生產(chǎn)ER5356鋁合金焊絲用連鑄連軋桿原料的熱塑性

黎仕兵，朱艷麗，徐曉龍，姚 軍

(1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，自貢 643010；2.四川輕化工大學(xué)工程實(shí)踐中心，自貢 643000)

0 引 言

ER5356鋁合金焊絲是一種含鎂(質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.5%～5.5%)以及鉻、錳、鈦等微量合金元素的通用型焊材。目前，國(guó)內(nèi)在高速列車(chē)、承壓設(shè)備、航空航天等高端裝備領(lǐng)域所用的ER5356焊絲仍主要依賴(lài)進(jìn)口[1]，其重要原因之一是國(guó)內(nèi)企業(yè)還未掌握生產(chǎn)ER5356鋁合金焊絲用連鑄連軋桿原料的核心制造工藝，包括熱軋工藝。連鑄連軋法制備鋁合金焊絲線桿的工藝流程一般為配料→熔化→精煉→連續(xù)鑄造→13道次熱連軋→φ9.5 mm線桿。5系高鎂鋁合金在熱軋時(shí)，常存在變形溫度區(qū)間窄、道次變形量小、形變不均勻以及因局部應(yīng)力集中而導(dǎo)致的熱軋開(kāi)裂等技術(shù)難題[2-3]，因此有必要對(duì)5系高鎂鋁合金的熱塑性進(jìn)行研究。學(xué)者們[4-6]研究了5083、5052等鋁鎂系合金板熱軋過(guò)程的塑性變形及組織特征；喬波等[7]采用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)鑄態(tài)5356鋁合金進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，建立了該合金的本構(gòu)方程，并繪制了熱加工圖，但未從微觀組織方面開(kāi)展研究。目前，有關(guān)ER5356鋁合金焊絲用連鑄連軋桿的熱塑性研究報(bào)道較少。作者以國(guó)外某公司生產(chǎn)的ER5356鋁合金連鑄連軋桿為研究對(duì)象，采用高溫拉伸試驗(yàn)研究不同試驗(yàn)溫度下連鑄連軋桿的拉伸性能和斷口形貌，分析熱塑性變化規(guī)律，以期為ER5356鋁合金焊絲用連鑄連軋桿的國(guó)產(chǎn)化研究提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用ER5356鋁合金連鑄連軋桿為國(guó)外某公司生產(chǎn)，其直徑為9.5 mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1。在連鑄連軋桿上截取金相試樣，經(jīng)預(yù)磨、拋光，用Keller試劑(2.5 mL HNO3+1.5 mL HCL+1 mL HF+95 mL H2O)腐蝕后，采用JSM-6490LV型掃描電鏡(SEM)觀察截面顯微組織，采用Image-pro plus軟件對(duì)組織中的物相尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。按照GB/T 228-2016，在連鑄連軋桿上沿軸向截取尺寸為φ5 mm×68 mm的室溫拉伸試樣，采用SHT4305型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，加載速率為10 MPa·s-1。通過(guò)高溫拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)熱塑性，按照GB/T 4338-2006，在連鑄連軋桿上沿軸向截取尺寸如圖1所示的高溫拉伸試樣，在RGM-4100型高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行不同溫度下的拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為250，300，350，375，400，425，450，475，500，525，550 ℃，其中350～550 ℃范圍內(nèi)，每個(gè)溫度下取2～3個(gè)平行試樣。采用JSM-6490LV型掃描電鏡觀察高溫拉伸斷口形貌。

表1 ER5356鋁合金連鑄連軋桿的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 ER5356鋁合金連鑄連軋桿的高溫拉伸試樣尺寸Fig.1 Dimension of high temperature tensile specimen for ER5356 aluminum alloy continuous casting and rolling rod

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 室溫組織與拉伸性能

由圖2可以看出，ER5356鋁合金連鑄連軋桿的室溫組織為α-Al相+β-Mg5Al8相，尺寸均勻的細(xì)小顆粒狀β相彌散分布在α-Al基體中。統(tǒng)計(jì)得到β相的尺寸小于2 μm。測(cè)得ER5356鋁合金連鑄連軋桿的室溫抗拉強(qiáng)度為328 MPa，屈服強(qiáng)度為200 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為20%。

圖2 ER5356鋁合金連鑄連軋桿的顯微組織Fig.2 Microstructure of ER5356 aluminum alloy continuous casting and rolling rod

2.2 高溫拉伸性能

由圖3可以看出：ER5356鋁合金連鑄連軋桿的高溫抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均隨溫度的升高而降低；當(dāng)溫度低于375 ℃時(shí)，高溫強(qiáng)度隨溫度升高而降低的速率較大，當(dāng)溫度高于375 ℃時(shí)，其降低的速率較??；475550 ℃下的高溫抗拉強(qiáng)度僅為2.16.7 MPa。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)擬合處理可以發(fā)現(xiàn)，高溫強(qiáng)度隨溫度的升高呈單指數(shù)降低趨勢(shì)。斷后伸長(zhǎng)率隨溫度的升高而增大，斷面收縮率變化不大。當(dāng)溫度高于400 ℃時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率均大于100%。可知，該ER5356鋁合金連鑄連軋桿具有較好的高溫塑性，這主要是由高溫條件下基體中彌散分布的小尺寸β相有利于提高材料抵抗變形的能力導(dǎo)致的。

圖3 不同溫度下ER5356鋁合金連鑄連軋桿的高溫拉伸性能Fig.3 High temperature tensile properties of ER5356 aluminum alloy continuous casting and rolling rod at different temperatures:(a) tensile strength and yield strength and (b) percentage elongation after fracture and percentage reduction of area

2.3 高溫拉伸斷口形貌

結(jié)合高溫抗拉強(qiáng)度變化特征，選擇250，400，475，525，550 ℃下的高溫拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察，并與室溫拉伸斷口形貌進(jìn)行對(duì)比。由圖4可以看出：250 ℃拉伸斷口與室溫拉伸斷口均為韌窩形貌，但250 ℃拉伸斷口的韌窩更深，宏觀上表現(xiàn)出更好的塑性；400 ℃拉伸斷口由韌窩和少量沿晶斷裂形貌組成，說(shuō)明合金開(kāi)始出現(xiàn)脆性斷裂特征，這是由溫度升高造成晶界弱化所致；當(dāng)溫度繼續(xù)升高至475～525 ℃時(shí)，韌窩特征弱化，沿晶斷裂區(qū)域面積顯著增加，且廣泛分布于韌窩底部和內(nèi)壁；當(dāng)溫度為550 ℃時(shí)，斷口全部為呈冰糖花樣的沿晶斷裂形貌。隨著溫度升高，斷口形貌的變化規(guī)律為韌窩→韌窩+沿晶斷裂混合形貌→脆性沿晶斷裂形貌。當(dāng)溫度較低時(shí)，斷口韌窩底部仍存在部分第二相(β相)顆粒，推測(cè)韌窩是由第二相顆粒處形成的空洞在滑移的作用下逐漸長(zhǎng)大并與其他空洞相連形成的[8]。當(dāng)溫度升高至400～525 ℃時(shí)，晶界上的第二相顆粒粗化使晶界結(jié)合力顯著降低，在拉伸應(yīng)力作用下，晶界發(fā)生滑移而在三叉晶界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中程度超過(guò)晶界的結(jié)合強(qiáng)度后，裂紋在三叉晶界處萌生，隨著晶界滑移的繼續(xù)進(jìn)行，晶界裂紋擴(kuò)展并連接在一起，從而形成沿晶斷裂形貌[8]；部分未長(zhǎng)大的第二相顆粒處仍有空洞形成，因此還存在韌窩。溫度越高，未長(zhǎng)大的第二相顆粒越少，形成的韌窩相應(yīng)地也越少。當(dāng)溫度達(dá)到550 ℃時(shí)，第二相顆粒已完全粗化，晶界完全弱化而成為裂紋擴(kuò)展的優(yōu)先通道，斷口表現(xiàn)為沿晶斷裂特征。

圖4 ER5356鋁合金連鑄連軋桿室溫拉伸斷口與不同溫度下的高溫拉伸斷口形貌Fig.4 Morphology of room temperature tensile fracture (a) and high temperature tensile fracture at different temperatures (b-f) of ER5356 aluminum alloy continuous casting and rolling rod

2.4 分析與討論

鑄坯加熱溫度、進(jìn)軋終軋溫度、各道次軋制溫度(包括乳液冷卻速率)及壓下量等熱連軋工藝參數(shù)為ER5356鋁合金連鑄連軋桿制造的核心技術(shù)。鑄坯溫度過(guò)高，鑄坯在軋制過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)熱脆、過(guò)燒或粘輥等問(wèn)題，使得連鑄連軋桿的熱塑性下降；鑄坯溫度過(guò)低則可能引起鑄坯在軋制過(guò)程中的不均勻變形，導(dǎo)致變形抗力增大，最終造成鑄坯開(kāi)裂，使得熱軋過(guò)程難以進(jìn)行[2,9]。

變形溫度越高，ER5356鋁合金連鑄連軋桿的高溫強(qiáng)度越低，熱塑性越好，變形抗力越小。當(dāng)變形溫度為475～550 ℃時(shí)，連鑄連軋桿的高溫抗拉強(qiáng)度僅為2.1～6.7 MPa，說(shuō)明當(dāng)溫度高于475 ℃時(shí)，通過(guò)升高熱軋溫度來(lái)降低材料變形抗力的效果并不明顯，同時(shí)還易出現(xiàn)熱軋輥粘輥現(xiàn)象；當(dāng)溫度低于375 ℃時(shí)，變形抗力較高，熱軋難度增大。高溫拉伸斷口中沿晶斷裂區(qū)域面積占比隨變形溫度的升高而增大；在變形溫度為475525 ℃時(shí)，拉伸斷口相似，均為韌窩+脆性沿晶斷裂混合形貌，但在變形溫度為550 ℃時(shí)拉伸斷口已經(jīng)完全呈脆性沿晶斷裂特征，說(shuō)明鑄坯在此溫度下的熱軋過(guò)程中極易開(kāi)裂。同時(shí)，根據(jù)Al-Mg合金二元相圖[10]可知，當(dāng)鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%～5.5%，溫度高于250 ℃時(shí)5356鋁合金位于α-Al單相區(qū)，該組織特征更有利于合金的熱軋加工。考慮到稍寬的合理的溫度區(qū)間更有利于實(shí)際工程應(yīng)用，因此ER5356高鎂鋁合金適宜的熱塑性溫度區(qū)間為375～525 ℃。

3 結(jié) 論

(1) 進(jìn)口ER5356鋁合金連鑄連軋桿的室溫組織由α-Al相和彌散分布在α-Al相中尺寸小于2 μm的β-Mg5Al8相組成。

(2) ER5356鋁合金連鑄連軋桿的高溫強(qiáng)度隨溫度的升高呈單指數(shù)降低趨勢(shì)，斷后伸長(zhǎng)率隨溫度的升高而增大，斷面收縮率變化不大，ER5356鋁合金連鑄連軋桿具有較好的高溫塑性；隨著溫度升高，晶界弱化，沿晶斷裂區(qū)域面積增加，拉伸斷口形貌由韌窩變?yōu)轫g窩+脆性沿晶斷裂混合形貌，最后完全變?yōu)榇嘈匝鼐嗔研蚊病?/p>

(3) ER5356高鎂鋁合金的最佳熱塑性溫度區(qū)間為375～525 ℃。