5A06-O鋁合金板材折彎開裂原因分析及改善建議

李德貴，王大群，張宇婷，劉 超，劉 杰，張 晶，趙 揚(yáng)

(東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

5A06鋁合金強(qiáng)度較高、耐蝕性良好、易于成形加工、可焊性及低溫性能好，是一種綜合性能好的不可熱處理強(qiáng)化鋁合金[1]，被廣泛應(yīng)用在交通運(yùn)輸設(shè)備、導(dǎo)彈元件、裝甲等行業(yè)。

某鋁加工企業(yè)3.0 mm厚5A06-O鋁合金板材在用戶沖制加工時出現(xiàn)了折彎開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品報廢，對用戶的配套生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的影響，同時也對該鋁加工企業(yè)造成較大的損失。諸多文獻(xiàn)表明[2-7]，折彎開裂已成為影響5A06鋁合金大規(guī)模應(yīng)用的重要因素。

本試驗(yàn)以某鋁加工企業(yè)生產(chǎn)的3.0 mm厚5A06-O鋁合金板材為研究對象，通過化學(xué)成分檢測、顯微組織觀察、力學(xué)性能測試及折彎性能測試，分析了5A06-O鋁合金板材折彎開裂機(jī)制，并制定出有效的改善措施，為雙方挽回了經(jīng)濟(jì)損失。

1 試驗(yàn)方法

3.0 mm厚度5A06-O鋁合金板材生產(chǎn)工藝流程：配料→熔煉→調(diào)整化學(xué)成分→爐內(nèi)精煉→靜置→鑄造→均勻化→鋸切→銑面→加熱→熱軋→中間退火→冷軋→成品退火。用戶使用3.0 mm厚度5A06-O鋁合金板材在折彎過程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。為了分析其開裂的原因，對板材進(jìn)行二次退火熱處理，對比二次退火前、后鋁合金板材的顯微組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，闡明二次退火對板材顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

用AA-240FS原子吸收光度計檢測合金板材的化學(xué)成分，GX51金相顯微鏡對合金板材進(jìn)行顯微組織分析，AG-Xplus250KN電子萬能試驗(yàn)機(jī)對合金板材進(jìn)行力學(xué)性能測試，QEL-200彎曲試驗(yàn)機(jī)對合金板材進(jìn)行折彎性能測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 5A06-O鋁合金板材的成分、性能和顯微組織

表1為5A06-O鋁合金板材的化學(xué)成分實(shí)測結(jié)果。實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)范圍的對比可知，試驗(yàn)所用板材的化學(xué)成分符合GB/T 3190-2020標(biāo)準(zhǔn)的要求，Mn元素含量在中限，Mg元素含量在中上限。

表1 5A06-O鋁合金板材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)Table 1 Chemical composition of 5A06-O aluminum alloy sheet (wt/%)

表2為5A06-O鋁合金板材力學(xué)性能測試結(jié)果。通過與標(biāo)準(zhǔn)值對比可知，5A06-O鋁合金板材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率均符合GB/T 3880.2-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)值都有一定余量，但伸長率接近標(biāo)準(zhǔn)值下限。

表2 5A06-O鋁合金板材力學(xué)性能的測試結(jié)果Table 2 Test results of mechanical properties of 5A06-O aluminum alloy sheet

在5A06-O鋁合金板材上切取3.0 mm×15.0 mm×15.0 mm折彎試樣3組，進(jìn)行90°折彎試驗(yàn)，折彎角半徑為6 mm，折彎速度緩慢。折彎試驗(yàn)結(jié)果顯示，3組試樣均出現(xiàn)角部開裂現(xiàn)象。

在5A06-O鋁合金板材上切取3.0 mm×15.0 mm×25.0 mm低倍組織試樣，將縱向截面進(jìn)行銑面、酸堿洗后進(jìn)行組織觀察。板材試樣的邊部組織和芯部組織存在明顯的色差，芯部存在平行于板材表面的“條狀亮帶”。

將板材低倍試樣縱向截面進(jìn)行粗磨、精磨、電解拋光、混合酸侵蝕、陽極制模等工序處理，制取高倍試樣，進(jìn)行顯微組織觀察。陽極覆膜偏光顯微組織形貌如圖1所示。

圖1 5A06-O鋁合金板材試樣芯部陽極覆膜偏光組織Fig.1 Polarized structure of anodic lamination at the core of 5A06-O aluminum alloy sheet sample

從圖1可以看出，中心處的組織顏色更亮，為部分再結(jié)晶組織，晶粒以等軸晶為主。邊部晶粒較模糊，主要為變形組織。這說明成品退火進(jìn)行得不充分，導(dǎo)致板材的強(qiáng)度高、塑性低，板材各部分力學(xué)性能的匹配性變差，在板材進(jìn)行折彎測試時便出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。

2.2 二次退火熱處理

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，對出現(xiàn)折彎裂紋的5A06-O鋁合金板材試樣進(jìn)行二次退火熱處理，提升折彎性能。

3.0 mm厚5A06-O鋁合金板材原來的成品退火制度：退火爐定溫360 ℃，待板材高點(diǎn)溫度為295 ℃時退火爐改定溫315 ℃，待板材低點(diǎn)溫度達(dá)305 ℃時開始保溫，保溫1 h后出爐。

為了提高原子的擴(kuò)散速率，使退火更充分，二次退火熱處理提高了退火溫度，具體制度如下：退火爐定溫360 ℃，待板材高點(diǎn)溫度為305 ℃時退火爐改定溫315 ℃，待板材低點(diǎn)溫度達(dá)310 ℃時開始保溫，保溫1 h后出爐。對二次退火后的試樣進(jìn)行顯微組織觀察、力學(xué)性能測試及折彎性能測試。

二次退火后5A06-O鋁合金板材的力學(xué)性能測試結(jié)果如表3所示。二次退火后板材的抗拉強(qiáng)度降低至339MPa，伸長率提高至24.3%。

表3 5A06-O鋁合金板材二次退火后力學(xué)性能測試結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties of 5A06-O aluminum alloy sheet after re-annealing

在二次退火熱處理后的5A06-O鋁合金板材上切取3.0 mm×15.0 mm×15.0 mm折彎試樣3組，進(jìn)行90°折彎試驗(yàn)，折彎角半徑為6 mm，折彎速度緩慢。折彎試驗(yàn)結(jié)果顯示3組試樣均未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

在二次退火熱處理后的5A06-O鋁合金板材上切取3.0 mm×15.0 mm×25.0 mm低倍組織試樣，將縱向截面進(jìn)行銑面、酸堿洗后進(jìn)行組織觀察。與未進(jìn)行二次退火熱處理不同的是，板材縱向截面顏色均一，芯部“亮帶”現(xiàn)象消失。相應(yīng)的陽極覆膜偏光顯微組織形貌如圖3所示。二次退火熱處理后的板材顯微組織顏色均勻，清晰明亮。

圖3 5A06-O鋁合金板材試樣二次退火后陽極覆膜偏光組織Fig.3 Polarized structure of anodic lamination after re-annealing of 5A06-O aluminum alloy sheet sample

3 討論與分析

再結(jié)晶退火是將變形金屬加熱到規(guī)定的溫度，并保溫一定時間，然后緩慢冷卻到室溫的一種熱處理工藝，其目的是降低硬度，提高塑性[8]。本試驗(yàn)中，將3.0 mm厚5A06-O鋁合金板材進(jìn)行二次退火熱處理，抗拉強(qiáng)度由346 MPa降低至339 MPa，伸長率由16.3%提高至24.3%，低倍試樣芯部“亮帶”現(xiàn)象消失，顯微組織均勻性提升，折彎性能有較明顯的改善。

5A06-O鋁合金板材二次退火處理前后的顯微組織及折彎性能對比結(jié)果表明，原生產(chǎn)工藝條件下3.0 mm厚5A06-O鋁合金板材退火不充分，板材不具備較理想的塑性變形能力，從而在折彎測試時出現(xiàn)開裂。

在大型工業(yè)生產(chǎn)中，雖然退火溫度和退火時間等工藝制度有嚴(yán)格要求，但若出現(xiàn)裝爐量過大、爐內(nèi)物料擺放位置不當(dāng)、爐內(nèi)物料堆疊高度過高或爐溫偏差過大等現(xiàn)象，均會導(dǎo)致退火處理不充分，給產(chǎn)品后續(xù)加工帶來不利影響，甚至出現(xiàn)使用上的安全隱患。

通過對多家企業(yè)走訪調(diào)查，作者發(fā)現(xiàn)對成品板材進(jìn)行退火熱處理時，生產(chǎn)車間為了保證生產(chǎn)進(jìn)度需要，常常加大退火爐的裝爐量，這種“急功近利”的操作極有可能造成成品板材退火不充分，為后續(xù)產(chǎn)品埋下隱患。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)論，結(jié)合現(xiàn)場5A06-O鋁合金板材生產(chǎn)情況，采用原退火制度進(jìn)行驗(yàn)證生產(chǎn)，本次生產(chǎn)嚴(yán)格控制了裝爐量和裝爐高度，退火后力學(xué)性能檢測結(jié)果屈服強(qiáng)度Rp0.2=160 MPa～163 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=336 MPa～342 MPa，伸長率A=24.0%～25.5%，折彎性能檢測也一次性合格。

4 結(jié)束語

退火熱處理不充分，造成板材芯部強(qiáng)度高、塑性低，板材各部分力學(xué)性能的匹配性變差，是引起3 mm厚5A06-O鋁合金板材折彎開裂的主要原因。鑒于此，本試驗(yàn)為退火態(tài)鋁合金產(chǎn)品的加工提出以下兩點(diǎn)建議和措施：

1)嚴(yán)格執(zhí)行退火工藝制度，控制裝爐量和爐料高度，使產(chǎn)品滿足充分退火的熱處理狀態(tài)。

2)對有“折彎性能”要求的5A06-O鋁合金板材，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度控制在標(biāo)準(zhǔn)中下限，抗拉強(qiáng)度控制在315 MPa～340 MPa，伸長率控制在24%以上較為適宜。