軋制壓下量對Fe-8Al合金板材耐蝕性的影響

郭 煒,史 茜,鐘慶東,趙啟亮,張俊良

(上海大學 材料科學與工程學院 省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,上海 200072)

軋制壓下量對Fe-8Al合金板材耐蝕性的影響

郭 煒,史 茜,鐘慶東,趙啟亮,張俊良

(上海大學 材料科學與工程學院 省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,上海 200072)

采用真空電磁感應熔煉制備了Fe-8Al合金，采用80%、70%、63%和50%軋制壓下量制成合金板材，最后對4種Fe-8Al合金板材進行900 ℃退火保溫10 min后水冷的熱處理。采用掃描電子顯微鏡(SEM)，拉伸試驗和電化學試驗對4種Fe-8Al合金板材的性能進行分析。結果表明：隨著軋制壓下量的增大，Fe-8Al合金板的晶粒尺寸逐漸減小；軋制壓下量為80%時Fe-8Al合金板材的綜合力學性能最好；軋制壓下量為63%時Fe-8Al合金在5%(質量分數)Na2SO4溶液中的耐蝕性最好。80%為Fe-8Al合金軋制工藝制度的最佳軋制壓下量。

Fe-8Al合金；軋制工藝；顯微組織；力學性能；電化學性能

近年來，輕量化、低排放、低成本與節能等是汽車制造工藝的重點研究方向。輕量化是提高汽車燃油經濟性的有效手段，鋁合金的密度較小，可以滿足汽車輕量化的要求，因此鐵鋁合金作為新一代的汽車用鋼替代材料具有廣泛的應用前景。當鋁的原子分數小于10%時，具有無間隙結構，使其具有類似于無間隙原子鋼(IF鋼)的優良深沖性能[1-2]。常用的鐵鋁合金有冷軋或熱軋帶材，其主要特點是電阻率高、硬度高，密度小(6.5～7.2 g/cm3)，抗振動和抗沖擊性能良好。同時，由于原材料價格低廉，所以鐵鋁合金作為汽車用鋼具有廣闊的應用前景。

軋制是鋼材最常用的生產方式，軋件由摩擦力拉進旋轉軋輥之間，受到壓縮進行塑性變形，通過軋制可使金屬獲得一定形狀、尺寸和性能。在軋制過程中，影響材料塑性的因素很多，如軋制壓下量、軋制壓力、軋制溫度、軋輥輥型等。對于冷軋試驗鋼，軋制壓下量是一個重要的影響因素。Fe-8Al合金為Fe-Al鐵素體鋼，具有較好的塑性[3-6]。本工作研究了鍛造加熱軋開坯之后，Fe-8Al合金在900 ℃下退火并保溫10 min后淬火工藝條件下，不同軋制壓下量對Fe-8Al合金顯微組織、力學性能和電化學性能的影響。

1 試驗

1.1 試樣

將工業用99.999 9%(質量分數，下同)純鐵和99.999 9 %純鋁按照設定的體系配比，采用真空電磁感應熔煉制備Fe-8Al合金。熔煉過程中用C元素控制真空電磁感應爐中O元素含量，添加一定量的Ti元素進行精煉，Ti元素可以固定C、N等元素，形成碳化物、氮化物，以形成Fe-Al無間隙原子結構[7-9]。精煉一定時間之后，將熔化得到的液體進行澆注，冷卻后得到Fe-8Al合金鑄錠，其化學成分為：wAl7.81%,wC0.007 2%,wMn0.012%,wP0.006,wS0.000 5,wN0.002,余量為Fe。

鑄錠冷卻后去除表面氧化皮，經過熱軋三道次得到厚度為4.2 mm的板材，終軋溫度為900 ℃，空冷至85 ℃時進行酸洗，然后室溫冷軋至0.87 mm、1.3 mm、1.6 mm、2.1 mm等4個目標厚度，即4種板材的軋制壓下量分別為80%(A)、70%(B)、63%(C)和50%(D)。采用馬弗爐對4種板材進行熱處理，工藝為900 ℃下退火10 min后，水冷后備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 形貌表征

沿軋制方向切取試樣，尺寸為1 cm×1 cm，將試樣用水磨砂紙(240～2 000號)逐級打磨至鏡面光亮，吹干后用8%(體積分數,下同)硝酸酒精和過量的苦味酸浸蝕。

用LEICA MICROSYSTENS DM6000M金相顯微鏡(OM)觀察4種試樣的金相組織和形貌。采用HITACHI SU-1500掃描電鏡(SEM)、色散能譜(EDS)等方法研究其凝固組織的斷口微觀形貌、合金的化學成分分布和偏析情況。

1.2.2 力學試驗

按照國家標準GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》切取拉伸非標準試樣(試樣總長32 mm，柄部寬4.2 mm，平行段長度為22 mm)，每種板材制備3個平行試樣。用1 000號砂紙打磨，去除拉伸試樣平行段表面及側面氧化層。

常溫狀態下，在空氣中利用Instron5848型微型拉伸儀進行拉伸試驗，初始應變速率為2×10-3s-1，測量拉伸試樣的流變應力和試樣拉斷時的延伸率。

1.2.3 電化學試驗

電化學試驗用試樣的尺寸為1 cm×1 cm，試樣工作面用水磨砂紙(240～2 000號)逐級打磨至鏡面光亮，非工作面用環氧樹脂封裝后制成工作電極，將工作電極置于丙酮中超聲清洗去除表面殘余物，再用酒精和去離子水先后清洗后待用。電化學試驗在CHI660C電化學工作站完成，采用三電極體系，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，工作電極為試樣。考察4種Fe-8Al合金試樣在5%(質量分數，下同)Na2SO4溶液中的電化學阻抗譜，頻率為10-2～105Hz，利用ZSimpWin軟件對阻抗譜進行等效電路擬合分析。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可見，軋制壓下量越大，合金再結晶的晶粒越小。這是因為壓下量越大，材料受到的軋制力越大，組織形變越大，組織越均勻。

(a) 80% (b) 70%

(c) 63% (d) 50%圖1 采用不同軋制壓下量制備的Fe-8Al合金的微觀形貌Fig. 1 Micro-morphology of Fe-8Al alloy prepared by different rolling reductions

金屬的變形程度是表征材料變形前與變形后形狀變化大小的參數，即材料變形量的大小，是決定再結晶溫度的重要因素之一。金屬的變形量越大，金屬中的存儲能越多，再結晶的溫度越低，但當變形程度增加到一定數值后，再結晶的溫度趨于穩定值。另外形變金屬的晶粒越細小，單位體積內晶界總面積越大，位錯在晶界附近塞積，導致晶格強烈扭曲的區域也越大，可以提供再結晶形核的場所越多，其再結晶溫度也越低。

由圖1可知，Fe-8Al合金試樣的軋制壓下量為63%及50%時，試樣未發生完全再結晶仍存在帶狀的纖維組織，說明其再結晶溫度高于900 ℃。且軋制壓下量為63%的試樣的帶狀組織明顯寬于軋制壓下量為50%的試樣的。

Fe-8Al合金試樣的形變越大，得到的晶粒越細小。在熱處理過程中，軋制壓下量越小，再結晶溫度越高，在退火溫度為900 ℃時，軋制壓下量為63%及50%的Fe-8Al合金試樣的變形量相對較小，未發生完全再結晶，仍存在帶狀的纖維組織。

2.2 力學性能

由表1和圖2可知，軋制壓下量為80%的Fe-8Al合金試樣具有最好的力學性能，這是因為在900 ℃，軋制壓下量為80%時Fe-8Al合金試樣發生完全再結晶。由HALL-PETCH關系式可知：晶粒越細小，材料的屈服強度越大[10-11]。而軋制壓下量為70%、63%、50%時Fe-8Al合金試樣的斷后伸長率相近，這是因為在900 ℃退火并保溫10 min熱處理得到的材料未發生完全再結晶。材料中存在大量的未完全再結晶的帶狀纖維組織，纖維組織的存在大大降低了材料的塑性。由于存在寬大的帶狀纖維組織，軋制壓下量為63%時Fe-8Al合金試樣的斷后伸長率低于軋制壓下量為50%Fe-8Al的合金試樣的。孫揚善等[9]研究軋制工藝對Fe3Al金屬間化合物塑性的影響時指出，冷變形形成的條帶狀纖維組織越寬，材料的塑性越低，這與本試驗得到的結果一致。

表1 采用不同軋制壓下量制備的Fe-8Al合金的拉伸試驗結果

圖2 采用不同軋制壓下量制備的Fe-8Al合金的應力-應變曲線Fig. 2 Stress and strain curves of Fe-8Al alloy prepared by different rolling reductions

晶粒細化提高了材料的塑性，材料的斷裂強度見式(1)。

(1)

式中:a為斷裂面間距的原子間距;γ為單位面積表面能;E為彈性模量。

在多晶體的同一體積內，晶粒越細小，晶粒數越多。在斷裂過程中，晶粒由于外加切應力的作用，其位錯源開動，產生大量位錯。當這些位錯滑移到晶界附近時塞積，引起應力集中，使得其周圍晶粒的距離為a的位錯源也開動。由彈性理論得出，在與長度為c的裂紋相距a處的應力集中為(c/a)1/2。此裂紋長度正比于塞積位錯的數量，因而也就正比于晶粒的直徑a(-1/2)。因此，晶粒越細，斷裂前的塑性越高，材料的塑性越好。

由HALL-PETCH關系式可知，金屬的屈服強度與晶粒大小有如下關系：

(2)

式中:σ0表示晶內變形阻力，相當于單晶體的屈服強度；Ky表示晶界性質；d表示晶粒直徑的大小。

式(2)表明，材料的屈服強度與晶粒直徑的平方根倒數成正比。在常規晶粒范圍內，晶粒越細，屈服強度越高，多晶體的強度隨著晶粒的細化而提高，這就是細晶強化的原理。綜上所述，細化晶粒能同時提高材料的強度和塑性。

由圖3可見，軋制壓下量為80%時，Fe-8Al合金試樣(A試樣)的斷口存在纖維區，斷口下端有傾斜角(接近45°)且存在大量韌窩；而上端小部分類似平齊的斷口，也有少量的韌窩存在，且A試樣的斷后伸長率達34%，因此可以判斷A試樣的斷裂形式為韌性斷裂。

材料按照裂紋擴展路徑分類，可分為穿晶斷裂和沿晶斷裂。穿晶斷裂可能是韌性斷裂也可能是脆性斷裂。而沿晶斷裂則多是脆性斷裂，少數為韌性斷裂[12]。由圖3還可見，軋制壓下量為70%、63%、50%時，Fe-8Al合金試樣以沿晶斷裂為主，伴隨少量等軸韌窩的沿晶韌性斷裂形貌。

2.3 電化學性能

由圖4可見，4種試樣的電化學阻抗譜均呈現出一段畸變的圓弧，但其阻抗值有較大差異且表現出明顯的規律，這與它們表面電荷的傳遞過程有關。由圖4(a)可見，當軋制壓下量由80%遞減至63%時，Fe-8Al合金試樣的圓弧半徑逐漸增大，總阻抗逐漸增大，且在軋制壓下量為63%的Fe-8Al合金試樣的阻抗值最大，說明在該壓下量下Fe-8Al合金試樣的耐蝕性最好。

(a) 80% (b) 70%

(c) 63% (d) 50%圖3 采用不同軋制壓下量制備的Fe-8Al合金的斷口形貌Fig. 3 Fracture morphology of Fe-8Al alloy prepared by different rolling reductions

(a) Nyquist圖

(b) Bode圖圖4 采用不同軋制壓下量制備的Fe-8Al合金的電化學阻抗譜Fig. 4 EIS of Fe-8Al alloy prepared by different rolling reductions

由圖4(b)可見,4種Fe-8Al合金試樣均有兩個時間常數，利用ZSimpWin軟件對樣品的電化學阻抗譜進行等效電路分析，其等效電路如圖5所示,相關電化學參數擬合結果見表2。其中Rct是能直接反應金屬腐蝕速率的參數，Rct越大說明試樣的腐蝕速率越低。

圖5 電化學阻抗譜的等效電路圖Fig. 5 Equivalent circuit of EIS

表2 采用不同軋制壓下量制備的Fe-8Al合金在5% Na2SO4溶液中電化學阻抗譜的擬合值

由表2可見，隨著Fe-8Al合金試樣的軋制壓下量由80%減小到63%，Rct逐漸增大，Cdl逐漸減小。結合圖1可以發現，經過加熱900 ℃保溫10 min處理后，軋制壓下量越小，得到的Fe-8Al合金試樣存在未完全再結晶的帶狀纖維組織越多，而纖維組織的存在使得材料表面產生的鈍化膜更加致密，耐蝕性由此得到一定提高[13]。此外，隨著軋制壓下量的減小，Fe-8Al合金試樣的氣孔、裂縫逐漸減少，晶界、活化點數和內部的儲存能降低，試樣的電化學活性降低，使Fe-8Al合金試樣在5% Na2SO4溶液中耐蝕性提高，這與KOWALSKI等[14]的研究結果相似。隨著軋制壓下量由63%繼續減小到50%，其Rct反而有所降低，這是由于當壓下量為50%時，帶狀組織和細化的晶粒不規則分布，均勻性降低，從而導致Fe-8Al合金試樣的耐蝕性降低。

綜合分析各軋制壓下量Fe-8Al合金試樣的力學性能和耐蝕性可知：軋制壓下量對材料的力學性能有較大影響，對材料耐蝕性的影響相對較小。其中,80%軋制壓下量下制得的Fe-8Al試樣合金的力學性能最好，斷后伸長率最大(34%)。而采用63%軋制壓下量制得的Fe-8Al合金試樣的耐蝕性最好，電化學阻抗最大(3 485 Ω·cm2)，而其斷后伸長率僅為17%，遠低于采用80%軋制壓下量制得的Fe-8Al合金試樣的。綜合考慮，選擇80%為Fe-8Al合金軋制工藝制度的最佳軋制壓下量。

3 結論

(1) Fe-8Al合金在900 ℃保溫10 min后水冷的熱處理工藝下，軋制壓下量越大，其晶粒越細小，組織越均勻。

(2) 采用80%軋制壓下量制得Fe-8Al合金具有最好的力學性能，斷后伸長率、屈服強度及抗拉強度分別為34%、415 MPa、513 MPa。

(3) 當軋制壓下量為63%～80%時，隨著軋制壓下量的減小，Fe-8Al合金在5% Na2SO4溶液中的耐蝕性逐漸提高；但當壓下量減小到50%時，Fe-8Al合金的耐蝕性降低。

(4) 軋制壓下量為80%時，制得Fe-8Al合金試樣的力學性能最佳，且其耐蝕性優異，故Fe-8Al合金軋制工藝制度的最佳軋制壓下量為80%。

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Effect of Rolling Reduction on the Corrosion Resistance of Fe-8Al Alloy Sheets

GUO Wei, SHI Xi, ZHONG Qingdong, ZHAO Qiliang, ZHANG Junliang

(State Key Laboratory of Advanced Special Steels, School of Materials Science and Engineering, Shanghai University,Shanghai 200072, China)

Fe-8Al alloy was prepared by vacuum induction melting. The alloy sheets were prepared by 70%, 63%, 50% and 80% rolling reduction, respectively, then the Fe-8Al alloy were treated at 900 ℃ for 10 minutes and water-cooled. SEM, tensile test and electrochemical test were used to investigate the properties of 4 Fe-8Al alloy sheets. The results showed that with the increase of rolling reduction, the material grain size decreased. Fe-Al alloy sample with a rolling reduction of 80% had the best comprehensive mechanical properties. Fe-Al alloy sample with a rolling reduction of 63% had the best corrosion resistance in 5% (mass) Na2SO4solution. The best rolling reduction for Fe-8Al alloy was 80%.

Fe-8Al alloy; rolling process; microstructure; mechanical property; electrochemical performance

10.11973/fsyfh-201705012

2015-11-26

南通市產學研協同創新計劃項目(BC2014010)

鐘慶東(1969-)，教授，博士生導師，從事材料腐蝕與防護研究，13391312191，qdzhong@shu.edu.cn

TG174

A

1005-748X(2017)05-0372-05