退火處理對Zr添加5182鋁合金性能和表面質量的影響

張魯輝，閆麗珍，李志輝，李錫武，張永安

（1.中國鋁業(yè)公司，北京 100082；2.北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國家重點實驗室，北京 100088）

退火處理對Zr添加5182鋁合金性能和表面質量的影響

張魯輝1，閆麗珍2，李志輝2，李錫武2，張永安2

（1.中國鋁業(yè)公司，北京 100082；2.北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國家重點實驗室，北京 100088）

采用拉伸試驗和埃里克森杯突試驗研究了退火處理對Zr添加5182鋁合金性能和表面質量的影響。研究結果表明：Zr添加5182鋁合金較未添加Zr的合金表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。在370～450℃范圍內，5182鋁合金的強度、r和杯突值IE隨溫度的升高而減小，經450℃/2h退火處理后拉伸和杯突試樣表面均出現(xiàn)橘皮組織，而在該溫度區(qū)間時，5182+Zr鋁合金性能隨溫度變化不明顯，經450℃/2h退火處理后拉伸和杯突的試樣表面質量良好。

5182鋁合金；退火處理；性能；表面質量

0 前言

在全球性日益重視節(jié)約能源和保護環(huán)境的大背景下，各國汽車制造企業(yè)均盡可能降低能耗、減少污染和提高效益，加之新能源技術及高效發(fā)動機發(fā)展尚不成熟，汽車車身輕量化無疑是緩解上述兩大問題最有效的措施之一。5000系鋁合金具有中等強度、良好的加工性能和焊接性能，成形性能和抗腐蝕性較普通鋼板優(yōu)良，常用作汽車內襯板和其他形狀復雜的部件，其中5182鋁合金是汽車車身內板的首選材料，已廣泛應用于日本、歐美等的汽車品牌。

5182鋁合金作為不可熱處理強化的合金，主要強化手段為固溶強化和加工硬化，固溶強化時該系合金易出現(xiàn)呂德斯線、延時屈服和橘皮組織缺陷等，這影響了合金的廣泛應用。通常合金的性能受合金成分和制備加工熱工藝的影響，已有研究探索了Zr、RE添加對含Ti5182鋁合金鑄態(tài)組織及性能的影響，也有研究關注中間退火對汽車用5182鋁合金板材組織和性能的影響，還有研究集中在退火工藝對5182鋁合金微觀組織和力學性能的影響上，而少有研究關注添加微量元素Zr對5182鋁合金表面質量的影響。因此，本研究通過添加微量元素Zr的方式來改善合金的表面質量，以提高合金的綜合性能，從而為推動5182鋁合金的廣泛應用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用1.0mm厚的5182（+Zr）鋁合金冷軋板，合金的化學成分如表1所示。板材的生產工藝流程為：熔煉→鑄造→鋸切→銑面→均勻化→熱軋（6.0mm）→中間退火→冷軋（1.0mm）。

表1 5182（+Zr）合金的化學成分（質量分數(shù)／%）

1.2 試驗方法

將5182（+Zr）鋁合金冷軋板分別在250℃、280℃、310℃、350℃、370℃、400℃和450℃下保溫2h。在WD-3100型電子萬能試驗機上進行室溫拉伸，拉伸試樣與板材軋向成0°方向，拉伸速度為3mm/min，數(shù)據取三組測試的平均值。塑性應變比r值按GB/T 5027-2007標準測試，應變強化指數(shù)n值按GB/T 5028-2008標準測試。埃里克森杯突試驗按照GB/T 4156-2007標準進行測試，試驗在德國Zwick公司的BUP600機器上進行，凸模球頭直徑為20mm，試樣尺寸為Φ90mm，采用黃油+46#液壓油+四氟乙烯潤滑，每一組試驗選取8組平行樣，測試后取平均值，試驗速度為25mm/min，控制負荷為0.5kN，壓邊力為10kN。

2 試驗結果與討論

2.1 退火熱處理工藝對合金性能的影響

為了研究退火熱處理工藝對合金力學性能和成形性能的影響，對不同退火工藝熱處理后的試樣進行了力學性能測試和埃里克森杯突試驗，測試結果如表2和表3所示。從表2中可以看出，當退火處理時間相同時，在250～450℃范圍內，5182鋁合金強度隨退火溫度升高而降低；應變強化指數(shù)n和塑性應變比r在250℃時最低，隨后隨溫度的升高基本保持不變；杯突值IE在250℃退火處理時較低，在280～400℃范圍內退火處理時，IE基本保持不變，而當溫度高于450℃時，IE開始出現(xiàn)明顯的降低。從表3中可以看出，5182+Zr鋁合金在250～280℃退火處理時，強度隨溫度升高出現(xiàn)明顯的降低，隨后在310～450℃范圍內退火處理時，5182+Zr鋁合金強度隨溫度的升高變化不明顯；應變強化指數(shù)n、塑性應變比r和杯突值IE在250℃退火處理時最低，隨后隨溫度的升高變化不明顯。保溫時間均為2h時，5182鋁合金在350～370℃溫度范圍內退火時，合金的抗拉強度Rm均不小于277MPa，屈服強度Rp0.2均高于134MPa，延伸率A為28.0%，應變強化指數(shù)n值不低于0.35，塑性應變比r不低于0.60，杯突值IE均為8.30mm；5182+Zr鋁合金在310～400℃范圍內退火處理后，合金的抗拉強度Rm均不小于277MPa，屈服強度Rp0.2均高于136MPa，延伸率A不低于27.0%，應變強化指數(shù)n值不低于0.35，塑性應變比r不低于0.60，杯突值IE不低于8.30mm。因此，綜上分析，含Zr的5182鋁合金退火處理溫度范圍較不添加Zr的5182鋁合金寬，同時其力學性能和成形性能均優(yōu)于不添加Zr的5182鋁合金，同時可以得出5182鋁合金較理想的退火熱處理溫度可選擇350～370℃，5182+Zr鋁合金較理想的退火熱處理溫度可選擇310～400℃，保溫時間均為2h。

表2 5182鋁合金經不同工藝退火處理后的性能

表3 5182+Zr鋁合金經不同工藝退火處理后的性能

2.2 退火熱處理工藝對合金表面質量的影響

為了進一步研究退火處理對5182（+Zr）合金表面質量的影響，對5182（+Zr）合金的拉伸試樣和杯突試樣進行了表面形貌觀察。圖1為退火態(tài)5182鋁合金拉伸表明形貌照片，從圖中可以看出，合金經450℃/2h退火處理后，經拉伸測試，端口垂直于拉伸方向，在拉伸樣品表面出現(xiàn)了橘皮組織缺陷；而經較低溫度退火熱處理的合金在拉伸測試后，斷口與拉伸方向成一定度角，在拉伸樣品表面出現(xiàn)了B類呂德斯線，B類呂德斯線為不可避免的缺陷，與拉伸方向成特定角度，對表面光潔度的影響小。圖2為退火態(tài)5182+Zr鋁合金拉伸表面形貌照片，從圖中可以看出，經不同退火工藝熱處理的5182+Zr鋁合金在拉伸測試后，斷口與拉伸方向成一定角度，在樣品表面出現(xiàn)了B類呂德斯線，但均未出現(xiàn)橘皮組織缺陷。

圖1 退火態(tài)5182鋁合金拉伸表面形貌

圖2退火態(tài)5182+Zr鋁合金拉伸表面形貌

圖3 為5182鋁合金經不同溫度退火處理后杯突試驗的表面形貌照片。從圖中可以看出，與拉伸測試相似，在450℃下經2h退火處理的合金表面出現(xiàn)了橘皮組織缺陷，而經其他退火熱處理的合金均未出現(xiàn)橘皮組織缺陷。圖4為經不同退火熱處理的5182+Zr鋁合金杯突試驗后的表面形貌照片，可以看出均未出現(xiàn)橘皮組織缺陷。由此可以推斷，5182鋁合金在較高溫度下退火，有出現(xiàn)橘皮組織缺陷的風險，合金經450℃/2h退火熱處理后，經拉伸或杯突測試，合金表面會出現(xiàn)橘皮組織缺陷，而向該合金中添加微量Zr元素，合金經450℃/2h退火處理后，并未觀察到表面缺陷。因此，在5182鋁合金中添加Zr元素可以改善合金拉伸或杯突的表面質量。

圖4 5182+Zr鋁合金退火熱處理后杯突變形表面形貌

3 結論

（1）5182鋁合金的強度隨退火溫度的升高而降低，n、r和杯突值IE在250℃退火時最低，隨后n和r隨溫度升高基本不變，而杯突值IE在280～400℃范圍內基本不變，到450℃時出現(xiàn)明顯的降低。5182+Zr鋁合金在250～280℃退火處理時，強度隨溫度升高出現(xiàn)明顯的降低，隨后隨溫度升高變化不明顯，n、r和杯突值IE在250℃退火處理時最低，隨后隨溫度的升高變化不明顯。

（2）5182鋁合金適宜的退火工藝為350～370℃/2h；而5182+Zr鋁合金適宜的退火工藝為310～400℃/2h。

（3）在5182鋁合金中添加Zr元素，可以明顯改善合金拉伸或杯突測試后試樣的表面質量。

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Effect of Annealing on Property and Surface Quality of 5182 Aluminum Alloy with Zr Addition

ZHANG Lu-hui1，YAN Li-zhen2，LI Zhi-hui2，LI Xi-wu2，ZHANG Yong-an2
(1.Aluminum Corporation of China，Beijing100082；2.State Key Laboratory of Non-ferrous Metals Preparation and Process，General Research Institute for Non-ferrous Metals，Beijing 100088，China)

Effect of annealing on properties and surface quality of 5182 aluminum alloy with Zr addition was investigated by tensile test and Erichsen cupping test.The results indicated that the alloy with Zr addition exhibited obvious advantages compared with the alloys without Zr.With temperature changing from 370℃to 450℃，the strength，coefficient of normal anisotropy and cupping test value of 5182 aluminum alloy decreased with temperature increasing.The alloy displayed tangerine hull constitution after an?nealed at 450℃for 2 h.However，during this temperature range，the properties of 5182 aluminum alloy with Zr addition were not changed obviously as temperature increasing.Tensile test and Erichsen test showed that surface quality of the alloy was normal after annealed at 450℃for 2 h.

5182 aluminum alloy；annealing；properties；surface quality

TG146.21，TG166.3

A

1005-4898(2017)02-0043-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.02.09

一種冷加工無縫鋁合金輪轂的制備方法

中國專利CN201510667351.2

國家重點研發(fā)計劃（2016YFB0300802）和國家重點基礎研究發(fā)展計劃課題（2012CB619504）。

張魯輝（1986-），男，山東濰坊人，工程師。

2017－01－10

本發(fā)明公開了一種冷加工無縫鋁合金輪轂的制備方法，采用與輪輞直徑相同、軸向長度為輪輞軸向長度60%～80%、體積大于輪輞體積的鋁合金擠壓管，經旋壓使其軸向長度延展、體積縮小得到輪輞；采用鋁合金板沖壓制備輪輻；采用攪拌摩擦焊將輪輞與輪輻焊接成為一體。本發(fā)明采用等徑、較短且體積略大的鋁合金擠壓管來制作輪輞，一方面擠壓管質地均勻，內應力很小，制作出的輪輞不存在木桶效應，從而優(yōu)化輪輞的重量和原料成本；另一方面擠壓制品的強度接近鍛造，成本低，擠壓管經旋壓使其軸向長度延展的同時，體積也會縮小，即變得更加致密，進一步提高強度，有利于進一步降低輪輞的重量及原料成本。