Si含量對5056鋁合金顯微組織與性能的影響

馬惠寧　李雅靜

摘要：將不同含量的Si（從1%到9%）加入5056鋁合金中，再將同等含量的分成兩組，其中一組經過固溶加時效處理。分別對各組試樣進行金相顯微組織觀察和布氏硬度測試，探究Al-Mg-Si合金中不同Si元素含量對組織和合金力學性能的影響，以及熱處理對同含量試樣組織和力學性能的影響。試驗結果表明：隨著Si元素含量的增加，合金力學性能呈單調上升趨勢。

Abstract： Join the different content of Si （from 1% per cent to 9% per cent） in 5056 aluminum alloy， then the same content is divided into two groups， the aging is carried into one set of solid solution. Metallographic microstructure observation and Brinell hardness test are carried out for each group to explore the effect of the different Si content in Al-Mg-Si alloy on the microstructure and mechanical properties and the effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of the sample with the content. Test results indicate that with the increase of Si in elements， the mechanical properties of alloy are monotone on the rise.

關鍵詞：5056鋁合金；第三元素Si；顯微組織；力學性能

Key words： 5056 aluminum alloy；the third element Si；microstructure；mechanical properties

中圖分類號：TS912+.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）05-0142-03

0 引言

鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中已大量應用。稀土元素加入鋁合金中，使鋁合金熔鑄時增加成分過冷，細化晶粒，減少二次枝晶間距，減少合金中的氣體和雜志，并使雜質相趨于球化。還可降低熔體表面張力，增加流動性，有利于澆鑄成錠，對工藝性能有著明顯的改善[1]。

鋁鎂合金鋁板主要元素是鋁，再摻入少量的鎂或是其它的金屬材料來加強其硬度。以Mg為主要添加元素的鋁合金，由于它抗蝕性好，又稱防銹鋁合金。鎂鋁合金既有金屬的強度，而且重量又輕于散熱，抗壓性較強，能滿足3C產品高度集成化、輕薄化、微型化、抗摔撞及電磁屏蔽和散熱的要求[2]。

Al-Mg合金是鑄造鋁合金中耐腐蝕性能最高的一類合金，尤其是抗電化學腐蝕的能力強，在固溶裝填，Mg全部溶解，合金成為單一的α固溶體，整個鑄件構成一個等位體，在腐蝕介質中不易發生電化學腐蝕[4]。即使組織中存在Mg2Al3時，其電極電位較基體Al更低，在腐蝕介質中，形成鋁基體為陰極、Mg2Al3為陽極時的許多微電池，Mg2Al3被腐蝕，鑄件表面形成單一的α固溶體，腐蝕過程中斷。

從Al-Mg二元狀態圖可看到：鎂在鋁中有很大的固溶度，在共晶溫度（723K）時其最大的固溶度達17.4%，而且鎂原子半徑比鋁大13%，鎂大量溶于固溶體后，就使得晶格產生較大的畸變，故Al-Mg合金有很高的固溶強化作用[5]。隨著含鎂量的增加，合金機械性能亦顯著增加。

Al-Mg合金的機械性能壁厚效應是比較大的，因此合金縮松傾向較大，鑄件厚大處由于冷卻凝固較慢，易產生縮松和晶粒粗大。同時，由于厚大處在液態停留時間較長，易氧化和與水汽反應，而產生晶間氧化和氣孔，縮松的存在促進了晶間氧化的發展，故Al-Mg合金在壁厚增加時，機械性能下降。Al-Mg合金自然時效嚴重，在長期使用中β相沿晶界不斷析出，使塑性大大降低，甚至開裂。在鑄造Al-Mg系合金中，加入Zn，Cu，Ag等元素，將降低Mg原子的擴散速度，控制了析出相的形狀和尺寸，從而改善了合金的自然時效穩定性。

而硅鋁合金是用量最大的硅合金。硅鋁合金是一種強復合脫氧劑，在煉鋼過程中代替純鋁可提高脫氧劑利用率，并可凈化鋼液，提高鋼材質量[7]。硅鋁合金密度小，熱膨脹系數低，鑄造性能和抗磨性能好，用其鑄造的合金鑄件具有很高的抗擊沖擊能力和很好的高壓致密性，可大大提高使用壽命，常用其生產航天飛行器和汽車零部件。Al-Si合金在共晶溫度577°C時，硅在固溶體中的最大溶解度為1.65%。盡管溶解度隨溫度降低而減少，這類合金一般是不能熱處理強化的。鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性。

所以若鎂和硅同時加入鋁中形成鋁鎂硅系合金，強化相為Mg2Si。鎂和硅的質量比為1.73：1。設計Al-Mg-Si系合金成分時，基體上按此比例配置鎂和硅的含量。有的Al-Mg-Si合金，為了提高強度，加入適量的銅，同時加入適量的鉻以抵消銅對抗蝕性的不利影響。Mg2Si在鋁中的最大溶解度為1.85%，且隨溫度的降低而減速小。變形鋁合金中，硅單獨加入鋁中只限于焊接材料，硅加入鋁中亦有一定的強化作用。

本課題通過研究不同含量的Si元素對5056合金力學性能的影響規律，并考察5056合金的組織與性能之間關系。并研究熱處理工藝對5056合金組織和性能的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

純硅粉、5056Al-Mg合金。

根據Al-Mg 、Al-Si二元相圖以及Mg、Si含量對合金的性能影響的圖分析，經過計算設計方案如下。

■

1.2 熱處理

為測試Si的不同添加量以及熱處理前后試樣性能并觀察熱處理后內部結構的改變，我們將試樣分成A、B兩組，其中B組做熱處理。

1.3 材料力學性能測試

本實驗對試樣進行布氏硬度測試。試樣為有色金屬，且硬度較小，在表面測試五次硬度值以減小試驗誤差，故選用直徑為5mm的壓頭，試驗力為2452N，試驗力保持時間為30s。

注意：試驗選用5mm的壓頭，在查表求硬度值時將所測得的壓痕直徑乘以2后再查表。

2 實驗數據分析

2.1 金相組織分析

圖1是試樣打磨拋光后的金相照片，左邊為熱處理前試樣，右邊為熱處理后的試樣，從上至下按Si的含量依次增加排列，放大倍數均為100倍。（左邊是A組，右邊是B組）

由圖1可明顯看出：隨著Si含量的增加，合金晶粒總體呈現逐漸減小的趨勢，但在含量到2℅時，晶粒大小卻異常增大，其可能是第2相Mg2Si的溶解度降低所導致。5%和9%樣品組織很均勻，合金中由于組織均勻，因此具有良好的耐腐蝕性和硬度。

2.2 硬度分析

表2是熱處理前后不同Si含量試樣硬度值的比較。

■

■

Si含量為0-2%時，Si與Mg形成Mg2Si相，由于Mg含量過剩，降低了Mg2Si相在基體中的溶解度，所以強化作用不大，而且降低了合金的塑性，此時Si為有害雜質。

綜合合金相圖可見，晶粒度與硬度之間的對應關系，即晶粒越小，硬度越大大。

3 結論

①Al-Mg-Si合金為不可熱處理合金；

②添加5.00%Si和9.00%Si的鑄態樣品硬度比未添加的硬度分別提高了66.8%和77.5%，說明第三元素Si的添加能顯著提高鑄態Al-Mg合金的機械性能；

③晶粒度及硬度之間呈現對應關系，晶粒越小，硬度越大，熱處理后的晶粒比熱處理之前的晶粒要大，機械性能也低；

④Si含量為0-2%時，Si與Mg形成Mg2Si相，由于Mg含量過剩，降低了Mg2Si相在基體中的溶解度，所以強化作用不大，而且降低了合金的塑性。

參考文獻：

[1]有色金屬及其熱處理編寫組著，有色金屬及其熱處理[M].北京：國防工業出版社，1981：29-142.

[2]周曉霞，張仁元，劉銀峁.稀土元素在鋁合金中的作用和應用[J].應用天地，2003（6）：18.

[3]翟春泉，曾小勤，丁文江，等.鋁合金的開發與利用[J].機械工程材料，2001，25（1）：6.

[4]彭斌輝.鎂鋁合金性質研究及測定原理[J].實用技術，2004（1）.

[5]張小明，柴惠芬，王笑天.燃燒合成TiAl合金結構轉變動力學的端部淬火熄滅法分析[J].稀有金屬材料工程，1999，28（03）.

[6]陳瑞潤，丁宏升，郭景杰，等.冷坩堝連續熔凝法制備Ti47Al53合金扁錠[J].特種鑄造及有色合金，2008，28（02）.

[7]閆蘊琪.超高純Al-Mg-Cu合金的力學性能[J].稀有金屬快報，2002（9）.

[8]王家熾，黃積榮，林建生.金屬的凝固度其控制[M].北京：機械工業出版社，1983.