Si、Mn元素含量对铝合金型材组织及性能影响

李秋梅，王春雷，董刘颖，刘 欢，李万龙

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

6xxx系铝合金具有极好的热塑性，高的冲击韧性，对缺口不敏感，可以高速挤压出不同种断面的挤压型材，如结构复杂、薄壁、中空的型材，也可以进行锻造、拉伸、冲压等各种大变形的加工[1-3]。合金含量的不同会影响该合金的组织和力学性能[4,5]，Si元素的添加可以改善合金的铸造性能，提高合金的耐磨性能，降低了原材料成本；Mn元素可以抑制合金再结晶，提高合金的再结晶温度。因此，为了更好地选择满足不同需求的含Si、Mn可热处理强化铝合金，同时为开发新型高性能合金奠定基础，有必要系统地研究Si、Mn含量变化对可热处理强化变形铝合金组织及力学性能的影响规律。只有Si含量及Mn含量适中时，才能使6xxx系铝合金板材组织中的结晶相不过多，使合金在得到强化的同时，仍能保持较高的塑性[6-8]。本试验自行研制3种合金成分，低Si低Mn、高Si低Mn、高Si高Mn并进行对比，研究不同元素含量对铝合金组织和性能的影响。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验采用半连续铸造方法，生产规格为Φ254 mm的不同成分的铝合金铸锭。其主要化学成分见表1。采用同一挤压工艺、同一时效制度(185℃×8h)研究6xxx系铝合金组织及性能。

表1 铝合金成分实测值(质量分数，%)

1.2 试验方法

将铸棒挤压时效后，对每种成分的挤压型材在相同位置取样，并分别进行如下检测：(1)利用蔡司显微镜进行金相显微组织及偏光显微组织检测，观察横向试样中第二相的析出情况、晶粒大小及皮质层厚度；(2)采用电子万能试验机进行拉伸试验，最终数据取5个试样的平均值；(3)分别对每种成分的铝合金横向、纵向进行折弯性能检测；(4)利用维氏硬度计进行硬度检测，每个检测值取5个试样的平均值；(5)利用涡流电导率仪进行导电性能的检测。

2 试验结果与分析

2.1 对铝合金组织的影响

图1为3种成分铝合金的金相显微组织，图1(a)与图1(b)对比可知，两者均出现颗粒状和少量针状析出相，随着Si含量的增加，部分黑色析出相发生聚集，出现偏析现象；图1(b)与图1(c)对比可知，Mn含量的增加，图1(c)出现较多的黑色析出相。

图2为3种成分铝合金的偏光显微组织，整体边部均出现细晶组织，心部呈纤维状组织，图2(a)中细晶组织最厚，其次是图2(c)，最薄的是图2(b)。说明Mn含量的增加可促进细晶组织的形成，这是由于Mn对铝及铝合金的再结晶过程有很大影响，它能抑制铝及其合金的再结晶过程，提高再结晶温度；最终完全再结晶阶段Mn能显著细化晶粒。

2.2 对铝合金性能的影响

图3为3种成分铝合金的力学性能。可以看出，成分1与成分2对比可知，Si含量的增加，使成分2强度增加，断后伸长率变化不大；成分2与成分3对比可知，Mn含量的增加，使成分3强度降低，断后伸长率也降低；即高Si低Mn成分的铝合金力学性能最高，分别为屈服强度275MPa，抗拉强度304MPa，断后伸长率15.3%，较最低性能的铝合金相比分别增加了13.8%、10.9%和26.1%。

这是由于当Mg含量保持不变时，Al-Mg-Si系铝合金中的抗拉强度随Si含量的增加而升高。由于过剩Si提高铝固溶体的过饱和度，也增加了时效期间GP区的密度，因而提高了时效硬化效应。而且，Mn形成的弥散强化相对硬度和强度的提高也有贡献，故成分2力学性能最高；又由于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相小[9]，因而合金强化效果下降，故成分3力学性能较成分2低。

图4为3种成分的铝合金折弯性能。成分1与成分2对比可知，随着Si含量的增加，折弯性能增加；成分2与成分3对比可知，随着Mn含量的增加，折弯性能降低。与力学性能相一致，合金元素越多对位错的阻碍作用越明显，大幅塑性变形使晶内产生大量的位错，位错对晶界有钉扎作用，从而提高了塑性变形的抗力，变形不易进行，即成分3折弯性能降低。即加入适当的Si与Mn，可以提高合金的强度及韧性。

2.3 对铝合金硬度及电导率的影响

图5为3种成分的铝合金维氏硬度值和电导率值。可以看出，成分1与成分2对比可知，Si含量变化时对合金硬度影响较大，由89 HV增加到100 HV；成分2与成分3对比可知，Mn含量变化时，合金硬度变化不大；故Si含量对合金硬度的影响较Mn含量的影响大。

从图5也可以看出电导率呈先增加后降低的趋势，成分1与成分2对比可知，Mn元素含量一定时，Si含量分别为0.55 wt.%、0.65 wt.%时，随着Si含量的增加，电导率下降；由于过剩Si可形成硬质合金相，降低合金的导电性能，即导电性能成分2<成分1。成分2与成分3对比可知，Si含量一定时，Mn含量分别为0.60 wt.%、0.66 wt.%时，随着Mn含量的增加，电导率上升，由于Mn元素的增加可促进晶粒细化，减弱杂质铁的有害作用，改善溶解均匀性，晶界数量减少，晶体缺陷减少，保证了铝合金较好的导电性能，进而提高合金的导电性能，即导电性能成分2<成分3。

3 结论

(1)Mn含量一定时，随着Si含量的增加，含量达到0.65 wt.%时，出现了偏析现象；Si含量一定时，随着Mn含量的增加，含量达到0.66 wt.%时，黑色析出相增多；皮质层厚度成分3>成分1>成分2；

(2)Si、Mn含量分别为0.65 wt.%和0.66 wt.%时即成分2，力学性能最强，较最低性能的铝合金分别增加了13.8%、10.9%和26.1%，且合金的韧性最好；

(3)Si含量的增加对合金硬度较Mn含量的增加影响程度大；导电性能成分2最低。