分享：轧制压下量对Fe-8Al合金板材耐蚀性的影响

轧制压下量对犉犲８犃犾合金板材耐蚀性的影响

郭 炜，史 茜，钟庆东，赵启亮，张俊良

（上海大学 材料科学与工程学院 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海２０００７２）

摘 要：采用真空电磁感应熔炼制备了Ｆｅ８Ａｌ合金，采用８０％、７０％、６３％和５０％轧制压下量制成合金板材，最后对４种Ｆｅ８Ａｌ合金板材进行９００℃退火保温１０ｍｉｎ后水冷的热处理。采用扫描电子显微镜（ＳＥＭ），拉伸试验和电化学试验对４种Ｆｅ８Ａｌ合金板材的性能进行分析。结果表明：随着轧制压下量的增大，Ｆｅ８Ａｌ合金板的晶粒尺寸逐渐减小；轧制压下量为８０％时Ｆｅ８Ａｌ合金板材的综合力学性能最好；轧制压下量为６３％时Ｆｅ８Ａｌ合金在５％（质量分数）Ｎａ２ＳＯ４ 溶液中的耐蚀性最好。８０％为Ｆｅ８Ａｌ合金轧制工艺制度的最佳轧制压下量。

关键词：Ｆｅ８Ａｌ合金；轧制工艺；显微组织；力学性能；电化学性能

中图分类号：ＴＧ１７４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５７４８Ｘ（２０１７）０５０３７２０５

０ 引 言

近年来，轻量化、低排放、低成本与节能等是汽车制造工艺的重点研究方向。轻量化是提高汽车燃油经济性的有效手段，铝合金的密度较小，可以满足汽车轻量化的要求，因此铁铝合金作为新一代的汽车用钢替代材料具有广泛的应用前景。当铝的原子分数小于１０％时，具有无间隙结构，使其具有类似于无间隙原子钢（ＩＦ钢）的优良深冲性能［１２］。常用的铁铝合金有冷轧或热轧带材，其主要特点是电阻率高、硬度高，密度小（６．５～７．２ｇ／ｃｍ３），抗振动和抗冲击性能良好。同时，由于原材料价格低廉，所以铁铝合金作为汽车用钢具有广阔的应用前景。

轧制是钢材最常用的生产方式，轧件由摩擦力拉进旋转轧辊之间，受到压缩进行塑性变形，通过轧制可使金属获得一定形状、尺寸和性能。在轧制过程中，影响材料塑性的因素很多，如轧制压下量、轧制压力、轧制温度、轧辊辊型等。对于冷轧试验钢，轧制压下量是一个重要的影响因素。Ｆｅ８Ａｌ合金为ＦｅＡｌ铁素体钢，具有较好的塑性［３６］。本工作研究了锻造加热轧开坯之后，Ｆｅ８Ａｌ合金在９００℃下退火并保温１０ｍｉｎ后淬火工艺条件下，不同轧制压下量对Ｆｅ８Ａｌ合金显微组织、力学性能和电化学性能的影响。

１ 试验

１．１ 试样

    将工业用９９．９９９９％（质量分数，下同）纯铁和９９．９９９９％纯铝按照设定的体系配比，采用真空电磁感应熔炼制备Ｆｅ８Ａｌ合金。熔炼过程中用Ｃ元素控制真空电磁感应炉中 Ｏ元素含量，添加一定量的Ｔｉ元素进行精炼，Ｔｉ元素可以固定 Ｃ、Ｎ 等元素，形成碳化物、氮化物，以形成ＦｅＡｌ无间隙原子结构［７９］。精炼一定时间之后，将熔化得到的液体进行浇注，冷却后得到Ｆｅ８Ａｌ合金铸锭，其化学成分为：狑Ａｌ７．８１％，狑Ｃ ０．００７２％，狑Ｍｎ ０．０１２％，狑Ｐ０．００６，狑Ｓ０．０００５，狑Ｎ０．００２，余量为Ｆｅ。铸锭冷却后去除表面氧化皮，经过热轧三道次得到厚度为４．２ｍｍ的板材，终轧温度为９００℃，空冷至８５℃时进行酸洗，然后室温冷轧至０．８７ｍｍ、１．３ｍｍ、１．６ｍｍ、２．１ｍｍ等４个目标厚度，即４种板材的轧制压下量分别为８０％（Ａ）、７０％（Ｂ）、６３％（Ｃ）和５０％（Ｄ）。采用马弗炉对４种板材进行热处理，工艺为９００℃下退火１０ｍｉｎ后，水冷后备用。

１．２ 试验方法

１．２．１形貌表征

    沿轧制方向切取试样，尺寸为１ｃｍ×１ｃｍ，将试样用水磨砂纸（２４０～２０００号）逐级打磨至镜面光亮，吹干后用８％（体积分数，下同）硝酸酒精和过量的苦味酸浸蚀。用ＬＥＩＣＡ ＭＩＣＲＯＳＹＳＴＥＮＳＤＭ６０００Ｍ 金相显微镜（ＯＭ）观察４种试样的金相组织和形貌。采用 ＨＩＴＡＣＨＩＳＵ１５００扫描电镜（ＳＥＭ）、色散能谱（ＥＤＳ）等方法研究其凝固组织的断口微观形貌、合金的化学成分分布和偏析情况。

１．２．２力学试验

    按照国家标准 ＧＢ／Ｔ２２８．１－２０１０《金属材料拉伸试验第１部分：室温试验方法》切取拉伸非标准试样（试样总长３２ｍｍ，柄部宽４．２ｍｍ，平行段长度为２２ ｍｍ），每种板材制备 ３ 个平行试样。用１０００号砂纸打磨，去除拉伸试样平行段表面及侧面氧化层。常温状态下，在空气中利用Ｉｎｓｔｒｏｎ５８４８型微型拉 伸 仪 进 行 拉 伸 试 验，初 始 应 变 速 率 为 ２×１０－３ｓ－１，测量拉伸试样的流变应力和试样拉断时的延伸率。

１．２．３电化学试验

    电化学试验用试样的尺寸为１ｃｍ×１ｃｍ，试样工作面用水磨砂纸（２４０～２０００号）逐级打磨至镜面光亮，非工作面用环氧树脂封装后制成工作电极，将工作电极置于丙酮中超声清洗去除表面残余物，再用酒精和去离子水先后清洗后待用。电化学试验在ＣＨＩ６６０Ｃ电化学工作站完成，采用三电极体系，辅助电 极 为 铂 电 极，参 比 电 极 为 饱 和 甘 汞 电 极（ＳＣＥ），工作电极为试样。考察４种Ｆｅ８Ａｌ合金试样在５％（质量分数，下同）Ｎａ２ＳＯ４ 溶液中的电化学阻抗谱，频率为１０－２～１０５ Ｈｚ，利用ＺＳｉｍｐＷｉｎ软件对阻抗谱进行等效电路拟合分析。

２ 结果与讨论

２．１ 显微组织

    由图１可见，轧制压下量越大，合金再结晶的晶粒越小。这是因为压下量越大，材料受到的轧制力越大，组织形变越大，组织越均匀。

图１ 采用不同轧制压下量制备的Ｆｅ８Ａｌ合金的微观形貌

Ｆｉｇ．１ ＭｉｃｒｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＦｅ８Ａｌａｌｌｏｙｐｒｅｐａｒｅｄ

ｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｌｌｉｎｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｓ

    金属的变形程度是表征材料变形前与变形后形状变化大小的参数，即材料变形量的大小，是决定再结晶温度的重要因素之一。金属的变形量越大，金属中的存储能越多，再结晶的温度越低，但当变形程度增加到一定数值后，再结晶的温度趋于稳定值。

    另外形变金属的晶粒越细小，单位体积内晶界总面积越大，位错在晶界附近塞积，导致晶格强烈扭曲的区域也越大，可以提供再结晶形核的场所越多，其再结晶温度也越低。

由图１可知，Ｆｅ８Ａｌ合金试样的轧制压下量为６３％及５０％时，试样未发生完全再结晶仍存在带状的纤维组织，说明其再结晶温度高于９００℃。且轧制压下量为６３％的试样的带状组织明显宽于轧制压下量为５０％的试样的。Ｆｅ８Ａｌ合金试样的形变越大，得到的晶粒越细小。在热处理过程中，轧制压下量越小，再结晶温度越高，在退火温度为９００℃时，轧制压下量为６３％及５０％的 Ｆｅ８Ａｌ合金试样的变形量相对较小，未发生完全再结晶，仍存在带状的纤维组织。

２．２ 力学性能

      由表１和图２可知，轧制压下量为８０％的Ｆｅ８Ａｌ合金试样具有最好的力学性能，这是因为在９００℃，轧制压下量为８０％时Ｆｅ８Ａｌ合金试样发生完全再结晶。由 ＨＡＬＬＰＥＴＣＨ 关系式可知：晶粒越细小，材料的屈服强度越大［１０１１］。而轧制压下量为７０％、６３％、５０％时Ｆｅ８Ａｌ合金试样的断后伸长率相近，这是因为在９００℃退火并保温１０ｍｉｎ热处理得到的材料未发生完全再结晶。材料中存在大量的未完全再结晶的带状纤维组织，纤维组织的存在大大降低了材料的塑性。由于存在宽大的带状纤维组织，轧制压下量为６３％时 Ｆｅ８Ａ

ｌ合金试样的断

     后伸长率低于轧制压下量为５０％Ｆｅ８Ａｌ的合金试样的。孙扬善等［９］研究轧制工艺对Ｆｅ３Ａｌ金属间化合物塑性的影响时指出，冷变形形成的条带状纤维组织越宽，材料的塑性越低，这与本试验得到的结果一致。

晶粒细化提高了材料的塑性，材料的断裂强度见式（１）。

式中：犪为断裂面间距的原子间距；γ为单位面积表面能；犈为弹性模量。

在多晶体的同一体积内，晶粒越细小，晶粒数越多。在断裂过程中，晶粒由于外加切应力的作用，其位错源开动，产生大量位错。当这些位错滑移到晶界附近时塞积，引起应力集中，使得其周围晶粒的距

离为犪的位错源也开动。由弹性理论得出，在与长度为犮的裂纹相距犪 处的应力集中为（犮／犪）１／２。此裂纹长度正比于塞积位错的数量，因而也就正比于晶粒的直径犪（－１／２）。因此，晶粒越细，断裂前的塑性越高，材料的塑性越好。由 ＨＡＬＬＰＥＴＣＨ 关系式可知，金属的屈服强度与晶粒大小有如下关系：σｓ ＝σ０ ＋犓狔犱（－１／２） （２）式中：σ０ 表示晶内变形阻力，相当于单晶体的屈服强度；犓ｙ 表示晶界性质；犱表示晶粒直径的大小。式（２）表明，材料的屈服强度与晶粒直径的平方根倒数成正比。在常规晶粒范围内，晶粒越细，屈服强度越高，多晶体的强度随着晶粒的细化而提高，这就是细晶强化的原理。综上所述，细化晶粒能同时提高材料的强度和塑性。

由图３可见，轧制压下量为８０％时，Ｆｅ８Ａｌ合金试样（Ａ试样）的断口存在纤维区，断口下端有倾斜角（接近４５°）且存在大量韧窝；而上端小部分类似平齐的断口，也有少量的韧窝存在，且 Ａ 试样的断后伸长率达３４％，因此可以判断 Ａ试样的断裂形式为韧性断裂。材料按照裂纹扩展路径分类，可分为穿晶断裂和沿晶断裂。穿晶断裂可能是韧性断裂也可能是脆性断裂。而沿晶断裂则多是脆性断裂，少数为韧性断裂［１２］。由图３还可见，轧制压下量为７０％、６３％、５０％时，Ｆｅ８Ａｌ合金试样以沿晶断裂为主，伴随少量等轴韧窝的沿晶韧性断裂形貌。

２．３ 电化学性能

由图４可见，４种试样的电化学阻抗谱均呈现出一段畸变的圆弧，但其阻抗值有较大差异且表现出明显的规律，这与它们表面电荷的传递过程有关。

由图４（ａ）可见，当轧制压下量由８０％递减至６３％时，Ｆｅ８Ａｌ合金试样的圆弧半径逐渐增大，总阻抗逐渐增大，且在轧制压下量为６３％的 Ｆｅ８Ａｌ合金试样的阻抗值最大，说明在该压下量下Ｆｅ８Ａｌ合金试样的耐蚀性最好。

由图４（ｂ）可见，４种Ｆｅ８Ａｌ合金试样均有两个时间常数，利用ＺＳｉｍｐＷｉｎ软件对样品的电化学阻抗谱进行等效电路分析，其等效电路如图５所示，相关电化学参数拟合结果见表２。其中犚ｃｔ是能直接反应金属腐蚀速率的参数，犚ｃｔ越大说明试样的腐蚀速率越低。

    由表２可见，随着Ｆｅ８Ａｌ合金试样的轧制压下量由８０％减小到６３％，犚ｃｔ逐渐增大，犆ｄｌ逐渐减小。

    结合图１可以发现，经过加热９００ ℃保温１０ｍｉｎ处理后，轧制压下量越小，得到的Ｆｅ８Ａｌ合金试样存

    在未完全再结晶的带状纤维组织越多，而纤维组织的存在使得材料表面产生的钝化膜更加致密，耐蚀性由此得到一定提高［１３］。此外，随着轧制压下量的减小，Ｆｅ８Ａｌ合金试样的气孔、裂缝逐渐减少，晶界、活化点数和内部的储存能降低，试样的电化学活性降低，使Ｆｅ８Ａｌ合金试样在５％ Ｎａ２ＳＯ４ 溶液中耐蚀性提高，这与ＫＯＷＡＬＳＫＩ等［１４］的研究结果相似。随着轧制压下量由６３％继续减小到５０％，其犚ｃｔ反而有所降低，这是由于当压下量为５０％时，带状组织和细化的晶粒不规则分布，均匀性降低，从而导致Ｆｅ８Ａｌ合金试样的耐蚀性降低。

    综合分析各轧制压下量Ｆｅ８Ａｌ合金试样的力学性能和耐蚀性可知：轧制压下量对材料的力学性能有较大影响，对材料耐蚀性的影响相对较小。其中，８０％轧制压下量下制得的Ｆｅ８Ａｌ试样合金的力学性能最好，断后伸长率最大（３４％）。而采用６３％轧制压下量制得的Ｆｅ８Ａｌ合金试样的耐蚀性最好，电化学阻抗最大（３４８５Ω·ｃｍ２），而其断后伸长率仅为１７％，远低于采用８０％轧制压下量制得的Ｆｅ８Ａｌ合金试样的。综合考虑，选择８０％为Ｆｅ８Ａｌ合金轧制工艺制度的最佳轧制压下量。

３　结论

    （１）Ｆｅ８Ａｌ合金在９００ ℃保温１０ｍｉｎ后水冷的热处理工艺下，轧制压下量越大，其晶粒越细小，组织越均匀。

    （２）采用８０％轧制压下量制得Ｆｅ８Ａｌ合金具有最好的力学性能，断后伸长率、屈服强度及抗拉强度分别为３４％、４１５ＭＰａ、５１３ＭＰａ。

    （３）当轧制压下量为６３％～８０％时，随着轧制压下量的减小，Ｆｅ８Ａｌ合金在５％ Ｎａ２ＳＯ４ 溶液中的耐蚀性逐渐提高；但当压下量减小到５０％时，Ｆｅ８Ａｌ合金的耐蚀性降低。

    （４）轧制压下量为８０％时，制得Ｆｅ８Ａｌ合金试样的力学性能最佳，且其耐蚀性优异，故Ｆｅ８Ａｌ合金轧制工艺制度的最佳轧制压下量为８０％。

文章来源:材料与测试网