過均勻化處理后,合金鑄態(tài)組織發(fā)生如下變化:晶界和晶內(nèi)偏析基本消除,強化相Mg2Si溶入α基體鋁中,不平衡共晶組織消失,針狀β (Al9Fe2Si2)相向球狀α(Al12Fe3Si2)相轉(zhuǎn)化(見圖4)。通過上述變化,合金材料的加工性能得到很大改善,如降低了擠壓時金屬流動的不均勻性、減少了型材表面裂紋傾向等不利因素,后續(xù)擠壓過程中也確實證明了這一點;另外,采用快速冷卻主要是使組織中析出的Mg2Si相細小均勻,在后續(xù)加工過程中易于重溶,這使得產(chǎn)品的時效熱處理效果較為理想。
表3 均勻化處理對合金腐蝕性能的影響Table 3 Effect of homogenizing treatment on corrosion performance
圖4 均勻化處理對合金鑄態(tài)組織的影響對比(a)均勻化前;(b)均勻化后Fig.4 The effect of homogenizing treatment on cast structure of the alloy(a)before homogenizing;(b)after homogenizing
綜合以上分析,實驗中得出的最佳均勻化處理工藝如圖5所示,不難看出改善鋁型材耐蝕性能的途徑之二是:擠壓前對鑄錠進行必要的均勻化處理,采用560℃/6h熱處理制度效果較好,鑄錠出爐后先進行強制風冷,230℃以后用水霧強制冷卻至室溫,整個冷卻過程應(yīng)在1h左右完成。
要獲得表面耐蝕性能較強的材料,擠壓工藝參數(shù)是其重要一環(huán)。為了制定出適合6063鋁合金的擠壓工藝,參照前一節(jié)實驗原理,對相同規(guī)格的擠壓制品做了三個批次的耐腐蝕性能研究,具體實驗數(shù)據(jù)如見表4所示,其中符號Tout,Cm,Wf,Wa和Slip分別代表型材的出口溫度、冷卻方式、試樣腐蝕前質(zhì)量、腐蝕后質(zhì)量及腐蝕相對損失率。
圖5 均勻化處理工藝示意圖Fig.5 Diagrammatic sketch of homogenizing treatment craft
表4 擠壓工藝對合金腐蝕性能的影響Table 4 Effect of extrusion technology on corrosion property of alloy
分析表中數(shù)據(jù)知道:當型材出口溫度為510℃快速冷卻時,擠壓型材具有最佳的耐腐蝕性能,出口溫度過高或過低均對材料的耐腐蝕性能有負面影響;相對于快速冷卻,緩慢冷卻方式不利于材料的耐腐蝕性能發(fā)揮。6063鋁合金可加工性能較好,擠壓前的快速預(yù)熱溫度一般在480℃左右,坯錠的快速預(yù)熱并不會改變均勻化組織結(jié)構(gòu),而且沉淀相Mg2Si仍然保持著較低的變形抗力[10]。對于實心型材而言,為了改善組織的均勻性,通常型材的擠出速率在30m/min以上;再者,為了使Mg2Si充分固溶于鋁基體中,型材的出口溫度應(yīng)大于500℃,但為了保證型材的表面質(zhì)量及尺寸精度,出口溫度一般不超過530℃。實際上在一定的擠壓條件下,型材的出口溫度隨出口速率的增加而增加(見圖6),為了保證型材出口溫度在510℃左右,可以采取改變擠壓速率的方法調(diào)節(jié)型材出口溫度,圖中對應(yīng)于510℃的型材出口速率大約為37m/min,這個速率數(shù)值與前面的分析范圍一致;最后需要特別指出的是,出模型材的快速冷卻有利于改善材料的強度,Mg2Si強化相不容易脫溶[11]。
圖6 鋁型材出口速率與出口溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship of outlet velocity and outlet temperature of aluminum extrusion
通過上述理論分析,結(jié)合鋁電鍍材料對耐蝕性能的特殊要求,可得出提高鋁型材耐蝕性能的途徑之三是:擠壓前鑄錠的快速預(yù)熱溫度應(yīng)控制在480℃,采取適宜的擠壓速率保證型材的出口溫度在510℃左右,出模后型材要快速冷卻。
(1)合理調(diào)整6063鋁合金的化學成分有利于提高材料的耐蝕性能,Mg,Si元素的質(zhì)量比值在1.55附近時性能較佳。
(2)對鑄錠進行必要的均勻化處理有助于擠壓型材耐蝕性能的發(fā)揮,均勻化后鑄錠應(yīng)及時采取快速強制冷卻。
(3)適宜的擠壓工藝對鋁型材的組織特性至關(guān)重要,型材的出口溫度在510℃左右時材料具有較好的耐蝕性能。
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