不同合金化方式的5083合金鑄錠質(zhì)量對比研究

殷云霞，李海仙，韓再旭，王 強

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060）

不同合金化方式的5083合金鑄錠質(zhì)量對比研究

殷云霞，李海仙，韓再旭，王 強

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060）

介紹了在5083合金中使用中間合金與使用添加劑的工藝流程，并對兩種工藝生產(chǎn)的5083合金鑄錠進行質(zhì)量全分析。通過對比研究，確定出使用中間合金與添加劑生產(chǎn)的5083合金鑄錠在成分偏析、微觀組織及力學性能等方面并無明顯差異，板材力學性能滿足標準，并確定出合理的成分范圍。

中間合金；添加劑；5083合金；生產(chǎn)工藝

0 前言

鋁合金合金化的方式有以下幾種：以中間合金方式加入；以純金屬形式加入；以熔鹽形式加入；以添加劑形式加入。添加劑以其熔點低、易溶解、在熔體中易達到成分均勻、使用方便等優(yōu)點，在生產(chǎn)中廣泛使用。但對于有特殊要求的合金制品，如鍛件、探傷級別要求高的合金制一般使用中間合金，而不使用添加劑，以避免添加劑中的熔鹽混入熔體造成熔體污染。

但近年來，部分中間合金越來越暴露其不足，如成分不均，導(dǎo)致熔煉中大量補料或沖淡，造成部分或全爐成分廢品；組織中殘存大量的一次晶化合物，遺傳到鑄錠中，造成最終制品一次晶化合物聚集缺陷；部分中間合金在熔化時仍然需要很高的熔煉溫度和較長的保溫時間才能保證金屬成分的充分溶解，這樣易引起晶粒粗大、吸氣、夾渣和增加氧化燒損等[1]。

而使用添加劑則可避免上述不足，且爐內(nèi)除氣除渣凈化及在線除氣加雙級過濾措施完全可以阻擋熔鹽進入鑄錠，使用添加劑還可以降低生產(chǎn)成本。

下面探討采用Mn、Cr添加劑加入到需要B級探傷的5083合金中生產(chǎn)產(chǎn)品，與使用中間合金形式生產(chǎn)的同類合金做質(zhì)量對比，并摸索生產(chǎn)工藝路線的改變對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

1 試驗過程

1.1 化學成分

5083合金化學成分見表1。

表1 5083合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

1.2 配料

方案1：新鋁錠占額40%～60%，不允許使用添加劑，Mn、Cr、Ti、Be以中間合金的形式加入，Mg以純金屬的形式加入，Mg和Al-Be在電爐中加入。

方案2：新鋁錠占額40%～60%，Mn、Cr以添加劑形式加入，Ti、Be以中間合金的形式加入，Mg以純金屬的形式加入，Mg和Al-Be在電爐中加入。

1.3 熔煉

兩種方案均采用天燃氣爐供電爐液體料的方式進行生產(chǎn)，熔煉溫度720～750℃。方案1中間合金隨爐料一同加入，方案2添加劑加入溫度為720℃以上，并且保溫15min后方可出爐。

按表1中要求進行成分調(diào)整，熔煉溫度720～750℃，出爐前加Al-Ti絲進行晶粒細化。

1.4 鑄造

鑄造時用在線凈化裝置，雙級過濾。在線加入Al-Ti絲進行晶粒細化

1.5 板材生產(chǎn)

對均火后的鑄錠進行銑面，然后進行熱軋生產(chǎn)。

2 試驗結(jié)果

2.1 不同合金化方式生產(chǎn)5083合金的表面質(zhì)量

采用上述兩種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的5083合金鑄錠外觀質(zhì)量沒有明顯差別，表面無裂紋、拉裂等明顯缺陷。

2.2 最終化學成分

無論使用中間合金還是使用添加劑生產(chǎn)的5083合金扁鑄錠，整體來說化學成分偏析相差不大，Mg含量均在4.4%～4.7%之間，Mn含量在0.6%～0.75%之間，Cr含量在0.08%～0.10%之間，偏析規(guī)律相似，這可以說明生產(chǎn)5083合金時無論何種合金化方式，最終化學成分都符合成分要求，從中間合金與添加劑的實收率上看，采用兩種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的5083合金Mn、Cr元素的實收率相當，均能滿足化學成分要求。

2.3 鑄錠低倍組織

采用不同合金化方式生產(chǎn)的5083鑄錠，在低倍組織中均沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、疏松、化合物、白斑、夾渣等冶金缺陷，鑄錠晶粒度小于一級。

2.4 鑄錠微觀組織

兩種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的5083合金鑄錠，沿鑄錠厚度方向在鑄錠中心處、1/8處、邊部進行鑄錠高倍組織檢查，典型金相組織見圖1。 其中（a）、（c）、（e）分別為方案1使用中間合金生產(chǎn)5083合金鑄錠厚度方向的中心、1/8厚度處、 邊部；（b）、（d）、（f）分別為方案2使用添加劑生產(chǎn)5083合金鑄錠厚度方向的中心、1/8厚度處、 邊部。

圖1 5083合金不同方案和不同位置的顯微組織

從圖1顯微組織照片可以看出，兩種工藝生產(chǎn)的5083合金鑄錠高倍組織中，從鑄錠中心至邊部，枝晶間距逐漸變小并且較均勻，枝晶臂變厚，基本上符合鋁合金熔煉過程中的結(jié)晶規(guī)律。

2.5 鑄錠的力學性能

沿試片中心至邊部取樣（下圖中1→10同時代表使用中間合金與使用添加劑生產(chǎn)的5083合金鑄錠相對應(yīng)的取樣位置），檢測鑄錠力學性能，結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 兩種方案5083合金抗拉強度

圖3 兩種方案5083合金屈服強度

圖4 兩種方案5083合金斷后伸長率

從圖2、圖3和圖4可以看出，不同合金化方式生產(chǎn)的5083合金鑄錠，其中使用添加劑生產(chǎn)的5083合金鑄錠與使用中間合金生產(chǎn)的5083合金鑄錠相比：抗拉強度略低，屈服強度略高一些，斷后伸長率相當，整體差異不大。

2.6 板材生產(chǎn)情況跟蹤

本輪試驗中，對使用添加劑與中間合金生產(chǎn)的同規(guī)格5083合金鑄錠在軋制車間進行了跟蹤，從鑄錠加熱、軋制到后續(xù)的熱處理過程使用添加劑生產(chǎn)的5083合金鑄錠均未發(fā)現(xiàn)異常情況。對其中需要進行B級探傷交貨的板材探傷情況進行了詳細統(tǒng)計，使用添加劑工藝生產(chǎn)的5083合金鑄錠B級探傷后合格率100%，與使用中間合金工藝生產(chǎn)的鑄錠B級探傷結(jié)果相符。

對所有使用添加劑工藝生產(chǎn)的鑄錠成品力學性能情況進行詳細統(tǒng)計，兩種工藝生產(chǎn)鑄錠軋制板材力學性能結(jié)果相近，相差不大，說明兩種工藝生產(chǎn)鑄錠在后續(xù)生產(chǎn)的板材力學性能結(jié)果相近。

3 分析與討論

3.1 中間合金存在的問題

生產(chǎn)5083合金時使用Al-Mn和Al-Cr兩種中間合金，在熔制和使用這兩種中間合金時，存在以下問題：

（1）要求加入金屬溫度在1000℃以上，熔煉溫度高，則需要延長熔煉時間，這就造成合金元素的大量燒損，消耗大量能源。

（2）中間合金含量不穩(wěn)定，成分不均，在熔煉過程中經(jīng)常有大量補料或沖淡的現(xiàn)象發(fā)生，造成部分或全爐成分廢品。

（3）加速了熔煉設(shè)備及工具的損壞；造成了惡劣的勞動條件和嚴重的環(huán)境污染。

（4）中間合金組織中殘存大量的一次晶化合物，遺傳到鑄錠中，造成最終制品一次晶化合物聚集缺陷，影響航空航天制品的使用和交貨期限，甚至無法使用。

（5）部分中間合金在熔化時仍然需要很高的熔煉溫度和較長的保溫時間才能保證中間合金的充分溶解，這樣易引起晶粒粗大、吸氣、夾渣和增加氧化燒損偏析嚴重，含有粗大的化合物，有可能會遺傳到合金中。

（6）主要元素所占的比例很低，大部分是鋁，給運輸、儲存等帶來很多麻煩。

3.2 使用添加劑的優(yōu)點

生產(chǎn)5083合金時使用Mn、Cr兩種添加劑，使用添加劑具有以下優(yōu)點：

（1）Mn、Cr兩種添加劑是機械攪拌的混合物，無需高溫便可制作完成，減少了能源損耗。

（2）成分含量穩(wěn)定，用于5083合金中實收率較高，減少了爐前分析的次數(shù)。

（3）主要元素所占的比例高，便于運輸、儲存。

（4）使用添加劑降低了生產(chǎn)成本，創(chuàng)造出經(jīng)濟效益。

3.3 添加劑實收率

Mn添加劑加入溫度720℃，實收率曲線見圖5。

圖5 Mn添加劑實收率曲線

由圖5可以看出Mn添加劑加入溫度為720℃、保溫時間為13min時，Mn添加劑實收率達到最大值為98%，所以當熔體達到720℃時加入添加劑，并且保溫15min，這種工藝是添加劑實收率最高的，所以說我們制定的方案可行。

3.4 化學成分對5083合金性能的影響

3.4.1 Mg的作用和影響

5083合金為熱處理不可強化合金， Mg含量對5083合金力學性能的影響見圖6。

圖6 Mg含量對5083合金力學性能的影響

從圖6中可以看出，隨著Mg含量的增加，抗拉強度和屈服強度也逐漸升高，而伸長率則呈先降后升的趨勢。含Mg量高的合金材料，屈服強度也高，當Mg含量低于4%時，合金的抗拉強度低于250N/mm2，當Mg含量位于4%～5%之間，合金的抗拉強度可以達到250～280N/mm2，由于5083合金基本上處于單相固溶體區(qū)，所以合金具有良好的耐腐蝕性能。因此Mg含量應(yīng)控制在上限，能保證得到屈服強度指標較好、性能穩(wěn)定的5083合金材料。又由于Mg是易燃金屬，熔煉操作時會有燒損，在確定Mg的控制范圍時要考慮燒損所帶來的誤差，但不能放得太寬，以免合金性能失控。

3.4.2 Mn的作用和影響

Al-Mg系合金中添加Mn不但有利于合金的抗蝕性，而且還能使合金的強度提高。隨著Mn含量增加，合金強度有所提高，合金元素Mn能夠起到補充強化的作用，另外，合金中加入Mn還可以降低熱裂紋傾向，改善合金的抗腐蝕性能和焊接性能。同時，實踐表明，鋁鎂合金通常應(yīng)含有低于1%的Mn。其原因在于Mn提高了合金的再結(jié)晶溫度。Al-Mg二元合金退火時晶粒容易長大，添加少量的Mn具有抑制晶粒粗化的作用，并使合金強度略有提高，尤其對屈服強度更為明顯。Mn還能改善鋁鎂合金的耐蝕性能，特別是可提高耐應(yīng)力腐蝕性能。因此，Mn可以控制在中限。

3.4.3 Cr的作用和影響

Cr對Al-Mg合金性能的影響與Mn相似。固溶于鋁中的Cr對鋁的腐蝕電位幾乎沒有影響，Cr是鋁合金中的一個微量元素，能提高Al-Mg合金的抗腐蝕能力，提高腐蝕性能。

因此，為了保證足夠的細化作用和使合金具有較高的耐腐蝕性能，可以在合金中加入Cr。因為在5083合金中Cr與Mn有相似的作用效果，而且同時加入兩元素時強化效果比單一加入更好。同樣為避免降低合金的壓力加工能力和使力學性能惡化，Cr含量應(yīng)以接近內(nèi)標上限為宜。一般Cr含量控制在0.08%～0.10%之間。

3.4.4 Ti的作用和影響

Ti的主要作用是細化晶粒。在5083合金中添加Ti有利于得到具有細晶組織的鑄錠，并能改善板材的耐腐蝕性能和可焊性，通常鑄造時采用在靜置爐加10～15kg的Al-Ti絲或在線加入Al-Ti絲進行晶粒細化，同時在5083合金中加入Ti還有助于消除合金鑄造過程中的熱裂紋傾向。

4 結(jié) 論

通過以上試驗及分析結(jié)果可以得出結(jié)論：

（1）使用中間合金和添加劑生產(chǎn)的5083合金鑄錠的鑄造性能、化學成分偏析、Mn、Cr元素的實收率、微觀組織及力學性能相差都不大，板材的性能均可以滿足用戶要求。

（2）調(diào)整5083合金化學成分時，Mg含量控制在中上限，Mn含量控制在中限，Cr含量控制在0.08%～0.10%之間，鑄造時加入適量Al-Ti絲就可以保證力學性能的要求。

[1] 肖亞慶，謝永生，劉靜安，等.鋁加工技術(shù)使用手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005

（編輯：楊毅）

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master alloy; additive;5083 alloy; production process

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A

1005-4898（2014）05-0041-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.05.09

殷云霞（1982-），女，黑龍江省克東縣人，工程師。

2014-03-17