Sn微合金化无铅易切削Al-Mg-Si合金的组织与性能
尹志民，黄志其，肖 静
(中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：
试、X射线衍射物相分析、扫描电子显微分析、透射电镜分析和金相实验方法研究了不同处理态Sn微合金化的无铅易切削Al-Mg-Si合金棒材的显微组织与性能。研究结果表明：合金的最佳时效工艺为 170 ℃/8 h，在此条件下，合金棒材的抗拉强度为351 MPa，屈服强度为336 MPa，延伸率为13.5%；合金的物相组成为铝基固溶体、主要强化相Mg2Si和CuAl2以及低熔点组织组成物Mg2Sn+Sn；低熔点组织组成物Mg2Sn+Sn以及时效析出相Mg2Si和CuAl2使合金具有良好切削性能和较高强度。
关键词：
中图分类号：TG136+.4 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2007)01-0056-04
Microstructure and properties of lead-free and free-cutting Al-Mg-Si alloy
with minor Sn alloying
YIN Zhi-min, HUANG Zhi-qi, XIAO Jing
(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The microstructure and mechanical properties of minor Sn alloying lead-free and free-cutting Al-Mg-Si alloy rod with different treatments were investigated using mechanical property test, XRD analysis, SEM and TEM. The results show that the best aging process is 170 ℃/8 h, and in this condition, the tensile strength, yield strength and elongation of the alloy bar are 351 MPa, 336 MPa and 13.5%, respectively. The phase composition includes Al-based solid solution, low melting point eutectic(Mg2Sn+Sn) and Mg2Si and CuAl2 precipitates. The existence of low melting point substance (Mg2Sn+Sn) Mg2Si and CuAl2 precipitation makes the alloy possess not only good machinability but also good strength.
Key words: minor Sn alloying; Al-Mg-Si alloy; microstructure; properties
传统易切削铝合金是通过向2×××系和6×××系铝合金中加入少量Pb和Bi来实现的。Pb和Bi等元素在基体中形成低熔点组织组成物，在切削过程中切屑不连续，易断，能够显著提高铝合金的切削性能。传统易切削铝合金包括2007铝合金、2030铝合金、2011铝合金、6012铝合金、6262铝合金[1-4]。但Pb对人和环境有害，一些国家已经颁布法令，2006年底将禁止加铅的易切削铝合金的生产和使用，无铅易切削铝合金的研究势在必行。从20世纪90年代中期开始，C.W.Bartges等[5-9]对无铅易切削Al-Mg-Si合金进行了研究；J.Faltus等[10-11]研究了一种可以取代传统含铅6262铝合金的Al-Mg-Si合金，主要是通过向6×××系合金基体中添加低熔点组元Sn，Bi和In等来代替有毒元素Pb。在这些合金中，Sn，Bi和In等元素在合金中形成不溶解于铝基体中的相，使该材料具有良好的切削加工性。目前，国内还未见无铅易切削铝合金研究的报道。在此，本文作者对用Sn微合金化的无铅易切削6×××铝合金不同处理态棒材的显微组织结构与性能进行研究，以期为这类合金的后续研究提供理论和实验依据。
1 实验材料与实验方法
1.1 实验材料
Al-Mg-Si合金成分见表1。
表1 Al-Mg-Si合金的成分
Table 1 Chemical composition of Al-Mg-Si alloy w/%
1.2 实验方法
研究用合金熔炼后采用半连续铸造成锭，铸锭经470~480 ℃热挤压成棒材，于540 ℃淬火后再进行8%的冷拉变形。为了比较时效工艺对合金组织性能的影响，淬火-冷拉处理的棒材在170，180和190 ℃时进行时效，时效时间为0~24 h。
拉伸力学性能实验在CSS-44100型万能电子拉伸机上进行，拉伸速度为2 mm/min；X射线衍射物相分析在理学D/max-2550/PC型X射线衍射仪上进行；在POLYVAR-MET金相显微镜上进行金相组织观察；扫描电镜观察在带能谱的Sirion200场发射扫描电镜上进行；薄膜样品双喷电解液为30% HNO3+70% CH3OH，电解抛光电压为15 V，电流为80~100 mA，温度为-25 ℃。薄膜样品在Tecnai G2 20分析型电子显微镜上进行观察。
2 实验结果
2.1 时效工艺对合金力学性能的影响
时效工艺对淬火-冷拉处理的合金棒材力学性能的影响见图1。从图1可以看出，淬火后冷拉处理的合金在170℃时效，合金的强度先升高而后下降，于170 ℃时效8 h，合金强度达到峰值。延伸率则一开始单调下降，峰值时效后才稍有回升。在峰值时效条件下，合金强度σb和σ0.2分别为351 MPa和336 MPa，延伸率δ5为13.5%。于180 ℃和190 ℃时效的时效特性和于170 ℃时效的时效特性是相同的。不同的是，时效温度越高，强度达到峰值的时间缩短，强度峰值也随之下降。Sn微合金化的无铅易切削Al-Mg-Si合金与传统6262铝合金时效态的力学性能相当。
θ/℃: 1—170; 2—180; 3—190
图1 研究合金的时效特性
Fig.1 Aging characteristic of the studied alloy
2.2 合金的X射线衍射分析结果
合金不同处理态的X射线衍射物相分析结果如图2所示。可以看出，合金的主要物相组成为Al基固溶体,主要强化相Mg2Si和CuAl2，低熔点组织组成物Mg2Sn和Sn；固溶和时效后合金与经过热挤压的合金相比，Mg2Sn的晶体结构发生了变化，经固溶后，以立方结构的Mg2Sn形式存在，根据文献[12]，这是因为Mg2Sn在440℃时存在一个六方-立方转变。六方结构是一种亚稳状态，随着温度的升高，将转变为稳态的立方结构。其结构变化对于合金的切削性能影响有待进一步研究。
图2 研究合金不同处理态的X射线衍射物相分析结果
Fig.2 X-ray results of the studied alloy under different
treatment conditions
2.3 不同加工热处理状态合金的金相显微组织和SEM观察
不同热处理状态合金的金相显微组织和SEM观察结果见图3。
图3(a)所示为挤压态合金为带状延伸组织。图3(b)所示为时效态合金的金相组织，可见，合金经时效后发生了回复和部分再结晶。从图3(a)和3(b)中都可见许多微米级的第2相粒子，从尺寸和形貌上看，应为合金中所存在的低熔点物质Mg2Sn+Sn。图3(c)~(d)所示分别为时效态合金中Mg和Sn元素在同一区域的面分布,可以看出，Mg和Sn元素在基体中呈伴随分布，这些点应该是X射线衍射图谱中所对应的低熔点组织组成物Mg2Sn和Sn的存在点。
用Sn微合金化的无铅易切削Al-Mg-Si合金的易切削性设计是通过向合金中加入Sn来实现的，Mg和Sn在合金中形成低熔点组织组成物Mg2Sn+Sn，这种组织组成物的共晶点[13]为203.56 ℃。合金工件在高速切削过程中机械能转变成热能，摩擦生热使这种低熔点组织组成物在切削刀具和材料的接触点发生软化和熔化；使切削过程中切料不连续，容易断裂，切屑比较细小，切削加工效率显著提高。
2.4 不同处理条件下合金的透射电子显微组织
不同加工热处理条件下合金的透射电子显微组织见图4。图4(a)~(b)所示分别为合金热挤压态的TEM显微组织。从图4(a)可以看到，合金中存在微米级的第2相球形粒子，通过球形粒子能谱分析，发现其主要成分为Mg和Sn(图4(b))。根据文献[2, 13]，这就是合金中存在的低熔点组织组成物Mg2Sn+Sn。图4(c)所示为合金经固溶-冷拉处理后T8时效态的透射电子显微组织，表明合金基体上存在位错缠结和大量片状析出相Mg2Si。
(a) 经T1处理的OM显像结构；(b) 经时效处理的OM显微结构；
(c) 经时效处理的Mg合金表面结构；(d) 经时效处理的Sn处理合金表面结构
图3 研究合金的金相显微组织和SEM观察
Fig.3 OM Microstructure and SEM analysis of the alloy
(a) 经T1处理的合金TEM显微组织结构；
(b) 图(a)中第2相粒子能谱；
(c) 经时效处理的合金TEM显微组织结构
图4 研究合金的显微组织结构
Fig.4 Microstructure of the studied alloy
3 结 论
a. 用Sn微合金化的无铅易切削Al-Mg-Si合金固溶—冷拉后，最佳时效处理工艺为170 ℃/8 h，在此条件下，合金棒材的抗拉强度为351 MPa，屈服强度为336 MPa，延伸率为13.5%。
b. 用Sn微合金化的无铅易切削Al-Mg-Si合金固溶—冷拉—时效处理态的物相组成为：铝基固溶体，铝基固溶体基体上弥散分布的析出相Mg2Si和CuAl2；此外，还有低熔点共晶组成物Mg2Sn+Sn。在时效过程中形变组织发生回复和不完全再结晶，同时，过饱和固溶体分解析出Mg2Si强化相。
c. 不完全的再结晶组织、弥散分布的析出相和低熔点组织组成物的存在使合金既具有较高的强度和塑性，又具有良好的切削加工性能。
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收稿日期：2006-04-10
基金项目：国家重点基础研究发展规划项目(2005CB623701)
作者简介：尹志民，男，湖南长沙人，教授，从事高性能铝合金的研究
通讯作者：尹志民，男，教授；电话：0731-8830262；E-mail: yin-grp@mail.csu.edu.cn
摘要：采用力学性能测试、X射线衍射物相分析、扫描电子显微分析、透射电镜分析和金相实验方法研究了不同处理态Sn微合金化的无铅易切削Al-Mg-Si合金棒材的显微组织与性能。研究结果表明：合金的最佳时效工艺为 170 ℃/8 h，在此条件下，合金棒材的抗拉强度为351 MPa，屈服强度为336 MPa，延伸率为13.5%；合金的物相组成为铝基固溶体、主要强化相Mg2Si和CuAl2以及低熔点组织组成物Mg2Sn+Sn；低熔点组织组成物Mg2Sn+Sn以及时效析出相Mg2Si和CuAl2使合金具有良好切削性能和较高强度。
