5182合金成分优化研究_孟繁平

Mg2Si相。通过对Mg2Si和Mg2Al3相结构的比对， 两者晶格常数相差10%左右（Mg2Si的晶格常数为 a=b=0.573nm，c=0.954nm；Mg2Al3的晶格常数为 a=b=c=0.635nm）。虽然两者一种属于体心立方结
构，另一种属于密排六方结构，但是当Mg2Al3中的 （420）面与Mg2Si中的（221）面平行的时候，两 种相之间从理论上讲应该具有一定的共格关系。
210
205
抗拉强度/MPa
200
195
190
185
180
175
4.0
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
含量/%
（a） Mg
210
205
200
抗拉强度/MPa
195
190
185
180
175
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
含量/%
（b）Fe
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《铝加工》
2015 年第 3 期总第 224 期
3 结论
（1）通过正交试验可以得知，在5182铝合金 中Mg添加4.5%、Fe添加0.35%、Mn也添加0.35%时
的铝合金性能最佳。 （2）在5182铝合金中主要存在有Mg2Si、
Mg2Al3和（FeMn）Al6三种析出相。其中Mg2Al3 相主要以灰色絮状存在于晶粒中，Mg2Si相主要 以连续或间断的黑色网络状分布在晶界附近， （FeMn）Al6相主要是以黑色颗粒状存在于晶粒 中。
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《铝加工》
2015 年第 3 期总第 224 期
技术工程
相主要以连续或间断的黑色网络状分布在晶界附
近（见图1a、c、d、g）。由于Si含量基本没有变
化，因此Mg2Si相的数量也基本不变。（FeMn）Al6 相在5182铝合金中主要是以黑色颗粒状存在于晶
粒中（见图1a、c、f），当溶质元素含量增加时，
技术工程/专利荟萃
抗拉强度/MPa
210 205 200 195 190 185 180 175
0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 含量/%
（c） Mn 图5 不同元素对5182铝合金拉伸强度的影响
由图5可以直观的看出，Mg含量在4.5%时 （图5a），Fe含量在0.35%时（图5b），Mn含量在 0.35%（图5c）时铝合金的拉伸强度最大，性能最 好。
图1为正交试验设计的不同成分的5182合金金 相照片。
技术工程
（a、b、c、d、e、f、g、h、i分 别 对应 正交 试 验中1~ 9 号 试 样） 图1 未变质5182铝合金正交试验试样高倍显微组织
结合能谱分析，在试验ห้องสมุดไป่ตู้金中Mg2Al3相主要 以灰色絮状（见图1a、c、d）或片状（见图1f、 h）存在于晶粒中，并随溶质元素含量的增加而 增多，在晶界处也有少量存在（见图1i）。Mg2Si
部分呈片状的Mg2Al3相（见图1d、e、f），并且随 着Mg加入量的增加而变的越来越多（见图1g、h、
i）。
此外，在5182铝合金中，Mg原子还会与合金
中少量的Si形成Mg2Si相（见图2中的A和C）。由 Mg-Si二元合金相图可以得知，Mg2Si相的形成温 度为637.6℃而Mg2Al3的形成温度为450℃。因而， 在铝合金凝固的过程中，铝熔体中就会最先形成
因此，为了使得铝液中自由能达到最低，就会形
成以Mg2Si相为核心外面包裹着Mg2Al3和Mg5Al8的组 织（见图2中的B和C），析出相的EDX测量结果示
于表3。
表3 图2中析出相的EDX测量结果（质量分数/%）
测试点
Mg
A
5.54
B
7.07
C
5.76
Al 91.09 92.93 53.55
Si 3.36
针对这一现象，有文献认为[2、3]，初生Al3Fe 相中含有较多的Mn不利于其长出分枝，而易长成 粒状。另外，一部分Fe固溶于Al6Mn中形成粒状的 （FeMn）Al6相。也就是说，Mn的加入可以有效的 抑制Al3Fe相的危害，改善了铝合金中一些富铁相 的形貌。因此，随着Mn含量的增加，铝合金中所 析出的富铁相数目反而减少。
作者简介：孟繁平（1972-），男，黑龙江哈尔滨人，工程师。 收稿日期：2015-01-12
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孟繁平，5182合金成分优化研究
1 4.12 0.48 0.35 0.19 0.25 0.15 0.1 0.08 2 4.14 0.37 0.23 0.21 0.20 0.14 0.09 0.13 3 4.03 0.20 0.17 0.20 0.22 0.14 0.11 0.10 4 4.57 0.35 0.34 0.22 0.26 0.15 0.10 0.11 5 4.55 0.19 0.20 0.19 0.22 0.15 0.10 0.10 余量 6 4.48 0.50 0.16 0.17 0.23 0.15 0.12 0.13 7 4.98 0.22 0.33 0.20 0.22 0.14 0.09 0.12 8 5.02 0.51 0.20 0.19 0.24 0.11 0.10 0.11 9 5.00 0.38 0.16 0.20 0.25 0.15 0.12 0.10
在元素周期表中，Fe与Mn同为过渡元素，且 元素性质较为相似，原子大小相近。铝液凝固过 程中，Fe与Mn同时富集在固-液界面的液相中， Al3Fe相最低成相温度为645℃，而MnAl6相最低成 相温度在710℃，相差近70℃。在这种情况下， MnAl6相优先成相，而由于Fe与Mn元素的原子大 小相近，为使得自由能达到最低，Fe原子就会替 代先形成相中Mn原子的位置，形成另一种骨状或 者是颗粒状的（FeMn）Al6相。尉海军、张磊[4]等 人在研究富铁相形貌的过程时发现，只有当Mn和 Fe的摩尔比在1.5时，Mn对富铁相的改善效果才会 达到最佳。铝合金中的Mn和Fe只有在一定比例的
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孟繁平，5182合金成分优化研究
技术工程
情况下才会形成颗粒状的（FeMn）Al6相。通过对 Fe3Al与（FeMn）Al6相结构的比较，两者同属于立 方晶系，晶格常数相差不到10%（Al3Fe的晶格常 数为a=b=c=0.579nm；（FeMn）Al6的晶格常数为 a=b=c=0.631nm）。当Al3Fe中的（400）、（440） 和（444）面分别与（FeMn）Al6中的（331）、 （611）和（544）面平行的时候，从理论上讲两 者具有一定的共格关系。因此，当Mn含量不足 时，多余的Fe原子就会与基体铝形成Al3Fe相并且 包裹在先形成的（FeMn）Al6相的周围（见图3中 的B和C），析出相的EDX测量结果见表4。
参考文献
[1] 白木，周洁. 铝材在汽车制造技术中的应用[J]. 有色设 备，2002 （2） ：17-19
[2] Badia F A. Effect of composition and heat treatment on the tensile properties of an Al-11.5Si-5Ni Casting Alloy [J]. Modern Castings，1996，50：104-115
1 试验方法
试验原材料采用工业纯铝、Al-10%Mn、Al7%Si、Al-50%Cu、Al-10%Ti、Al-5%Cr、Al10%Zn、Al-20%Fe以及AZ91D镁合金。采用正
交试验设计的化学成分见表1。采用井式炉进行
熔炼。化学成分分析取尺寸为35mm×25mm的小
试样并对表面进行抛光，通过能谱分析仪确定其
0.35
0.2
0.5
0.35
2 试验结果与分析
2.1 不同成分对组织的影响 上述正交试验确定的9种合金成分的实测值见
表2。对比表1和表2，可见试样的实测成分与预先 设定的化学成分基本吻合。
表2 正交试验中5182铝合金化学成分实测（质量分数/%）
试样编号 Mg Mn Fe Si Zn Cu Cr Ti Al
《铝加工》
2015 年第 3 期总第 224 期
5182合金成分优化研究
孟繁平 （东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150060）
技术工程
摘要：采用正交试验方法设计了不同成分的5182合金，通过研究其显微组织和性能，对5182合金成分进行优化。结果
表明，在5182铝合金中主要存在有Mg2Si、Mg2Al3和（FeMn）Al6三种析出相，当5182铝合金中Mg含量达到4.5%、Fe为 0.35%、Mn含量为0.35%时，其性能最佳。
（FeMn）Al6相还会以夹角为90°的四边形状的黑 色相析出（见图1g）。
2.1.1 不同Mg含量对5182铝合金组织的影响
在5182铝合金中，Mg作为添加量最多的合金
元素，其析出相也最多。当含量为4%时（见图
1a、b、c），灰色的Mg2Al3相主要集中在晶界，呈 絮状分布，而随着含量的增加，在晶粒中会出现
图3 Fe和Mn元素析出相的SEM照片
表4 图3中析出相的EDX测量结果（质量分数/%）
测试点
Mg
Al
Fe
Mn
A
5.64
71.99
22.37
-
B
5.08
90.72
4.20
-
C
5.56
72.58
17.17
4.69
2.2 不同成分对性能的影响 图4为不同成分5182合金的常温力学性能。
抗拉强度/MPa 延伸率/%
280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150
0
12
σb 10 δ
8
6
4
2
4
6
8
10
合金试样号
图4 不同成分5182合金的常温力学性能
由图4可见，随着合金元素的增加（由水平 一增加到水平二）强度随之增加，当合金元素含 量继续增加（水平三），合金的强度出现下降趋 势。结合由正交分析软件分析得出的各个元素对 性能的影响曲线，见图5。
40.91
图2 Mg元素析出相的SEM照片
2.1.2 不同Mn和Fe含量对5182铝合金组织的影响 在5182铝合金中，当Mn含量为0.2%时，晶
粒中有明显的（FeMn）Al6析出相（见图1c、 e、g），当Mn含量为0.35%时，晶粒中黑色的 （FeMn）Al6相明显增多（见图1b、d、i），而当 Mn含量为0.5%时，晶界处的（FeMn）Al6相数目又 明显减少（见图1a、f、h）。
关键词：5182铝合金；成分优化；Mg2Al3；性能改善；减重
中图分类号：TG146.21
文献标识码：A
文章编号：1005-4898（2015）03-0030-05
doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2015.03.07
0 前言
作为轻质结构材料，铝合金以其独特的性 能越来越受到人们的青睐。目前国内外对汽车车 身铝合金的研究主要集中在Al-Cu-Mg（2××× 系）、Al-Mg（5×××系）和Al-Mg-Si（6××× 系）三大系列上[1]。热处理不可强化的5××× 系铝合金由于其强度、成型性和抗腐蚀性等方面 具有与钢板相近的优点，能用于汽车内板等形状 复杂的部位。5182铝合金作为工业生产中广泛应 用的一种铝合金主要用于加工易拉罐盖、汽车车 身板、操纵盘、加强件、托架等零部件。因此， 深入研究5182铝合金，对原有5182铝合金进行成 分优化，进一步改善合金的力学性能和塑性成型 性能对减轻车体重量和减少环境污染具有重要意 义。
MENG Fan-ping (Northeast Light Alloy Co.，Ltd.，Harbin 150060, China)
Abstract: 5182 aluminum alloy with different compositons was designed using an orthogonal test. 5182 alloy composition was optimized by researching the microstructure and properties. The results showed that there were mainly Mg2Si, Mg2Al3 and (FeMn) Al6 precipitates in 5182 aluminum alloy. 5182 aluminum alloy had the best performance when the Mg content reached 4.5wt%, Fe content reached 0.35wt%,and Mn content of 0.35wt%. Keywords: 5182 alloy；chemical composition; Mg2Al3 phase
[3] 陆书荪，顾开道，郑来苏. 有色合金及其熔炼[M]. 北 京：机械工业出版社，1978
[4] 尉海军，张磊. 改善铝中富铁相形貌对电磁净化的影响 [J]. 铸造，2005，54（4）：363-366
（编辑：张为宾）
Research on Optimization of 5182 Alloy Composition
成分。不同成分的金相试样经表面抛光、腐蚀液
（5%HF）腐蚀后，在光学显微镜下进行组织形貌
观察。拉伸试样按GB/T1173加工成标准短比例拉
伸试样，在SHT4605微机控制电液伺服万能试验机
上完成拉伸试验。
表1 正交试验化学成分设计表（质量分数/%）
Mg
水平1
4
水平2
4.5
水平3
5
Mn
Fe
0.2
0.15