（材料物理与化学专业论文）易切削铝合金的组织与性能研究.pdf

中南大学硕士论文 摘要 摘要 采用力学性能测试、x 射线衍射物相分析( x r d ) 、扫描电子显微 分析( s e m ) 和能谱分析( e d s ) 、差热分析( d s c ) 、透射电镜分析( t e m ) 和金相实验方法( o m ) 研究了不同处理态的五种易切削铝合金棒材的 组织与性能。在此基础上，采用晶间腐蚀法和现场切削试验研究了合 金的腐蚀性能和可切削性能。结果表明： 1 ) 用微量s n 来取代p b ，在传统2 0 1 1 合金的基础上设计开发了 2 0 1 1 a 合金，经热处理工艺优化后，2 0 1 1 易切削铝合金固溶一冷拉后 的最佳时效热处理工艺为1 7 0 8 h ，在此工艺条件下，合金棒材的 抗拉强度为4 7 1 m p a ，屈服强度为3 7 8 m p a ，延伸率为1 0 1 ；s n 、b i 微 合金化的无铅易切削2 0 1 1 a 合金固溶一冷拉后的最佳时效热处理工艺 为1 6 0 6 h ，在此工艺条件下，合金棒材的抗拉强度为4 7 3 m p a ，屈服 强度为3 9 1 m p a ，延伸率为1 1 2 ，合金的抗拉强度与2 0 1l 合金相当， 而屈服强度和延伸率分别提高1 3 m p a 和1 1 ，综合力学性能优于2 0 1 1 合金；而晶间腐蚀实验和现场切削实验表明2 0 1 1 a 合金的耐腐蚀性能 与2 0 1 l 合金相当，而切削性能比2 0 1 1 合金好。 2 ) 在传统6 2 6 2 合金的基础上，用s n 或者s n 和b i 来取代6 2 6 2 合金中的p b 和b i ，设计了6 0 2 0 、6 0 2 0 a 、6 0 2 0 b 三种易切削合金， 经热处理工艺优化后，无铅易切削6 0 2 0 铝合金固溶一冷拉后的最佳时 效热处理工艺为1 7 0 6 h 。在此工艺条件下，合金的抗拉强度、屈 服强度和延伸率分别为3 5 1 m p a 、3 3 6 m p a 和1 3 5 ；无铅易切削6 0 2 0 a 铝合金固溶一冷拉后的最佳时效热处理工艺为1 7 0 6 h 。在此工艺条 件下，合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为3 1 4 m p a 、2 8 6 m p a 和1 2 8 ，无铅易切削6 0 2 0 b 铝合金固溶一冷拉后的最佳时效热处理 工艺为1 7 0 l o h 。在此工艺条件下，合金的抗拉强度、屈服强度和 延伸率分别为3 4 8 m p a 、3 3 9 m p a 和1 2 5 ，t 8 状态下，三种合金的力 学性能都达到或者优于含铅6 2 6 2 合金；切削性能研究表明，6 0 2 0 a 合金的切削性能比6 2 6 2 合金稍好，而6 0 2 0 合金与之相当，而6 0 2 0 b 合 金稍差。 3 ) s n 、b i 微合金化技术替代有毒p b 开发易切削铝合金的技术 原理是：2 x x x 合金中通过添加s n 、b i 形成低熔点组织组成物s n 、b i 、 中南大学硕士论文摘要 s n b i 来保证合金的易切削性，而弥散分布的c u a l 。则保证合金的综合 力学性能，6 x x x 合金中通过添加s n 、b i 形成低熔点组织组成物m 9 2 s n 、 s n 、m 9 3 b i 。、b i 来保证合金的易切削性，而弥散分布的m g ：s i 则保证 合金的综合力学性能。 4 ) 与2 0 1 i 合金相比，2 0 1 1 a 合金在1 7 0 时效时达到峰值的时 间减少大约2 3 ，这是因为合金中s n 的加入影响了合金的时效过程， 压缩g p 区和0 ”的形成，促进0 相的形核，从而使得合金在相同 温度下达到峰值强度的时间缩短，而且s n 能够细化c u a l ：相，阻止其 长大。 5 ) 6 0 2 0 合金经过挤压后m g ：s n 主要以六方形式存在，固溶以后 即转变为立方结构，这是因为m g ：s n 的六方结构是一种亚稳态结构， 容易向稳态的立方结构转变。 6 ) 在在a i - m g s i 合金中，b i 更加容易与m g 生成m 9 3 b i 。，而阻 止或者延缓强化相m 勘s i 的生成，会减少其强化的效果。 关键词：s n ；b i ；微合金化；无铅易切削；a i - c u 合金；a 1 - m g s i 合金；组织与性能 中南大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ff i v ek i n d so ff r e e - c u t t i n g a l u m i n u ma l l o y sw e r ei n v e s t i g a t e du s i n gm e c h a n i c a lt e s t 、t d 、s e m a n de d s 、d ，i = a 、t e ma n do m a n a l y s i s a n dt h e nc o r r o s i o np r o p e r t ya n d m a c h i n a b i l i t yo fa l l o y sw e r ea l s os t u d i e db yh u e yt e s ta n do n - t h e s p o t m a c h i n a b i l i t ye x p e r i m e n t s 1 1 r e s u l t ss h o wt h a t ： 1 ) p bw a s r e p l a c e db ym i n o rs n d e s i g n e da n dd e v e l o p e d 2 0 11 a a u i y b a s e do nc o n v e n t i o n a ll e a d c o n t a i n i n g2 0 11 a l l o y , a f t e ro p t i m i z a t i o no f h e a t - t r e a t m e n t , t h eb e s ta g i n gp r o c e s s i n go fl e a dc o n t a i n i n gf r e e c u r i n g 2 0 1 1a l l o ya f t e rs o l u t i o na n dc o l d - d r a w ni s1 7 0 8 h ，a tt h i sc o n d i t i o n ， t h et e n s i l es t r e n g t h 、y i e l ds t r e n g t ha n de l o n g a t i o nc a ng e tt o4 7 1 田a 、 3 7 8 m p aa n d1 0 1 r e s p e c t i v e l y ：a n dn l eb e s ta g i n gp r o c e s s i n go fs n a n db im i c r o a l l o y i n gl e a d f r e ef r e e - c u t t i n g2 0 11 aa l l o ya f t e rs o l u t i o n a n dc o l d - d r a w ni s1 6 0 6 h ，i nt h i sc o n d i t i o n ，t h et e n s i l es t r e n g t h 、y i e l d s t r e n g t ha n de l o n g a t i o nc a ng e tt o4 7 3 m p a 、3 9 1 m p aa n d 1 1 2 r e s p e c t i v e l y ；1 1 坞t e n s i l es t r e n g t ho f2 0 11 aa l l o yi se q u i v e d a n tt ot h a to f 2 0 11a l l o y , t h ey i e l ds t r e n g t ha n de l o n g a t i o ni n c r e a s e db y1 3 aa n d 1 1 r e s p e c t i v e l y , a n dt h es y n t h e s i sm e c h a n i c a lp r o p e r t yo f 2 0 1 1 aa l l o y i sb e t t e rt h a n2 0 11 a l l o y ；h u e yt e s t a n do n - t h e s p o tm a c h i n a b i l i t y e x p e r i m e n t ss h o wt h a tc o r r o s i o nr e s i s t e n c ep r o p e r t yo f2 0 1 1 aa l l o yw a s e q u i v e d a n tt o2 0 1 1a l l o y , a n dm a c h i n a b i l i t yp r o p e r t yi sab i tb e t t e rt h a n l e a d - c i n t a i n i n g2 0 11a l l o y 2 、d e s i g n e dt h r e ea l l o y so f6 0 2 0 、6 0 2 0 a 、6 0 2 0 bb a s e do n c o n v e n t i o n a l6 2 6 2a l l o y , a n dp ba n db iw e r er e p l a c e db ys no rs na n db i ， a f t e ro p t i m i z a t i o no fh e a t - t r e a t m e n ts y s t e m n l eb e s ta g i n gp r o c e s s i n go f l e a d - f r e e f r e e c u t t i n g 6 0 2 0 a l l o y a f t e rs o l u t i o na n dc o l d - d r a w ni s 1 7 0 6 ka tt h i sc o n d i t i o n , t h et e n s i l es t r e n g t h 、y i e l ds t r e n g t ha n d e l o n g a t i o nc a l lg e tt o3 5 1 m a 、3 3 6 n 位aa n d1 3 5 r e s p e c t i v e l y ；a n d t h e b e s ta g i n gp r o c e s s i n go fl e a d f r e ef r e e - c u t t i n g6 0 2 0 aa l l o ya f t e rs o l u t i o n a n dc o l d - d r a w ni s1 7 0 6 l lt h et e n s i l es t r e n g t h 、y i e l ds t r e n g t ha n d e l o n g a t i o nc a ng e tt o3l g m p a 、2 8 6 m p aa n d1 2 8 r e s p e c t i v e l y , a n dt h e m 中南大学硕士论文a b s t r a c t b e s ta g i n gp r o c e s s i n go fl e a d - f r e ef r e e c u t t i n g6 0 2 0 ba l l o ya f t e rs o l u t i o n a n dc o l d - d r a w ni s1 7 0 1 0 h t h et e n s i l es t r e n g t h 、y i e l ds t r e n g t ha n d e l o n g a t i o nc a l lg e tt o3 4 8 m p a 、3 3 9 m p a a n d1 2 5 r e s p e c t i v e l y a n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h i st h r e ek i n d so fa l l o ya r ee q u i v e l e n tt oo r b e t t e rt h a nl e a d c o n t a i n i n g 6 2 6 2 a l l o y ；o n - t h e s p o tm a c h i n a b i l i t y e x p e r i m e n t ss h o wt h a tm a c h i n a b i l i t yo f6 0 2 0 aa l l o yi sb e t t e rt h a n6 2 6 2 a l l o y , a n dm a c h i n a b i l i t yo f6 0 2 0a l l o yi se q u i v e r l a n tt o6 2 6 2a l l o y , a n d 6 0 2 0 ba l l o yi si n f e r i o rt o6 2 6 2a l l o y 3 1t h et e c h n o l o g yp r i n c i p l eo ff l e e - c u t t i n ga l u m i n u ma l l o yo f m i c r o - a l l o y i n gs n 、b ir e p l a c ep o i s o u sp bw e r et h a t ：i n2 x x xs e r i e sa l l o y s ， l o w - m e l t i n gt i s s u es u b s t a n c es n 、b ia n ds n b if o r m e dt oe n s u r eg o o d m a c h i n a b i l i t y , a n dt h es y n t h e s i sm e c h a n i c a lp r o p e r t yw a se n s u r e db y d i s p e r s i o n d i s t r i b u t e d c u a l 2p r e c i p i t a t e s ，i n 6 x x xs e r i e s a l l o y s ， l o w - m e l t i n gt i s s u es u b s t a n c em 9 2 s na n ds nw i t hm g a b i 2a n db iw e r e f o r m e db ys n 、b ia d d i t i v e st oe n s u r eg o o dm a c h i n a b i l i t y , a n dt h e s y n t h e s i sm e c h a n i c a lp r o p e r t yw a se n s u r e db yd i s p e r s i o nd i s t r i b u t e d m 9 2 s ip r e c i p i t a t e s 4 、c o m p a r e dw i t h2 0 11a l l o y , t h ea g i n gt i m et h a tn e e dt oa t t a i np e a k s t r e n g t ha t1 7 0 co f 2 0 11 a i sd e c r e a s e db y2 3 ，t h i si sb e c a u s et h ea d do f s nh a v ec h a n g e dt h ea g i n gs e q u e n c eo fa l l o y , c o m p r e s st h ef o r m a t i o no f g pz o n ea n d0 ”，a n dp r o m o t en u c l e a t i o no f0 7 w h i c hl e a dt ot h e d e c r e a s eo fa g i n gt i m eu n d e rt h e $ a n l et e m p e r a t u r e ；m o r e o v e r ，s nc a n r e f m ec u a l 2 p h a s ea n dp r e v e n ti t sg r o w t h 5 、m 9 2 s ni n6 0 2 0a l l o yw i t hh o te x t r u s i o nt r e a t m e n tm a i n l ye x i s ti n t h ef o r mo fh e x a g o n a la n dt h e nc h a n g ei n t oc u b i cs t r u c t u r ea f t e rs o l u t i o n t r e a t m e n t ，t h i si sb e c a u s eh e x a g o n a lo fm 9 2 s ni sam e t a s t a b l es t a t e ，a n d e a s i l yt r a n s f o r mi n t os t a b l ec u b i cs t r u c t u r e 6 ) b ii sm o r el i k e l yt of o r mm 9 3 b i 2w i t hm gi na l m g - s ia l l o yw h i c h w i l ld e c r e a s eo rp r e v e n tt h ef o r m a t i o no fm a i ns t r e n g t h e np h a s em 9 2 s i ， a n dd e t e r i o r a t et h es t r e n g t h e ne f f e c to f m 9 2 s i k e yw o r d s ：s n ；b i ；m i c r o - - a l l o y i n g ；l e a d - f r e ef r e e - c u t t i n g ；a 1 - c ua l l o y ； a 1 一m g - s ia l l o y ；m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s w 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：墨! 查塞 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：煮查墨导师签名：f 查垒日期：搜年堡月卫日 中南大学硕士论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 易切削铝合金的研究概况 1 1 1国外易切削铝合金的研究概况 传统易切削铝合金中代表性的合金有2 0 l1 和6 2 6 2 。前者注册子1 9 5 4 年， 是一种含有o 5 的p b 和0 5 的b i 的2 x x x 系a 1 - c u 合金，由于p b 和b i 形成的 低熔点共晶相在切削变形的过程中的软化和融化有利于在工件和刀具界面上形 成细小的切屑，这种合金具有优良的( a 等) 的切削性能。后者注册于1 9 6 0 年， 是在6 0 6 1 a 1 一m g s i 合金的基础上加入了0 5 的p b 和0 5 的b i 形成的合金。与 2 0 1 1 相比，这种合金抗腐蚀性能、钎焊和软焊性能、阳极氧化性能优良，但切 削性能不如2 0 1 1 合金，切削性能等级为8 ；在高速切削的条件下，两种合金的 典型切屑如图1 - 1 所示。 图卜12 0 l l 台金与6 2 6 2 合金的典型切屑形貌 由于铅对人体有害，国外已经颁布法令，2 0 0 6 年年底前禁止含铅易切削铝 合金的生产和使用之前，从二十世纪九十年代开始，国外主要铝业公司都进行了 无铅易切削铝合金的相关研究，并开发了各自的无铅易切削铝合金产品，其主要 研究概况如下。 1 1 1 1国外2 x x x 系无铅易切削铝合金的研究概况 j f a l t u s m 等人研究了含s n 、b i 的a 卜c u - m g 合金中s n 对于过饱和固溶体 分解序列的影响以及m g 含量对合金切削性能的影响。结果表明，s n 通过压缩预 沉淀时间改变了过饱和固溶体分解序列，这种含s n 、b i 的a l - c u m g 合金完全可 以取代含p b 的e na w - 2 0 0 7 和e na w - 2 0 3 0 合金，其机械性能与含p b 的商用易切 串南大学硕士论文第章文献综述 削硬铝合金相当，可切削性能与m g 含量有关，含s n 、b i 的低m g 无铅易切削 a l - c u 一 l g 合金的切削性能比含p b 的商用易切削硬铝合金稍好。 美国铝业公司开发了一种含b i 和s n 的无铅易切削2 x x x 系a l - c u 合金，其 专利发表于2 0 0 0 年圆，研究了b i 和s n 比例的变化对合金性能的影响，当b i 与 s n 的比例在控制在1 ：1 3 ：1 之间时，这种合金具有与2 0 1 1 相当的机械性能 和可切削性能。 日本住友轻金属公司嘲研制开发了两种称之为c b - 5 6 和c b - 1 5 6 合金的a 1 - c u 系无铅易切削铝合金，结果表明：其力学性能与2 0 1 1 合金大体相当，抗拉强度 达4 2 0 m p a ，屈服强度为3 2 0m p a ，延伸率为1 4 。可切削性能与耐腐蚀性能也与 2 0 1 1 相当甚至稍好。可以取代传统含p b 的2 0 1 1 易切削铝合金。 i m p o l 铝业公司的s m o l e j ”等人研制了加s n 的无铅2 x x x 易切削铝合金，并 研究了不同s n 含量和热处理加工工艺对合金性能的影响，确定了该合金的最佳 成分和热处理工艺，该合金申请的专利发表于2 0 0 1 年。与传统的2 0 1 1 和2 0 3 0 含p b 易切削铝合金相比，具有类似的或者较好的机械性能、抗腐蚀性能和可切 削性能。 k a i s e r 公司还开发了一种用s n 来取代p b 的含b i 和s n 的无铅2 x x x 系a l - c u 合金，研究了该合金s n 和b i 的最佳含量以及最佳热处理加工工艺，这种合金注 册于1 9 9 9 年”，全面性能与2 0 1 1 相当。 总之，国外一些铝业公司所研制的无铅易切削2 x x x 系铝合金产品的全面性 能基本上能够达到传统的2 0 1 1 合金的水平，在微观组织结构方面，微合金元素 s n 对于合金的组织与性能影响也有一些报导”，然而，微合金元素b i 对于合 金的作用机理却少见报导，这将是今后无铅易切削铝合金材料科学工作者的一个 研究课题。 1 1 1 2 国外6 x x x 系无铅易切削铝合金的研究概况 y o s h i h a r a ，s 等人“”采用了调整传统合金元素含量的相对水平来改善切削 性能的方法，特别考虑了调整s i ，f e 和n i 的含量，注册了一种牌号为k e 6 的合金。合金中含有多余的s i ，在切削加工的过程中，由于切屑应力的引入使 得s i 的周围产生了流体应变，破碎的s i 粒子加速了裂缝在切屑上的扩展，使得 合金具有良好的切削加工特性，其切削性能与6 2 6 2 合金相当，可以用于a b s 制 动部件，o a 部件以及其它的精加工部件。 日本f u r u k a w a 铝业有限公司的a r ac 1 5 1 等人研究了含s n 的无铅6 x x x 易切削 铝合金，研究了合金元素的加入量和低熔点物质在合金中的尺寸对切削性能的影 响。当含s n 的化合物在基体中弥散分布且直径不超过2 0 微米时，这种合金有很 2 中南大学硕士论文 第一章文献综述 好的切削性能，又有很好的表面光洁度，可以用于汽车引擎中，用来替代j i s 6 0 6 1 合金和6 2 6 2 合金。 日本住友轻金属公司伽研制了一种6 t 一2 0 9 无铅易切削铝合金，用来替代该 公司大量生产含铅的g t - 0 9 ，g t 一1 0 9 易切削铝合金，它既不含有害的铅，又保持 了原有合金的特性，切屑细碎，有很好的可切削性能，可在数控机床上切削加工 汽车、电机、机械等的精密零件。经用户使用，证明新合金的可切削性和耐腐蚀 性与传统的含铅的6 2 6 2 合金的相同，机械性能也与6 2 6 2 相当，抗拉强度达 3 1 0 m p a ，屈服强度为2 7 0m p a ，延伸率为1 4 。 k a i s e r 铝业和化学公司“”推出了用s n 来取代p b 的k a 6 2 合金，此种合金注 册于1 9 9 8 年。研究了s n 、b i 含量和热处理工艺对合金性能的影响，指出s n 、 b i 含量的最佳范围分别为0 1 5 o 2 5 ，0 2 0 8 。这种合金有类似于6 2 6 2 合金 的性能。 r e y n o l d s 金属公司研究了添加元素对于一系列合金性能的影响，研究主要 集中在以6 2 6 2 为基本成分的合金，采用i n 和s n 来取代p b 和b i ，研究结果总 结在1 9 9 6 年出版的论文上“”，结果表明：用i n 和s n 来取代p b 和b i 产生了想 要的低熔点共晶相，这些相的熔点比其他含s n 、b i 的合金低，切削性能比6 2 6 2 稍好。这种含i n 和s n 的x 6 0 3 0 合金在1 9 9 5 年进行了注册“”。进一步研究所申 请的专利发表于1 9 9 8 年，包括含b i 、b i + s n 的合金“”。研究结果表明：单独加 b i 时，b i 的含量最好为0 3 1 2 ，b i 和s n 同时加入时，b i 和s n 的最佳含量 分别为0 3 1 0 和0 3 o 7 。含b i 、i n 的合金于2 0 0 1 年进行了注册，确定 了i n 、b i 的最佳含量范围分别为0 0 1 0 3 和0 1 0 1 5 。 与此同时，他们还在另一方面进行了卓有成效的工作，通过向传统6 x x x 系 铝合金中添加高熔点的元素或者化合物来改善切削性能，这种合金在美国的专利 注册于2 0 0 2 年“。 美国铝业公司开发了一种无铅的可供选择的a l m g s i 合金。在他们的工作 中，他们不仅对形成低熔点共晶的添加元素种类进行了研究，而且还考虑了对基 本合金元素成分进行调整，以期获得想要的平衡性能。他们选择含s n 作为添加 元素来取代b i + p b ，名义含量为1 1 ，形成低熔点的b - s n 和? s n 共晶。此外， 他们提高了合金中c u 的含量来提高合金的强度。这个合金成分的专利于1 9 9 5 年注册，名为6 0 2 0 合金嘲。与2 0 1 1 相比，对这种合金的切削性能研究表明其具 有a 等切削性能慨堋，能够显著的提高机加工的效率陆删，而且有较好的抗腐蚀 性能。然而，根据文献“”，易切削铝合金只添加s n 会反过来影响合金的机械 性能，特别是抗冲击性能，也就是说会使得合金变脆，不抗冲击；此外，加s n 会使得有热制动油存在的情况下抗腐蚀性能变差，由这种含s n 的易切削铝合金 3 中南大学硕士论文 第一章文献综述 所制造的制动系统部件在制动油存在的情况下会过量腐蚀。因此，以后的研究将 专注于生产一种合金在切削性能和抗冲击性能方面有很好的平衡点的合金。目前 还没有这种合金的注册。 其它的在美国铝业协会注册的无铅易切削合金包括6 0 1 2 a ，2 1 1 1 ，和2 0 1 2 等。表卜1 介绍了在铝业协会注册的所有含铅和不含铅易切削铝合金牌号和成分 范围。 表卜1美国铝业协会注册的易切削铝台金成分州 合金 s if ec um n m g c rz nt ip bs nb ie a c h t o t a la 1 2 0 0 50 80 7 2 0 1 1 4 眦7 2 0 1 1 a0 4 n5 2 0 2 8 0 ，80 8 2 0 3 0o 80 7 2 0 0 70 ，8n8 2 0 0 7 a0 ，80 8 2 1 1 10 40 7 2 l l l 玑40 7 2 l l l bn3n5 2 0 1 20 40 7 2 0 1 50 8 0 8 1 2 3 1 60 5 - 1 51 ，2 6 0 1 2 o 6 一1 4 o 5 6 0 1 2 am6 - 1 4n5 6 2 6 2n4 n 8n7 印2 0n 札9n5 6 0 2 l n6 - 1 5n 6 0 2 30 6 _ 1 4 0 舳 6 0 3 30 争1 3n 5 0 印4 0o 8o 7 x 6 0 3 0n4 吨60 7 6 0 2 6 n6 - 1 4n7 6 2 6 2 an4 - 0 , 8n7 印6 5 n4 0 8n7 3 5 - 5 0 1 oo 2 0 _ 1 0n l on5n21 p 2 o0 0 0 5n 1 5r 耀 矗吣00 30 纳6 0 枷6m0 5仉1 5t e l 4 ，0 o - 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c u 合金与 a 1 _ m g s i 合金都能够来取代传统的含铅2 0 11 与6 2 6 2 合金。基于以上成果，作 者对于无铅易切削铝合金的研究有了较全面的认识，今后的工作重点应集中于合 金元素s n 、b i 在合金中的作用机制及其对于合金性能的影响。此外，i n 作为一 种低熔点元素具有比s n 、b i 更低的熔点，它们之间的结合所产生的物质必将具 有更低的熔点，合金可能有更好的切削性能，也是今后工作的重点。 此外，目前国内还没有无污染的无铅易切削铝合金研制成功的文献报导，含 p b 易切削铝合金产品也是国外的同种产品。易切削铝合金用于主缸制动活塞、 连接器传送阀门、a c 充气阀和零件、汽车、液压设备和电子产业的压力部件以 及仪器仪表工业需要高表面光洁度的精密铝合金结构件，有广泛的应用前景。我 国是传统易切削铝合金的主要生产国，且国外工业国家的易切削铝合金主要从国 内进口，每年的消费量比较大，且随着汽车、电子等工业的发展，易切削铝合金 将会有更大的用量。美铝等国外铝业公司已经研制成功了2 x x x 系和6 x x x 系的无 铅易切削铝合金，合金全面性能良好，能够替代传统的含p b 易切削铝合金2 0 1 1 ， 2 0 3 0 和6 2 6 2 等合金。然而，出于商业方面的考虑，其完整的制备工艺并没有公 开。由于目前国外已经全面禁止含p b 易切削铝合金产品的生产和销售，因此， 我国应尽快立项启动无铅易切削铝合金这方面的研究。 中南大学硕士论文第一章文献综述 1 2 合金元素对2 x x x 和6 x x x 易切削合金的组织与性能影响 1 2 1 合金元素对2 x x x 易切削铝合金的组织与性能影响 在2 x x x 合金中，主要的元素是a 1 、c u 。向铝合金中加铜的目的主要是提高 强度，低温强度的增加是靠热处理，而高温强度的增加，则是通过铜与铁、锰、 镍等形成化合物。铜在铝中平衡溶解度随温度升高而升高。压力升高时，溶解度 降低：压力为l o o o 兆牛米2 时，7 7 5 k 时的溶解度还不到5 。铝一铜合金的硬度 随铜的增加而连续上升，但其强度，尤其是塑性则决定于铜是否固溶，c u a l ：质 点的形状( 是球形还是其他形状) ，以及分布状态( 是否呈网状分布于晶界边界) 。 固溶的铜既可以使合金的强度达到最大值，又可使合金具有相当大的塑性；c u a l ： 呈网状分布时，不但合金的塑性消失，而且强度也下降”1 。同时铜的加入有助于 合金的阳极反应、焊接性能和抗腐蚀反应，但是其延伸率略有下降。 向a l c u 合金中添加的其他元素主要有l i r i 、m g 、s n 、b i 、f e 、s i ”1 等。 m n 能起到一定的硬化硬化效应，添加1 的，约可使合金的强度提高2 0 3 0 删m 2 ，其原因部分是由于它的可溶性，部分是由于它降低了铁的脆化效应，并 阻碍晶粒长大，提高了合金的耐蚀性，同时消除f e 的有害影响，提高合金的耐 热强度。 l g 不但能提高a 1 c u 合金的自然时效后的力学性能，特别是对人工时效后 强度性能的提高尤为显著，镁含量在常规值( 2 ) 时，合金有自然时效能力， 时效硬化能力大小和速度由m g ：s i 值控制。比值高的没，自然时效可获得最好 强度和最好塑性；比值低的，必须通过人工时效才能获得最佳性能。 f e 、s i 会形成脆性化合物和形成含铜的化合物，使可溶解的铜降低，对于 镁含量低的a 1 - - 4 c u - - o 5 m g 合金，杂质铁和硅的含量一定要搭配好，以免形 成c u 2 f e a l ，降低热处理效果。如果铁与硅形成a a 1 f e s i ，对合金性能的影响 就很小。在含镁合金中，能与镁形成少量的强化相m g ，s i ，对时效强化过程有影响， 硅有一定的直接强化效果，但它的主要效果是间接的，因为m g ：s i 值控制时效 硬化，硅降低高温强度和蠕变强度。尽管一般来讲，应该尽量降低合金中的杂质 含量，但是在b a r t g e s 所申请的专利合金啪中，含s n 、b i 的2 x x x 系列易切削合 金，可以容纳更多的f e 、s i 杂质含量，而对于合金性能没有明显的影响。 微量元素s n 能够加快a l - c u 合金的时效，并且提高合金的时效强度”“。 早期的x 射线结果表明这是由于在二元合金中形成了更薄的e 相。透射电子显 微分析结果证实了含s n 合金在峰时效态下的条状析出相的直径更加小，而且长 大速度也更加慢。 6 中南大学硕士论文第一章文献综述 因为微量元素s n 在a 1 - c u 合金中能够促进o 相的形核，因此，在1 5 0 的条件下，之前的时效序列：g p i - g p 2 将受到限制甚至消失，因为s n 原子有很 大的空位粘接能( 能够有效的捕获空位) ，他们会进行相对的移动，并且聚集足 够多来使得o 相形核，当c u 与s n - 空位团相遇的时候就会形核生成o7 相。 可以预计有这样的区域，在这个区域，很大的s n 原子和它们伴随的空位能够减 少e 相和基体之间的不匹配，从而减少界面能。图卜2 ，是由b r o o k 对以前的 结果进行修正后重新编辑的只含有形核的部分。图的左边是面心立方的a 1 基体， 将含有一定量的c u ( 图中没有标明) ，o 单胞的c 轴长在a - a 1 的1 5 倍以下位 置，因此，第一个o7 单胞与a l 在a 2 平面内相遇需要c 位置附近的空位帮助， 处于c 位置的s n - 空位团被认为能够帮助o7 形核，这是通过减少界面不匹配度 和释放应变且减少最小的稳态形核尺寸来实现的。 通过电子显微分析，在相对较高的温度下进行短期的时效发现了初级s n 沉 淀的形成。在文献的图5 中，s n 颗粒非常的大( 直径约为5 r i m ) ，在2 0 0 c 下 时效3 分钟发现了非常