合金元素对3104铝合金组织和性能的影响

3104 铝合金是Al-Mn-Mg系不可热处理强化铝合金，具有密度小、强度高、抗蚀性好、易深冲成形等特点，是生产易拉罐等防腐性能要求比较高的主要材料。Mn、Mg、Si、Fe等主要合金元素成分配比，对材料的微观组织及力学性能影响较大。本文研究在一定的熔炼条件下（熔炼温度、保温时间、搅拌条件），配制不同分数的Mn、Mg、Si、Fe成分3104铝合金铸锭，对铸锭均匀化处理后进行热轧、冷轧成型，并对冷轧态板材进行退火处理。对比分析Mn、Mg、Si、Fe等合金元素成分配比对3104铝合金微观组织及力学性能有较影响，对3104铝合金生产提供参考。

1  实验方案

如表1，在铸造温度为740℃，冷却水压为0.04MPa条件下，配制5组不同化学成分配比的铝合金铸锭。经过热轧、冷轧成型制成板材。在加热温度分别为590℃、600℃、610℃、620℃、630℃，保温时间12小时条件下进行均匀化退火处理。3104铝合金化学成分配比见表1，其中，Zn-0.25%、Cu-0.2%、Ti-0.1%，其它-0.15%，余量为Al。

表1  3104铝合金化学成分配比（质量%）

2  3104铝合金均匀化退火的微观组织   

（a）590℃保温12h        （b）630℃保温12h

图1  3104铝合金均匀化退火的微观组织

可以看出，3104 铝合金以Mn Al6相、(Fe Mn)Al6相和Al、Fe、Mn、Si四元相以及Mg2Si相等。析出相不均匀，随均匀化温度的升髙，晶界和晶粒中心析出少，析出相长大，密度减小，晶粒内部的偏析逐步减少。在加热590℃均匀化处理后，明显减少了块状物。在加热620℃后出现熔球，有过烧现象。在加热630℃以后，过烧较严重。热轧前退火温度过高会造成元素析出物粗大，应选择较低的均匀化退火温度。

3  合金元素对3104铝合金组织和性能影响

590℃加热，保温12小时条件下均匀化退火处理，测量3104铝合金力学性能，见表2。

表2  实验测定合金材料力学性能

3.1  Mg对合金组织和性能的影响

在3104铝合金中Mg与Si作用形成Mg2Si强化相，当镁硅元素质量比大于1.71时，出现多余的Mg，降低了Mg2Si的溶解度，强化相析出粗化。过剩的镁与Al形成A18Mg5化合物，如果呈弥散状态分布于晶内和晶界，合金的抗蚀性能明显提高。铸锭中存在少量Mg2Si相时，抵抗变形能力降低。在Mg2Si大量熔解时，提高铝合金的强度，增加其抵抗变形的能力。当镁的含量继续增加其含量对抗拉强度和屈服强度的影响并不明显，强度反而有所下降。随着Mg含量的增加，铝合金的塑性显著减小。

3.2  Mn对合金组织与性能的影响

从表2看出，随着Mn含量的增加，强化效果显著，延伸率呈下降趋势。随着锰含量增加强度降低，是由于铁和硅比例较大， 溶入基体中产生大量块状(FeMn)A16形成的。另外，锰可能造成合金具有较大的过冷，产生偏析现象。均匀化退火后锰在晶相偏聚，在基体第二相晶界附近出现白色亮点。锰在1.05%左右时铝合金容易造成加工硬化。

3.3  Si对合金组织和性能的影响

Si在铝合金中不易溶解，溶解于铝合金中的少量Si，粗大化了铝合金晶界，降低了材料耐腐蚀性。Mg2Si化合物在铝合金中的溶解能力随温度的降低减小。

3.4  Fe/Si对合金组织与性能的影响

杂质铁和硅常温下很难固溶，铁铝合金基体中形成(FeMn)A16相。Si、Mn、Al产生三元相，溶入Fe形成四元相。Fe/Si加速锰热变形时在基体中的分解，增加铝合金的性能。均匀化处理后铝合金微观组织出现粗大针状和块状。如果铁盒锰含量高，在轧制过程中发生破碎棱角尖锐。Si的存在会形成粗大的片状A1(FeMnSi)相，对合金造成不良影响。由表2知道，Fe/Si值处于1.73左右时，显著降低铝合金材料的强度，相应地塑性得到提高。由此，必须合理控制Fe/Si比值和Fe，Si含量。

4  结语

3104铝合金中镁与硅作用形成Mg2Si和A1gMg5相及复杂的三元相和四元相。当镁和硅元素质量百分比比值大于4.8时，容易产生粗大的Mg2Si相。Mg含量增加，材料的塑性越低，Mg含量控制在1.19%左右。

Mn主要形成MnA16、（FeMn）Al6化合物，(Al，Mn，Si)三元相及(Al，Fe，Mn，Si)四元相。MnA16容易析出，随着锰含量的增加铝合金强化明显，但塑性降低，Mn含量控制在0. 93%左右。

Fe/Si对3104铝合金的组织和性能有着明显的影响。Fe/Si越大，材料第二相化合物的含量越高，塑性越低，Fe/Si应控制在1.69左右。

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