中文题目Ni对6061铝合金组织及性能的影响

中文题目:Ni对6061铝合金组织及性能的影响外文题目:EffectofNionMicrostructureandPropertiesof6061AluminumAlloy

摘要6061铝合金在材料加工上性能优良、有良好的电镀性、合金在抗腐蚀性方面性能优良。不仅如此6061铝合金材料有很强塑性，加工后材料不易变形等特点,被广泛应用于当尖端科技制造业,在如今热门的航空航天制造业,汽车等热门行业应用广泛。添加Ni能改善合金的力学性能,增强抗拉强度和屈服强度,提高材料自身硬度。为探讨合适的添加量,设计了五组不同Ni含量的6061铝合金进行探讨。实验结果表明,添加Ni含量在0~0.5%之间,6061铝合金的抗拉强度,屈服强度,延伸率,硬度都呈线性下降。添加Ni含量在0.5~1.5%之间,6061铝合金的抗拉强度,屈服强度,延伸率,硬度都从0.5%点处的波谷开始线性增加。1.5%点处达到波峰,此时晶粒大小,分布,形状最佳,抗拉强度提高27.8MPa,屈服强度提高16MPa,布氏硬度提高了7.3。添加Ni含量1.5%之后,过剩的Ni将影响合金的力学性能,抗拉强度,屈服强度都线性下降,硬度保持稳定。综上,添加Ni含量为1.5%时最合适。关键词:6061;组织;力学性能;硬度Abstract6061aluminiumalloyhasexcellentpropertiesinmaterialprocessing,goodelectroplatingandcorrosionresistance.Notonlythis6061aluminumalloymaterialhasstrongplasticity,thematerialafterprocessingisnoteasytodeformandsoon.Itiswidelyusedinthecutting-edgescienceandtechnologymanufacturingindustry,intoday'spopularaerospacemanufacturingindustry,automobileandotherhotindustries.AddingNicanimprovethemechanicalpropertiesofthealloy,enhancethetensilestrengthandyieldstrength,andimprovethehardnessofthematerialitself.Fivegroupsof6061aluminiumalloyswithdifferentNicontentweredesignedtoexploretheappropriateaddition.Theexperimentalresultsshowthatthetensilestrength,yieldstrength,elongationandhardnessof6061aluminumalloydecreaselinearlywhenthecontentofNiisbetween0%and0.5%.Thetensilestrength,yieldstrength,elongationandhardnessof6061aluminumalloyincreasedlinearlyfromthetroughof0.5%whenNicontentwasbetween0.5%and1.5%.Whenthepeakisreachedat1.5%,thegrainsize,distributionandshapearethebest.Thetensilestrength,yieldstrengthandBrinellhardnessareincreasedby27.8MPa,16MPaand7.3respectively.Afteradding1.5%Ni,theexcessNiwillaffectthemechanicalproperties,tensilestrength,yieldstrengthandhardnessofthealloy.Inconclusion,theoptimumcontentofNiis1.5%.Keywords:6061;Organization;Mechanicalproperties;hardness

引言铝合金材料,是一种原材料丰富,有着比强度高,耐蚀性良好,加工性能优良,和良好的导电性,导热性,易于回收等优点的优良合金[1],广泛应用于现今生产生活领域,有第二大金属材料的美称。多年以来,高性能,优质的铝合金,在高新技术的领域越发受到欢迎与重视,研制与开发也不断进行。它不仅作为一种基础材料在交通运输、建筑包装、电子电气、兵器等领域被广泛运用,也在国防建设中也正逐渐发挥着不可替代的重要作用[2]。随着现代经济,科学技术领域等飞快的发展,在全世界范围之内,无论是建筑还是航空,汽车等行业,对铝合金材料的需求量都迅猛增加,作为主材料其中之一的铝合金在市场上也变得越发受到青睐。现在社会发展全球范围内都在倡导绿色经济,提倡资源优化分配,我国也倡导并积极施行可持续发展战略。对于铝合金这种在生产建设中大规模应用的绿色金属材料,人们对它的经济效益和属性质量提出了更高的要求,世界范围内都对其展开了科研热潮,让它能更好的适应经济生活需要,更好的为人民服务。铝合金的轻质化,低成本等优点,在汽车、航空等行业具有广阔的前景[2]。单就汽车市场而言,我国十年来汽车发展趋势稳步增长,市场越发繁荣,已经逐渐向大众化发展。作为汽车零配件的铝合金材料,如Al-Cu-Mg(2000系)、Al-Mg(5000系)、Al-Mg-Si(6000系)铝合金[3],越发受到市场的青睐。其中,6000系铝合金在应用上最为广泛。1绪论1.16000系铝合金1.1.16000系铝合金的研究意义当代经济全球一体化,已经呈现出必然的趋势,资源配置要合理化,经济效益的稳步提高是各国十分关切的大事。我国倡导并施行可持续发展战略,发展绿色经济,被誉为在生产中可逐渐替代钢材的6000系优质铝合金,此种绿色合金材料在市场上的前景非常可观。6000系列的铝合金材料,分属Al-Mg-Si系铝合金,具有一般材料比拟不了的优良机械加工材料性能,加上轻质化特点和低成获得低成本原材料,被广泛应用到汽车、航空等现代科技生产的尖端行业[4]。现在社会随着人的生活质量提高,汽车已经开始迈向大众化之路,汽车市场显示我国最近的五年内,汽车产业繁荣,快速增长趋势十分显著。并且,专家们预测未来中国家庭经济迅速增长前提下,汽车的需求量会稳步增长,汽车行业在未来的发展中也将越发繁荣。以中国,印度,俄罗斯为代表的新兴国家汽车产业在近年来发展趋势不可阻挡,不过在人均汽车保有量上仍然处于填充期、潜在汽车需求量仍旧处于庞大的可填充区。铝合金在制造车身和汽车零件上是其中的主要材料,所以得益于汽车产业在未来的潜力,铝合金在未来汽车行业中占有巨大地位,有着十分庞大的需求量。不过,汽车产业繁荣下也不难想象其中存在着巨大的行业竞争压力,只有优质的的铝合金材料才能在市场上接受住考验,受到市场欢迎。所以研究较高质量,轻质化的6000系铝合金材料,在未来的汽车市场上有着光明的前景。1.1.26000系铝合金的概述长期的生活实践与实验研究中,人们发现在合金中加入其他一些元素,运用热处理工艺来强化铝合金,就得到了一系列比原合金性质优良,能满足人们需求的铝合金材料。铝合金中主要有铜、镁、锌、硅以及锰等合金元素。按照成型工艺区别与合金元素含量的比重,将铝合金分为两类,变形铝合金,铸造铝合金。变形铝合金,根据能否进行热处理而划分为两类。6000系铝合金,为Al-Mg-Si系铝合金,在材料分属里应用极广泛。它主要的合金元素是镁与硅,能形成Mg2Si沉淀强化相[3],对合金材料的强度属性上能显著提升。Al-Mg-Si系铝合金可以人工进行热处理的强化,没有发现应力腐蚀现象,具有中等强度、优异的成型性能、耐腐蚀等特点,A1-Mg-Si系铝合金成为最重要的挤压合金[4]。该系列合金可固溶和时效处理,具有较低的屈服强度(<150Mpa),从而能提供良好的成型性。Mg/Si元素的含量,可将6000系铝合金分三种分类:Mg/Si比值约1.73,我们称其为伪二元合金(Al-Mg2Si);当比值<1.73,铝合金中过剩硅存在导致合金形成硅过剩型合金,合金成型性与焊接性降低,但具有较高强度;当比值>1.73,Mg过剩,称为镁过剩型合金,有较好的耐腐蚀性,但液态流动性和强度变低。伪二元合金中,时效处理所获得的最高硬度值随着Mg2Si含量的增加而升高,时间也加快。生产实践中应控制Mg/Si值为1.73。下表为几种常见6000合金化学成分:1.2合金元素对6000系铝合金的影响6000系合金主要元素为Mg,Si,Cu,为了改善某些性能还添加一些少量元素,如Ti,V,Cr,Mn等元素。1.2.1Mg的影响一般情况下,工业6000系铝合金材料中Mg加Si总质量分数控制在(0.65~2.5)%范围之内。改变铝合金材料中Mg、Si的相对含量分数,6000系铝合金材料中抗拉强度在淬火与时效状态情况是:从Al-Mg边向Al-Si边逐渐的减弱。(Al-Mg2Si)伪二元最大值是从左边延伸到峰值,后续向Al-Mg边降低,伸长率有着相反的情况出现。改变Mg、Si的相对含量值,强度属性上在退火状态上影响是不大的,伸长率情况是Al-Si边单调下降Al-Mg边[6]。铝合金材料中单说Mg影响,Mg对铝有强化作用。抗拉强度情况是:Mg含量增加会导致材料中淬火和时效后抗拉强度升高,每次增加1%Mg,抗拉强度单次上升34MPa[7]。硅量低于0.4%之下时,过剩Mg有强度峰值;含硅量4%之上时,过剩Si有抗拉强度峰值,但合金中延伸率属性情况又是随着Mg含量值增加出现降低状况。1.2.2Si的影响在Mg含量稳定已知,6000系铝合金里第二强化相Mg2Si含量越少情况是,淬火和时效后强度性能的影响为过剩Si有增强作用,Si含量上升情况下,伸长率反而下降了。退火状态下,合金材料Si含量的增加,伸长率提高。Si影响并提高金属间流动性能,增强焊接性、铸造性。Al-Mg-Si合金的耐蚀性情况:Si含量与Mg2Si相的增加导致耐蚀属性急剧降低。铁于合金中为杂质存在,合金材料中部分硅与铁元素之间生成三元相(AlFeSi型),Fe在铝合金中材料中不良作用得之改善[7]。Si含量上升,能使材料组织晶粒变细,增强铝合金材料的热处理强化效果,提升抗拉强度属性。1.2.3Cu的影响Cu的加入,对合金材料塑性上得到改善,热处理强化效果得到相应程度上的增强,还能抑制挤压效应,Mn对合金产生的各向异性能被Cu改善。相应的不良效果是铜元素让合金材料的晶间腐蚀倾向程度增加。Mg2Si含量特别高,超过一定程度后,合金发生(停放效应)时效滞后现象。微量的铜能降低自然时效速度,从而减轻停放效应的不良影响[9]。Al-Mg-Si合金材料中,Cu的存在与自身含量相关,也受到Mg、Si含量的影响。铜在合金材料中若是微量,Mg/Si值为1.73:1,主要形成强化相Mg2Si相,Cu能够完全固溶到铝合金基体组织中;Cu含量相对较高,Mg/Si大于1.73时,可能形成的相是S(A12CuMg)。W相、S相、CuA12与Mg2Si相不同,固态下只能部分参加强化,强化效果不如Mg2Si[10]。1.2.4Mn的影响锰对合金的强度上有强化作用,改善耐腐蚀性,弯曲性和冲击韧性也有一定加强。在A1-Mg-Si合金中加Cu,Mn时,当Mn含量低于0.2%时,随着Mn含量增大,合金材料的强度提升明显。Mn含量继续增加,Mn,Si结合形成AlMnSi相,损失了一部分形成Mg2Si相所必须的Si,而AlMnSi相的强化效果比Mg2Si小,因而合金强化效果下降[11]。锰对铝合金的再结晶过程影响很大。其一:抑制铝及其合金的再结晶过程,提高再结晶温度。锰固溶于铝中,结晶温度可提升(20~100)K。铝越纯,锰含量越多,再结晶温度提高用越明显[12]。其二:于再结晶终了阶段锰能显著细化再结晶晶粒。而且,锰形成的弥散强化也能提高硬度和强度。实际上Mn与基体Al固溶，形成的物质就可以让合金材料再结晶温度上升并且Mn的作用让形成物质稳定，要想再次析出物质，就得人工加热。这种性质使用于其他的过渡元素，作为基体中的强化相，对合金性能影响可想而知有多重要。此方法也要考虑电导率的下降，也不能照搬完全适用。1.2.5Fe的影响合金的组织影响,力学性能都和Fe有影响,且影响效果还特别显著。科研上认为Fe于合金的性能无益,它往往降低合金韧性,力学性能属性、和疲劳寿命,限制其工业应用[13,14]。合金材料凝固过程进行时,Mn在铝中的扩散速度较低,大部分Mn被保留在固溶体中。但由于合金中共晶组织的分解原因,造成有一些Fe,Mn和Si之间相互作用的影响造成枝晶组织中形成不同形状且粗大的A1MnFeSi夹杂相(ɑ-A1(FeMn)Si,β-A1FeSi、),呈针状形式存在,组织长约(1~30)μm。此类粗大夹杂相提高温度到达560℃,仍不溶。研究表明,铝合金处于不含Fe时,使合金中的Mn含量上升,会导致此类粗大相于合金中体积分数的提高。在均匀化过程中,形成弥散相AlMnFeSi,呈粒状,长度约为1~0.4μm[15]。现今国标中6061铝合金当中铁的含有量高至0.7%,可铁含量有害之处在大于0.25%时着色性能就有较显著影响。随Fe含量增加,合金的耐蚀性降低、塑性下降,使挤压力增大,挤压表面质量变差[16]。1.3铝合金强化1.3.1铝合金的强化机制选择满足生产需求且合理的金属材料,发掘材料潜力,要学会运用合适的强化手段来提高材料各项属性能力。材料里说的力学性能指标是材料自身抵抗外力作用的能力的指标。强度是力学性能中主要指标之一。强度指标易测定,易计算,常作为零件材料主要设计依据的一项内容。材料抵抗塑性变形的抗力称为强度,位错运动造成的结果导致塑性变形。只要想方设法阻碍位错运动,都能强化材料属性性能。实践中总结出来金属材料强化的基本方向,即降低位错密度,使位错基本消失并成为完整晶体;增高位错的密度,以至于尽量造出位错运动的阻碍效果。外来原子加入道固溶体中引发晶格畸变、第二相沉淀,化合物析出相在晶界汇聚,冷塑性变形等,能造成位错阻碍。铝合金两种强化机制:切过机制和绕过机制。其中第二相的粒子尺寸小,硬度低,切过机制在此情况下起主要作用。位错运动与这类第二相粒子相遇时,位错运动使第二相小粒子与基体产生相似变形效果,如同快刀切过此类粒子。而又当第二相小粒子这一类长大到相应尺寸,硬度比此前较高,位错运动要想让此类粒子产生变形会变得困难。他们相遇了,滑移面上位错产生弯曲情况,伴随滑移微观下进行,弯曲比之前剧烈,受阻粒子不同两边会有位错线相遇,彼此产生的效果相互抵消,粒子紧紧包含在形成的位错环内,多余且不受影响的位错线继续往前方移动过去。Orowan强化机制就是此类细小颗粒和位错彼此之间作用,由开始的剪切转变为后来的位错成环或绕开细小颗粒的机制。改变主元素含量,以期望获得更多的时效强化相,往合金中加微少合金元素用来改善合金微观下的组织、抑制再结晶发生。用适宜的金属变形工艺与合金人工热处理工艺等能够有效改善并提高材料性能。1.3.2铝合金的强化方法世界科学技术与先进的现代生产方式都在一步步向前发展,当代工业生长需求对金属材料的综合性能越发苛刻。当下,怎样用适合的强化机制提高铝合金的性能成为摆在材料科学领域的一项极为有意义且有必要攻克研究课题。强化合金工艺分类有不少,其中主要被采用的有两类:加工强化和合金化强化[17],此基础上又细分为:加工强化、固溶强化、异相强化、弥散强化、沉淀晶界强化和复合强化。在实际生活中各项是相互作用的,影响过程多是数种强化方法共同作用来影响合金性能。强化效果主要体现为:在温度差异下(常温和高温)铝合金在强度、塑性的不同以及其它不同。(1)固溶强化固溶强化:指溶质元素溶入基体组织后致使合金变形抗力增大的情况,一般的,可溶性元素皆能固溶强化,甚至有些情况下杂质元素形成的第二项粒子同样起到一定情况的强化作用。固溶强化单独作用对提高材料强度影响效果很差,但此方法能降低对材料塑性损失,也因此相对于其他方法得以被认同和广泛采用。(2)异相强化α(Al)固溶体外,大多的纯铝,铝合金内都存在第二相。第二相的作用是对材料产生第二相强化。将铝合金中的第二相分为三类:第一类是结晶相尺寸在0.1~30μm之间,为第一类质点,特点是质点里难溶相产生异相强化。异相强化在常温下的第二相质点既粗且硬,塑性表现较差,故生长中不宜大量采用,当然也有情况是在高温下异相强化后合金性能得到改善。第二类质点:0.01~0.5μm非共格弥散质点,于结晶终了温度与时效温度以上温度内产生;时效温度下产生的0.001~0.1μm共格时效相为第三类质点[18]。(3)弥散强化非共格硬颗粒弥散物对铝合金的强化称弥散强化。弥散强化包含两方面的作用:由于弥散质点为刚性不可变形质点,其直接阻碍位错运动,使位错需要绕过弥散质点,这个过程则产生强化。(4)沉淀强化合金中第二相从过饱和固溶体中析出,形成溶质原子富集亚稳区的过渡相的过程称为沉淀。从单相区进入两相区时,固溶体产生沉淀。(5)复合强化复合强化:指为提高基体的强度采用高強度的粉、絲和片狀材料添加到基體中。添加材料形狀的不同將複合強化分為三種,纖維強化型、粒子強化型和包覆材料。複合方式有壓、焊、噴塗和熔浸方法。纖維強化原料兩種:晶須和連續纖維,而粒子強化型兩類:混合鑄造和粉末冶金。異相強化、複合強化的機理有類似性,兩者都是高溫強化能讓效果達到最佳,即使常溫環境中亦可強化,不過塑性會大幅降低。1.3.3铝合金的时效强化合金的时效强化是强化合金力学性能的重要手段之一,其作用不可忽視。時效強化也被稱為沉澱強化。通過時效進行的溫度分兩大類,自然時效,人工時效。人工時效的具體過程是將合金材料件加熱,溫度升到一定範圍後,保溫後一段時間,其後並且按照一定速率對材料進行降溫處理。在機械加工應用上很廣泛,就因為人工時效能一定程度上夠消除合金殘餘應力,加工精度得到提升還能預防產生裂紋傾向。自然时效则是将材料任其在自然环境下空置半年到一年的时间。过程中由于四周温度较低,残余应力释放缓慢,周期长不能提供稳定控制条件。效率低下和处理后效果不理想限制其的应用。(1)二次时效经过研究检验,先前认为曾进行过时效强化後的合金材料,再次經高溫峰值時效後在低溫中長時間放置,不會改變合金才來微觀組織和降低合金材料力學性,此說法是不正確的。舉個例子,鋁鋰合金材料經過(150~200)℃溫度的時效處理,達到峰值強度之後,又讓鋁鋰合金材料在70~130℃範圍內長時熱處理,除了第一次時效強化結果外,第二次時效還會析出更為細小彌散的δ′相,這種第二次低溫時效強話導致的強度屬性增大,而合金材料斷裂韌性明顯下降的現象就叫做合金的二次時效現象。(2)回归再时效1974,Cina年提出回归再时效工艺。经研究,合金在预时效和回归过程中会产生对合金性能不良的晶界无析出带,合金材料经过再时效后可以一定程度上消除这宗不良效果,同时再回归时提高晶内沉淀相的弥散度,晶界强度得到一定加强。合金的微观组织在人工热处理后可得到相应改善,力学性能随之改变。T6处理后后的合金材料强度虽然得到改良,但耐腐蚀性却不能满足产品的需要。(3)双级时效双极时效是合金在一定温度范围(低温状态)进行初时效强化一段时间后,再于一定温度范围(高温状态)下对合金材料保温一段时间所进行终时效,这种对合金强化的时效称对合金材料的双级时效强化。1.4本论文的研究目的和主要研究内容6000系合金材料具有一系列优良的综合材料力学特性,在生产实践方面具有广泛的实际应用。而6061铝合是6000系合金中颇为常见,应用也较多的合金材料。它加工性能不错、焊接特点优良,电镀性超好,抗腐蚀性也较其他同系列合金好、韧性高使材料成品加工后不容易轻易变形等优良特点。于航空,汽车等现代高尖技术行业内6061铝合金使用非常广泛。相应的,这对材料有着更高的要求,具有优良属性和质量的产品,有着巨大的市场开发潜力。经过长期的实践经验,现在已经确定添加微量元素对合金有着很大影响。在1992年就有对镍合金的性能和用途[19]的研究。添加一定的镍,可以提高合金的强度,延展性,能在大氛围介质特别是大气和海水的作用下抗腐蚀,适合锻造和铸造[20]。对6000系合金已经有着很多的研究,对添加合金元素Ca、Zr,加稀土元素Cr,La等研究已经有了一定进展,但是对添加Ni的研究要少的多。为此,本文对6061铝合金中添加镍含量设计了5种实验,研究Ni对6061铝合金铸态组织,晶粒细化的影响,研究Ni对6061铝合金力学性能的影响,以期获得一种综合性能全面提高,具有高强度,抗腐蚀性良好的新型合金。2实验材料与方法2.1实验流程及方案实验合金的制备以及实验方案如图2-1所示。在6061铝合金中,研究发现其中起作用的最重要的强化相是Mg2Si第二相。在Mg2Si中当两者元素Mg、Si含量之比近似于1.73:1时刻称为合金的理想状态。但在实际生产操作中Mg/Si达到1.73:1的情况是非常困难且不易实现的,因为合金中杂质元素不可能消除干净,比如:过量Ni,多余Fe,过量Zn等,这些杂质元素造成合金基体上有Si的杂质结晶相,合金中的Si含量相应就会缺乏,所以在設計合金成分前需要考慮此種情況,並在設計合金樣品時設計過量Si含量來填補Si的損失量。在开始设计6061铝合金的成分前,首先设定,由强化相Mg2Si含量来确定出样品合金中Mg、Si的质量分数,之后增加一定含量的Si,用来补充合金样品中Si的损失,而Mg的含量则根据Si的具体含量得到,公式为:Mg%=(1.73×Mg2Si%)/2.73。除此以外,镁的燃点较低,在实验保温过程中容易与氧气反应燃烧消耗一定的量,造成Mg的烧损率上升,因此设计Mg成分要比计算值高一点点。但过量添加Mg也不好,防止实际成分偏离设计成分。本文以6061铝合金为基础,对合金中Ni含量成分进行调整对比,初步设计了五种不同Ni含量的对比实验铝合金,以Al5TiB作细化剂,五种不同Ni含量的实验合金如表2-1所示。2.2实验设备实验所用原材料:99.7%的工业纯铝,工业高纯镁,AlNi10为中间合金,A15TiB作细化剂。熔炼所用设备见表2-2,除此之外还需要硅碳棒搅拌棍,硅碳棒扒渣棍,手工钢锯和锉刀等。2.3实验过程2.3.1配料配料时,采用下列公式计算:总量:式中X'——熔炼合金总量Y'——加入中间合金(Al-Ni10)重量MAl——工业纯铝质量WNi——Ni占熔炼合金的百分比WNi(Al-Ni)——Al-Ni10中Ni所占百分比将提前准备好的纯铝按照质量大小排序,分别为446.5g,409g,398.4g,385.7g,366.2g,使每组实验的熔炼合金总质量接近,因此Ni含量越低的合金,所使用的工业纯铝质量越大。2.3.2熔炼工艺A熔炼前做好以下准备工作:(1)实验前准备好细砂,提前将其在阳光下暴晒直到除尽水分,晒干后铺在实验室炉子旁地面上。(2)加料钳、搅拌棍、扒渣棍等实验所用到的工具在实验前用干燥的刷子除去灰尘,200℃下保温15分钟,防止工具附着的水分导致在浇铸过程中发生铝液喷溅事故,伤及人身。(3)实验前检查并保证石墨坩埚不存在裂纹,再真正实验开始前使用工业纯铝进行一次预先熔炼与浇铸,这样能除去坩埚内存在的杂质,保证实验开始后熔铸的样品不受杂志影响。B准备工作完成,开始正式熔炼与浇铸:(1)将事先准备的纯铝原材料预热,去除表面水分使之干燥,后将工业纯铝放入石墨坩埚备用。待井式坩埚炉升温至780℃,将准备好的坩埚放入炉中780℃下保温20分钟至纯铝熔化。(2)纯铝熔化后,用扒渣棍将坩埚中高温铝液表面上存在的氧化膜去除,往铝液中加入Al-Ni10中间合金、后加氯化钾氯化钠配比的盐,这层盐会在铝液表面形成隔绝层,避免其与空气接触。(3)往坩埚中加完中间合金后,关炉门加热至780℃,保温10分钟,快速将坩埚取出,加细化剂Al5TiB,继续加热使温度回升至780℃。(4)时刻注意观察炉温达,到780℃后设置保温时间5分钟,从炉中取出坩埚,搅拌棍充分搅拌。放回炉中,升温至780℃,保温5分钟。(5)从炉中取出坩埚,拿扒渣棍除去熔化后铝液表面浮现的氧化膜,将事先用铝箔包好的清渣剂用搅拌棍压到坩埚底部,底部由清渣剂产生的气泡上浮将铝液中杂质物质浮到铝液表面。继续将坩埚放到炉中加热。(6)炉温回到780℃后,设置保温时间10分钟,时间结束后停止加热,开炉子门,炉温降到710℃,迅速取出坩埚,快速除渣后,快速浇入旁边准备好的经过180℃预热的石墨模具中。注意事项:①事先准备好铝箔包裹的清渣剂,用搅拌棍压入铝液底部过程中,搅拌棍要压住一会,防止铝箔浮起,不能彻底清渣;②坩埚中铝液表面浮渣要用搅拌滚彻底清除,操作要快。扒渣要迅速不能让铝液温度下降过多;③浇铸迅速过后,模具拆卸要快,带防护手套拆卸模具,防止长时间留在模具内应力过大让试样断裂,亦或是产生铸造缺陷;④用钳子夹取从模具中取下的浇铸好试件,直接用手去拿会烫伤手。⑤本浇铸过程全程禁止接触水,水会发生铝液飞溅,造成严重人身危险。2.3.3室温拉伸性能对含Ni量不同的铸件拉伸实验是在仪器WE-30万能试验机(图2-3)上测试的。测出含Ni量不同的铸件试样的抗拉强度σb,计算出相应延伸率δ。2.3.4布氏硬度测试先前实验进度测完拉伸性能,需要将剩余的试样截取圆柱体:直径15mm,高为15mm,备好锉刀,手工用其将含Ni圆柱试样上下两个圆面挫平,眼睛水平检测两个面要保持互相平行,之后用粗(0号)砂纸修磨至试样表面平行平整,再依次耐着性子使用1~4号砂纸仔细缓慢进行手工细磨,最终磨到样品表面平行且闪亮光洁,目的防止在测试布氏硬度实验时,试样受力不均,偏离受力中心轴线,毁坏布氏硬度试验机。测试硬度实验采用的是博雅楼6楼的HBS-3000型数显布氏硬度计(图2-4),选用250kgf载荷,仪器使用压头直径是5mm,保荷时间设置30s。2.3.5X射线物相分析对以得的铸件X射线物相分析前实验先用砂纸(W40,即0号)磨去试样表面氧化膜,同时将需要观察的含Ni圆柱体铸件表面磨平。使用XRD-6100型X射线衍射仪(图2-4)对含Ni圆柱体铸件进行X射线衍射分析,操作过程中相应的实验仪器仪表参数为:铜靶的电压设置:40KV,固定光栅角度:1电流设置:30mA,,扫射角范围一定控制在2θ:10~90˚,自然地角分辨率就要为:0.04˚,衍射角速度则是:10˚/min。2.3.6金相组织观察样品加工为圆柱体,直径15mm,高15mm,依次用(0号)、(1号)砂纸进行圆柱体型材料的粗磨,结束后继续使用W20(2号)、W14(3号)、W10(4号)、金相砂纸依次慢工细磨,,之后用在抛光机上加水,W2.5和W0.5的金刚石研磨膏,于粗抛光布和细抛光布上人工手拿抛光,最后结果要抛光至铸件抛光面无水雾,无划痕,无黑点。腐蚀时腐蚀液为0.5%HF酸,配置是1ml的40%HF酸溶液配比79ml水。样品腐40s后用干净自来水将表面HF酸溶液冲净,快速无水乙醇中清洗,再插电用吹风机吹干铸件,拿到Axiovert40MAT型倒置金相超清晰显微镜(图2-5)下进行仔细观察金相。金相微观组织查看的目的是观察了解分析不同含Ni成分下合金的晶粒尺寸、形貌、组织以及含Ni铝合金中第二相的分布情况等,并查找其中的具有金相特点区域的视场进行拍照。注意事项:①腐蚀时药时刻小心并且做好自身防护工作,HF酸溶液溅落在衣服上非常危险,同减在及皮肤表面上一样,都会俯视自己的肌肤,造成事故;②实验腐蚀工作结束之后,要烧毁盛放过HF酸溶液的塑胶瓶,经手用过滴管也烧毁,防止别人接触,造成污染危险事故。3实验结果与分析本文在6061原始铝合金上,通过控制材料合金中Ni含量而设计出的5种对照实验合金,经过实验所得数据如表3-1所示:3.1金相观察3.1.1含Ni6061铝合金金相图3-1为100倍含Ni6061铝合金铸态金相图。可以看出,6061铝合金组织中含有大量的白色树枝状α-Al基体,黑色点状Mg2Si。此外,从金相图中能看出组织晶界处偏析区域明显,以及少量铸造缺陷区域。为探讨加入Ni对6061铝合金组织成分的影响,我们以3#(1.5%Ni)合金为例,对其进行XRD物相分析,如图3-2。3#合金的XRD图谱可知,含镍的6061铝合金中,主要相为α-Al基体,以及少量Mg2Si,MgNi2,Ni2Si,Ni3Si,Al3Ni,AlNi2Si等第二相。图3-3为200倍下含Ni6061铝合金组织在酸性腐蚀下合金相图,图b,c,d,e合金和原始合金金相图相比,明显看出,随着Ni含量逐渐增加,组织中晶粒细化明显。图a为0%Ni的6061铝合金铸态组织,可以看出组织晶粒粗大,分布不均匀,晶界处枝晶偏析区域明显。到图b(0.5%Ni)时,枝晶组织减少,晶粒比原始合金细小,出现等轴晶粒。图c(1.0%Ni)时,组织中晶粒大小不均匀,晶界处出现较大黑色偏析区域,原本黑色点状Mg2Si增大为黑色团状,结合XRD分析为,加入1.0%Ni后,Ni会取代一部分Mg或Si,形成Ni-Si(Ni2Si,Ni3Si)、Mg-Ni(MgNi2,Mg2Ni)化合物,化合物以共晶的形式存在,形成黑色团状。图d(1.5%Ni)时晶粒成弥散分布较均匀的等轴晶粒,晶粒大小,晶粒形态,晶粒分布皆最佳,并且,可以发现点状Mg2Si数量减少很多,晶界处偏析区域增多。至图e(2.0%Ni)时,过量的Ni导致组织中晶界处出现大量粗针状偏析。图3-4为500倍下合金相图,通过观察,发现图b(0.5%Ni)晶界区域偏析出现,晶界与原始合金相比变得粗大,且枝晶组织得到改善,晶粒细化明显。到图c(1.0%Ni)时,晶界处成分偏析明显,在晶界处形成不规则条状或块状偏析区域。图d(1.5%Ni)时晶界处出现较大化合物聚集区,图e(2.0%Ni)时,过量的Ni及析出的杂质元素富集在晶界处,形成粗大化合物,出现较为明显的晶界偏析。3.1.2扫描电镜观察为更好研究Ni对6061铝合金组织和力学性能的影响,采用仪器JSM-7500F型扫描电子仪器显微镜测试,进行检测,实验操作时加速电压值设定在0.1KV~30KV。图3-5为含Ni1.5%合金扫描电镜铸态组织。图3-5(a),(b)为放大1000倍下微观组织,可知含Ni1.5%合金中存在大量不同的结晶相,α-Al基体间形成连续或间断的枝晶网络,枝晶偏析明显。其中,结晶相有明亮的条状相,块状相,杆状相,还有暗的块状相。图3-5(c),(d)分别为放大4000倍,2000倍组织图。看图可知沿晶界处分布大量不规则块状相,条状相,少量杆状相。通过含Ni1.5%的6061合金SEM形貌图和能谱分析结果,结合图3-2合金XRD,可得图3-6(a)1处,灰色块状相为含Ni的Al2MgSiCu相,点2灰色块状相为单质Ni和单晶Si组成的共晶体。点3处Ni/Si原子百分比2:1,则条状相为AlNi2Si。点4处块状相Mg/Si之比0.83,为Mg5Si6相。点5处为规则杆状相,主要成分为Mg和Si,分析为Mg2Si相。点6处为Mg2Si。点7处为块状初晶Si。3.2Ni对6061铝合金性能的影响3.2.1Ni对6061铝合金拉伸性能的影响表3-3为实验后测得的数据包含不同Ni含量的6061铝合金力其的学性能结果。图3-7,图3-8,图3-9为根据实验结果绘出的折线图。图3-7看出,Ni含量在0~0.5%之间时,合金的抗拉强度一直减小,由167.99MPa下降至111.12MPa,于Ni含量0.5%处出现波谷。Ni含量在0.5%~1.0%之间时,抗拉强度由波谷开始上升,到达点1.0%时,抗拉强度为142.44MPa,仍然比未加Ni含量前的抗拉强度要低。Ni含量在1.0%~1.5%之间,抗拉强度持续增加,到Ni含量为1.5%时出现波峰,为195.81MPa,抗拉强度比原始合金增加27.82HB。从Ni含量1.5%以后,随着Ni含量的增加,抗拉强度由波峰开始逐渐下降。加入Ni含量为2.0%时,抗拉强度为139.80,比原始合金要低。图3-8得知,原始6061合金的屈服强度为116MPa,Ni含量在0~0.5%之间,屈服强度逐渐下降,0.5%时出现波谷,为98MPa,下降18MPa。Ni含量0.5%~1.0%之间,屈服强度缓慢上升,Ni含量1.0%时为104MPa,比原始6061铝合金的屈服强度要低。Ni含量在1.0%~1.5之间,屈服强度逐渐上升,于1.5%处出现波峰,为132MPa,比原始6061铝合金屈服强度增加16MPa。Ni含量1.5%后,随Ni含量的增加,屈服