分析合金元素对3104铝合金组织和力学性能的影响

分析合金元素对3104铝合金组织和力学性能的影响

黄苗

邹平宏发铝业科技有限公司256200

摘要：本文立足于3104铝合金的应用价值和影响因素简略阐述了研究背景，同时从Mn、Mg、Si、Fe四种元素的影响机理着手，围绕着合金元素3104铝合金组织和力学性能的影响进行了详细分析，探究了在特定保温时间、搅拌条件以及熔炼温度等熔炼条件下，3104铝合金在成分配置不同时所体现出的实际效果。在研究过程中，试验人员主要是对铸锭进行均匀化处理，并通过热轧和冷轧使其成型，接下来便要针对冷轧态板材展开退火工作，基于此，针对各种合金元素成分配比情况的不同，探究3104铝合金在组织和力学性能层面所呈现出的差异性，旨在为相关研究人员提供参考，通过对于合金元素的合理把控，促进3104铝合金的高质量生产。

关键词：合金元素；3104铝合金；力学性能

引言：英国早在二十世纪四十年代便研发出了铝合金浅冲罐，此后，美国于60年代研发了变薄拉伸法以及拉伸法等多种制罐工艺，这些成果均在一定程度上推动了全世界铝罐制造业的发展，目前来看，3104铝合金是铝罐制造的主要材料之一，虽然3204铝合金本身有着更高的强度，但相对于3104来说，其在成型性方面相对较弱，所以当前普遍使用3104铝合金。但从实际情况来看，Mn、Mg、Si、Fe等合金元素的含量将会在极大程度上影响3104铝合金组织和力学性能，然而目前部分制造企业在实践中对于合金元素含量的把控力度相对较差，这便在一定程度上影响了3104铝合金制作效率，基于此，有必要对其展开更为深层次的探究。

1研究背景

从目前来看，3104是世界上单一产量最高的压延铝合金，其在多个领域均有着较大的应用价值，目前广泛应用于易拉罐罐身的制作，整体有着较高的韧性以及强度。相对于3003铝合金而言，3104铝合金在成分上呈现出明显的变化，具体表现为杂质元素Si、Fe的含量有所增加，而Mn元素含量则显著降低。尤其是对于w(Fe)/w(Si)自身的比例有着较高的要求。现如今我国用于易拉罐制作的铝合金w(Fe)/w(Si)基本上为2.0，而近些年来在研发出了一种3104铝合金，其w(Fe)/w(Si)能处在1.0以下，该材料的应用可以有效提升废铝的利用效率，同时还能够为非易拉罐罐体用途产品的开发提供必要的支持。在多年探究过程中，其已经实现了大规模生产，在性能方面也较为良好。3104铝合金性能在极大程度上受到Mn、Mg、Si、Fe等主要合金元素成分的影响，集中在微观组织和力学性能层面。

2合金元素对3104铝合金组织和力学性能的影响探究

2.1Mn

在增加Mn含量的过程中能够体现出明显的强化效果，延伸率呈现出一定的下降趋势，在减少Mn含量的增加之后，Fe和Si的占比较大，其在溶于基体之后会形成大量块状（FeMn）A16。除此以外，Mn的存在有一定的可能性会导致合金本身有着较大的过冷，进而出现偏析现象。当均匀化退火之后，Mn将会在晶相偏聚，在基体的第二相晶界周围产生了白色亮点，根据试验结果可以得出结论，当Mn的含量处在1.05左右的情况下，铝合金有一定的可能性会产生加工硬化。

2.2Mg

Mg和Si在产生作用的情况下会产生Mg2Si强化相，若是Mg和Si之间的质量比在1.71以上，便会产生多余的Mg，使得Mg2Si溶解度较之以往有了显著的降低，此时强化相析出粗化。过剩的Mg与Al在相互作用下会产生Al8Mg5化合物，若是其在晶内和界内呈现出弥散状态，便可以显著提高3104铝合金本身的抗蚀性能。在铸锭内部包含少量Mg2Si相的情况下，能够进一步降低其抵抗变形的能力。当在Mg2Si大量溶解的过程中，促进铝合金自身强度的增强，提高抵抗变形的效果，若是持续增加Mg含量，那么含量并不会在极大程度上对屈服强度以及抗拉强度造成影响，与之相反还会进一步降低其强度，在进一步增加Mg含量之后，铝合金本身的塑性较之以往存在明显的减弱[1]。

2.3Fe

当处在常温情况下时，杂质Fe和Si难以实现固溶，在铁铝合金基体的内部会产生（FeMn）A16。Si、Mn与Al形成三元相，在Fe融入之后则产生了四元相。Fe/Si的存在会使得在热变形的过程中，Mn在基体内部分解速度出现明显加快，以达到提高铝合金自身性能的效果。经过均匀化处理工作之后会使得铝合金的微观组织表面产生一定的粗大针状以及块状。若是其本身有着相对较高的Fe和Mn含量，那么在对其进行轧制的过程中将会产生破碎棱角尖锐现象。受到Si的影响会产生粗大的片状Al(FeMnSi)相，严重影响合金自身性能。根据试验可知，在Fe/Si处在1.73时，会使得铝合金材料的强度得到进一步降低，但可以提升其塑性，所以相关工作人员应当加强对于Fe/Si比值的合理把控，并综合考虑各方面影响因素确定Fe和Si的实际含量。

2.4Si

在590摄氏度均匀化退火之后，金属化合物相的周围产生了诸多细小弥散的第二相，与此同时，其并非与粗大相完全贴近，这也代表着均火之后存在细小第二相的析出现象，研究人员为了方便后续观察，通过磷酸抛光腐蚀，基于同一视场针对偏光和正光组织展开观察，同时对其进行比较分析。在半连续铸造方法下的铸锭晶粒中往往有诸多合金预算存在着过饱和现象，当经历均匀化热处理之后，上述元素便会析出，温度在300摄氏度以上时，其析出是属于相对细小的弥散相，因为Mg的参与，所以其所呈现出的析出过程也会产生一定的差异性，在不断增加均匀化温度之后，针状Mg

2Si离子会率先析出，其将会沿着基体的方向析出，在温度进一步升高之后，Mg2Si便会产生溶解，其溶解过程将会出现大量Si。在均匀化阶段，晶界和部分粗大化合物周围的离子普遍会产生溶解现象，但位于晶粒内部的离子则会呈现出长大的趋势。

通过热轧和冷轧的手段使得铸锭厚度达到0.15毫米，最终的相组便是Mg2Si相和α相，这也代表了在均匀化时，依然存在Mg2Si的析出，因为在实验材料中包含着过多的Si成分，导致其在同Mg产生反应之后形成了Mg2Si，而其所析出的Mg2Si具有容易长大粗化的特点。针对纯Al-Mn系合金而言，通过均匀化所析出的基本上属于是有着细小特点的MnAl6化合物，弥散的MnAl6化合物质点将会在一定程度上对晶粒的不断长大起到限制作用，进而实现细化晶粒的目标。但对于3104铝合金来说，在MnAl6中融入Fe、Si将会产生简单立方α-Al(Fe,Mn)Si相。基于此，可以看出，在试验材料中存在较多的Si会更容易出现析出相，并且有更大的可能性会产生粗化现象，这主要是因为Si对于析出相的长大有着较大影响。根据研究结果可知，Si元素含量较多将会导致3104铝合金在均火阶段所产生的析出相进一步长大，同时还会造成其粗化[2]。

结论：综上所述，增加Mg含量之后，铝合金本身的塑性较之以往存在明显的减弱，Fe/Si则会在一定程度上提高3104铝合金强度，Si元素含量较多会导致析出相粗化，由此可见，合金元素含量和比例等的不同都会对3014铝合金最终质量产生较大的影响。基于此，研究人员应当加强对于合金元素材料含量的合理把控，确保其应用的科学性，进而为我国制罐领域的长效稳定发展创造良好的条件。

参考文献：

[1]迟蕊,王家毅,顾华锋,等.3104铝合金铸锭不同均匀化工艺处理后的组织性能研究[J].轻合金加工技术,2021,49(4):25-32.

[2]白世森,刘民章.大规格3104铝合金扁锭的熔铸工艺及表面偏析瘤缺陷的预防措施[J].轻金属,2021(9):45-51.