均匀化退火对Al1Mn1Mg合金中析出相形态的影响(1)_图文

1、第27卷 第1期 2006年 2月材料热处理学报TRANSACn0NS 0F MATERIALS AND HEAT TREATMENTV01.27No.1 February 2006均匀化退火对AI.1Mn-1Mg合金中析出相形态的影响陈永禄1, 傅高升1, 陈文哲12(1.福州大学材料科学与工程学院,福建福州 350002;2.福建工程学院机电与自动化工程系,福建福州 350014摘 要:用扫描电镜(SEM、透射电镜(7rEM、能谱分析(EDAX和差热分析(DTA等技术探讨均匀化退火的主要工艺参数对经高效熔体处理的A11Mn-lMg合金中析出相形态的影响。结果表明:在加热温度为400600,

2、保温时间为624h的均匀化退火工艺内,随温度的升高或保温时间的延长,晶界处析出相逐渐球化,主要为Al(Fe,Mn,Si,RE复合相;晶内析出相的弥散度提高,依组成元素及含量不同而呈现短杆、方块、椭球、球状及菱形等多种形态;继续升高温度或延长保温时间,晶界处析出相均有粗化趋势;450500下保温1215h后,晶界处析出相的球化效果明显,晶内析出相弥散程度高,基本消除了铸锭中的偏析现象。关键词:A11Mn.1Mg合金;均匀化退火;析出相;微观组织中图分类号:TGll3.1;TGl66.3文献标识码:A 文章编号:10096264(200601004005均匀化退火处理是变形铝制品生产过程中一道 重

3、要的热处理工序,可在一定程度上消除铸锭组织的 不均匀性,保证合金具有良好的塑性加工性能。Al一 1Mn.1Mg属易拉罐用铝,其铸锭中析出相的种类、大 小与分布对后续轧制和罐体质量都将产生直接或间 接的影响。对于铝铸锭中的粗大不溶性粒子(如 A1,O,夹杂,只能采取有效的熔体净化处理和合理的 铸造工艺制度加以消除;而对于可溶的粗大析出相 (如富铁锰相,则可利用适当的变质工艺或充分的均 匀化处理以改变其形态。传统的熔体处理工艺,铸锭 需长时间高温均热处理才能基本消除基体偏析,能耗 大且工艺较复杂¨“。本文将在高效熔体处理的基 础上。5o,探讨均匀化工艺对A1.1Mn一1Mg合金中析出 相

4、形态的影响规律。1试验条件与方法试验材料的制备参照文献5,选取不同工艺参 数(加热温度400600。C,保温时间624h在SYl0一 N6型(4kW箱式电阻炉中进行均匀化退火,出炉后收稿日期:2005.04.28;修订日期:2005.07.06基金项目:福建省教育厅重点资助项目(JA99123,JA04251;福建省 自然科学基金资助项目(E0210011作者简介:陈永禄(1976一,男,福州大学材料科学与工程学院博 士研究生,主要从事先进结构材料等方面的研究,发表论文10余篇, Email:ylchen。 空冷。用XL30一ESEM环境扫描电镜进行组织观察; 用双喷电解抛光法制备TEM薄膜,

5、在JEM一2010型透 射电镜上拍摄微观组织并用其所附带的OXFORD INCA超薄窗口能谱系统进行能谱分析。利用PyrisI 型热分析系统中的DTA一7差热分析仪(升温速度 20。C/min测定试验材料在加热与冷却过程中的一些 特征温度(经测定,该合金的熔点为630。2试验结果2.1均匀化温度对析出相形态的影响铸锭在均匀化加热时产生两个过程:枝晶边界非 平衡析出相发生固溶以及固溶体中的Mn进行脱 溶b o。图1为经高效熔体处理的A11Mn一1Mg合金在 铸态及不同均匀化退火温度下保温12h后的SEM显 微组织特征。观察表明:A11Mn一1Mg合金的铸态组织由树枝 状aAl、枝晶间及晶内的析出

6、相(A1(Mg相o组成, 其中,晶界处析出相呈短小骨骼状或小球状(图1 (a。随着均匀化退火温度的升高(400。C,经高效 熔体处理的A1.1Mn.1Mg合金晶界处骨骼状析出相逐 渐溶断或由较大的尺寸变得断续分布(图1(b;当 温度升至450后,基本呈链珠状排列于晶界(图1 (c,同时,晶内析出相弥散析出,为0.5lp.m左右 的小短杆形态(图1(d,对基体具有较强的弥散强 化作用;5000C时,晶界处已发生溶断的析出相更趋于 圆整化(图1(e。这些圆整细小的析出相在材料后第1期 陈永禄等:均匀化退火对A11Mn一1Mg合金中析出相形态的影响 41图1A11Mn一1Mg合金在不同均匀化退火温度

7、下的析出相形貌(SEM,保温时问为12hFig.1SEM micrographs showing the morphologies of phases in A11Mn一1Mg alloy after holding for 12hoursat different homogenization temperatures(aascast;(b400。C;(e450。C;(d450。C;(e500%;(f600。C续变形加工过程中可减少应力集中,在一定程度上抑 制了微裂纹的萌生,有利于提高材料的强度与塑性。 当温度升至600cC时,可见晶界处析出相已经粗化, 圆整度降低(图1(f。TEM观察进一步

8、表明:在均匀化退火过程中,晶 界处长条状的析出相沿长度方向从各个部位溶断为 长度相近的小短杆(图2(a,其端部有进一步钝化 的趋势,最终趋于圆整;晶内析出相呈现多种形态(图 2(b,主要有短杆、方块、椭球、球状及菱形等,且同 一形态的粒子大小不一,个别还出现较长的杆状相 (图2(c。此外,晶内析出相的析出量由晶界向晶 内逐渐增加(图3,在靠近晶界析出相附近出现一定 宽度的无析出带(图3(a。形成无析出带的原因是 Mn扩散进入析出相中而减小了在街基体中的固溶 度。这将对净化晶界起到有益的作用。2.2均匀化保温时间对析出相形态的影响图4为450时经高效熔体处理的A11Mn.1Mg 合金在不同均匀化

9、退火保温时间下的SEM显微组织 特征。由图可见:随保温时间的延长,显微组织变化 与均匀化温度的影响基本类似。当保温时间为6h时 (图4(a,A1.1Mn一1Mg合金中晶界处析出相形态与 铸态时(图1(a没有显著的区别,个别较大的析出 相已开始溶断,呈短小骨骼状,端部较为圆整;12 15h后(图1(C和图4(b,晶界处析出相已经出现较 明显的链状结构,较多呈现小球状;至18h时析出相 又开始粗化(图4(c。2。3析出相成分鉴别对图2中的析出相进行能谱分析,其相应的谱图 及半定量元素质量百分比数据见图5和表1。表1AI1Mn-lMg合金均匀化退火后不同形态析出相的EDAX分析数据Table 1ED

10、AX data of different phases in AI-1Mn-1Mg alloy after homogenization通过能谱分析发现:由于在高效熔体处理过程中 加入了微量A1一RE中间合金,因此晶界处的析出相中 发现La、ce等稀土元素的存在,主要物相为(A1,Fe, Mn,Si,RE复合相(图2(aA点,虽然在A11Mn一1Mg_兰三型 型 热处理学 报第27卷J-二二翌!雯图2A11Mn一1Mg合金在不同均匀化退火温度下的析出相形貌(rrEM,保温时间为12h眄2删i”ages showingthe m。rphologies ofprecipitates jnA】一1M

11、n.1Mg a11。y世erholding for 12hatdifferent homogenizationtemperatures(a450。C;(b(c500。c 图3A】一IMnl合金晶内析出相的TEM形貌与分布状态(500×12hFig3TEM jmages sh。wing them。rph。l。gies and distributi。n。f precipitate8inAl一1MnIMg all。y after holdingfo。12h8500。C(aprecipitati。n free z。ne(PFZa1。“g grain bound8ryprecipitati。n

12、;(bprecipi8。8in the regi。n between PFZ andgraininteri。r;(cprec蝴ates jn舯in砘do。 图4Al一1MnlMg合金在450下保温不同时间后的析出相形貌(SEMFig.4sEMmicrogr印hs sh。wing t11e morphol。矛es of precipiafes jnAI-1Mn一1Mg a11。y after h。lding for different timeat450(a6h;(b15h;(c18h第1期 陈永禄等:均匀化退火对A11Mn一1Mg合金中析出相形态的影响 43 1(cFe 0e Fe Mn Mn

13、si M八B人Fe L.一1234567 Full Scale 6998cts Cursor:9.792keV(6cts(dAFeMn . MnMn 一/、J 掣 , 1234567 Full Scale 5043cts Cursor:9744keY(3cts图5A11Mn一1Mg合金中不同形态析出相的EDAX能谱图(keVFig.5EDAX spectra of different phases in A11Mn一1Mg alloy after homogenization(keV (aphase A in Fig.2(a;(bphase B in Fig.2(b;(ephase C in

14、Fig.2(b;(dphase D in Fig.2(C合金中有极微量cu元素存在,但能谱分析结果中的 cu均比较高,测试结果可能是受到cu样品台的影 响,故应剔除;晶内不同形貌的相,其组成元素与相对 含量存在差异,但均不含RE元素,其中,球状析出相 (图2(bB点主要为A1一Mn化合物;椭球状析出相 (图2(bC点主要为Al(Fe,Mn化合物;短杆状析出 相(图2(CD点主要为A1(Mn,Si化合物。3.分析易拉罐用铝材中析出相绝大部分为沿晶分布,对 材料性能的影响很大,故应采取措施改变其形态,以 减小变形时产生的应力集中现象。研究表明旧1:在固 相线温度附近进行热处理可以使某些析出相溶解、

15、断 裂和球化。由于铁在固态铝中的扩散速度很慢,所以 需要较高的温度,但热处理温度过高会产生液相,即 发生所谓的“初始熔化”(incipient melting现象,导致 铸件过烧¨0I。由于均匀化退火实质上是过剩相溶解 与过饱和元素沉淀同时进行的一个双向动态过程,随 着该过程的进行,晶内的溶质浓度梯度逐渐降低,扩 散的物质量也随之减少,从而使均匀化过程有自动减 缓的趋势。因此,过分延长保温时间的意义不大,反 而会降低炉子生产能力,增加能耗。Narayanan等人o采用非平衡热处理法对319铝合金中铁相的溶解行为进行的研究发现,在495 575oC之间,针状_13铁相随着温度增加发生断

16、裂和溶 解,继而粗化和团球化。富铁锰相的空间形态大多为 板片状,温度升高时发生颈缩而分段,相平均长度随 之降低(如图2(a;同时,富铁锰相的溶化主要发生 在板片的边缘或内部,其形貌是因板片分离而缩短, 并非减薄,随着温度进一步增加,分段的富铁锰相不 断缩短,在二维形貌上最终呈分离的颗粒状(图1 (e。此外,加入的RE元素易吸附在晶界处富铁锰 相的表面,降低其表面能,使之在形态上趋向最低的 能量状态,即团球状。或者更确切地说,RE将填补在 这些正在生长着的富铁锰相表面的缺陷中,并生成阻 碍这些相长大的膜u 2I,这种膜限制了相的继续长大, 最终使其形态等获得质的改变。易拉罐用铝材的组织均匀化是一

17、种亚稳态平衡, 随着加热温度的升高或保温时间的延长,析出相进一 步聚集长大。根据合金能量学原理,合金中析出相长 大所需的溶质扩散速度可表示为”13I:a r 2DM7。pC。(f 11,。 万2i而_了了J u, 式中:D一扩散系数;M一溶质的摩尔质量;r一 析出相卢的粒子半径;C。一基体a的溶质浓度;i一 析出相粒子的平均半径;,。一析出相与基体间的比 表面能;|0一溶质密度;R一径向扩散分析半径;r一材料热处理学报 第27卷绝对温度。由式(1可知:当析出相粒子尺寸等于平均尺寸 r时,3r13t=0,体系处于亚稳状态。然而,试验材料 组织中不可避免地存在尺寸相差悬殊的粒子,在小粒 子与大粒子

18、之间存在一个从高到低的溶质浓度梯度, 小粒子周围的溶质具有向大粒子周围扩散的趋势。 随着加热温度r的升高,加速扩散进程,破坏体系的 亚稳定状态,使小粒子周围的溶质浓度小于亚稳平衡 时的溶质浓度,3r/3t减小,从而发生溶解;当溶质原 子扩散到大粒子周围并超过其自身的溶解度时,便促 使大粒子长大。当均匀化温度一定时,对式(1进行积分,可 得1引:333DM7印C。(. ,¨7r一702虿瓦耘r J式中:一保温时间;r,一析出相粒子经保温时间 t后的平均半径;ro一析出相粒子的初始平均半径, 该值通常较小;其余参数与式(1相同。由式(2可 知:延长保温时间t会增大r.与r。的差别,使基体

19、中 同样出现析出相粗化的现象。综上可见:经长时高温退火后,由于相界面处原 子扩散,降低了晶内偏析与枝晶偏析程度,晶界处的 不平衡相也发生转变,晶内析出相弥散析出,成分逐 渐均匀化;为使相界面能达到最低,晶界处析出相的 生长界面将与基体发生明显的择优取向,取向角集中 在相的生长界面能最低的角度处一8o,即析出相可多 维生长,具有球化趋势;均匀化温度对析出相球化的 影响大于保温时间,随着均匀化温度的升高或保温时 间的延长,晶界处析出相均出现粗化现象。试验结果 表明:经高效熔体处理的A1.1Mn.1Mg铸锭在450 5000C下保温1215h后,晶界处析出相的球化效果 较为明显,晶内弥散程度高,具有

20、较为均匀的组织状 态,有利于消除铸锭中的偏析现象。4结论(1均匀化退火改善了A1.1Mn.1Mg铸锭中析出 相的形态。在加热温度为400600。C,保温时间为6 24h的均匀化工艺参数范围内,随着温度的升高或 保温时间的延长,晶界处析出相逐渐球化,晶内析出 相的弥散度提高,呈现短杆、方块、椭球、球状及菱形 等多种形态;继续升高温度或延长保温时间,晶界处 析出相均有粗化趋势;(2晶界处析出相以Al(Fe,Mn,Si,RE复合相形 式存在;晶内球状析出相主要是A1.Mn相;椭球状析 出相主要是Al(Fe,Mn复合相,杆状析出相主要是Al (Mn,Si复合相;(3450500。C下保温1215h后,

21、试验材料晶 界处析出相的球化效果较为明显且细小,晶内弥散程 度高,可获得较为均匀的组织状态。参 考 文 献1蒋显全,张新明.3004铝合金铸锭均匀化过程中的组织变化J.铝加工,1992,(5:4447.Jiang X Q,Zhang X M.Microstructure alteration of 3004aluminum alloy ingot during homogenizationJJ.Aluminum Fabrication,1992,(5:4447.2温熙宇,包耳.3004易拉罐特薄带材生产技术发展和理论研究现状J.轻金属,1994,(9:5964.Wen X Y,Bao E.Pr

22、oduction technology development and theoretical investigation actuality of 3004thin aluminum sheet used for easyopen can l J j.Light Metal,1994,(9:5964.3佟长清.3004合金铸锭锰偏析及均匀化处理J.轻合金加工技术,1997,25(1:3136.DongC Q.Mn segregation and homogenization of 3004alloy ingotJ.Light Alloy Fabrication Technology,1997

23、,25(1:3136.4Sun D L,Kang S B,Koo H S.Characteristics-of morphology and crystal structure of aphase in two A1-Mn-Mg alloysJ.Materials Chemistry and Physics, 2000,63:3743.5陈永禄,傅高升,陈文哲.高效熔体处理对易拉罐用铝材铸态组织和性能的影响J.福建工程学院学报,2003,1(4:1115.Chen Y L,Fu G S,Chen W Z.Influence of high-efficient melt-treatment on

24、 the as-cast structures and properties of aluminum ingots used for easyopen canJ J, Journal of FuJian University ofTechnology,2003,1(4:1115.6FunTer P,Hausch G.Recrystallization behavior of eommercial AI一1%Mn alloy【J J.Metal Science,1979,(34:155162.7石霖编著.合金热力学M.北京:机械工业出版社,1992.8Ky3HettoB BR.KpHcTa肌bI

25、 HKpMcTa皿nH3auHRlM J.Foc.H3一CTBO Tex-Teo.,.TIE'repaTypbI,1953.9李松瑞,周善初编.金属热处理M.长沙:中南大学出版社,2003.10PN.CreaPeau.Effect ofiron in AISi casting alloys:a critical reviewlJJ.AFS Transactions,1995,110:361366.11Narayanan L A,Samuel F H,Gruzleski J E.Crystallization behavior of iron-containing inter-metal

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27、5.均匀化退火对Al-1Mn-1Mg合金中析出相形态的影响 作者： 作者单位： 陈永禄， 傅高升， 陈文哲， CHEN Yong-lu， FU Gao-sheng， CHEN Wen-zhe 陈永禄,傅高升,CHEN Yong-lu,FU Gao-sheng(福州大学材料科学与工程学院,福建,福州 ,350002， 陈文哲,CHEN Wen-zhe(福州大学材料科学与工程学院,福建,福州,350002;福建 工程学院机电与自动化工程系,福建,福州,350014 材料热处理学报 TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT 2006，27(1 2次 刊

28、名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次数： 参考文献(13条 1.蒋显全.张新明 3004铝合金铸锭均匀化过程中的组织变化 1992(05 2.温熙宇.包耳 3004易拉罐特薄带材生产技术发展和理论研究现状 1994(09 3.佟长清 3004合金铸锭锰偏析及均匀化处理 1997(01 4.Sun D L.Kang S B.Koo H S Characteristics-of morphology and crystal structure of a-phase in two AlMn-Mg alloys 2000 5.陈永禄.傅高升.陈文哲 高效熔体处理对易拉罐用铝材铸态组织和性能的影响期

29、刊论文-福建工程学院学报 2003(04 6.Furrrer P.Hausch G Recrystallization behavior of commercial Al-1% Mn alloy 1979(3-4 7.石霖 合金热力学 1992 8. 1953 9.李松瑞.周善初 金属热处理 2003 10.PN CreaPeau Effect of iron in Al-Si casting alloys:a critical review 1995 11.Narayanan L A.Samuel F H.Gruzleski J E Crystallization behavior of i

30、ron-containing inter-metallic compounds in 319 aluminum alloy 1994(08 12.李金文.沈时英.李章存 稀土对铝的细化变质和除气作用 1989(07 13.肖纪美 合金能量学 1985 相似文献(3条 1.期刊论文 陈永禄.傅高升.陈文哲.王火生.CHEN Yong-lu.FU Gao-sheng.CHEN Wen-zhe.WANG Huo-sheng 均匀化 退火对Al-1Mn-1Mg合金高温压缩流变应力的影响 -材料热处理学报2008,29(2 采用热模拟试验机研究了均匀化退火对经高效铝熔体综合处理的Al-lMn-lMg合金

31、高温变形等温压缩流变应力的影响(变形温度573773K、应变速率 0.0110.0s-1.结果表明:该合金在均匀化退火前后均易发生动态软化并最终进入稳态流变阶段,属负温度敏感性和正应变速率敏感性材料;在T=673K、 10.0s-1的热变形条件下,均发生了不连续动态再结晶;均匀化退火降低了铸态合金的流变应力,高温低速大应变量的热变形减弱了均匀化退火对热变 形流变应力的影响,流变应力水平趋于一致;在变形温度范围内,均匀化退火可促进该合金发生动态软化,增强热变形能力,但随着均匀化温度的提高,动态 软化趋势减弱,经723K×12h均匀化退火后,Al-1Mn-1Mg合金具有较低的热变形激活能(197.28 kJ·mol-1,易进行热变形. 2.会议论文 陈永禄.傅高升.陈文哲.王火生 均匀化退火对Al-1Mn-