張麗華

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 成都 614000)

前言

鋁是一種輕金屬，密度小(2.78 g/cm3)，具有良好的強(qiáng)度和塑性，鋁合金具有較好的強(qiáng)度，超硬鋁合金的強(qiáng)度可達(dá)600 MPa，普通硬鋁合金的抗拉強(qiáng)度也達(dá)200～450 MPa，它的比鋼度遠(yuǎn)高于鋼，因此在機(jī)械制造中得到廣泛的運(yùn)用[1]。鋁的導(dǎo)電性僅次于銀和銅，居第三位，用于制造各種導(dǎo)線。鋁具有良好的導(dǎo)熱性，可用作各種散熱材料[2]。鋁還具有良好的抗腐蝕性能和較好的塑性，適合于各種壓力加工。

鑄造鋁合金是在純鋁的基礎(chǔ)上加入其他金屬或非金屬元素，不僅能保持純鋁的基本性能，而且由于合金化及熱處理的作用，使鋁合金具有良好的綜合性能。因此鑄造鋁合金在工業(yè)上占有重要的地位，目前已大量應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，也廣泛用作建筑結(jié)構(gòu)材料、家庭生活用具和體育用品等[3]。

Al-Si合金中一般Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～22%。由于Al-Si合金具有優(yōu)良的鑄造性能，如流動(dòng)性好、氣密性好、收縮率小和熱裂傾向性小，經(jīng)過變質(zhì)和熱處理后，具有良好的力學(xué)性能、物理性能、耐腐蝕性能和中等的機(jī)加工性能，是鑄造鋁合金中品種最多、用途最廣的一類合金[4]。其中ZL101合金常被用于承受中等負(fù)荷的復(fù)雜零件，如飛機(jī)零件、儀器、儀表殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)零件、汽車及船舶零件、汽缸體、泵體、剎車鼓和電氣零件等；ZL105合金主要被用于生產(chǎn)承受大負(fù)荷的飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)砂型和金屬型鑄造零件，如傳動(dòng)機(jī)匣、汽缸體、液壓泵殼體和儀表零件，也可以做軸承支座和其他機(jī)器零件；ZL111合金主要用于制造形狀復(fù)雜、承受高載荷的零件，如用于飛機(jī)和導(dǎo)彈的鑄件等[5]。

純鋁的耐腐蝕性比任何一種鋁合金都好，因?yàn)殇X中的合金元素可以形成固溶體(例如鋁同鎂和鋅)、化合物(例如Mg2Si)或者元素的質(zhì)點(diǎn)(如硅的情況)[6]。固溶體通常比在其中形成化合物或元素質(zhì)點(diǎn)的鋁合金更耐腐蝕。一般情況下銅對(duì)鋁的耐腐蝕性有不利的影響，往99.99%鋁中添加0.1%的銅，使鋁的腐蝕速度提高1 599倍。含4%銅的合金對(duì)晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕裂紋是敏感的[7]。用控制熱處理的辦法，可以把Al-Cu合金的耐腐蝕性控制到一定程度。Al-Cu合金固溶處理后需要迅速淬火，以防止在晶界上出現(xiàn)粗大沉淀物。

腐蝕試樣承受75%屈服強(qiáng)度的應(yīng)力，在鹽-過氧化物溶液里交替浸泡48 h。腐蝕損失以抗拉強(qiáng)度損失的百分率為基礎(chǔ)。在Al-Cu合金的晶界上集聚大量沉淀物將會(huì)降低耐腐蝕性。接近晶粒邊界的區(qū)域?yàn)樨氥~區(qū)，于是在存在腐蝕介質(zhì)時(shí)便會(huì)形成一個(gè)很小的電化學(xué)電池[8]。貧銅區(qū)比CuAl2有較高的陽極性或負(fù)電性。時(shí)效處理也大大地影響Al-Cu合金的耐腐蝕性。自然時(shí)效得到較好的耐腐蝕性，因?yàn)镃uAl2沉淀物在自然時(shí)效合金中比在人工時(shí)效合金中更細(xì)并能均勻地彌散分布。人工時(shí)效大大地降低了Al-Cu合金的耐腐蝕性，這是由于CuAl2沉淀物只限于局部區(qū)域，但加長時(shí)效時(shí)間和提高時(shí)效溫度，可以使耐腐蝕性有一定的提高。Al-Cu-Si鑄造合金例如212合金的耐腐蝕性，主要取決于銅的含量和顯微組織。硅對(duì)這種合金的耐腐蝕性沒有多大影響[9]。

傳統(tǒng)的大氣腐蝕一般通過大氣暴露實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)模擬加速試驗(yàn)進(jìn)行研究。大氣暴露試驗(yàn)?zāi)軌蚍磻?yīng)材料在自然環(huán)境中的實(shí)際腐蝕情況，所得數(shù)據(jù)直觀、可靠，雖然試驗(yàn)周期長、速度慢、費(fèi)用高，但它是鋁和鋁合金大氣腐蝕研究的重要方法。室內(nèi)模擬加速試驗(yàn)可以顯著縮短試驗(yàn)時(shí)間，快速地對(duì)材料的大氣腐蝕行為進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，不能完全地取代大氣暴露試驗(yàn)。鋁合金的腐蝕速率表征既采用普遍使用的年失質(zhì)量的多少，也使用孔蝕坑的深度及數(shù)量分布和力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度)的損失量。觀察腐蝕形貌和分析腐蝕產(chǎn)物時(shí)，使用一些物理化學(xué)分析手段，如光學(xué)微鏡、掃描電鏡、X射線衍射分析、X射線光電子能譜等[10～11]。

室內(nèi)模擬加速試驗(yàn)有濕熱試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、干濕周浸循環(huán)試驗(yàn)以及多因子復(fù)合試驗(yàn)，一般認(rèn)為干濕交替的周浸循環(huán)試驗(yàn)比較能夠反映大氣腐蝕的特點(diǎn)。干濕交替的周浸循環(huán)試驗(yàn)的最初提出是為了評(píng)價(jià)耐候鋼的性能，適用于有鈍化膜的金屬及合金。這種研究方法從電化學(xué)的角度來說，也是合理的。對(duì)于鋁合金，可以采用此方法進(jìn)行大氣腐蝕試驗(yàn)，評(píng)價(jià)鋁合金的耐蝕性。在工業(yè)純鋁ZL10和ZL109合金表面誘發(fā)腐蝕，觀察和分析了鑄鋁合金中第二相和腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌及化學(xué)成分。在吸附了水分和侵蝕性氯離子微觀孔隙周圍，由第二相粒子和鋁基體構(gòu)成腐蝕微電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電位較負(fù)的鋁首先發(fā)生溶解，導(dǎo)致局部點(diǎn)狀腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要為鋁的不溶性氫氧化物，還含有少量的氧化鋁等。用室內(nèi)加速試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)鋁合金的耐大氣腐蝕性時(shí)，除測(cè)量失重和孔蝕深度外，應(yīng)包括金相分析和力學(xué)試驗(yàn)。室內(nèi)模擬加速試驗(yàn)從單因子控制到多因子控制，從簡單的電位測(cè)量到交流阻抗技術(shù)等多種測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，在過去的幾十年里得到一定程度的發(fā)展。但是在大氣腐蝕機(jī)理研究和準(zhǔn)確地重現(xiàn)大氣暴露試驗(yàn)結(jié)果方面，仍有較大的差距。室內(nèi)模擬加速試驗(yàn)的重復(fù)性還需要提高。有研究者做了室內(nèi)氣體腐蝕試驗(yàn)，通過對(duì)一種或幾種腐蝕性氣體組分濃度、相對(duì)濕度、溫度及暴露時(shí)間條件控制，觀察金屬的腐蝕，并通過多種手段分析腐蝕產(chǎn)物，給出腐蝕過程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律和腐蝕機(jī)理。不過，這些實(shí)驗(yàn)僅僅局限于純鋁材料，研究工作處于起步階段。Oesch用氣體試驗(yàn)箱分析了各腐蝕性氣體成分對(duì)純鋁大氣腐蝕的影響。他認(rèn)為臭氧對(duì)鋁的大氣腐蝕的影響要強(qiáng)于SO2和NO2。通過控制空氣中CO2的濃度，研究了CO2阻礙NaCl引發(fā)鋁的大氣腐蝕機(jī)制。

綜上所述，傳統(tǒng)的大氣腐蝕試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)是一段時(shí)間內(nèi)金屬的宏觀的、統(tǒng)計(jì)的腐蝕行為和規(guī)律，對(duì)大氣腐蝕過程中的關(guān)鍵反應(yīng)和中間過程缺乏清楚的描述。隨著儀器制造技術(shù)的進(jìn)步，人們?cè)絹碓节呄蛴趯?duì)金屬的大氣腐蝕過程進(jìn)行連續(xù)、原位的研究，從微觀上，甚至于原子尺度上認(rèn)識(shí)其腐蝕規(guī)律。

一般可采取兩種方式提高和穩(wěn)定鑄造鋁合金的耐腐蝕性：

1)掌握金屬元素的性質(zhì)和作用以及適宜的加入量、使用方法，在鋁合金中加入有益于提高耐腐蝕性的元素，如Si、Mg、Mn等，是獲取耐腐蝕合金的一條重要途徑。比如Al-Mg、Al-Si、Al-Si-Cu-Mn-Mg等系合金均具有較好的耐腐蝕性。

2)微量元素和雜質(zhì)對(duì)合金耐腐蝕性的影響，嚴(yán)控有害元素或雜質(zhì)的進(jìn)入或抑制其作用，充分發(fā)揮有益元素或雜質(zhì)提高合金耐腐蝕性。為滿足適宜的使用性能和鑄造性能，在熔煉鋁合金時(shí)除添加一定的主要金屬元素外，還需添加一些微量元素如Re、Na、Sr、P、Mn、Ca、Ni、Ti、Cr、Zn等。原輔材料及合金熔煉過程中不可避免地帶入某些微量元素和雜質(zhì)，給鑄造鋁合金的耐腐蝕性帶來不可忽視的影響[6]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)所用材料

本實(shí)驗(yàn)采用由立中合金集團(tuán)生產(chǎn)的A380鑄造鋁合金為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)試樣的成分進(jìn)行調(diào)整，切割取樣。通過觀察試樣組織、硬度測(cè)試、拉伸實(shí)驗(yàn)、斷口分析、電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和浸泡腐蝕實(shí)驗(yàn)等分析銅含量的不同對(duì)其性能及耐腐蝕性的影響。A380產(chǎn)品主要元素內(nèi)控要求如表1所示。

表1 A380 主要元素內(nèi)控要求(質(zhì)量%)

合金元素對(duì)鋁和鋁合金耐蝕性的影響是一個(gè)復(fù)雜的問題。因?yàn)檫@不僅與合金元素的電極電位(電化學(xué)序) 有關(guān)，還與合金元素的存在形式(固溶體還是析出的金屬間化合物相)、合金元素的加入量等諸多因素有關(guān)[7]。各合金元素的作用如下：

1)Si。硅是大多數(shù)壓鑄合金的主要元素，它能改善合金的鑄造性能。硅與鋁能組成固溶體。在577 ℃時(shí)，硅在鋁中的溶解度為1.65%；室溫時(shí)為0.2%。含硅量至11.7%時(shí)，硅與鋁形成共晶體。提高合金的高溫造型性，減少收縮率，無熱裂傾向。硅對(duì)鋁耐蝕性的影響在不同鋁合金中是不同的。在Al-Si鑄造鋁合金中，過量的硅以片狀存在于合金中，它對(duì)鋁起陰極性相的作用，對(duì)耐蝕是有害的。在合金含有鐵時(shí)，硅可能會(huì)進(jìn)入FeAl3金屬間化合物，起強(qiáng)陰極性相作用，對(duì)耐蝕性影響很大。而對(duì)于可熱處理的Al-Mg-Si合金，時(shí)效后生成Mg2Si相，這種化合物的出現(xiàn)對(duì)合金耐蝕性影響不大。所以，對(duì)于鋁和鋁合金，單獨(dú)的硅不如硅和鐵同時(shí)存在時(shí)的有害作用大。

2)Fe。在所有鋁合金中都含有害雜質(zhì)。鋁合金中含鐵太高時(shí)，鐵以FeAl3、Fe2Al7和Al-Si-Fe的片狀或針狀組織存在于合金中，降低機(jī)械性能。這種組織還會(huì)使合金的流動(dòng)性降低，熱裂性增大，但由于鋁合金對(duì)模具的粘附作用十分強(qiáng)烈，當(dāng)含鐵量在0.6%以下時(shí)尤為強(qiáng)烈；當(dāng)超過0.6%時(shí)，粘?，F(xiàn)象可大為減輕，故鐵含量一般應(yīng)控制在0.6%～1%范圍內(nèi)，其對(duì)壓鑄是有好處的，但最高不能超過1.5%。鐵對(duì)合金的耐蝕性有相當(dāng)大的影響，其作用僅次于銅。鐵對(duì)鋁來說，也是強(qiáng)陰極性元素。鐵在鋁中的溶解度十分小，在溫度500 ℃時(shí)也僅為0.005%，過剩的鐵往往生成陰極性相FeAl3，對(duì)鋁形成微電偶腐蝕。

3)Mg。在高硅鋁合金中加入少量(0.2%～0.3%)的鎂，可提高強(qiáng)度和屈服極限，提高了合金的切削加工性[8]。含鎂8%的鋁合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性，但其鑄造性能差。在高溫下的強(qiáng)度和塑性都低，冷卻時(shí)收縮大，故易產(chǎn)生熱裂和形成疏松。

4)Ti。鋁合金中加入微量的鈦，能顯著細(xì)化鋁合金的晶粒組織，提高合金的機(jī)械性能，降低合金的熱裂傾向。鈦在鋁合金中的含量很小，它對(duì)耐蝕性的影響也不大。有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，含鈦0.007%～0.008%時(shí)會(huì)對(duì)超純鋁在堿中的耐蝕性不利。而在某些酸中，0.16%～0.37%鈦的加入對(duì)工業(yè)純鋁耐蝕性會(huì)產(chǎn)生有利影響，而鈦對(duì)鋁在氯化鈉溶液中耐蝕性的影響卻很小。

5)Cu。銅和鋁組成固溶體，當(dāng)溫度為548 ℃時(shí)，銅在鋁中的溶解度應(yīng)為5.65%，室溫時(shí)降至0.1%左右。增加含銅量，能提高合金的流動(dòng)性，抗拉強(qiáng)度和硬度，但降低了耐腐蝕性和塑性。銅對(duì)鋁來說是強(qiáng)陰極性元素(電極電位正得多)，故即使銅的含量不多，也可對(duì)鋁及其合金的耐蝕性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。如當(dāng)含有0.1%銅時(shí)，高純鋁的腐蝕速度提高了1 600倍，要提高耐蝕性，銅的含量必須嚴(yán)格控制。

6)Mn。錳在鋁合金中能減少鐵的有害影響，能使鋁合金中由鐵形成的片狀或針狀組織變?yōu)榧?xì)密的晶體組織。故一般鋁合金允許有0.5%以下的錳存在。含錳量過高時(shí)，會(huì)引起偏析[9]。錳在鋁合金中主要以MnAl6相存在而MnAl6相和鋁有著相同的自然電極電位，幾乎沒有電位差，少量的錳往往還會(huì)提高合金的耐蝕性，因?yàn)槟苌蒑nFeAl6，從而部分消除含鐵的強(qiáng)陰極性相(如AlSi2Fe等)，從而增強(qiáng)了耐蝕性。所以Al-Mn合金是重要的防銹鋁合金之一。

7)Zn。鋅在鋁合金中能提高流動(dòng)性，增加熱脆性，降低耐蝕性，故應(yīng)控制鋅的含量在規(guī)定范圍內(nèi)。至于含鋅量很高的ZL401鋁合金卻具有較好的鑄造性能和機(jī)械性能，切削加工也較好。鋅在0.2%以下時(shí)，對(duì)鋁合金耐蝕性的影響不大。當(dāng)鋅作為某些高強(qiáng)鋁合金的添加元素時(shí)，其析出的金屬間化合物仍然可能成為鋁的陰極，但其對(duì)耐蝕性的影響小于銅、鐵、鎳等陰極性元素。

8)Ni。鎳在鋁合金中能提高合金的強(qiáng)度和硬度，降低耐蝕性。鎳與鐵的作用一樣，能減少合金對(duì)模具的熔蝕，同時(shí)又能中和鐵的有害影響。提高合金的焊接性能。當(dāng)鎳含量在1.0%～1.5%時(shí)，鑄件經(jīng)拋光能獲得光潔的表面。由于鎳的來源缺乏，應(yīng)盡量少采用含鎳的鋁合金。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 試樣煉制工藝的制定

實(shí)驗(yàn)配料卡如表2所示 。

表2 實(shí)驗(yàn)配料卡

其工藝流程如圖1所示。

圖1工藝流程

1.2.2 實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)主要涉及A380鑄造鋁合金的金相組織分析及力學(xué)性能分析兩個(gè)方面[9]。通過金相組織分析了解Al-Si-Cu鑄造鋁合金在不同的銅含量下，其微觀組織的變化，結(jié)合硬度測(cè)試、拉伸實(shí)驗(yàn)來分析不同的組織形態(tài)下Al-Si-Cu鑄造鋁合金性能的變化、耐腐蝕性的差異并最終確定A380鑄造鋁合金的最佳成分配比。實(shí)驗(yàn)流程圖如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)所用到的設(shè)備有：工業(yè)電爐、成分試樣模具、拉力試棒模具、石墨除氣棒、撇渣勺、取樣勺、直讀光譜儀、車床、鋸床等。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)分析過程所用到的設(shè)備有：HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計(jì)、立式顯微鏡、MC004-MPD-2W雙盤臺(tái)式金相磨拋機(jī)、PG-2C金相試樣拋光機(jī)、MDS實(shí)驗(yàn)室金相顯微鏡、WDW100型拉力試驗(yàn)機(jī)、PS-168C型電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)、KYKY-2800系列實(shí)用型掃描電子顯微鏡。其中，工業(yè)電爐用來制取試樣；HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計(jì)用來測(cè)定試樣的硬度；立式顯微鏡用來觀察斷口；MDS實(shí)驗(yàn)室金相顯微鏡用來拍攝金相試樣顯微組織的照片；WDW100型拉力試驗(yàn)機(jī)用來測(cè)試樣品抗拉強(qiáng)度；MC004-MPD-2W雙盤臺(tái)式金相磨拋機(jī)用來打磨試樣，PG-2C金相試樣拋光機(jī)用來制備金相試樣；PS-168C型電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)分別對(duì)合金的極化曲線、自腐蝕電位、自腐蝕電流密度等電化學(xué)進(jìn)行測(cè)量。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

1.3.1 取樣

將試樣分為A、B兩組，其中A組不含Cu，B組含3.38.%的Cu，其化學(xué)成分見表3。

表3 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量%)

根據(jù)需求用切割制成不同尺寸，其具體尺寸如下：

1)拉力試棒：直徑10 mm×150 mm試棒；

2)腐蝕樣塊：直徑15 mm×20 mm樣塊；

3)硬度樣塊：從鋁合金錠上鋸下厚30 mm的樣塊；

4)金相試樣：10 mm×10 mm×40 mm樣塊。

1.3.2 制備金相與拍攝金相照片

為了研究A380組織和性能，從合金錠上鋸下10 mm×10 mm×40 mm樣塊作為金相試樣，利用MDS實(shí)驗(yàn)室金相顯微鏡對(duì)其進(jìn)行金相顯微組織分析。

1)粗磨。在預(yù)磨機(jī)用240#金剛石砂紙預(yù)磨，保證試樣表而處于同一個(gè)平面。

2)細(xì)磨。經(jīng)粗磨后的試樣表面雖較平整，但還存在有較深的劃痕，細(xì)磨的目的就是為了消除這些磨痕，以得到平整而光滑的磨面，為下一步拋光做好準(zhǔn)備。細(xì)磨是在不同粗細(xì)程度的金相砂紙上進(jìn)行的，本次試驗(yàn)分別用240#、800#、1200#砂紙進(jìn)行細(xì)磨。細(xì)磨后的試樣表面應(yīng)平整光滑，劃痕較少，然后用水清洗干凈進(jìn)行拋光。

3)拋光。使用拋光機(jī)進(jìn)行拋光，拋光布上用金剛石研磨膏拋光。拋光液選用氧化鎂細(xì)粉末在水中的懸浮液，將拋光好的試樣清洗干凈后用酒精噴洗，然后吹風(fēng)機(jī)吹干。

4)侵蝕。浸蝕劑為15%HF+5%～6%H3PO4+H2O。

5)拍照。利用MDS實(shí)驗(yàn)室金相顯微鏡對(duì)其進(jìn)行金相顯微組織分析并拍照。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

1.4.1 硬度測(cè)試

通過測(cè)定不同含銅量的試樣的硬度可以從宏觀上判斷銅含量對(duì)鋁合金性能的影響，同時(shí)還可以大致判斷試樣內(nèi)部組織的分布情況。本實(shí)驗(yàn)的硬度測(cè)定采用布氏硬度計(jì)，所用儀器是HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計(jì)。測(cè)量A組3塊試樣，每個(gè)試樣測(cè)3次然后取平均值，各個(gè)數(shù)值均保留一位有效數(shù)字。測(cè)量面為厚度大約30 mm的錠塊。硬度測(cè)試前需用車床將樣塊加工平整，然后使用拋磨機(jī)將樣品拋磨平整，且一定要保證被測(cè)上下兩面的平行，每個(gè)試樣上下兩面各測(cè)3次，實(shí)驗(yàn)載荷選擇80 N。

1.4.2 拉伸實(shí)驗(yàn)及斷口形貌

1.4.2.1 拉伸實(shí)驗(yàn)

將澆鑄好的拉力試棒切削加工成標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件，拉伸試件實(shí)驗(yàn)段長度為大于100 mm，直徑為10 mm±0.2mm，試件夾持端直徑為15 mm。拉伸試驗(yàn)在WDW100型拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境為室溫，試驗(yàn)拉伸速度設(shè)為5 mm/min。

1.4.2.2 斷口形貌

金屬材料在破斷后的斷裂面稱為斷口，斷口分析的目的：第一種情況是對(duì)材料力學(xué)性能試驗(yàn)斷裂試樣的斷口分析，其目的是配合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與判斷材質(zhì)狀況；第二種情況是為失效分析或廢品分析進(jìn)行的斷口分析[10]。本實(shí)驗(yàn)通過立式顯微鏡，觀察A380試樣斷裂后斷口宏觀及微觀形貌特征，確定銅含量的不同對(duì)斷裂形式的影響。

斷口可以觀察其內(nèi)部宏觀組織缺陷，如夾雜物、偏析、氣泡、內(nèi)部裂紋。同種材料的試樣，缺口越深、越尖銳，缺口處應(yīng)力集中程度越大，越容易變形和斷裂。

通常用于斷口分析的試樣，斷口必須保持潔凈，因此在沖擊實(shí)驗(yàn)后將試樣收集并編號(hào)，且收集時(shí)要注意將沖擊過程中的小塊斷裂碎片和大塊斷口試樣試樣一起收集，收集的試樣按分組分別裝入袋中，沖擊實(shí)驗(yàn)做完后按組用丙酮清洗[11]。清洗過程中將放有丙酮溶液的燒杯(丙酮容易不得超過燒杯的2/3)放入超聲波清洗器中清洗15 min，然后用鑷子將試樣夾出用無水乙醇洗凈并吹干。吹干后的試樣放入干燥皿中防止斷口被氧化。

1.5 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

經(jīng)粗磨、精磨，并機(jī)械拋光、清洗、干燥后，將試樣非工作面用石蠟覆膜保護(hù)。采用PS-168C型電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)分別對(duì)合金的極化曲線、自腐蝕電位、自腐蝕電流密度等進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。電位掃描速度為1 mV/s，采樣速率為500 ms，參比電極為232型甘汞電極，腐蝕介質(zhì)是質(zhì)量濃度為3.5%的NaCl水溶液。

1.6 浸泡腐蝕實(shí)驗(yàn)

試樣先進(jìn)行磨制和拋光，再經(jīng)丙酮超聲清洗、吹干，并用分析天平測(cè)量腐蝕前的質(zhì)量，然后懸掛在濃度為3.5%NaCl溶液中恒溫(35 ℃±1 ℃)浸泡10 d。確保試樣和腐蝕液的面容比不小于2 dm2/L，試樣腐蝕后，用30%HNO3溶液清洗，再用軟毛刷和清水去除腐蝕產(chǎn)物，吹干后稱其質(zhì)量，并用掃描電鏡觀察腐蝕形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 組織分析

鋁硅系合金通常金相檢驗(yàn)的內(nèi)容是變質(zhì)情況，即檢驗(yàn)變質(zhì)處理是否不足或已過度，以及檢驗(yàn)含鐵相的形態(tài)，一般鐵相呈粗大的針狀。金相顯微組織特征(Sr變質(zhì))有如下幾種情況：

2.1.1 未變質(zhì)

共晶硅為長針狀或桿狀，分布無規(guī)律，可有α枝晶或少量塊狀初晶硅。

2.1.2 變質(zhì)不足

α枝晶與共晶體分布不均勻，部分共晶硅為短桿狀，部分為針狀。

2.1.3 變質(zhì)正常

α枝晶與共晶體分布均勻，部分共晶硅為點(diǎn)狀或蠕蟲狀。

2.1.4 變質(zhì)衰退

α枝晶與共晶體分布不夠均勻，共晶硅變粗，部分為短桿狀，部分為針狀。

圖3 金相顯微組織

2.1.5 輕度過變質(zhì)

α枝晶與共晶體分布基本均勻，但在一些共晶硅中出現(xiàn)線狀α帶。

2.1.6 嚴(yán)重過變質(zhì)

α枝晶與共晶體分布很不均勻，出現(xiàn)粗過變質(zhì)帶(細(xì)密共晶體中出現(xiàn)波浪狀分布的α帶，帶中有許多粗大的共晶硅)。

圖3為加銅前后的金相顯微組織。其中圖3(a)為加銅前，圖3(b)為加銅后。

表4 A1～A3試樣硬度值

從圖3可以看出，圖3(a)共晶硅為長針狀或桿狀，是未變質(zhì)的狀態(tài)；而圖3(b)為共晶硅為點(diǎn)狀或蠕蟲狀，說明變質(zhì)正常。出現(xiàn)這樣的情況與銅的加入沒有關(guān)系，因?yàn)殂~沒有使鋁合金變質(zhì)的作用。

2.2 力學(xué)性能分析

2.2.1 硬度分析

表4為沒加銅的3個(gè)試樣A1～A3的硬度值及平均值。

表5為加銅之后的3個(gè)試樣B1～B2的硬度值及平均值。

表5 B1～B3試樣硬度值

通過表4、表5可以看出，過銅的加入對(duì)鋁合金的硬度一定程度上起到了強(qiáng)化作用。

2.2.2 拉伸試驗(yàn)分析

拉伸試驗(yàn)是在常溫條件下WDW100型拉力試驗(yàn)機(jī)上完成。表6為拉伸力學(xué)性能。結(jié)果表明，加Cu之后合金的抗拉強(qiáng)度、延伸強(qiáng)度、斷裂伸長率均有所提高，分別提升16%、19.8%、2.5%?？傮w來講，加入Cu的合金，室溫時(shí)的力學(xué)性能有所提高。

表6 拉伸力學(xué)性能

圖4 斷口形貌

2.2.3 斷口分析

以下為試樣拉伸試驗(yàn)后斷口斷裂形式的分析。圖4為沖擊實(shí)驗(yàn)試樣斷裂后的形貌。其中圖4(a)為沒有加銅試樣的斷口宏觀圖；圖4(b)為加入銅的試樣的斷口宏觀圖。通過對(duì)該圖的分析確定斷口宏觀特征及兩者的區(qū)別。其斷裂均為準(zhǔn)解理斷裂。在斷口表面都分布著雜質(zhì)、孔洞、鑄造縮孔和氧化膜等缺陷。

通過在立式顯微鏡下觀察拉力試驗(yàn)后斷口的形貌，其中圖4(c)為沒有加銅試樣的斷口，圖4(d)是加入銅之后的，兩者均在放大20倍的情況下拍攝。通過觀察斷口形貌可以看出，加入銅后的斷口顏色略微有所變化，但是組織缺陷沒有發(fā)生任何改變。

2.3 電化學(xué)試驗(yàn)分析

圖5為Al-Si鋁合金和Al-Si-Cu合金的極化曲線。自腐蝕電位分別是-700 mV和-400 mV，可知Al-Si鋁合金的自腐蝕電位正移了300 mV，腐蝕傾向大大降低。而且兩者的極化曲線形狀也一樣，Al-Si鋁合金的極化曲線在-400 mV～+40 mV之間出現(xiàn)電流平臺(tái)，為鈍化電位區(qū)間，意味著此電位區(qū)間內(nèi)，Al-Si鋁合金表面形成了鈍化膜，保護(hù)鋁合金基體，不易發(fā)生腐蝕：電位高壓+40 mV后，陽極電流徒增，鈍化膜破裂，失去保護(hù)作用，發(fā)生點(diǎn)蝕。相反Al-Si-Cu合金則沒有鈍化區(qū)間，直接發(fā)生點(diǎn)蝕，所以耐腐蝕性能差。

圖5 Al-Si 鋁合金和Al-Si-Cu合金的極化曲線

由圖5可知，添加合金元素后，合金的極化曲線均向右移動(dòng)，自腐蝕電位向負(fù)向移動(dòng)，腐蝕電流密度增大。這種趨勢(shì)說明，合金元素的添加降低了Al-Si的耐腐蝕性能。這主要是由于添加合金元素后形成了第二相，如CuAl2相，導(dǎo)致合金組成相的多樣化和相間電位差的擴(kuò)大化，從而降低了α-Al基體表面保護(hù)膜的連續(xù)性，使抗腐蝕性能變差。

試驗(yàn)合金的Icorr如表7所示。

表7 試驗(yàn)合金的腐蝕電位Ecorr和腐蝕電流密度Icorr

2.4 浸泡腐蝕試驗(yàn)分析

試驗(yàn)合金的腐蝕質(zhì)量損失如表8所示。其中相對(duì)腐蝕速率為腐蝕質(zhì)量損失與腐蝕前質(zhì)量的百分比，腐蝕速度單位面積和單位時(shí)間內(nèi)的腐蝕質(zhì)量損失。由表8可知，Cu使Al-Si合金的腐蝕質(zhì)量增大，耐腐蝕性變差。相對(duì)腐蝕速率為2.88%，腐蝕速度為0.854 7 g·m-2h-1。

表8 試驗(yàn)合金的腐蝕失重和腐蝕速率

各合金浸泡腐蝕后的形貌如圖6所示。

不難看出，Al-Si合金的腐蝕從硅及晶界處優(yōu)先開始。以點(diǎn)蝕為主，見圖6(a)。這是由于在鑄造條件下，硅在α-Al基體相中的固溶度和含量均非常低，硅很容易在α-Al晶界處于以針狀或板條狀硅相析出，從而引起α-Al晶界附近相對(duì)低電位“貧硅區(qū)”或“貧硅帶”。

此外，過飽和的硅還可能與雜質(zhì)鐵元素化合而形成AlFeSi相。而相對(duì)于α-Al鋁基體而言，游離態(tài)硅相和化合態(tài)AlFeSi相的電位均較高，成為陰極相，因而它們能夠與電位較低的α-Al鋁基體相構(gòu)成一對(duì)電極電偶，致使其周圍的α-Al鋁基體發(fā)生局部陽極溶解而產(chǎn)生點(diǎn)蝕。同時(shí)，α-Al鋁基體和硅晶體間粗大的相界面也對(duì)鋁硅合金的耐蝕性產(chǎn)生不良影響。

Al-Si-Cu合金不僅出現(xiàn)嚴(yán)重點(diǎn)蝕，而且還有明顯的晶間腐蝕現(xiàn)象，見圖6(b)。這是由于Cu的加入，導(dǎo)致鋁硅合金中沿α-Al晶界析出了更高電位的CuAl2相。同時(shí)由于CuAl2的析出，也導(dǎo)致α-Al晶界附近出現(xiàn)相對(duì)低電位的“貧銅區(qū)”。這樣在腐蝕介質(zhì)Cl的作用下，CuAl2相和“貧銅區(qū)”構(gòu)成一組電偶，使沿晶界分布的“貧銅區(qū)”發(fā)生陽極溶解，加劇腐蝕過程，因而出現(xiàn)明顯的晶間腐蝕特征。

圖6 掃描電鏡下的腐蝕形貌

3 結(jié)論

分析對(duì)比加入銅元素對(duì)鑄造鋁合金的金相組織，斷口形貌，力學(xué)性能，并著重研究了其耐腐蝕性的差距，得出結(jié)論如下：

1)銅元素對(duì)鋁合金的金相顯微組織沒有任何改變，銅不具有變質(zhì)的作用。

2)合金元素對(duì)鋁合金的力學(xué)性能有不同的影響，其中銅元素的加入可以一定程度的增強(qiáng)鋁合金的硬度，同時(shí)相應(yīng)地降低了其塑性。

3)合金元素對(duì)Al-Si-Cu系合金的耐腐蝕性有重要影響。雖著合金元素Cu的加入，合金的自腐蝕電位降低、腐蝕電流密度增大、腐蝕速度加快，亦即合金耐腐蝕性下降。

4)Cu使Al-Si合金的腐蝕質(zhì)量增大，耐腐蝕性變差。相對(duì)腐蝕速率為2.88%，腐蝕速度為0.854 7 g·m-2h-1，銅的加入不僅使Al-Si-Cu合金出現(xiàn)嚴(yán)重點(diǎn)蝕，而且還有明顯的晶間腐蝕現(xiàn)象。

綜合比較加銅前后鋁合金的金相組織、斷口形貌、力學(xué)性能、耐腐蝕性等幾個(gè)方面的變化我們可以看出，在鋁合金中加入銅元素在一定程度上可以增強(qiáng)其性能，但是銅會(huì)降低鋁合金的耐腐蝕性，要控制在合適的范圍。