提高6063鋁合金表面耐蝕性能的途徑研究

2011-03-13 05:24:10張建新高愛華

航空材料學(xué)報 2011年2期

張建新，高愛華

(1.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000;2.河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)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(yán)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(dāng)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(xué)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。

1 實驗材料和方法

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(xué)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?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(xué)腐蝕方法測定其他腐蝕參數(shù)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分的影響

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(xué)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(yán)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?jǐn)?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(xué)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(dāng)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(dāng)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(xué)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%。

2.2 均勻化處理的影響

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(xué)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小［9］。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(fēng)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。

2.3 擠壓工藝的影響

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(dāng)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］。