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锰在铝合金中的应用

时间:2010-10-28来源:中国钢铁产业网信息中心 作者: Steel info点击:
 

锰元素添加于铝合金中通常是经熔炼-破碎后按照粉末冶金工艺完成。在熔炼冷却时,采用高的冷却速率,以避免粗大的Al6Mn相的形成,为此,Lee等尝试了以MnAl薄饼或锰粉注射两种方式添加到铝合金基体中。结果表明,前一方式依靠组元之间反应释放的热量,使锰的固溶过程不需要额外的设备就可以维持,整个过程所需温度较低;而且,材料性能对锰颗粒尺寸依赖程度小。而采用后一种方式时,由于通过高速气流载入锰金属粉末,需要补加设备。此外,采用该方法工艺周期长,操作温度也明显高于第一种方式。同时,发现锰粉粒度不论在大于还是小于最佳尺寸时,均不利于材料性能。

Al-Mn合金是常见的铝合金,它由α固溶体和Al6Mn金属间化合物两相组成。金属间化合物对合金的力学性能影响很大,随化合物含量的增加,合金屈服应力和抗疲劳强度明显上升,而延伸率却降低(尤其在较低温度的工作环境中)。在Al-Mn合金中添加少量铬之后合金性能改变明显,Sugamata等研究了Al-(6~8)%Mn-(1~3)%Cr合金的力学性能与成分之间的关系。结果表明在Mn+Cr含量高于8.8%之后,合金强化程度因沉淀而明显上升。Al-7Mn-3Cr合金具有最佳的强化效果,拉伸强度达到480MPa,同时延伸率为7%。在铬添加量较低时,合金中沉淀出Al6Mn第二相;当铬添加量较高时,形成Al7Cr相,对热挤压的合金样品进行热处理后,体系中生成G相,即(Mn,Cr)Al12相。第二相的形成对影响合金微观组织和力学性能均表现出显著影响。在Al-Mn合金中加入硅元素也取得了较好的效果,Hawk等采用快速凝固技术制备了Al-12.6Mn-4.8Si合金。经350℃退火处理100h后样品的微观组织非常稳定,强度和延伸率没有下降现象,在室温至380℃区间,拉伸强度从465MPa降到115MPa,延伸率从 6%上升至12%;当温度上升至425℃后,延伸率进而增加到30%。同时,合金的强度、塑性取决于应变速率,高的应变速率下强度和塑性均有所提高。蠕变测试结果表明,在测试温度范围内,合金的蠕变激活能在100~230 kJ/mol之间,应力指数介于3~5间。粉末冶金工艺制备的高强度AlMnCe合金比传统合金具有更高的耐磨损性能。Al90Mn8Ce2合金在753~793K、1.2GPa条件下等静压制成形后,具有最佳的压缩强度和硬度,分别达到900MPa和26HRC,强度的提高归因于合金细小的晶粒和第二相强化;研究发现Al90Mn8Ce2合金具有优异的耐磨损性能,如在773K条件下,该合金的耐磨损能力是普通A355铝合金的3倍。还发现材料中的Al6Mn、Al4Ce以及Al2O3等第二相硬质颗粒,对合金耐磨损性能提高有利。

近年来研究发现,在低锌(≤5%)的Al-Zn-Mg-Cu合金中添加锰,不仅能细化晶粒,而且,在不牺牲铝合金塑性和韧性的前提下,能显著提高合金强度。在高锌含量(≥8%)的Al-Zn-Mg-Cu系合金中添加4%Mn,显著地提高铝合金的强度,但材料的塑性和韧性较低,通常延伸率低于5%。为了解决这一问题,蔡元华等采用粉末冶金方法制备了锰增韧的Al-Zn-Mg-Cu合金,XRD表征结果显示材料中除含有α-Al基体外,尚有细小的Al6Mn、MgZn2和AlCu2Mn等相,而雾化粉中存在的CuMg2则在加热及变形过程中发生分解,溶解到基体中。含锰的沉淀相作为一种位错不可切割的粒子,与位错发生交互作用,阻止位错的运动,使得拉伸时硬化指数明显提高。同时使得滑移在合金每一个晶粒中均匀发生,促使平面滑移向交滑移转变,形成晶粒中均匀分布的细小滑移带,而不是产生局部的应变或应力集中,从而使合金维持较为恒定的延伸率,减小断口韧窝尺寸 。Al-Li合金是航空、航天、舰船等工业中最具潜力的新型金属结构材料,添加合金元素可以达到增韧和提高塑性等目的。在Al-Li合金中添加锰元素之后,锰以亚微米尺寸的Al6Mn颗粒形式弥散在基体当中。锰的加入不仅没有降低锂的沉淀强化能力,而且合金硬度、拉伸强度尤其弹性模量均随锰含量的增加而线性增大。含有高浓度的金属间化合物第二相颗粒的粉末冶金铝合金在高温环境下有重要应用前景。

在Al-Mg合金中添加锰之后观察到超塑性,经完全再结晶的Al-5Mg-2.2Mn合金平均晶粒尺寸约3 μm,在748~823 K温度区间以10-4~2 /s 的应变速率研究合金的塑性变形行为,结果发现,合金在应变速率10-2 /s条件下表现出超塑性行为,在823 K时以6×10-3 /s恒定速率拉伸时,合金最大延伸率达到570%。作者认为,粉末冶金Al-Mg-Mn合金的超塑性变形机理受晶界滑移控制,同时伴有晶界扩散主导的位错攀移和滑移机理。

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