退火工艺对Al-Mg-Mn合金力学性能及腐蚀性能的影响.pdf

轻合金加工二技术Vol51,No6LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY45D01:10.13979/j.1007-7235.2023.06.007退火工艺对Al-Mg-Mn合金力学性能及腐蚀性能的影响李鹏伟1,唐鸿洋,韩启强，蒋敏，王向杰（1.东北大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110 8 19;2.辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳1110 0 3）摘要：对Al-Mg-Mn合金挤压型材进行不同工艺退火，探究退火工艺对Al-Mg-Mn合金挤压型材力学性能及腐蚀性能的影响。研究结果表明：Al-Mg-Mn合金挤压型材在退火后，抗拉强度、屈服强度及硬度均下降，伸长率提高，耐腐蚀性能有所提升；当退火温度升高到38 0 时，挤压型材表面几乎没有明显的剥落腐蚀产物及晶间腐蚀凹坑，仅有极其少量的表面点蚀，具有较好的耐腐蚀性能；综合考虑Al-Mg-Mn合金挤压型材的力学及腐蚀性能，最佳退火温度为380，保温时间为2 h。关键词：Al-Mg-Mn合金；挤压型材；晶间腐蚀；剥落腐蚀；退火处理中图分类号：TG146.21;TG156.2;TG172文献标识码：A文章编号：10 0 7-7 2 35（2 0 2 3)0 6-0 0 45-0 8Effect of annealing process on mechanical and corrosionproperties of Al-Mg-Mn alloyLI Pengweil-2,TANG Hongyang”,HAN Qiqiang”,JIANG Min,WANG Xiangjie(1.School of Material Science and Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China;2.Liaoning Zhongwang Group Co.,Ltd.,Liaoyang 111003,China)Abstract:The influence of annealing process on mechanical and corrosion properties ofAl-Mg-Mn alloy extruded profiles was investigated with different annealing processes.The re-sults show that Al-Mg-Mn alloy after annealing has decreased tensile strength,yield strengthand hardness,but increased elongation and corrosion resistance.When annealing temperaturerises to 380 C,there are almost no obvious exfoliation corrosion products or intergranularcorrosion pits on the surface of extruded profiles,only very little surface pitting,which ex-hibit good corrosion resistance.Considering the mechanical and corrosion properties of Al-Mg-Mn alloy extruded profiles,the optimal annealing temperature is 380 C and the holdingtime is 2 h.Key words:Al-Mg-Mn alloy;extruded profile;intergranular corrosion;exfoliation corro-sion;annealing processAl-Mg系合金为不可热处理强化铝合金，具有良好的抗腐蚀性能、机械加工性能及焊接性能，广泛应用于航空航天、船舶制造等领域。虽然合金元素Mg在Al中的溶解度随温度变化很大，但Al-Mg合收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 6基金项目：国家重点研发计划（2 0 2 2 YFB3504401）；国家自然科学基金（5 2 2 7 10 94，U1708251）；辽宁省重点研发计划（2 0 2 0 JH2/10700003）第一作者简介：李鹏伟（198 3），男，辽宁辽阳人，正高级工程师。轻合金加工技术Vol51,No6LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY46金淬火后形成的CP区尺寸较小（1.0 nm1.5nm），其周围又有密集的空位云，与母相几乎不发生共格应变。因此，在热处理过程中无法产生析出强化过程，但合金有强烈的沿晶界沉淀析出相的倾向2 。通常，在Al-Mg合金中添加Mn元素可提高其再结晶温度，防止晶粒长大，提高合金的强度；随着Mn元素的添加，Mg元素在合金中的溶解度逐渐降低，可有效降低焊接裂纹倾向，进而提升其焊接性能3刘晓滕等人【4 研究发现Al-Mg系合金汽车板要求很高。例如在进行汽车覆盖件的冲压生产时，要求Al-Mg系合金既要有较好的良好的成型性能，又要有较高的强度和表面质量。对于0 态的Al-Mg系合金产品，其晶粒尺寸粗大，极易产生橘皮缺陷，且在后期进行汽车涂漆生产时，易产生罗平纹缺陷而严重影响汽车外观质量和成品率。此外研究发现Al-Mg系合金在不同的退火工艺下具有明显的性能差异，合适的退火工艺可保持合金稳定性，并使合金兼具强度及耐腐蚀性能。因此Al-Mg系合金必须进行稳定化退火处理才可使其性能达到最佳，以适应其服役环境5-6 。O韦小园等人7 对含饵Al-6Mg-1Mn合金挤压型材进行退火处理，发现2 6 0（16 2 4）h稳定化退火工艺可有效提升其耐腐蚀性能。冯旺等人【8 研究了不同退火制度下添加Sc元素的Al-Mg合金的组织及性能，结果表明，添加Sc元素可显著提升Al-Mg合金的力学性能，当退火工艺为30 0 2 h时，可使合金获得更强的耐腐蚀性能。本试验主要通过对Al-Mg-Mn合金挤压型材进行不同的退火工艺处理，探究不同的退火工艺对Al-Mg-Mn合金挤压型材的组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响。试验材料及方法试验材料为添加Mn元素的AI-Mg-Mn合金带筋板挤压型材，断面为宽2 0 0 mm，厚2 mm，如图1所示。合金成分如表1所示。挤压工艺如表2 所示。通过对不同退火工艺下Al-Mg-Mn合金挤压型材的组织、硬度、力学及耐腐蚀性能进行测试与分析，探究退火温度及退火时间对A1-Mg-Mn合金挤压型材力学性能及腐蚀性能的影响。退火制度如表3所示。2200图1Al-Mg-Mn合金挤压型材断面示意图Fig.1 Schematic diagram of cross-section of Al-Mg-Mnalloy extruded profiles表1Al-Mg-Mn合金挤压型材的化学成分（质量分数/%）Table 1 Chemical composition of Al-Mg-Mn alloyextruded profiles(wt/%)SiMgFeCuMnTiA10.056.100.090.020.600.11余量表2Al-Mg-Mn合金挤压型材的挤压工艺Table 2 Extrusion process of Al-Mg-Mn alloyextruded profiles铸锭温度/挤压速度/（mmin-1）挤压筒温度/模具温度/4304700.51.0430450430470表3Al-Mg-Mn合金挤压型材的退火工艺Table 3 Annealing process of Al-Mg-Mn alloyextruded profiles退火温度/退火时间/h14024023203802.6.124502500化学成分使用瑞士ARL公司生产的ARL-3460型直读光谱仪进行检测。拉伸力学性能使用日本岛津AG-IC50KN电子万能试验机进行检测。材料硬度采用FV-810型维氏硬度计进行测试。采用美墨尔特CTC256型恒温恒湿箱进行剥落腐蚀、晶间腐蚀试验，剥落腐蚀试验时将Al-Mg-Mn合金挤压型材置于溶液底部的支架上，并将温度控制在2 6，浸蚀时间为48 h。晶间腐蚀试验时将Al-Mg-Mn合金挤压型材悬挂浸人试验溶液中，并将温度控制在36，浸蚀时间为48 h。使用德国蔡司AXIO型万能研究级倒置式材料显微镜对材料晶界组织和晶粒形态进行观察。采用日本岛津SSX-550扫描电子显轻合金加工技术Vol51,No6一LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY微镜观察样品组织形貌。采用TecnaiG20透射电子显微镜上对合金不同热处理状态下的微观组织进行观察分析。2试验结果及分析2.1退火温度对Al-Mg-Mn合金组织与性能影响2.1.1金相组织为消除Al-Mg-Mn合金挤压型材加工过程中所产生的应力集中，提升材料稳定性，提高其抗腐蚀性能并有效消除内应力，对Al-Mg-Mn合金挤压型材进行不同温度保温2 h退火处理，不同温度退火后的Al-Mg-Mn合金挤压型材的微观组织如图2 所示。由图2 a图2 c可见，当退火温度为140、2 40 及320时，基体内部晶粒未见长大；当温度达到380时，晶粒组织稍有长大，但长大得不明显，如图2 d所示；当退火温度达到45 0 时（如图2 e所示），晶粒进一步长大，但长大过程晶粒组织为非均匀性长大；如图2 f所示，当退火温度为5 0 0 时，晶粒明显长大，可观察到均匀的等轴晶晶粒。20um20m20ma-140b-240c-32020m20 m20 md-380e-450f-500图2不同退火温度保温2 h后的Al-Mg-Mn合金挤压型材的微观组织Fig.2 Microstructures of Al-Mg-Mn alloy extruded profiles after 2 h annealing at different temperatures出现上述现象的原因是Al-Mg-Mn合金挤压型材在退火过程中发生了回复和再结晶。在低温退火初期发生回复，晶粒的形貌尚未明显变化。这是由于温度较低导致驱动能不足以使再结晶形核。从320以后再结晶开始，晶粒获得充分的驱动能开始形核，随着退火温度的升高，再结晶的程度不断升高，晶粒尺寸不断变大。2.1.2SEM组织图3为不同退火温度保温2 h后的Al-Mg-Mn合金挤压型材的SEM组织。由图3可知，当退火温度为32 0 以下时，SEM组织无明显形貌区别，当退火温度超过32 0 时，可在基体中观察到大量的第二相。在退火温度分别为140、2 40 及32 0 时，如图3a、3b、3c 所示，SEM组织均为由Al。M g s 和Al,Mg2组成的相、杂质Fe与合金元素形成的FeM-nAl.以及未完全退火所残留的Mg2Si相；而当退火温度分别升高至38 0、45 0 及5 0 0 时，Al-Mg-Mn合金的电镜图如图3d、3e、3f 所示，在基体中可观察到大量相、少量的FeMnAl.相、Mg2Si相及单质Si，其中相呈骨骼状均匀分布，FeMnAl.呈片状零星分布，单质Si呈游离状分布，当退火温度超过38 0，FeMnAl.在基体中发生聚集现象。出现上述现象的原因是Al-Mg-Mn合金挤压型材在挤压状态时，相大多以过饱和固溶体的形式存在于前期经固溶处理的基体内部；退火处理过程中，随着退火温度逐步升高时，基体内部逐渐析出相，且数量随着退火温度的升高而大幅增加。2.1.3TEM组织当退火温度为140 时，如图4a所示，胞状组织的周围存在大量的位错，其特征为数量多、相互缠结并形成了一定的应力场，造成晶界不明显；当退火温度为2 40 时，如图4b所示，位错数量减少，发轻合金加工技术Vol.51,No6LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY48a-140b-240c-320d-380e-450f-500图3不同退火温度保温2 h后的Al-Mg-Mn合金挤压型材SEM组织Fig.3 SEM microstructures of Al-Mg-Mn alloy extruded profiles after 2 h annealing at different temperatures0.5m0.5ma-140b-2400.5 um0.5mc-380d-500图4不同退火温度保温2 h后的Al-Mg-Mn合金挤压型材TEM组织Fig.4 TEM microstructures of Al-Mg-Mn alloy extruded profiles after 2 h annealing at different temperatures生回复，出现小角度晶界和亚晶组织以及少量的第二相粒子，这些少量的第二相粒子会钉扎密度逐渐降低的位错以及亚晶界；当退火温度为38 0 时，如图4c所示，Mn元素与基体形成了MnA1.第二相粒子，其与基体呈共格状态，密度逐渐降低的位错在晶界处排列整齐，基体中出现大角度亚晶界；当退火温度升高到5 0 0 时，如图4d所示，可观察到MnA1。第二相粒子析出并对亚晶形成钉扎。位错分布在大角度晶界附近，并持续保持规则排列，且可以观察到清晰的亚晶。轻合金加工技术Vol51,No6LIGHTALLOY FABRICATION TECHNOLOGY49从上述组织变化可以看出，Al-Mg-Mn合金挤压型材组织的位错数量随着退火温度的升高而减少，晶界变明显，亚晶组织逐步清晰可见，说明在退火过程中发生了回复和再结晶。合金的强度与硬度的变化规律与基体内部位错密度有关。Al-Mg-Mn合金挤压型材在挤压变形过程中，晶粒沿挤压方向拉长，出现纤维状变形组织，位错迅速大量增殖导致位错密度增大。在退火过程中，组织产生明显的回复，使得位错密度部分降低，当退火温度超过38 0，基体开始发生再结晶，位错呈现规则排列，且密度显著降低。因此Al-Mg-Mn合金挤压型材在历经挤压成型、退火回复、再结晶阶段，位错密度也随之从最大到部分降低，最终显著降低，使Al-Mg-Mn合金挤压型材的力学性能降低2.1.4力学性能Al-Mg-Mn合金挤压型材的维氏硬度测试结果如图5 所示。由图5 可以看出，在140 35 0 温度区间，硬度近似呈一次函数分布；温度在35 0 以上，Al-Mg-Mn合金挤压型材硬度趋于平缓。根据硬度变化确定再结晶温度方法可知，Al-Mg-Mn合金挤压型材的再结晶温度至少在35 0 以上。1201101009080100150200250300350400450500550退火温度/图5Al-Mg-Mn合金挤压型材经不同温度保温2h退火后的硬度Fig.5 Hardness of Al-Mg-Mn alloy extruded profilesafter 2 h annealing at different temperatures图6 所示为Al-Mg-Mn合金挤压型材在不同温度保温2 h退火后的拉伸力学性能。由图6 可知，随着退火温度升高，Al-Mg-Mn合金挤压型材的抗拉强度及屈服强度降低，伸长率呈现升高趋势2.1.5剥落腐蚀性能图7 为Al-Mg-Mn合金挤压型材经不同温度保温2 h退火后的剥落腐蚀性能42022400屈服强度抗拉强度21380一伸长率3602034032019%/率斗邮3001828026017240220162001518016014100150200250300350400450500退火温度/图6Al-Mg-Mn合金挤压型材经不同温度保温2 h退火后的力学性能Fig.6 Mechanical properties of Al-Mg-Mn alloy extrudedprofiles after 2 h annealing at different temperatures302520151050100150200250300350400450500550退火温度/图7 Al-Mg-Mn合金挤压型材经不同温度保温2 h退火后的剥落腐蚀性能Fig.7 Exfoliation corrosion performance of Al-Mg-Mn alloyextruded profiles after 2 h annealing at different temperatures由图7 可以看出，合金经140 2 h退火处理后，再经2 4h浓硝酸浸泡，腐蚀最为严重，腐蚀质量损失为2 7.40 6 mg/cm。当退火温度升到2 40（保温2 h）时，合金的腐蚀质量损失为2 3.0 7 2 mg/cm，耐腐蚀性能有所提高。退火温度超过32 0 后，质量损失降至15 mg/cm以下，达到耐腐蚀标准。图8 为经140 2 h、38 0 2 h 退火后Al-Mg-Mn合金挤压型材剥落腐蚀微观形貌。可以观察到退火温度为140 时，剥落腐蚀最为严重，出现起皮及分层现象，如图8 a所示；当退火温度为2 40 时，表皮仍然有少量的剥落现象；当退火温度为32 0 以上时，在合金表面没有观察到明显的剥落腐蚀现象；Al-Mg-Mn合金经38 0 2 h退火处理后，合金的表面几乎没有明显的腐蚀现象，仅有极其少量的表面轻合金加工技术Vol51,No6LIGHTALLOY FABRICATION TECHNOLOGY50点蚀，抗剥落腐蚀性能较好，如图8 b所示。1000ma-1401000mb-380图8Al-Mg-Mn合金挤压型材经不同温度保温2 h退火后的剥落腐蚀形貌Fig.8 Exfoliation corrosion morphologies of Al-Mg-Mn alloyextruded profiles after 2 h annealing at different temperatures2.1.6晶间腐蚀性能如图9 所示为AI-Mg-Mn合金挤压型材在1402 h、5 0 0 2 h 退火状态下晶间腐蚀表面形貌，随退火温度升高其抗晶间腐蚀性能呈升高趋势。当退火制度为140 2 h时，腐蚀深度最大为2 8 8.7 3um；当退火制度为5 0 0 2 h时，仅在近表面位置发生腐蚀现象，腐蚀深度仅为35.2 3m。如图10 所示为Al-Mg-Mn合金挤压型材晶间腐蚀深度变化图。由图10 可以看出，退火温度对A1-Mg-Mn合金挤压型材抗晶间腐蚀性能影响较大，尤其在38 0 以下时，影响更为明显电化学腐蚀是铝合金晶间腐蚀的主要形式，主要原因是析出相与基体、晶界附近贫化区电位不同，通常晶粒作为阴极，杂质以及合金元素主要富集在晶界上，晶界比晶内更活泼，所以成为阳极，构成微腐蚀电池，产生沿晶界腐蚀现象9-10 2.2退火时间对Al-Mg-Mn合金组织与性能影响由以上研究结果可知，当退火制度为38 0 2 h100 ma-140100mb-500图9Al-Mg-Mn合金挤压型材经不同温度保温2 h退火后的晶间腐蚀表面形貌Fig.9 Intergranular corrosion morphologies of Al-Mg-Mn alloyextruded profiles after 2 h annealing at different temperatures3002.50/200150100500100150200250300350400450500550退火温度/图10Al-Mg-Mn合金挤压型材经不同温度保温2 h退火后的晶间腐蚀深度变化图Fig.10 Diagram of intergranular corrosion depth of Al-Mg-Mnalloy extruded profiles after 2 h annealing at differenttemperatures时,Al-Mg-Mn合金挤压型材的力学与耐腐蚀性能相对最佳。为研究保温时间的影响，补充了38 0 6 h和38 0 12 h的退火试验。图11 图14分别为38 0 不同保温时间退火轻合金加工技术2Vol51,No6LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY51后Al-Mg-Mn合金挤压型材的金相显微组织、透射电子显微组织、硬度及力学性能。通过与38 0 2 h的退火制度对比发现，当退火温度为38 0，保温时间分别为6 h及12 h时，Al-Mg-Mn合金挤压型材的组织、力学性能及腐蚀性能与保温时间为2 h时的相差不大，故保温时间对Al-Mg-Mn合金挤压型材组织及性能无影响。20 ma-6h20umb-12h图11Al-Mg-Mn合金挤压型材经38 0 不同保温时间退火后的金相组织Fig.11 Metallographic structures of Al-Mg-Mn alloy extrudedprofiles annealed at 380 f o r d i f f e r e n t t i me0.2uma-6h0.2umb-12h图12Al-Mg-Mn合金挤压型材经38 0 不同保温时间退火后的TEM组织Fig.12 TEM microstructures of Al-Mg-Mn alloy extrudedprofiles annealed at 380 f o r d i f f e r e n t t i meFig.12 TEM microstructures of Al-Mg-Mn alloy extrudedprofiles annealed at 380 f o r d i f f e r e n t t i me1009590858024681012时间/h图13Al-Mg-Mn合金挤压型材经38 0 不同保温时间退火后的硬度Fig.13 Hardness of Al-Mg-Mn alloy extruded profilesannealed at 380 f o r d i f f e r e n t t i m e1818400抗拉强度屈服强度一一伸长率36017320%/率斗电16280240152001601424681012时间/h图14Al-Mg-Mn合金挤压型材经38 0 不同保温时间退火后的力学性能Fig.14 Mechanical properties of Al-Mg-Mn alloy extrudedprofiles annealed at 380 f o r d i f f e r e n t t i me轻合金加工工技术Vol51,No6LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY523结论1）A l-M g-M n 合金挤压型材在退火后，抗拉强度、屈服强度及硬度值均下降，但伸长率提高。当退火工艺为38 0 2 h时，合金的力学性能及腐蚀性能最佳。2）当退火制度为140 2 h时，Al-Mg-Mn合金剥落腐蚀及晶间腐蚀最为严重。随着退火温度的升高，Al-Mg-Mn合金挤压型材的耐腐蚀性增强，当退火温度为38 0 5 0 0 时，合金表面几乎没有明显的剥落腐蚀产物及晶间腐蚀凹坑出现，仅有极其少量的表面点蚀，抗腐蚀性能较好。3）当退火温度为38 0、保温时间分别为2 h、6h及12 h时，Al-Mg-Mn合金挤压型材的金相组织、力学性能及腐蚀性能无明显区别。参考文献：1吴锡坤.5 A30带筋宽幅铝型材的制备技术研究D.长沙：中南大学，2 0 10.2王祝堂.铝材及其表面处理手册M.南京：江苏科学技术出版社，1992：2 1-2 2.3王迎.Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金薄板的组织性能与疲劳特性研究D.长沙：中南大学,2 0 13.4刘晓滕，赵佳蕾，孙有政，程仁策，吕正风，赵国群.中间退火对Al-Mg-Si系铝合金汽车板组织和性能的影响J.金属热处理，2 0 2 0,45（10）：119-12 4.5杜江，刘东雨，侯世香.退火温度对Al-Mg-Si导线性能的影响J.科学技术创新,2 0 2 1(2 5）：32-34.6张义，马青梅，李玉博，杨直达，陈金生，金雪.变形率及退火制度对Al-Mg合金薄板力学性能及微观组织的影响J.金属热处理,2 0 19,44（4）：18 5-18 9.7韦小园，魏午，郭骁，程志强，文胜平，石薇，黄晖.退火处理对含饵Al-6Mg-1Mn铝合金组织和性能的影响J.金属热处理,2 0 2 2,47（7）：47-5 1.8冯旺，温庆红，黄启波.不同退火制度对Al-Mg-Sc合金组织与性能的影响J.铝加工,2 0 2 2（6）5 1-55.9ZHANG H T,NAGAUMI H.Coupled modeling of electromagnetic field,fluid flow,heat transfer and solidifi-cation during low frequency electromagnetic casting of aluminum alloys Part 1:development of mathematicalmodel and comparison with experimental results J.Materials Science and Engineering A,2007,448(19):189-203.10LAUNDER B E,SPALDING D B.The numerical computation of turbulent flowsJ.Computer methods inapplied mechanics and 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