綠色建筑裝飾鋁合金模板的組織與性能研究

何仕發(fā)

(廈門炫麗裝飾工程有限公司，福建 廈門 361004)

近年來，質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高及具有良好耐腐蝕性能的建筑裝飾用鋁合金模板應(yīng)用較為廣泛，且隨著節(jié)能環(huán)保意識的增強(qiáng)和使用便捷性要求的提高，傳統(tǒng)的鋼鐵材質(zhì)模板正逐步被鋁合金模板取代，這也給建筑鋁合金模板帶來了巨大發(fā)展機(jī)遇。目前，國內(nèi)在建筑鋁合金模板方面的研究和報(bào)道相對較少，在材質(zhì)選擇以及工藝優(yōu)化等方面還存在如選取Al-Cu合金作為建筑裝飾用鋁合金模板，F(xiàn)e含量難以控制及對力學(xué)性能和耐腐蝕性能帶來不利影響等問題[1]。因此，需要對建筑裝飾用鋁合金模板中的富鐵相的存在形式及其演變規(guī)律進(jìn)行研究[2]，通過工藝手段實(shí)現(xiàn)對富鐵相的控制，然而，現(xiàn)在對鋁合金中富鐵相的研究多集中在Al-Si合金中，而對于Al-Cu合金中富鐵相的存在形式和控制工藝方面的研究較少[3-4]。本文從成分優(yōu)化和擠壓工藝角度出發(fā)，考察Mn/Fe比例和擠壓壓力對建筑裝飾用鋁合金模板的微觀組織和性能的影響，結(jié)果有助于新型建筑鋁合金模板的開發(fā)與工業(yè)化應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用擠壓鑄造的方法制備建筑裝飾用鋁合金模板，實(shí)際成分測試結(jié)果見表1。合金原料按照成分設(shè)計(jì)比熔煉和精煉處理后，采用擠壓鑄造的方法成型，澆注前的模具需要進(jìn)行預(yù)熱處理，室溫升高至250 ℃并保溫30 min，在0～70 MPa壓力下進(jìn)行成型，隨后進(jìn)行空冷和脫模，制成Φ100 mm×55 mm鋁合金鑄錠。

表1 擠壓鑄造鋁合金化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

在奧林巴斯GX51光學(xué)顯微鏡上對不同擠壓鑄造工藝下的鋁合金試樣進(jìn)行金相組織觀察，并用附帶圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)富鐵相；采用NovaTMNanoSEM 430型掃描電鏡觀察微觀形貌，并用附帶能譜儀測試成分；采用鋼研納克GNT300型拉伸試驗(yàn)機(jī)，在拉伸速率2 mm/min和室溫條件下進(jìn)行拉伸性能測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

Mn/Fe比例分別為0，0.8，1.6，2.0時(shí)Al-Cu合金的掃描電鏡顯微形貌，見圖1。合金中第二相的成分測試結(jié)果見表2。不同Mn/Fe比例的Al-Cu合金中的富鐵相包括魚骨狀A(yù)lmFe、塊狀α-Fe(Al15(FeMn)3(CuSi)2)和Alm(FeMn)相以及針狀β-Fe(Al7Cu2Fe)相。當(dāng)Mn/Fe比例為0時(shí)，Al-Cu合金中主要第二相為魚骨狀A(yù)lmFe和針狀β-Fe相；當(dāng)Mn/Fe比例為0.8時(shí)，Al-Cu合金中除魚骨狀A(yù)lmFe和針狀β-Fe相外，還出現(xiàn)了多邊形塊狀A(yù)lm(FeMn)相和θ(Al2Cu)相；繼續(xù)提高M(jìn)n/Fe比例至1.6時(shí)，Al-Cu合金中可見塊狀α-Fe和θ(Al2Cu)相；在Mn/Fe比例提高至2.0時(shí)，Al-Cu合金中可見塊狀α-Fe和Al6(FeMn)相。

(a)0 (b)0.8 (c)1.6 (d)2.0

表2 不同Mn/Fe比例的Al-Cu合金的微區(qū)成分

Al-Cu合金進(jìn)行透射電鏡顯微形貌觀察結(jié)果見圖2。透射電鏡下Al-Cu合金中第二相為魚骨狀，電子衍射花樣表明表明其點(diǎn)陣參數(shù)a=b=0.883 nm，點(diǎn)陣參數(shù)c=2.15 nm(體心立方結(jié)構(gòu))，結(jié)合文獻(xiàn)[5]可知，這種魚骨狀第二相為富鐵相AlmFe相。

(a)形貌

Al-Cu合金中富鐵相的形貌觀察結(jié)果見圖3。魚骨狀A(yù)lmFe相整體呈現(xiàn)為樹枝狀形貌特征，β-Fe整體呈現(xiàn)出針片狀，α-Fe整體呈現(xiàn)出松散的臺階狀，Al6(FeMn)整體呈現(xiàn)出帶有分支的臺階狀。結(jié)合圖1的觀察結(jié)果可知，Al6(FeMn)相出現(xiàn)在Mn/Fe比從1.6增大至2.0的階段，推測其可能是由α-Fe相轉(zhuǎn)變而來[6]。

(a)AlmFe

擠壓壓力為0 MPa時(shí)不同Mn/Fe比例Al-Cu合金的金相組織見圖4。當(dāng)Mn/Fe比例為0和0.4時(shí)，Al-Cu合金中可見明顯魚骨狀A(yù)lmFe相、針狀β-Fe相和θ(Al2Cu)相，如圖中箭頭所示；當(dāng)Mn/Fe比例增加至0.8時(shí)，除AlmFe相、β-Fe相和θ相，塊狀α-Fe和Alm(FeMn)相也被發(fā)現(xiàn)；繼續(xù)提高M(jìn)n/Fe比例至1.6時(shí)，Al-Cu合金中僅可見塊狀α-Fe和θ(Al2Cu)相；在Mn/Fe比例為2.0時(shí)，合金中存在α-Fe、θ和Al6(FeMn)相。總體而言，Mn/Fe比例從0增大至2.0，針狀β-Fe相的含量呈現(xiàn)為逐漸減少的趨勢，在Mn/Fe比例達(dá)到1.6時(shí)，針狀β-Fe相基本消失，并在Mn/Fe比例為2.0時(shí)出現(xiàn)Al6(FeMn)相。由此可見，Mn/Fe比調(diào)整可改善富鐵相的存在形式，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用過程中可以加以控制。

(a)0

擠壓壓力為70 MPa時(shí)不同Mn/Fe比例Al-Cu合金的金相組織見圖5。Mn/Fe比例為0及0.4時(shí)，Al-Cu合金有AlmFe相和β-Fe相，而θ(Al2Cu)相并不是很明顯；Mn/Fe比例為0.8時(shí)，Al-Cu合金中主要為AlmFe相和α-Fe相；Mn/Fe比例為1.6時(shí)，Al-Cu合金只有塊狀α-Fe相；在Mn/Fe比例為2.0時(shí)，Al-Cu合金中除α-Fe相外，還出現(xiàn)了Al6(FeMn)相，如圖中箭頭所示。總體而言，合金中針狀β-Fe相在Mn/Fe比例為1.6時(shí)已經(jīng)基本消失。

(a)0

不同Mn/Fe比例和擠壓壓力下Al-Cu合金中富鐵相的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見圖6。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Mn/Fe比例從0增大至2.0或者擠壓壓力從0 MPa增大至70 MPa，針狀富鐵相長度減小、寬度增加，但是通過改變Mn/Fe比例和施加擠壓壓力的方法并不能顯著改變合金中魚骨狀富鐵相的尺寸。

圖6 不同Mn/Fe比例和擠壓壓力下Al-Cu合金中富鐵相的尺寸

不同Mn/Fe比例的Al-Cu合金的常溫拉伸曲線見圖7。從抗拉強(qiáng)度與Mn/Fe比例的變化曲線可知，隨著Mn/Fe比例的增加，Al-Cu合金的抗拉強(qiáng)度先增大后減小，在Mn/Fe比例為1.2時(shí)取得最大值，且在相同Mn/Fe比例下，擠壓壓力越高則合金的抗拉強(qiáng)度越大；從屈服強(qiáng)度Mn/Fe比例的關(guān)系曲線可見，3種擠壓壓力下Al-Cu合金的屈服強(qiáng)度隨著Mn/Fe比例的變化趨勢與抗拉強(qiáng)度相似，在Mn/Fe比例為1.2時(shí)取得屈服強(qiáng)度最大值；從斷后伸長率-Mn/Fe比例的關(guān)系曲線可見，當(dāng)擠壓壓力為0時(shí)，斷后伸長率先增加后降低，擠壓壓力為35，70 MPa時(shí)，斷后伸長率逐漸減小。由此可見，在擠壓壓力為0，30，70 MPa條件下，Al-Cu合金的力學(xué)性能隨著Mn/Fe比例的變化而表現(xiàn)為不同的變化特征，如擠壓壓力為0 MPa，Al-Cu合金在Mn/Fe比例為1.6時(shí)取得力學(xué)性能最佳值，而擠壓壓力為70 MPa時(shí)合金的最佳力學(xué)性能出現(xiàn)在Mn/Fe比例為1.2時(shí)，這主要與合金中富鐵相的種類及其尺寸有關(guān)[8]，如在擠壓壓力為0、Mn/Fe比例為1.6時(shí)，有危害的針狀β-Fe幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)閷?qiáng)度有利的魚骨狀或者塊狀α-Fe[9-10]。

圖7 Mn/Fe比例對擠壓鑄造Al-Cu合金力學(xué)性能的影響

3 結(jié)論

1)不同Mn/Fe比例的Al-Cu合金中富鐵相包括AlmFe、α-Fe、Alm(FeMn)和針狀β-Fe相。

2)合金中針狀β-Fe相在Mn/Fe比例為1.6時(shí)已經(jīng)基本消失。當(dāng)Mn/Fe比從0增大至2.0或者擠壓壓力從0 MPa增大至70 MPa，針狀富鐵相長度減小、寬度增加，但是通過改變Mn/Fe比例和施加擠壓壓力的方法并不能顯著改變合金中魚骨狀富鐵相的尺寸。

3)隨著Mn/Fe比例的增加，Al-Cu合金的抗拉強(qiáng)度先增大后減小，在Mn/Fe比例為1.2時(shí)取得最大值，且在相同Mn/Fe比例下，擠壓壓力越高則合金的抗拉強(qiáng)度越大。