科大金属材料毕业论文.docx

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科大金属材料毕业论文

毕业论文

学生姓名：

**学号：

************

学院：

材料科学与工程学院

专业：

金属材料工程

题目：

提高Al-Si-Cu铸造铝合金耐腐蚀性的研究

指导教师：

马静（副教授）

评阅教师：

2014年6月

河北科技大学毕业论文成绩评定表

姓名

88

学号

********

成绩

专业

金属材料工程

题目

提高Al-Si-Cu铸造铝合金耐腐蚀性的研究

指导教师评语及成绩

指导教师：

年月日

评阅教师评语及成绩

评阅教师：

年月日

答辩小组评语及成绩

答辩小组组长：

年月日

答辩委员会意见

学院答辩委员会主任：

年月日

注：

该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书（论文）中。

毕业论文中文摘要

采用电化学试验和浸泡腐蚀试验研究了合金元素对铸造Al-Si合金耐腐蚀性的影响，着重研究了Cu元素的作用。

实验利用全浸试验方法测试腐蚀速率，腐蚀后试样用光学显微镜和扫描电镜观察试样表面腐蚀产物和腐蚀基体，结合电化学极化曲线分析腐蚀机理。

同时通过对比实验研究Cu元素的加入对Al-Si合金的组织及力学性能的影响。

分别进行了拉伸试验，观察金相组织，断口形貌以及硬度测试等综合研究材料性能的实验。

实验表明，Cu元素的加入可以一定程度的增强铝合金的硬度，同时相应的降低了其塑性；合金元素Cu的加入，合金的自腐蚀电位降低、腐蚀电流密度增大、腐蚀速度加快，亦即合金耐腐蚀性下降。

提高Al-Si-Cu铸造铝合金的耐腐蚀性的重要途径是控制好铝合金Cu元素的含量。

关键词：

铸造Al-Si-Cu合金Cu元素拉伸实验耐腐蚀性

毕业论文外文摘要

TitleImprovethecorrosionresistanceoftheAl-Si-Cualloy

Abstract

AlloywasstudiedbyelectrochemicaltestandimmersioncorrosiontestelementinfluenceoncastingAl-Sialloycorrosionresistance,thispaperstudiestheeffectofCuelement.

Fullimmersionexperimentusingexperimentmethodtotestcorrosionrate,corrosionaftersamplewithopticalmicroscopeandscanningelectronmicroscopewithedssamplesurfacecorrosionproductsandcorrosionofsubstrate,combinedwithelectrochemicalpolarizationcurveanalysisofcorrosionmechanism.

AtthesametimebycomparingtheexperimentalstudyofCuelementonAl-Sialloyorganizationandtheinfluenceofmechanicalproperties.Respectivelyforthetensiletest,observationofmicrostructure,fracturemorphologyandcomprehensiveresearchmaterialpropertiessuchashardnesstestingexperiment.ExperimentalresultsshowthattheadditionofCuelementcanbeacertaindegreeofincreasethehardnessofaluminumalloy,atthesametimecorrespondingtoreduceitstoughness;AlloyelementsCu,decreasingthecorrosionpotential,corrosioncurrentdensity,corrosionspeed,Thatis,decreasingalloycorrosionresistance.ImprovetheAl-Si-CualloycorrosionresistanceisanimportantwayofgoodaluminumalloythecontentofelementCu.

KeyWordsCastingAlloyofAl-Si-CuelementofCucarbidescorrosionresistance

目录

1引言1

1.1铸造铝合金简介及应用1

1.2铝和铝合金的大气腐蚀机理1

1.3合金元素对耐腐蚀性的影响2

1.4铝和铝合金的腐蚀试验4

1.5如何提高和稳定铸造铝合金的耐腐蚀性5

2实验方案及设备6

2.1实验所用实验材料6

2.2实验方案8

2.3实验过程9

2.4力学性能测试10

2.5电化学实验13

2.6浸泡腐蚀试验13

3分析与讨论15

3.1组织分析15

3.2力学性能分析16

3.3电化学试验分析18

3.4浸泡腐蚀试验分析18

结论20

致谢21

参考文献22

1引言

1.1铸造铝合金简介及应用

铝是一种轻金属，密度小（2.78g/cm3），具有良好的强度和塑性，铝合金具有较好的强度，超硬铝合金的强度可达600Mpa，普通硬铝合金的抗拉强度也达200~450Mpa，它的比钢度远高于钢，因此在机械制造中得到广泛的运用。

铝的导电性仅次于银和铜，居第三位，用于制造各种导线。

铝具有良好的导热性，可用作各种散热材料。

铝还具有良好的抗腐蚀性能和较好的塑性，适合于各种压力加工。

铸造铝合金是在纯铝的基础上加入其他金属或非金属元素，不仅能保持纯铝的基本性能，而且由于合金化及热处理的作用，使铝合金具有良好的综合性能。

因此铸造铝合金在工业上占有重要的地位，目前已被大量用于军事、工业、农业和交通运输等领域，也广泛用作建筑结构材料、家庭生活用具和体育用品等[1]。

Al-Si合金又称为硅铝明，一般Si的质量分数为4％~22％。

由于Al-Si合金具有优良的铸造性能，如流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向性小，经过变质和热处理后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和中等的机加工性能，是铸造铝合金中品种最多、用途最广的一类合金。

其中ZL101合金常被用于承受中等负荷的复杂零件，如飞机零件、仪器、仪表壳体、发动机零件、汽车及船舶零件、汽缸体、泵体、刹车鼓和电气零件等；ZL105合金主要被用于生产承受大负荷的飞机、发动机砂型和金属型铸造零件，如传动机匣、汽缸体、液压泵壳体和仪表零件，也可以做轴承支座和其他机器零件；ZL111合金主要用于制造形状复杂、承受高载荷的零件，如用于飞机和导弹的铸件等。

1.2铝和铝合金的大气腐蚀机理

铝和铝合金的表面氧化膜是铝合金具有耐大气腐蚀性的主要原因[2]。

铝的氧化膜（γ-Al2O3）在室温的大气中就可以生成，而且非常迅速和致密，厚度为25～30Å。

也就是说，氧化膜在大气环境中具有自修复功能。

若有水存在或者暴露在大气中几个月以后，最初形成的γ-Al2O3的外层转变为一薄层γ-AlOOH。

然后，在γ-AlOOH上又会覆盖上一层Al（OH）3（也可写成Al2O3·3H2O）。

从铝-水体系的电位-pH图可知，Al（OH）3在较大的pH范围内都会保持稳定。

Al（OH）3从pH=4开始溶解;当pH=2.4时，认为Al（OH）3会完全溶解（事实上，即使pH=2.0时，铝表面的腐蚀类型仍然是孔蚀.）。

大部分的降雨、差不多所有的雾、表面蒸发浓缩的液层和铝表面小孔内的电解质都会使铝处于腐蚀状态.环境因素对铝的大气腐蚀的影响和其它金属相似，与环境大气的相对湿度、温度、大气中SO2的浓度、Cl-的含量以及降水的数量、酸度相关性较大，同时也受到O3，NOx及CO2等污染组分的轻微影响。

大气污染物通过干湿沉降。

使得金属表面存在着和大气中同样丰富的化学组分.暴露在大气中的铝合金表面可分为三层：

铝合金及其氧化膜、腐蚀产物层和大气污染物形成的污染层或薄液膜。

根据大气化学组分对铝和铝合金化学、电化学反应的不同及形成的腐蚀产物的性质不同，存在着不同的腐蚀机制。

1）氯离子的存在是引起铝和铝合金大气腐蚀的重要原因。

由于铝的氯化物具有可溶性，在户外暴露的铝表面上并没有大量的氯化物层存在，只有少量的氯离子进入到腐蚀产物层。

Cl-通过竟争吸附，逐渐取代Al（OH）3表面上的OH-生成AlCl3，如方程式（1.1）～（1.3）所示:

Al（OH）3+Cl-→Al（OH）2Cl+OH-（式1.1）

Al（OH）2Cl+Cl-→Al（OH）Cl2+OH-（式1.2）

Al（OH）Cl2+Cl-→AlCl3+OH-（式1.3）

2）空气中的CO2能有效地阻碍NaCl引发的铝的大气腐蚀。

铝在不含CO2潮湿空气中的腐蚀速率，和在正常CO2水平的空气中的腐蚀速率相比，约是后者的20倍。

有人认为，CO2中和了在铝表面阴极区氧还原产生的氢氧根离子，降低了液层pH值，从而使得铝的溶解速率下降。

3）一般认为：

O3是潜在的加速剂，通过氧化H2S、SO2和NOx而影响金属的大气腐蚀。

O3还能够通过自身的去极化反应，引起铝腐蚀。

实验表明，铝暴露在不同大气污染物（10ppm的SO2，NOx，O3，取样大气）的气体，四个星期以后，O3引起的腐蚀失重最大，其次是SO2，NO2，取样大气，NO。

1.3合金元素对耐腐蚀性的影响

纯铝的耐腐蚀性比任何一种铝合金都好，因为铝中的合金元素可以形成固溶体（例如，铝同镁和锌），化合物（例如，Mg2Si）或者元素的质点（如硅的情况）。

固溶体通常比在其中形成化合物或元素质点的铝合金更耐腐蚀。

一般，铜对铝的耐腐蚀性有不利的影响，往99.99％铝里添加0.1％的铜，使铝的腐蚀速度提高1599倍。

含4％铜的合金对晶间腐蚀或应力腐蚀裂纹是敏感的。

用控制热处理的办法，可以把Al-Cu合金的耐腐蚀性控制到一定程度。

Al-Cu合金固溶处理后需要迅速淬火，以防止在晶界上出现粗大沉淀物。

图1-1显示出固溶热处理后淬火速度如何影响2024合金的耐腐蚀性，一般冷水淬火对这种合金是足够迅速的。

在冷水中淬火的大断面板材，和在沸水中淬火的板材比迅速冷却的板材有较低的耐腐蚀性[3]。

图1-1在290到398℃范围内淬火速度对板材抗拉性能和耐腐蚀性的影响

腐蚀试样承受75％屈服强度的应力，在盐一过氧化物溶液里交替浸泡48小时。

腐蚀损关以抗拉强度损失的百分率为基础。

在Al-Cu合金的晶界上集聚大量沉淀物将会降低耐腐蚀性。

接近晶粒边界的区域为贫铜区，于是在存在腐蚀介质时便会形成一个很小的电化学电池。

贫铜区比CuAl2有较高的阳极性或负电性。

如图1-2所示，贫铜区将迅速腐蚀，这就产生了晶间腐蚀。

图1-2Al-Cu合金的晶间腐蚀机理的图解说明

时效处理也大大地影响Al-Cu合金的耐腐蚀性。

自然时效得到较好的耐腐蚀性，因为CuA12沉淀物在自然时效合金里比在人工时效合金里更细并能均匀地弥散分布。

如图1-3所示，人工时效大大地降低了Al-Cu合金的耐腐蚀性，这是由于CuA12沉淀物只限于局部区域，但加长时效时间和提高时效温度，可以使耐腐蚀性有一定的提高。

图1-3人工时效对2024-T3合金板材耐腐蚀性的影响

（试样在盐-过氧化物溶液里交替浸泡48小时）

Al-Cu-Si铸造合金例如212合金的耐腐蚀性，主要决定于铜的含量和显微组织。

硅对这种合金的耐腐蚀性没有多大影响。

1.4铝和铝合金的腐蚀试验

传统的大气腐蚀一般通过大气暴露实验、室内模拟加速试验进行研究。

大气暴露试验能够反应材料在自然环境中的实际腐蚀情况，所得数据直观、可靠，虽然试验周期长、速度慢、费用高，但它是铝和铝合金大气腐蚀研究的重要方法.室内模拟加速试验可以显著减少试验时间，快速地对材料的大气腐蚀行为进行评价和预测，不能完全地取代大气暴露试验.铝合金的腐蚀速率表征既采用普遍使用的年失重量多少，也使用孔蚀坑的深度及数量分布和力学性能（抗拉强度、屈服强度）损失量.观察腐蚀形貌和分析腐蚀产物时，使用一些物理化学分析手段，如光学微镜、扫描电镜、X射线衍射分析、X射线光电子能谱等[4]。

室内模拟加速试验有湿热试验、盐雾试验、干湿周浸循环试验以及多因子复合试验，一般认为干湿交替的周浸循环试验比较能够反映大气腐蚀的特点。

干湿交替的周浸循环试验的最初提出是为了评价耐候钢的性能，适用于有钝化膜的金属及合金。

这种研究方法从电化学的角度来说，也是合理的.对于铝合金，可以采用此方法进行大气腐蚀试验，评价铝合金的耐蚀性。

采用pH=3.0的5%NaCl+0.15%（NH4）2SO4（用醋酸调节pH值）作加速剂，对LY12和LC4两种高强铝合金进行了间歇盐雾和周期轮浸腐蚀试验，与广州，琼海十年的实地暴露试验结果对比。

他认为两种铝合金加速方法之间有类似的腐蚀动力学规律，其中前者相对于大气腐蚀有较好的模拟性和加速性。

也有人采用简易方法模拟湿热大气腐蚀试验，在工业纯铝ZL10和ZL109合金表面诱发腐蚀，观察和分析了铸铝合金中第二相和腐蚀产物的微观形貌及化学成分。

在吸附了水分和侵蚀性氯离子微观孔隙周围，由第二相粒子和铝基体构成腐蚀微电池发生电化学反应，电位较负的铝首先发生溶解，导致局部点状腐蚀，腐蚀产物主要为铝的不溶性氢氧化物，还含有少量的氧化铝等.用室内加速试验评价结构铝合金的耐大气腐蚀性时，除测量失重和孔蚀深度外，应包括金相分析和力学试验。

室内模拟加速试验从单因子控制到多因子控制，从简单的电位测量到交流阻抗技术等多种测量技术的应用，在过去的几十年里得到一定程度的发展。

但是在大气腐蚀机理研究和准确地重现大气暴露试验结果方面，仍有较大的差距。

室内模拟加速试验的重复性还需要提高。

一部分研究者做了室内气体腐蚀试验，通过对一种或几种腐蚀性气体组分浓度、相对湿度、温度及暴露时间条件控制，观察金属的腐蚀并通过多种手段分析腐蚀产物，给出腐蚀过程的动力学规律和腐蚀机理。

不过，这些实验仅仅局限于纯铝材料，研究工作处于起步阶段。

Oesch用气体试验箱分析了各腐蚀性气体成分对纯铝大气腐蚀的影响。

他认为臭氧对铝的大气腐蚀的影响要强于SO2和NO2。

通过控制空气中CO2的浓度，研究了CO2阻碍NaCl引发铝的大气腐蚀机制[5]。

综上所述，传统的大气腐蚀试验得到的数据是一段时间内金属的宏观的、统计的腐蚀行为和规律，对大气腐蚀过程中的关键反应和中间过程缺乏清楚的描述。

随着仪器制造技术的进步，人们越来越趋向于对金属的大气腐蚀过程进行连续、原位的研究，从微观上，甚至于原子尺度上认识其腐蚀规律。

1.5如何提高和稳定铸造铝合金的耐腐蚀性

（1）掌握金属元素的性质和作用以及适宜的加入量、使用方法，在铝合金中加入有益于提高耐腐蚀性的元素，如Si、Mg、Mn等是获取耐腐蚀合金的一条重要途径。

比如，Al-Mg、Al-Si、Al-Si-Cu-Mn-Mg等系合金均具有较好的耐腐蚀性。

（2）微量元素和杂质对合金耐腐蚀性的影响，严控有害元素或杂质的进入或抑制其作用，充分发挥有益元素或杂质提高合金耐腐蚀性。

为满足适宜的使用性能和铸造性能，在熔炼铝合金时除添加一定的主要金属元素外，还需添加一些微量元素如Re、Na、Sr、P、Mn、Ca、Ni、Ti、Cr、Zn等。

原辅材料及合金熔炼过程中不可避免地带入某些微量元素和杂质，给铸造铝合金的耐腐蚀性带来不可忽视的影响[6]。

2实验方案及设备

2.1实验所用实验材料

本实验采用由立中合金集团生产的A380铸造铝合金为实验材料，对试样的成分进行调整，切割取样。

通过观察试样组织、硬度测试、拉伸实验、断口分析、电化学实验和浸泡腐蚀实验等分析铜含量的不同对其性能及耐腐蚀性的影响。

产品主要元素内控要求如表2.1。

表2.1A380主要元素内控要求（质量分数%）

化学组成SiFeMgSnCuMnZnNiAl

质量分数7.7~9.3≤0.95≤0.09≤0.183.1~3.8≤0.48≤2.8≤0.45余量

合金元素对铝和铝合金耐蚀性的影响是一个复杂的问题。

因为这不仅与合金元素的电极电位（电化学序）有关，还与合金元素的存在形式（固溶体还是析出的金属间化合物相）、合金元素的加入量等诸多因素有关[7]。

各合金元素的作用如下：

Si：

硅是大多数压铸合金的主要元素，它能改善合金的铸造性能。

硅与铝能组成固溶体。

在577℃时，硅在铝中的溶解度为1.65％。

室温时为0.2％。

含硅量至11.7％时，硅与铝形成共晶体。

提高合金的高温造型性，减少收缩率，无热裂倾向。

硅对铝耐蚀性的影响在不同铝合金中是不同的。

在Al-Si铸造铝合金中，过量的硅以片状存在于合金中，它对铝起阴极性相的作用，对耐蚀是有害的。

在合金含有铁时，硅可能会进入FeAl3金属间化合物，起强阴极性相作用，对耐蚀性影响很大。

而对于可热处理的Al-Mg-Si合金，时效后生成Mg2Si相，这种化合物的出现对合金耐蚀性影响不大。

所以，对于铝和铝合金，单独的硅不如硅和铁同时存在时的有害作用大。

Fe：

在所有铝合金中都含有害杂质。

因铝合金中含铁太高时，铁以FeAl3、Fe2Al7和Al-Si-Fe的片状或针状组织存在于合金中，降低机械性能。

这种组织还会使合金的流动性降低，热裂性增大，但由于铝合金对模具的粘附作用十分强烈，当含铁量在0.6％以下时尤为强烈；当超过0.6％时，粘模现象便大为减轻，故铁含量一般应控制在0.6％~1％范围内，对压铸是有好处的，但最高不能超过1.5％。

铁对合金的耐蚀性有相当大的影响，其作用仅次于铜。

铁对铝来说，也是强阴极性元素。

铁在铝中的溶解度十分小，在温度500℃时也仅为0.005％，过剩的铁往往生成阴极性相FeAl3，对铝形成微电偶腐蚀。

Mg：

在高硅铝合金中加入少量（约0.2％~0.3％）的镁，可提高强度和屈服极限，提高了合金的切削加工性[8]。

含镁8％的铝合金具有优良的耐腐蚀性，但其铸造性能差。

在高温下的强度和塑性都低，冷却时收缩大，故易产生热裂和形成疏松。

Ti：

铝合金中加入微量的钛，能显著细化铝合金的晶粒组织，提高合金的机械性能，降低合金的热裂倾向。

钛在铝合金中的含量很小，它对耐蚀性的影响也不大。

有报导，含钛0.007％～0.008％时会对超纯铝在碱中的耐蚀性不利。

而在某些酸中，0.16％～0.37％钛的加入对工业纯铝耐蚀性会产生有利影响，而钛对铝在氯化钠溶液中耐蚀性的影响却很小。

Cu：

铜和铝组成固溶体，当温度在548℃时，铜在铝中的溶解度应为5.65％，室温时降至0.1％左右。

增加含铜量，能提高合金的流动性，抗拉强度和硬度，但降低了耐腐蚀性和塑性。

铜对铝来说是强阴极性元素（电极电位正得多），故即使铜的含量不多，也可对铝及其合金的耐蚀性产生严重的影响。

如当含有0.1％铜时，高纯铝的腐蚀速度提高了1600倍，要提高耐蚀性，铜的含量必须严格控制。

Mn：

锰在铝合金中能减少铁的有害影响，能使铝合金中由铁形成的片状或针状组织变为细密的晶体组织。

故一般铝合金允许有0.5％以下的锰存在。

含锰量过高时，会引起偏析[9]。

锰在铝合金中主要以MnAl6相存在而MnAl6相和铝有着相同的自然电极电位，几乎没有电位差，少量的锰往往还会提高合金的耐蚀性，因为能生成MnFeAl6，从而部分消除含铁的强阴极性相（如AlSi2Fe等），从而增强了耐蚀性。

所以Al-Mn合金是重要的防锈铝合金之一。

Zn：

锌在铝合金中能提高流动性，增加热脆性，降低耐蚀性，故应控制锌的含量在规定范围内。

至于含锌量很高的ZL401铝合金却具有较好的铸造性能和机械性能，切削加工也较好。

锌在0.2％以下时，对铝合金耐蚀性的影响不大。

当锌作为某些高强铝合金的添加元素时，其析出的金属间化合物仍然可能成为铝的阴极，但其对耐蚀性的影响小于铜、铁、镍等阴极性元素。

Ni：

镍在铝合金中能提高合金的强度和硬度，降低耐蚀性。

镍与铁的作用一样，能减少合金对模具的熔蚀，同时又能中和铁的有害影响。

提高合金的焊接性能。

当镍含量在1％~1.5％时，铸件经抛光能获得光洁的表面，由于镍的来源缺乏，应尽量少采用含镍的铝合金。

2.2实验方案

2.2.1试样炼制工艺的制定

表2.2配料卡

原料名称

A00

工业硅

金属铜

锌件

铁中间

钛中间

锰中间

理论加入（kg）

32.25

3.15

1.27

0.61

2.50

0.42

1.13

理论含量（％）

85.546

8.35

3.38

1.614

0.695

0.112

0.303

图2-1工艺流程

2.2.2实验流程

本实验主要涉及A380铸造铝合金的金相组织分析及力学性能分析两个方面[9]。

通过金相组织分析了解Al-Si-Cu铸造铝合金在不同的铜含量下，其微观组织的变化，结合硬度测试、拉伸实验来分析不同的组织形态下Al-Si-Cu铸造铝合金性能的变化、耐腐蚀性的差异并最终确定A380铸造铝合金的最佳成分配比。

实验流程如图2-2。

实验所用到的设备有：

工业电炉、成分试样模具、拉力试棒模具、石墨除气棒、撇渣勺、取样勺、直读光谱仪、车床、锯床等。

2.2.3实验分析设备

本实验分析过程所用到的设备有：

HBS-3000数显布氏硬度计、立式显微镜、MC004-MPD-2W双盘台式金相磨抛机、PG-2C金相试样抛光机、MDS实验室金相显微镜、WDW100型拉力试验机、PS-168C型电化学测量系统、KYKY-2800系列实用型扫描电子显微镜。

其中，工业电炉用来制取试样；HBS-3000数显布氏硬度计用来测定试样的硬度；立式显微镜用来观察断口；MDS实验室金相显微镜用来拍摄金相试样显微组织的照片；WDW100型拉力试验机用来测试样品抗拉强度；MC004-MPD-2W双盘台式金相磨抛机用来打磨试样，PG-2C金相试样抛光机用来制备金相试样；PS-168C型电化学测量系统分别对合金的极化曲线、自腐蚀电位、自腐蚀电流密度等电化学进行测量。

图2-2实验流程图

2.3实验过程

2.3.1取样

将试样分为A、B两组，其中A组不含Cu，B组含3.38.％的Cu，见表3.1。

表3.1试验合金的化学成分

序号

合金

Si

Cu

Al

A

Al-Si

7.8

---

余量

B

Al-Si-Cu

7.8

3.3

余量

根据需求用切割制成不同尺寸，其具体尺寸如下：

1、拉力试棒：

Ø10mm×150mm试棒

2、腐蚀样块：

Ø15mm×20mm样块

3、硬度样块：

从铝合金锭上锯下厚30mm的样块

4、金相试样：

10mm×10mm×40mm样块

2.3.2制备金相与拍摄金相照片

为了研究A380组织和性能，从合金锭上锯下10mm×10mm×40mm样块作为金相试样，利用MDS实验室金相显微镜对其进行金相显微组织分析。

粗磨:

在预磨机，240#金刚