论文总字数：29845字

摘 要

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摘要

铝合金汽车热交换器可以减轻汽车自重，降低能耗，现今在国内发展迅猛。铝合金的退火组织形态对其性能有重要影响，而铝合金溶中固溶态锰元素在退火过程中的脱溶析出行为会对再结晶过程产生显著影响，进而形成不同形态的再结晶组织，影响材料的性能。本文研究了Fe、Si元素含量对变形Al-MN系变形合金中Mn元素脱溶动力学以及再结晶过程的影响规律。

首先，研究了Fe、Si元素对变形Al-Mn合金再结晶过程的影响，结果表明：Fe、Si元素含量的增多，有利于变形Al-Mn合金退火后长条晶的形成，且Fe、Si元素对变形Al-Mn合金的再结晶有抑制作用。

其次，研究了Fe、Si元素含量对变形Al-Mn合金Mn元素脱溶动力学的影响。主要实验为退火和电阻测量，结果表明：Fe、Si元素含量的增多有利于退火过程Mn元素的脱溶析出；Fe、Si元素有利于变形Al-Mn合金中析出相的析出，并在随后的退火过程中影响再结晶过程，促进长条晶的形成。

综合多组退火温度退火后的合金金相组织图发现：随着退火温度的升高，再结晶晶粒的长径比变小，且晶粒尺寸变小。

关键词：变形Al-Mn合金，Mn元素脱溶，再结晶组织，析出相

Abstract

Because of low density and low cost, Al-Mn alloys are considered to be preferred material for the heat exchanger, which is an important part of a car, in order to reduce weight and cost. Al-Mn alloy’s annealed microstructure have an important impact on its performance, and desolventizing of Mn element during the annealing process will have impact on the recrystallization process, which will result in the formation of different microstructure. In this paper, the effect of Fe, Si element on the Mn desolventizing kinetics in wrought Al-Mn alloy were discussed.

The effect of Fe, Si on the recrystallization process of wrought Al-Mn alloy was investigated. Fe, Si are conducive to the formation of pancake-like recrystallization grains in wrought Al-Mn alloy’s annealing, and Fe, Si inhibited the recrystallization of deformed Al-Mn alloy.

The effect of Fe, Si on the Mn desolventizing kinetics in deformed Al-Mn alloy was investigated.In annealing process, the increase of Fe, Si is conducive to the precipitation of Mn in deformed Al-Mn alloy.

According to a sets of microstructure figure of annealing alloy, we find that as the annealing temperature increasing, the recrystallized grains got smaller aspect ratio, and smaller grain size.

Key word: Wrought Al-Mn alloy; Desolventizing of Mn; Recrystallized microstructure; Precipitates

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 变形Al-Mn合金简介

1.2.1 变形Al-Mn合金相图

1.2.2 铝合金中的元素

1.3 变形Al-Mn合金的再结晶组织控制

1.3.1 析出与再结晶的交互作用

1.3.2 稀土元素对变形Al-Mn合金组织及性能的影响

1.3.3 Mn含量对Al-Mn合金组织的影响

1.4 变形Al-Mn合金中Mn元素脱溶动力学的研究现状

1.4.1 均质处理对Mn元素脱溶的影响

1.4.2 预析出对Mn元素脱溶的影响

1.4.3 升温速率对Mn元素脱溶的影响

1.4.4 轧制变形量对Mn元素脱溶的影响

1.4.5 Mn元素脱溶动力学

1.5 研究内容及意义

1.5.1 研究意义

1.5.2 研究内容

第二章 实验材料及方法

2.1 实验路线

2.2 实验材料

2.3 实验仪器及方法

第三章 Fe、Si元素对变形Al-Mn合金再结晶过程的影响

3.1 合金冷轧组织

3.2 Fe、Si元素对变形Al-Mn合金再结晶组织的影响

3.2.1 退火过程中显微硬度的变化

3.2.2 再结晶退火组织金相

3.2.3退火组织SEM形貌及成分分析

3.3 合金的Time-Temperature-Transformation(TTT)曲线

3.4 本章小结

第四章Fe、Si元素对变形Al-Mn合金Mn元素脱溶动力学的影响

4.1 Fe，Si元素对变形Al-Mn合金中Mn元素析出过程的影响

4.1.1 退火过程中电阻率的变化

4.1.2 电阻率变化率随退火时间的变化

4.2 Fe、Si元素对变形Al-Mn合金中析出与再结晶的交互作用的影响

4.2.1 析出与再结晶交互作用曲线

4.2.2 讨论

4.3 本章小结

第五章 全文结论

参考文献

致谢

第一章 绪论

1.1 引言

汽车工业面临着三个严峻问题：安全、能源、环境是。通过降低汽车自重来降减少废气排放、低能源消耗、提高效率，并在这个基础上搭载更多的安全保障设备和先进装置，成为汽车生产厂商提高竞争力的关键。有两种方法可以降低汽车自重：一是改用轻质材料，二是结构设计改善。汽车轻量化就是在确保汽车的安全性能和强度的前提下，尽可能使汽车的整车重量降低，从而使汽车的运行效率得到提高，油耗减少，废气污染降低。美国相关部门对汽车自重与油耗的关系做过测试，结果显示，每降低100kg的汽车自重油耗就能相应的减少0.7L/Km ^[1-2]。目前，汽车轻量化的一个重要手段是汽车各部件铝合金化。铝合金具有抗冲击性能好、密度低、良好的加工成形性、耐腐蚀、比刚度和比强度高热稳定性好等许多优良性能，因此铝合金成为汽车轻量化最理想的选材，并且应用极为广泛。汽车部件中，热交换器采用了大量铝合金，开发热交换器用铝合金由此成为汽车轻量化的一个重要方向^[3-4]。

从70年代开始，日本就对用来制造汽车热交换器散热片的钎焊带材进行了比较深入的研究，之后还制订了JIS标准，开发了一系列适用于各类钎焊方式产品。到上世纪80年代，美国生产的汽车有50%左右都采用了由复合铝合金做成的热交换器。在现今的汽车生产中热交换器普遍选用铝合金材质并且具有很高的铝化率，日本55%左右，美国80%左右，欧洲地区已经达到95%，不少国家汽车空调器已彻底全铝化^[5]。上世纪90年代我国才开始生产钎焊复合铝箔，本世纪之前，国产车普遍用铜合金散热器，其市场占有率在92%左右。近几年，铝制汽车热交换器在国内迅猛发展，都开始使用铝合金来制造各种散热器部件。热交换系统由水箱散热器、中冷器、机冷器、蒸发器、暖风器、冷凝器等组成^[6]。例如，汽车水冷发动机冷却系统中的散热器，它通过外界强制气流的作用，将剩余在发动机水套内冷却液中的热量经二次热交换散发到大气当中，它是不可缺少的部件。因此，散热器对汽车发动的综合性能以及汽车的安全使用都有重要的影响^[7]。处在车身前端的汽车热交换系统在工作时需要承受砂土、灰尘泥浆和冷却液、雨水、路面挥发的盐分等的污染，还要承受周期性的振动和反复冷热循环作用。这些恶劣的工作条件使得热交换器的生产材料选择要求极为苛刻。热交换器材料必须具有优良的导热性、强的耐蚀性和好的强度、优秀的钎焊性能、好的成型性以及较好的经济性才能满足工作条件。铜材、铝材都是常用的热交换器材料^[8-11]，其中，热交换器管道和散热翅片主要使用的材料为AA3003铝合金，以及根据各部件的工况要求，AA3003基础上开发的一系列Al-Mn系变形铝合金。

1.2 变形Al-Mn合金简介

变形Al-Mn合金不可以通过热处理强化，因为它有密度小、 强度适中、 塑性较高、 焊接性能优良、抗腐蚀性较强、延展性较好、表面光洁等优良的综合性能，在航空航天、汽车、微电子工业、能源等领域中有着越来越广泛的应用^[12]。

1.2.1 变形Al-Mn合金相图

Al-Mn合金平衡相图如图1-1所示。Al-Mn合金的共晶温度为658℃，在此温度下Mn在基体中的溶解度最大，为1.82%。，在变形Al-Mn合金中锰是最主要的合金元素，其主要存在形式有两种：一是固溶于α(Al)基体当中，二是形成共晶体，反应式如下：

L MnAl₆→(Al MnAl₆) （1-1）

随着温度的降低，共晶体中的Mn元素在铝合金基体中的固溶度急剧降低，铝合金经过均质处理，会析出弥散的MnAl₆相。固溶强化和均质处理过程中的析出强化，这两种强化的综合效果会使Mn元素对变形Al-Mn合金具有显著的的强化效果。但如果Mn元素含量过高，会导致合金塑性降低^[13]。Mn元素的存在会使变形Al-Mn合金具有很大的过冷能力，在浇铸过程中，结晶组织会出现非常严重的偏析，Mn元素的浓度在枝晶中心区域偏低，但在晶界处较高^[14]。均质处理可以大幅度降低偏析程度，从而改善产品性能。因此，均匀化处理时工业生产中是必要的一道处理工艺。

图1-1 Al-Mn 合金平衡相图

1.2.2 铝合金中的元素

变形铝锰合金中，锰是主要控制成分，随着锰含量的增高合金强度也随之升高，与此同时不会降低合金的抗腐蚀性。当合金中的锰含量在1.0-1.6%之间时，合金的强度较高并且具有良好的塑性^[15]。若合金中的锰含量高于1.6%，就会有大量MnAl₆形成，因为MnAl₆是脆性化合物，在变形时容易发生开裂行为，导致塑性降低。因此，在工业生产中一般以1.6%Mn含量为使用上限^［16］。

而铁元素由于与Al、Mn形成析出相的强烈倾向，且析出相质硬而脆，在再结晶退火过程中，细小的析出相起到钉扎晶界和位错的作用，而粗大的析出相可以起到促进非均匀形核的作用，使再结晶形核能降低，因此合金中含一定量的铁能使板材在退火时得到较细的晶粒^[17]。但是铁含量过多会导致易生成大量粗大片状偏析聚集物，(Fe,Mn)Al₆化合物，这将使合金的工艺性能和力学性能显著降低。

铝锰合金中少量的镁可以使退火后的晶粒得到显著地细化效果，并使合金的抗拉强度略微提高，但这会使退火材料的表面光泽收到破坏^[18]。铜可以显著地提高铝锰合金的抗拉强度，但是与此同时合金的耐蚀性会降低^[19]。

硅是有害杂质，硅会和锰形成杂质三元相，这种杂质三元相可以溶解铁元素，若合金中同时存在铁元素和硅元素，就会先形成骨骼状α(Al₁₂Fe₃Si₂)相或针状β(Al₉Fe₂Si₂)相，使铁的有利影响收到破坏^[20]。

1.3 变形Al-Mn合金的再结晶组织控制

对变形Al-Mn合金的组织进行控制可以达到适应不同的用途要求的目的。如为了防止复合铝箔在钎焊过程Si元素的扩散，必须使得再结晶组织为粗大的长条晶粒^[21]；而为了提高铝箔的深冲成型性能，需要控制再结晶组织为细小的等轴晶，以满足其高的延展性要求。而变形Al-Mn合金未非热处理强化合金，其组织控制主要依靠调整合金元素来实现：一是利用外加合金元素，如稀土元素中的Sc，Er，Zr，Yb等元素，另外一种是通过变形Al-Mn合金中已有元素的含量调整，其主要是控制Mn元素的含量来实现的。以上两种方法，其最终原理都是控制析出与再结晶的交互作用，从而达到对组织晶粒的控制。

1.3.1 析出与再结晶的交互作用

经过形变的过饱和固溶体在退火过程中，它的析出常会与再结晶同时发生。这种情形非常复杂，一方面由于析出与再结晶之间会产生交互作用，另一方面由于析出动力学会受到退火前变形的影响。析出与再结晶的相互作用如图1-2所示。再结晶开始曲线与析出开始曲线交于B点，再结晶结束曲线与析出开始曲线交于A点。退火温度TA、TB将图1-2分为三个区域，这三个区域为图中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。合金本身决定了TA、TB和其所对应的时间。如Al-1.3Mn合金TA≈400℃，TB=350。

在Ⅰ区域中，T＜TB，析出发生在再结晶之前。在位错及亚结界等点阵缺陷处，细小的析出相会优先形核并长大，它们会钉扎位错及亚晶界，这将使合金回复时位错的移动、再结晶核心的形成以及晶界的迁移受到严重阻碍，抑制再结晶的发生，使再结晶推迟。在再结晶发生之前，通常会出现析出相粗化现象，这可以导致出现析出相丧失共格或者是向平衡相转变等现象。在Ⅲ区域中，T＞TA，再结晶完全发生在析出之前。再结晶会使基体内位错等缺陷快速合并消失，这些缺陷的消失对析出相的形核不利，会使析出受到不同程度的推迟。这时合金的再结晶行为和单相合金相似。在Ⅱ区域中，TB＜T＜TA，再结晶的发生先于析出，但再结晶的完成将会受到接下来发生的析出现象的影响。对于变形Al-Mn合金，在这个区域退火，合金的再结晶组织将非常不均匀，因此应当尽量避免在这个温度区间内进行退火。另外，析出相粒子对再结晶的影响是阻碍还是促进，还取决于析出相粒子在基体中的尺寸和分布情况。一般情况下认为，当析出相粒子间距小于1μm直小于0.3μm时，析出相粒子可以起到有效钉扎位错及亚晶界的作用，阻碍再结晶的进行；当粒子间距不小于1μm直径不小于0.3μm时，析出相对位错及亚晶界的钉扎作将会用大大减弱，可以为再结晶的形核提供有效衬底，从而对再结晶的进行起到促进作用。

图1-2 退火过程中析出与再结晶相互作用示意图^[22]

1.3.2 稀土元素对变形Al-Mn合金组织及性能的影响

钱唤研究了铝合金钪微合金化处理对AA3003铝合金再结晶的影响。冷轧3003铝合金的Tc约为470℃，从图1-3可以看出，在410℃（Tc以下）退火，细小析出相Al(Mn,Fe)析出于再结晶之前，很好地抑制了再结晶的进行，并且因为轧制变形量很大，试样合金中有较大的储存能，首先发生再结晶形核与长大现象的区域出现在析出相产生的阻碍作用相对较小的部位，大晶粒通过吞并周围的小晶粒粗化。而在510℃，610℃（Tc以上）退火，再结晶将会先于析出进行，此时再结晶不受或者较少受到析出的影响，根据PSN理论，凝固及均匀化时留下的粗大的初生相（dgt;1μm）可以作为再结晶的核心，促进再结晶的进行。而微合金化样品，在510℃，610℃（Tc 以上）退火，有新的Al₃ X相析出，起到与Al(Mn,Fe)相类似的作用。

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