特種汽車用高性能5083鋁合金熱軋板材工藝研究

王誠海，劉曉娟

(中鋁河南鋁業(yè)有限公司，河南 洛陽 471000)

5083合金中的主要合金元素為鎂，并添加少量Mn 、Cr、Ti等合金元素，具有中等強(qiáng)度及良好的抗蝕性與焊接性能，廣泛應(yīng)用于船舶、汽車、飛機(jī)焊接件、地鐵輕軌、壓力容器(如液體罐車、冷藏車、冷藏集裝箱)等領(lǐng)域。隨著汽車輕量化進(jìn)程的推進(jìn)，高性能鋁合金材料已經(jīng)開始逐步代替鋼材應(yīng)用于汽車行業(yè)，這也將是汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢。

特種汽車廠家需求的鋁合金熱軋板材主要為5083合金，厚度為6、7、8mm三種規(guī)格，寬度2000mm左右，產(chǎn)品主要用于罐體車的殼體，部分結(jié)構(gòu)件等。此類產(chǎn)品在特種汽車廠家后續(xù)生產(chǎn)過程中要進(jìn)行旋邊及90°折彎，且彎曲半徑接近于0，這與國標(biāo)要求彎曲半徑1.5t相差很大，對材料折彎性能要求更高。傳統(tǒng)5083-O板材，力學(xué)性能雖然能夠滿足GB/T 3880的要求，但用戶在后續(xù)使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)折彎開裂問題，本文將通過調(diào)整5083合金的化學(xué)成分，在不同退火溫度下進(jìn)行退火試驗(yàn)，并研究材料的顯微組織，找出合適的生產(chǎn)工藝。

1 試驗(yàn)方案

1.1 5083-O板材工藝流程

選用規(guī)格為640mm×2130mm×3500/5800mm連續(xù)鑄造的5083合金鑄錠，經(jīng)1+1熱軋機(jī)組軋制成6、7、8mm厚合金卷材后開平。具體工藝流程為：鑄錠熔鑄→鑄錠銑面→鑄錠加熱→熱粗軋→熱精軋卷取→橫剪開平→板材退火→板材鋸切(取樣)→成品檢驗(yàn)→包裝交貨。

1.2 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及方案

本次試驗(yàn)選擇折彎開裂傾向更大的8mm板材進(jìn)行試驗(yàn)，通過調(diào)整5083合金中Mg、Mn、Cr等合金元素的含量，同時(shí)在不同溫度下進(jìn)行退火試驗(yàn)，再取樣做性能，尋找出合適的生產(chǎn)工藝，解決5083板材折彎開裂問題。

方案一：降低Mg含量，Mg含量由4.3％～4.6％調(diào)整為4.15％～4.35％；

方案二：降低Mn、Cr含量，Mn含量由0.7％～0.9％調(diào)整為0.5％～0.6％，Cr含量由0.1％～0.2％調(diào)整為0.05％～0.10％，具體化學(xué)成分如表1所示。

表1 5083鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)

其它條件不變，金屬溫度從240℃到370℃進(jìn)行退火試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度間隔為10℃，每個(gè)溫度試驗(yàn)4個(gè)試樣(兩用兩備)，保溫時(shí)間為金屬到溫后保溫2h，出爐后空冷。具體試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 退火溫度對5083合金性能的影響

根據(jù)表2中方案一的試驗(yàn)結(jié)果，可繪制出5083軟化曲線如圖1所示，從該曲線可以看出：金屬溫度達(dá)到330～340℃時(shí)保溫2h，材料的強(qiáng)度及延伸率指標(biāo)可以滿足特種汽車使用標(biāo)準(zhǔn)要求。

同時(shí)根據(jù)表2中折彎結(jié)果分析，方案一中板材經(jīng)過370℃退火后折彎仍然開裂，說明在調(diào)整Mg含量的基礎(chǔ)上，僅靠提高退火溫度無法達(dá)到彎曲半徑接近于0時(shí)90°折彎不開裂的要求。

根據(jù)圖1中曲線的幾個(gè)拐點(diǎn)，選取不同溫度段退火試樣做金相，圖2為100倍偏光組織照片。由偏光圖可看出，5083合金帶材熱軋至8.0mm厚度時(shí)，由于終軋溫度低(約280℃)，材料內(nèi)部晶粒呈現(xiàn)細(xì)長的纖維狀。240～270℃時(shí)，偏光圖顯示為變形織構(gòu)和少量初見形核的再結(jié)晶，當(dāng)退火溫度達(dá)到330～350℃時(shí)，原細(xì)長的纖維狀變形織構(gòu)晶粒已逐漸被新的細(xì)小的等軸晶粒替代，形成均勻細(xì)小的再結(jié)晶組織，晶粒存在輕微長大趨勢，但仍均勻細(xì)小。

圖1 不同溫度退火的板材力學(xué)性能

圖2 不同溫度退火后的板材組織

當(dāng)退火溫度升高到350℃以上時(shí)，其晶粒不再出現(xiàn)長大現(xiàn)象，此時(shí)材料內(nèi)部發(fā)生了第二相質(zhì)點(diǎn)(Mn，F(xiàn)e)Al6和Mg2Al3析出，并分布于晶內(nèi)及晶界，這些第二相質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了位錯(cuò)和晶界的遷移，阻止晶粒長大，形成細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，同時(shí)也起著彌散強(qiáng)化的作用，并具有較高的變形抗力，這也是5083合金在退火狀態(tài)可保持較高強(qiáng)度的原因。

2.2 Mg及Mn、Cr元素對5083合金性能影響

針對方案一與方案二進(jìn)行對比試驗(yàn)，分析降低Mg含量與降低Mn、Cr含量對板材退火性能的影響，見圖3。

圖3 方案一與方案二5083合金性能對比

從圖3可以看出，降低Mg含量，能適當(dāng)?shù)慕档桶宀膹?qiáng)度，對板材的折彎性能也有所改善，但退火后板材強(qiáng)度仍較大無法滿足折彎不裂的要求。降低Mn、Cr含量，能有效改善板材退火性能，基本能解決折彎開裂問題，如圖4所示。但個(gè)別試樣仍存在局部開裂問題，原因本文后面分析說明。

圖4 5083合金板材折彎

5083合金中的Mg 主要以固溶狀態(tài)和β相存在，由于析出形核困難，核心少且析出相粗大，通常5083合金在鑄造時(shí)都會加入Mn和Cr，以提高合金的再結(jié)晶溫度，阻止晶粒粗化，并使合金強(qiáng)度略有提高，同時(shí)提高基體金屬和焊縫強(qiáng)度，減少焊接熱裂傾向，提高耐應(yīng)力腐蝕性能。但由于特種汽車用板材除了要求高強(qiáng)度外，對材料的折彎性能要求更高。當(dāng)Mn、Cr含量過高時(shí)，材料的再結(jié)晶溫度過高，退火時(shí)再結(jié)晶困難，影響材料折彎性能。

適當(dāng)降低5083合金中Mn和Cr的含量，可有效降低材料的再結(jié)晶溫度，改善材料的退火性能。

2.3 局部開裂分析

從表2可以看出，方案二試驗(yàn)中，退火溫度在330～370℃之間時(shí)，有個(gè)別試樣在折彎過程中仍出現(xiàn)局部開裂現(xiàn)象。為分析局部開裂產(chǎn)生原因，分別從開裂試樣及不開裂試樣折彎處取樣做金相顯微組織分析(圖5)。

圖5 未開裂與局部開裂處材料組織

從圖5(a)可以看出，未開裂試樣組織為均勻的完全再結(jié)晶組織，晶粒大小均勻，因此具有高強(qiáng)度的同時(shí)也有良好的塑性；圖5(b)為局部開裂處組織，從圖中可以看出，其組織也是完全再結(jié)晶組織，基體整體為均勻組織，但存在粗大化合物，尺寸約為50um。在板材折彎過程中，由于彎曲半徑很小，板材外側(cè)局部塑性變形大，此時(shí)如內(nèi)部組織中存在粗大化合物，會造成局部應(yīng)力集中，從而出現(xiàn)了局部開裂現(xiàn)象。

粗大化合物產(chǎn)生原因主要為熔鑄過程中熔體質(zhì)量差，熔鑄工序使用廢料過多，除渣不徹底等。因此生產(chǎn)特種汽車用5083合金板材，熔體質(zhì)量尤為關(guān)鍵，其中廢料使用比例對熔體影響較大，通過多次與上游熔鑄廠家聯(lián)合試驗(yàn)，鑄錠熔鑄工序使用廢料比例不大于20％，其余使用小鋁錠或鋁水，能有效的減少5083合金組織中粗大化合物。

3 結(jié)論

1)通過提高退火溫度，材料塑性能得到一定程度的改善，但無法滿足彎曲半徑為0的折彎要求，而降低5083合金中Mg含量，材料整體強(qiáng)度有所下降，但退火后塑性變化不明顯，折彎仍出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；

2)降低5083合金中Mn、Cr含量，可降低材料的再結(jié)晶溫度，能有效改善5083合金板材的退火性能，解決板材折彎開裂問題?；瘜W(xué)成分選擇：Mn含量0.5％～0.6％，Cr含量0.05％～0.10％，其它元素執(zhí)行GB/T 3190要求；退火工藝：金屬溫度330℃，保溫時(shí)間大于2h。

3)控制5083鑄錠熔鑄過程中廢料的使用比例不大于20％，可以減少材料內(nèi)部組織中的粗大化合物，避免折彎時(shí)應(yīng)力集中，出現(xiàn)局部開裂問題。

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