冷軋變形量及完全退火對汽車用5182板材組織和性能的影響

孟凡林,曹零勇，2，王 宇，2，孫學(xué)明，郭富安，2

(1.山東南山鋁業(yè)股份有限公司國家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心，山東龍口265713；2.北京南山航空材料研究院，北京市100048)

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冷軋變形量及完全退火對汽車用5182板材組織和性能的影響

孟凡林1,曹零勇1，2，王 宇1，2，孫學(xué)明1，郭富安1，2

(1.山東南山鋁業(yè)股份有限公司國家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心，山東龍口265713；2.北京南山航空材料研究院，北京市100048)

采用光學(xué)金相顯微鏡、萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等測試分析手段，研究了冷軋變形量及完全退火對汽車用5182板材完全退火態(tài)(O態(tài))組織和性能的影響。結(jié)果表明，退火時(shí)間2 h、退火溫度300℃時(shí)板材再結(jié)晶不完全，360℃時(shí)發(fā)生晶粒二次長大，當(dāng)退火溫度330℃時(shí)，板材再結(jié)晶完全，晶粒呈多邊形等軸狀，大小均一，板材斷后伸長率高，性能各向均勻，成形性能高；冷軋變形量為10%和25%時(shí)，O態(tài)板材晶粒粗大，拉伸后易形成橘皮缺陷，為65%時(shí)，晶粒細(xì)小，易形成明顯呂德斯帶應(yīng)變?nèi)毕?，?dāng)變形量為45%時(shí)，O態(tài)板材晶粒大小為27 μm，拉伸后無明顯呂德斯帶應(yīng)變?nèi)毕?。冷軋變形?5%，330℃/2h完全退火后板材具有高的成形性能和表面應(yīng)變質(zhì)量的綜合性能。

冷軋變形量；完全退火；顯微組織；成形性能；呂德斯帶

隨著汽車輕量化進(jìn)程的加快，鋁合金在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。其中，5182合金因其具有中等強(qiáng)度、比強(qiáng)度高、良好的加工性能和焊接性能，優(yōu)異的成形性和抗腐燭性等優(yōu)點(diǎn)，常用作汽車內(nèi)襯板和其他形狀復(fù)雜的部件，在日本、歐洲和北美的汽車品牌得到廣泛應(yīng)用，以達(dá)到減輕汽車自重，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減排的目的[1-3]。

作為5182汽車內(nèi)板，主要通過冷沖壓成形的方式?jīng)_壓各種形狀復(fù)雜的零部件，不但對力學(xué)性能要求較高，而且對斷后伸長率及其均勻性，n和r值等成形性能提出嚴(yán)苛的要求，同時(shí)，對成形后表面質(zhì)量要求無明顯的A型和B型呂德斯帶[4]。

雖然，國內(nèi)外不少學(xué)者對微合金化[5]、均勻化[6]、軋制[7]、中間退火[8]、完全退火[9-10]工藝對5182合金組織和性能的影響開展了大量研究，但主要是從罐蓋料的產(chǎn)品要求或汽車板的機(jī)械性能要求出發(fā)，而作為高性能汽車板，其組織控制和產(chǎn)品要求完全不同。因此，本文以汽車板高成形性和高表面應(yīng)變質(zhì)量要求為重點(diǎn)，研究了冷軋變形量及完全退火工藝對汽車用5182板材完全退火態(tài)的組織和性能的影響，為開發(fā)高性能5182-O態(tài)汽車板提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為山東南山鋁業(yè)股份有限公司生產(chǎn)提供的5182合金、3.0 mm厚熱軋板，其化學(xué)成分(均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù))為Si≤0.12，F(xiàn)e≤0.30，Cu≤0.1，Mn：0.22，Mg：4.65，Cr≤0.05，Zn≤0.05，Ti≤0.04。5182鋁合金板材樣品制備工藝流程如圖1所示。

圖1 5182鋁合金板材樣品制備工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of 5182 aluminum sheet

5182板材組織和性能分析使用的樣品均取自上述板材制備的中間過程和完全退火態(tài)成品板材。金相顯微組織觀察樣品取自于平行軋制方向的縱截面，經(jīng)砂紙打磨、拋光后在4.5 vol.%的HBF4溶液中陽極氧化1 min，在ZEISS Imager·M2m型光學(xué)顯微鏡下觀察晶粒組織，并按照GB/T 6394-2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行平均晶粒大小分析；拉伸樣品采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010中P5規(guī)格，拉伸位移速率5 mm/min，在WDW-100B型萬能試驗(yàn)機(jī)上完成拉伸試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 完全退火工藝對5182-O態(tài)板材組織和性能的影響

完全退火工藝決定了5182-O態(tài)成品板材的最終組織和性能，因此有必要針對完全退火工藝進(jìn)行優(yōu)化，以確定合適的完全退火溫度和時(shí)間。完全退火是冷軋板材完成再結(jié)晶轉(zhuǎn)變的過程，當(dāng)冷軋變形量大于再結(jié)晶發(fā)生的臨界變形量時(shí)，其再結(jié)晶過程主要受再結(jié)晶溫度和時(shí)間的影響[9]。因此，將熱軋卷取自退火的5.5 mm厚板，經(jīng)85%冷軋變形至成品厚度0.8 mm，分別進(jìn)行了300、315、330、345和360℃退火溫度，退火時(shí)間為2 h的完全退火處理。采用拉伸試驗(yàn)機(jī)對完全退火后的板材進(jìn)行了力學(xué)性能檢測，其結(jié)果如圖2所示。

(a)屈服強(qiáng)度；(b)抗拉強(qiáng)度；(c)斷后伸長率圖2 不同完全退火工藝條件下板材的力學(xué)性能Fig.2 Mechanical properties of the sheet with different full annealing processes

由圖2a和b可知，當(dāng)退火時(shí)間為2 h，退火溫度為300～360℃時(shí)，5182退火板材0°、45°和90°方向的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為130～145MPa和270～295MPa，且其強(qiáng)度均隨著退火溫度的升高而逐漸下降，在300～315℃和345～360°退火溫度范圍內(nèi)強(qiáng)度降低較快，而在315～345℃退火溫度范圍內(nèi)下降緩慢。然而，不同退火工藝后，板材0°、45°和90°方向的斷后伸長率缺隨著退火溫度的升高呈現(xiàn)了先增后降的趨勢。當(dāng)退火制度為330℃/2h時(shí)，板材三個(gè)拉伸方向的斷后伸長率分別為最高值，達(dá)到了25.2%、30.3%和29.9%。斷后伸長率是評價(jià)5182-O汽車板成形性能的最重要指標(biāo)，因此，通過以上不同退火處理后板材的性能綜合分析得出優(yōu)化的完全退火工藝為330℃/2h。

為了進(jìn)一步分析不同退火工藝對板材性能影響的原因，分別選取了300℃/2h、330℃/2h和360℃/2h三個(gè)典型的退火工藝進(jìn)行了金相顯微組織觀察，其結(jié)果如圖3所示。由圖3a可知，當(dāng)退火工藝為300℃/2h時(shí)，板材的晶粒組織部分仍呈延軋向的拉長狀，板材再結(jié)晶發(fā)生不完全，仍存在部分變形的回復(fù)組織，這也是造成板材300℃/2h退火后其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高，而斷后伸長率較低的主要原因。

當(dāng)退火溫度提高至330℃，經(jīng)2h退火后板材已經(jīng)完成完全再結(jié)晶，晶粒均為多邊形的等軸形態(tài)，大小相對均勻，如圖3b所示。因此，相對于300℃/2h未完全再結(jié)晶的板材，經(jīng)330℃/2h退火板材已經(jīng)發(fā)生完全再結(jié)晶，從而導(dǎo)致其板材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的降低，特別是斷后伸長率顯著提高。然而，隨著退火溫度進(jìn)一步提高到360℃，板材經(jīng)2h的完全退火后，其晶粒組織發(fā)生了明顯的長大，晶粒大小不均，特別是部分晶粒發(fā)生了二次再結(jié)晶，尺寸達(dá)到了50 μm(圖3c)，這是導(dǎo)致完全退火態(tài)板材強(qiáng)度和斷后伸長率明顯降低的主要原因。

2.2 不同冷軋變形量對5182-O態(tài)板材組織和性能的影響

作為高性能的鋁合金汽車板，不但要求高的成形性能，還需要保證優(yōu)異的沖壓表面質(zhì)量。高的成形性能主要體現(xiàn)在高的斷后伸長率、高的n和r值以及各向性能的均勻性，這主要與板材的合金種類以及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)組成有關(guān)[11]。同時(shí)，5182合金因其含有較高的Mg，在沖壓變形過程中Mg原子容易與位錯(cuò)發(fā)生相互作用，引起板材在變形過程中發(fā)生呂德斯線和延遲屈服，導(dǎo)致板材變形后表面存在明顯可見的A型和B型呂德斯帶缺陷，使得板材最終烤漆涂層后形成難以掩蓋的不雅外觀[11-12]。

(a)300℃/2h；(b)330℃/2h；(c)360℃/2h圖3 不同完全退火工藝條件下板材的金相組織Fig.3 Micrographs showing microstructure of the sheet with different full annealing processes

呂德斯線缺陷主要與晶粒大小有關(guān)，隨著晶粒尺寸的增加而更加明顯，甚至形成嚴(yán)重的橘皮表面缺陷，而屈服延遲除了受Mg含量影響外，隨著晶粒尺寸的增加而減弱，為了達(dá)到A型和B型呂德斯帶缺陷的平衡，需要將板材的晶粒尺寸調(diào)控至合適的尺寸范圍[11-13]。因此，非常有必要通過冷軋變形量的調(diào)控，結(jié)合優(yōu)化的完全退火工藝，研究不同冷軋變形量對板材組織和性能的影響。本研究采用卷取自退火的5.5mm厚熱軋板材，經(jīng)一次冷軋變形至0.9、1.1、1.5和2.5mm，經(jīng)320℃/2h中間退火后，經(jīng)二次冷軋變形至成品厚度0.8mm，控制二次冷軋變形量分別約為10%、25%、45%和65%，優(yōu)化的330℃/2h完全退火處理后對板材性能進(jìn)行了分析，其結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著冷軋變形量由10%增加至65%，板材0°、45°和90°方向的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均逐漸升高，二者均增加了約20 MPa。然而，0°、45°和90°方向的斷后伸長率隨著冷軋變形量的增加，均出現(xiàn)了先增后減的趨勢，而斷后伸長率的差值卻呈現(xiàn)先降后升的趨勢。當(dāng)冷軋變形量為45%時(shí)，板材三個(gè)方向的斷后伸長率最高，各向斷后伸長率均≥26.8%，其均值為27.5%；且其斷后伸長率的各向差值最小，其值≤1.5%，板材性能的均勻性最好。同時(shí)，板材在三個(gè)方向的斷后伸長率的最低值均出現(xiàn)在0°方向，因此，0°方向的斷后伸長率的高低決定了板材的成形性能的高低。從以上分析可知當(dāng)冷軋變形量在10%～60%范圍內(nèi)，45%冷軋變形完全退火后的板材具有最優(yōu)的成形性能。

圖4為經(jīng)10%～60%不同冷軋變形量，330℃/2h完全退火態(tài)板材拉伸后的表面形貌。當(dāng)冷軋變形量為10%和25%時(shí)，完全退火板材拉伸后表面形成了典型的橘皮組織。當(dāng)冷軋變形量增加至45%，板材拉伸后僅存在少量A型呂德斯帶，表面應(yīng)變質(zhì)量優(yōu)良。但冷軋變形量增加至65%，板材拉伸后出現(xiàn)了明顯的一系列臺(tái)階狀的呂德斯帶缺陷，嚴(yán)重影響板材表面質(zhì)量。從以上板材拉伸后表面質(zhì)量的分析可知，當(dāng)冷軋變形量在10%～65%范圍內(nèi)，45%冷軋變形量的板材經(jīng)330℃/2h完全退火后其表面最優(yōu)。

圖4 不同冷軋變形量完全退火板材拉伸后的表面形貌Fig.4 Morphologies of fully annealed sheet with different cold rolling reduction after tensile testing

綜合以上分析，當(dāng)冷軋變形量為45%，經(jīng)優(yōu)化的330℃/2h完全退火后的板材具有高的成形性能和表面應(yīng)變質(zhì)量的綜合匹配。

圖5為10%～65%不同冷軋變形量完全退火后板材的金相組織。當(dāng)冷軋變形量為10%和25%時(shí)，板材的晶粒大小分別為120 μm和52 μm，晶粒發(fā)生二次再結(jié)晶異常長大(圖5a和b)。晶粒組織過于粗大，當(dāng)晶粒尺寸大于45 μm時(shí)，板材拉伸變形后會(huì)發(fā)生明顯的呂德斯帶效應(yīng)使板材表面發(fā)生粗化起皺，從而導(dǎo)致視覺上不可接受的粗糙外觀[14-15]；特別是當(dāng)晶粒尺寸在100 μm以上，板材變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的橘皮組織，使板材表面容易起皺而報(bào)廢[11,14-15]。無論是起皺還是產(chǎn)生橘皮組織均會(huì)促使早期縮頸變形的產(chǎn)生，進(jìn)而降低板材的成形性，這也就很好的解釋了冷軋變形量在10%和25%時(shí)，板材斷后伸長率較低的原因。當(dāng)冷軋變形量為45%，板材晶粒大小為27 μm(圖5c)，這與文獻(xiàn)報(bào)道[11,13]的晶粒大小為25 μm時(shí)，不會(huì)形成明顯的呂德斯帶，板材表面質(zhì)量良好一致。但是當(dāng)冷軋變形量進(jìn)一步增加到65%時(shí)，板材晶粒大小為16 μm，由于冷軋變形量增加，退火后遺傳的冷軋變形織構(gòu)較多[16]，造成晶粒組織存在各向異性和不均(圖5d)，從而導(dǎo)致板材性能不均勻，這是造成其各個(gè)方向的斷后伸長率差異較大的主要原因。

(a)10%；(b)25%；(c)45%；(d)65%圖5 不同冷軋變形量完全退火后板材的金相組織 Fig.5 Micrographs showing microstructure of the sheet with different cold rolling reduction after full annealing

3 結(jié)論

(1)5182冷軋板材經(jīng)不同退火溫度300、315、330、345和360℃，退火時(shí)間2 h的完全退火后，從退火態(tài)板材的組織和性能綜合分析得出優(yōu)化的完全退火工藝為330℃/2h；

(2)通過對5182冷軋板冷軋變形量控制為10%～65%、經(jīng)優(yōu)化的330℃/2h完全退火處理后板材的力學(xué)性能和組織分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷軋變形量為45%時(shí)，板材晶粒大小為27 μm，0°、45°和90°方向的斷后伸長率最高，均≥26.8%，均值為27.5%，且其差值最小(≤1.5%)，板材性能均勻性及成形性能高；

(3)冷軋變形量為10%和25%時(shí)，330℃/2h完全退火板材拉伸表面形成明顯的起皺和橘皮組織；當(dāng)冷軋變形量為65%時(shí)，330℃/2h退火后板材形成了呂德斯帶臺(tái)階；而當(dāng)冷軋變形量控制在45%時(shí)，完全退火后板材無明顯呂德斯帶應(yīng)變?nèi)毕荩哂懈叩谋砻鎽?yīng)變質(zhì)量。

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《有色金屬加工》征稿簡則

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《有色金屬加工》編輯部

Effects of Cold Rolling Reduction and Full Annealing on Microstructures and Properties of 5182 Aluminum Alloy for ABS

MENG Fanlin1, CAO Lingyong1, 2, WANG Yu1, 2, SUN Xueming1, GUO Fuan1,2

(1. National Engineering Research Center for Plastic Working of Aluminum Alloys, Shandong Nanshan Aluminum Co., Ltd.,Longkou 265713, China; 2. Beijing Nanshan Institute of Aeronautical Materials, Beijng 100048, China)

The paper studied effects of cold rolling reduction and full annealing on microstructure and properties of 5182 alloy using OM and universal mechanical testing machine. The results showed that incomplete recrystallization and grain growth were observed after 2 hours annealing at 300℃ and 360℃ respectively; recrystallization with uniform and equiaxed grains was observed at 330℃, resulting in high elongation, uniform properties and good formability. Grain structure of fully annealed sheet was coarse with cold reduction of 10% and 25%, leading to orange peel defects after tensile testing; fine grains were obtained with reduction of 65%, leading to Lüders defects after tensile testing; grain structure was 27μm with reduction of 45%, no obvious Lüders defects after tensile testing. The sheet has good comprehensive properties such as high formability and surface quality with reduction of 45% and full annealing for 2 hours at 330℃.

cold rolling reduction; full annealing; microstructure; formability; Lüders band

2015-07-16

科技部國家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心籌建項(xiàng)目(2012FU125Q14)

孟凡林 (1965-), 男, 工程師。

TG146.21

A

1671-6795(2015)05-0028-05