5083 H321鋁合金板材制備組織性能研究

趙明偉

(寶武鋁業(yè)科技有限公司，河南 三門峽 472000)

隨著能源危機和環(huán)境污染形勢日益嚴峻，“以鋁代鋼”、“以鋁代木”成為解決環(huán)境污染、減少排放的有效途徑之一。鋁合金具有比強度高、加工性能好、耐腐蝕性優(yōu)良以及減震性優(yōu)良等優(yōu)點成為了輕量化材料之一[1-3]。5083 H321鋁合金板材具有優(yōu)異的可焊接性、耐腐蝕性及中等強度機械性能等特征，在船舶制造、液體運輸容器制備等領(lǐng)域具有廣泛用途。

目前5083 H321板材的生產(chǎn)工藝和組織性能已有很多學者進行了研究，韓帥[4]、林化強[5]等采用熔煉-鑄造-鋸切-銑面-均勻化-熱軋-冷軋的工藝路線對5083板材制備及退火組織性能進行了研究。但對基于“1+4”熱連軋生產(chǎn)線、2800mm冷軋生產(chǎn)線制備5083 H321鋁合金板材的對比分析研究較少。目前國內(nèi)鋁加工企業(yè)基于降本增效考慮，不斷挖掘熱連軋生產(chǎn)線設(shè)備能力，因而本文基于“1+4”熱連軋生產(chǎn)線、2800mm冷軋生產(chǎn)線，對5083 H321鋁合金板制備工藝進行對比分析研究具有積極意義，以期為高品質(zhì)5083 H321合金鋁材制備提供有益參考。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗原料

試驗采用半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的5083鋁合金鑄錠，其合金成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為，Si 0.1～0.2，F(xiàn)e 0.2～0.3，Cu 0.1～0.2，Mn 0.4～0.7，Cr 0.05～0.10，Zn 0～0.05，Ti 0.01～0.02，Al 余量。對鑄錠進行鋸切頭、尾后規(guī)格為535 mm×1860 mm×6500 mm。

1.2 實驗方法

5083 H321鋁合金板材制備工藝為，工藝路線一：熔鑄-鋸銑-均熱-熱軋-冷軋-退火-冷軋-退火；工藝路線二：熔鑄-鋸銑-均熱-熱軋。工藝路線一中熱軋采用“1+4”熱連軋線制成6.7mm厚熱軋卷后，冷軋采用2800mm冷軋機分別連續(xù)冷軋至中間退火厚度，經(jīng)中間退火后(預(yù)留成品軋制15%～25%加工率)再冷軋至成品，最終成品厚度為4.0mm。工藝路線一中間退火工藝為，金屬溫度350℃保溫2h；工藝路線一成品取樣，利用實驗室馬弗爐進行小爐退火后確定成品退火溫度，溫度為125℃，保溫3h。工藝路線二中采用“1+4”熱連軋粗軋機連續(xù)軋制至中間厚度25mm～40mm，利用4機架熱精軋機連續(xù)軋至成品厚度4.0mm，其中25mm～40mm中間厚度坯溫度為340℃～380℃，4機架加工率為30%～40%，卷取終軋溫度235℃～250℃。工藝路線二具備典型的短流程制備特征，利用在線軋制工藝控制冶金組織演變及性能，較工藝路線一省略了冷軋、中間退火、成品退火等工序，具有明顯的成本優(yōu)勢。

1.3 分析測試

采用工藝路線一、工藝路線二所制備4.0mm厚產(chǎn)品，沿軋制方向呈0°和90°方向分別取樣，利用高倍金相顯微鏡、SEM、萬能試驗拉伸機、耐腐蝕性試驗(試驗標準為ASTM G66、ASTM G67)對所制備的4.0mm厚板材產(chǎn)品進行力學性能、耐腐蝕性能、微觀組織檢測分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學性能

由表1可知，工藝路線一、工藝路線二所制備5083 H321鋁合金板材力學性能均符合標準，其中工藝路線二板材抗拉強度、屈服強度、延伸率較工藝路線一分別高23MPa、29MPa、3%，具有明顯的優(yōu)勢，即工藝路線二所制備產(chǎn)品力學性能優(yōu)于工藝路線一產(chǎn)品。這是由于工藝路線二熱連軋軋制過程具有動態(tài)回復、動態(tài)再結(jié)晶和加工硬化三重作用，鑄錠經(jīng)熱連軋機連續(xù)熱加工變形過程，材料動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶軟化作用弱于材料變形加工硬化，使加工硬化處于主導地位。工藝路線二通過控制機架間加功率、溫度分布和卷曲終軋溫度，釋放材料的殘余應(yīng)力、減少畸變能，明顯提高材料性能的均勻性、穩(wěn)定性。工藝路線一需要經(jīng)過冷軋、中間退火、二次冷軋、成品退火等長流程制備工序，成品退火過程僅存在回復軟化作用，且受制于成品卷材溫度分布不均勻、畸變能陡變釋放等因素，導致成品強度和延伸率較工藝路線二低。

表1 力學性能

2.2 耐腐蝕性能

表2和圖1所示為工藝路線一、工藝路線二產(chǎn)品耐腐蝕性能對比，由此可知，工藝路線二產(chǎn)品耐腐蝕性能明顯優(yōu)于工藝路線一。這是由于，工藝路線一冷加工后由于α(Al)固溶體中鎂過飽和，性能不穩(wěn)定，而且β(Mg2Al3)相易在晶界和滑移帶上呈網(wǎng)狀析出，使材料的抗蝕性能下降。而成品穩(wěn)定化退火過程受冷加工畸變能能量較大因素影響，促使β相在晶內(nèi)及晶界連續(xù)沉淀析出，晶內(nèi)基體和晶界上的電位差相對較大[6]，因此工藝路線一的鋁合金板材耐腐蝕性較差。工藝路線二經(jīng)過熱連軋連續(xù)熱加工變形，熱連軋機架間金屬壓下率梯度分布和終軋溫度以及利用熱連軋生產(chǎn)線在線溫度控制及軋制后鋁材余熱控制材料性能等，有效控制材料β相析出粗大，實現(xiàn)第二相細小彌散分布，同步實現(xiàn)畸變能有效釋放，可有效提升材料耐腐蝕性能穩(wěn)定性及均勻性[7-8]。

表2 耐腐蝕性能

(a)工藝路線一；(b)工藝路線二

2.3 組織分析

圖2和圖3為工藝路線一和工藝路線二產(chǎn)品的顯微組織照片。

(2a)工藝路線一；(2b)工藝路線二

由圖(2a)、圖(3a)和圖(3b)可知，工藝路線一產(chǎn)品晶粒呈現(xiàn)晶粒部分拉長特征，但仍存在明顯的再結(jié)晶晶粒形貌，這是由于中間退火后冷軋加功率較小，未實現(xiàn)晶粒充分拉長，且成品退火過程在晶界處析出β相(Al3Mg2)，部分β相尺寸粗大、沉淀連續(xù)析出，導致板材對晶間腐蝕和剝落腐蝕非常敏感[9]。由圖(2b)、圖(3c)和圖(3d)可知，工藝路線二產(chǎn)品晶粒呈現(xiàn)典型的纖維組織特征，且晶界處析出的β相數(shù)量明顯少于傳統(tǒng)技術(shù)，并呈現(xiàn)細小彌散分布。這是由于工藝路線二為實現(xiàn)卷取終軋溫度，獲得目標工藝性能，25mm～40mm中間厚度坯溫度較低，4機架連軋機連續(xù)軋制過程溫度梯度降低，材料組織加工硬化能力強于再結(jié)晶能力，晶粒和第二相化合物β相不斷破碎、延長，組織呈現(xiàn)典型的纖維組織特征，該組織特征產(chǎn)品具有較強的抗晶間腐蝕能力，力學性能穩(wěn)定及強韌性好，板材具有優(yōu)異的機械性能和耐腐蝕性能。對比分析得出，工藝路線一、工藝路線二因工藝路徑的差異性，導致材料微觀組織存在顯著差異，從而形成產(chǎn)品力學性能、耐蝕性能的差異。

(3a)(3b)工藝路線一；(3c)(3d)工藝路線二

3 結(jié)論

(1)兩種工藝所制備產(chǎn)品力學性能、耐腐蝕性能均滿足相關(guān)標準，但工藝路線二短流程工藝制備的產(chǎn)品具有顯著的力學性能、耐腐蝕性能優(yōu)勢；

(2)采用“熔鑄-鋸銑-均熱-熱軋”工藝制備的產(chǎn)品具有典型的材料微觀組織優(yōu)勢，從而形成產(chǎn)品力學性能、耐腐蝕性能的優(yōu)勢；

(3)采用“1+4”熱連軋生產(chǎn)線短流程工藝制備的5083 H321鋁合金板材性能，其抗拉強度358MPa、屈服強度257MPa、延伸率17%、剝落腐蝕等級PA、晶間質(zhì)量損失3.22mg/cm2。