軋制工藝對(duì)7050鑄軋板組織及性能的影響

孫玉崇，高安妮，徐 振，王洪斌，張丁丁，周 樂(lè)

（1.遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

雙輥鑄軋作為一種近終形技術(shù)，可將熔融的鋁合金直接加工成合金薄板，工藝流程短，能耗低。但是雙輥鑄軋鋁合金薄板在加工過(guò)程中易產(chǎn)生偏析、疏松和裂紋等問(wèn)題，嚴(yán)重危害板材成形性［1-3］。軋制是合金錠坯依靠摩擦力被拉進(jìn)軋輥之間，利用軋輥之間的壓力將錠坯拉長(zhǎng)、橫斷面減小、厚度變薄的一種塑性變形過(guò)程［4］，廣泛應(yīng)用在金屬材料加工領(lǐng)域。軋制工藝參數(shù)直接影響鑄軋板材的表面質(zhì)量和組織性能［5］。王敏［6］研究溫軋工藝對(duì)7020鑄軋板影響發(fā)現(xiàn)，在相同溫度下，壓下量越大，鑄軋板材裂紋愈合程度越好。陳銳［7］通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定7050鋁合金在變形量為50%，壓下量為1.5 mm時(shí)，可以得到較優(yōu)的綜合性能，此時(shí)再結(jié)晶更充分，晶粒組織更為均勻。因此，對(duì)鑄軋板進(jìn)行再軋制可優(yōu)化合金的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)鑄軋板的強(qiáng)塑性［8］?；诖耍疚难芯坎煌堉乒に囅骡佡|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的7050鑄軋板組織性能的變化規(guī)律和機(jī)理，以獲得最佳再軋制工藝參數(shù)，提高板材的綜合性能。

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用雙輥鑄軋?jiān)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行。鑄軋板化學(xué)成分：w（Zn）=6.31%，w（Mg）=1.61%，w（Cu）=1.62%，w（Cr）＜0.01%，w（Zr）=0.090%，w（Fe）=0.027%，w（Si）=0.010%，w（Ti）=0.220%，余量為Al。再軋制工藝方案詳見(jiàn)表1和表2。

表1 不同溫度的再軋制工藝參數(shù)Tab.1 Rerolling process parameters at different temperatures

表2 不同變形量的再軋制工藝參數(shù)Tab.2 Rerolling process parameters at different deformation rates

使用ZEISS Axio Vert.A1光學(xué)顯微鏡分析7050鑄軋板材晶粒尺寸及形貌；采用德國(guó)卡爾蔡司SIGMAHD場(chǎng)發(fā)射高分辨掃描電子顯微鏡觀察樣品的斷口形貌；試樣經(jīng)磨制拋光之后，利用維氏硬度計(jì)Q10M測(cè)量硬度，加載載荷100 N，壓力持續(xù)10 s。多次測(cè)量取平均值。采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常溫拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速率1 mm/min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 軋制溫度對(duì)再軋制7050鑄軋板的影響

圖1是當(dāng)軋制變形量為75%時(shí)，不同軋制溫度下再軋制7050鑄軋板的微觀組織。板材內(nèi)部晶粒組織沿軋制方向拉長(zhǎng)，原本的鑄軋態(tài)組織已完全消失。沿晶界分布和枝晶間產(chǎn)生的粗大非平衡共晶組織基本固溶于基體，殘余的枝晶偏析組織已明顯消除。當(dāng)軋制溫度為400℃時(shí)，晶粒由近似圓形的鑄軋態(tài)形貌變成纖維狀，試樣中未出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒。這是由于再結(jié)晶退火溫度低，即使變形時(shí)儲(chǔ)存的形變能足夠大，也不能夠發(fā)生再結(jié)晶，此時(shí)合金僅發(fā)生回復(fù)，消除了殘余應(yīng)力，而組織仍保持纖維狀。當(dāng)軋制溫度提高到420℃時(shí)，組織有少量再結(jié)晶晶粒生成。這表明合金達(dá)到了再結(jié)晶退火溫度并儲(chǔ)存足夠多的變形能，組織發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，由纖維狀的組織逐漸變?yōu)榈容S晶。當(dāng)軋制溫度繼續(xù)提高到440℃時(shí)，并未出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，再結(jié)晶晶粒數(shù)量增多，晶界處有第二相粒子析出。綜合來(lái)看，軋制溫度為440℃時(shí)，合金的組織結(jié)構(gòu)最好。

圖1 不同軋制溫度下再軋制7050鑄軋板的微觀組織Fig.1 Microstructure of rerolled 7050 twin-roll-cast plate at different rolling temperatures

軋制溫度分別為400、420、440℃時(shí)，鑄軋板的硬度分別為125.75HV、151.25HV和161.75HV。板材硬度隨軋制溫度升高而逐漸提高。因?yàn)殡S軋制溫度升高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，位錯(cuò)的重新排列和對(duì)消促進(jìn)合金亞晶組織形成，亞晶通過(guò)合并長(zhǎng)大，部分發(fā)生再結(jié)晶，晶粒組織由纖維狀逐漸變成細(xì)小的等軸晶，從而增大了晶界面積，使合金硬度提高［9］。在軋制溫度達(dá)到440℃時(shí)，組織中出現(xiàn)大量細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，晶粒的均勻度增加，晶界數(shù)量增多，合金的流動(dòng)性最好，此時(shí)硬度達(dá)到最大值。

不同軋制溫度下常溫拉伸再軋制7050鑄軋板的拉伸性能如圖2所示。隨軋制溫度的升高，板材的拉伸性能逐漸提升，軋制溫度為440℃時(shí)，拉伸性能達(dá)到最優(yōu)。軋制溫度越高，越容易出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

圖2 不同軋制溫度下再軋制7050板材的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of 7050 plate rerolled at different rolling temperatures

圖3是440℃軋制時(shí)鑄軋板透射電鏡組織照片。鑄軋板中存在納米級(jí)的Al3Ti顆粒。組織中彌散的Al3Ti粒子對(duì)合金再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大有抑制作用，促使合金組織逐漸由纖維狀向再結(jié)晶細(xì)小晶粒轉(zhuǎn)變，從而提高合金塑性；同時(shí)，由于大量細(xì)小的再結(jié)晶晶粒的存在，使合金中晶界數(shù)目增多，組織位錯(cuò)密度增大，進(jìn)而提高了板材的強(qiáng)塑性。

圖4是軋制變形量為75%時(shí)，軋制溫度分別為400、420、440℃條件下，再軋制7050鑄軋?jiān)嚇永鞌嗫谛蚊?。在三種軋制溫度下，試樣均存在不均的韌窩和撕裂棱，即韌性斷裂。400℃軋制時(shí)，存在撕裂棱以及類(lèi)似準(zhǔn)解理臺(tái)階的層狀結(jié)構(gòu)，也有類(lèi)似河流的花樣結(jié)構(gòu)存在，韌窩數(shù)量較少且深度較淺，同時(shí)有冰糖狀沿晶斷裂特征存在?？傮w來(lái)看，這是一種介于韌性斷裂和準(zhǔn)解理斷裂的混合型斷裂。420℃軋制時(shí)，韌窩數(shù)量大幅增加，形貌大而深，冰糖狀結(jié)構(gòu)破碎分散在韌窩附近，并且在韌窩深處存在少量的第二相粒子，阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，合金的塑性變形能力提高。440℃軋制時(shí)，韌窩分布較為均勻，數(shù)量明顯增多，撕裂棱基本消失，在試樣拉伸變形過(guò)程中局部抗失穩(wěn)能力增強(qiáng)，在斷裂過(guò)程中可以吸收更多能量。這是由于板材內(nèi)部夾雜物及第二相促進(jìn)了微孔與韌窩的形成。440℃軋制板材的斷口形貌最佳，板材塑性最好。

圖4 不同軋制溫度下再軋制7050板材拉伸斷口Fig.4 Fracture morphology of 7050 twin-roll casting plate rerolled at different rolling temperatures

2.2 軋制變形量對(duì)再軋制7050鑄軋板的影響

軋制溫度為440℃，軋制變形量分別為12.5%、37.5%、57.5%、70%和75%的條件下，7050鑄軋板縱截面微觀組織如圖5所示。變形量12.5%時(shí)，晶粒變化不大，基本保持鑄軋態(tài)形狀，只有少數(shù)晶粒被壓扁拉長(zhǎng)呈近似橢圓形，組織中存在少量枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，枝晶缺陷未完全消除。這說(shuō)明合金在軋制過(guò)程中發(fā)生的變形不均勻，較小的變形量?jī)H能改變少數(shù)晶粒尺寸與形狀，組織結(jié)構(gòu)并未發(fā)生較大變化。當(dāng)變形量為37.5%時(shí)，大部分晶粒形狀改變，沿軋制方向被拉長(zhǎng)，呈橢圓形。變形量57.5%時(shí)，晶粒明顯增大，鑄軋態(tài)的組織大幅減少，枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)消除，并且晶粒大部分呈長(zhǎng)條狀，在晶粒內(nèi)及晶界有第二相粒子少量析出。變形量70%時(shí)，晶粒呈纖維狀，沿軋制方向分布，鑄軋組織消失，組織中有大量第二相析出。變形量75%時(shí)，出現(xiàn)大量細(xì)小的晶粒組織，這些細(xì)小的晶粒是再結(jié)晶晶粒組織。因?yàn)殇X合金熱變形時(shí)，隨變形量的增大，板材內(nèi)部位錯(cuò)互相作用，位錯(cuò)增值、滑移轉(zhuǎn)變成胞狀組織，位錯(cuò)交織生成亞晶界，并且通過(guò)晶界的遷移作用形成大角度晶界，促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程的發(fā)生，最終形成細(xì)小的再結(jié)晶晶粒［10］。

圖5 不同變形量再軋制7050鑄軋板縱截面的微觀組織圖Fig.5 Microstructures in longitudinal direction of 7050 twin-roll-cast plate rerolled at different rolling deformation rates

不同軋制變形量時(shí)鑄軋板的硬度如圖6所示。隨變形量的增加，鑄軋板硬度先下降后上升。變形量為75%時(shí)，硬度最大，達(dá)到149.5HV。變形量為57.5%時(shí)，硬度最小，為123.5HV。這是因?yàn)殡S著變形程度的增加，晶體中的晶粒逐漸被拉長(zhǎng)，晶界數(shù)目減少，硬度下降；變形量繼續(xù)增加，晶體內(nèi)第二相充分破碎、細(xì)化，組織中析出強(qiáng)化相，從而提高合金板的強(qiáng)度和硬度。

圖6 再軋制7050鑄軋板硬度隨軋制變形量變化的趨勢(shì)Fig.6 Microstructures in longitudinal direction of 7050 twin-rollcast plate rerolled at different rolling deformation rates

軋制溫度為440℃，不同變形量下鑄軋板常溫拉伸測(cè)試結(jié)果如圖7所示。隨著變形量的增加，鑄軋板屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率逐漸增大。當(dāng)變形量為75%時(shí)，鑄軋板強(qiáng)度最大：抗拉強(qiáng)度為493.26 MPa、屈服強(qiáng)度為398.79 MPa、延伸率為4.25%。主要有兩方面原因：一是隨變形量增加，鑄軋板變形程度不斷加劇，鑄軋組織逐步消除，枝晶、偏析和微小裂紋等缺陷逐漸消失，粗大非平衡共晶相沿著軋制方向破碎，組織中的大部分晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)，形成具有擇優(yōu)取向的纖維組織，大幅度提高合金的強(qiáng)塑性；二是隨著變形程度的加劇，組織中非平衡共晶相充分破碎且細(xì)化，在熱軋過(guò)程中，析出大量強(qiáng)化相MgZn2，通過(guò)析出強(qiáng)化提高合金強(qiáng)度。在軋制過(guò)程中儲(chǔ)存足夠的形變能，促使再結(jié)晶過(guò)程的發(fā)生，但未來(lái)得及發(fā)生再結(jié)晶長(zhǎng)大。合金中存在的Al3Ti粒子對(duì)再結(jié)晶的發(fā)生有抑制作用，當(dāng)變形量為75%時(shí)，組織中出現(xiàn)大量細(xì)小再結(jié)晶晶粒，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用，使鑄軋板的強(qiáng)塑性提高。

圖7 不同軋制變形量下再軋制7050鑄軋板的拉伸性能Fig.7 Tensile properties of 7050 twin-roll-cast plate rerolled at different deformation rates

軋制溫度為440℃，不同軋制變形量條件下再軋制7050鑄軋板拉伸斷口的形貌如圖8所示。當(dāng)變形量為12.5%時(shí)，合金斷口中韌窩較少且深度較淺，有大量撕裂棱以及準(zhǔn)解理臺(tái)階存在，推斷為準(zhǔn)解理斷裂。當(dāng)變形量為37.5%時(shí)，合金斷口中的韌窩數(shù)目略有增加，準(zhǔn)解理臺(tái)階減少，但韌窩周邊出現(xiàn)撕裂棱，推斷為穿晶斷裂。57.5%軋制變形時(shí)，韌窩數(shù)量明顯增加，斷口中出現(xiàn)大量冰糖狀沿晶斷裂的特征。當(dāng)變形量達(dá)70%時(shí)，在合金斷口處出現(xiàn)大量的韌窩且分布均勻，撕裂棱基本消失。當(dāng)變形量為75%時(shí)，出現(xiàn)大量較深的韌窩，且分布更加均勻，撕裂棱和準(zhǔn)解理臺(tái)階完全消失，合金呈現(xiàn)韌性斷裂特征。綜上所述，在75%軋制變形時(shí)，7050鑄軋板的強(qiáng)塑性最佳。

圖8 不同軋制變形量下板材的拉伸斷口Fig.8 Tensile fracture morphology of 7050 twin-roll-cast plate rerolled at different deformation rates

3 結(jié)論

（1）鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的7050鑄軋板再軋制之后，宏觀微小裂紋明顯愈合，板材的微觀組織得到明顯改善；組織中粗大的第二相破碎，枝晶偏析消除。

（2）鑄軋板中的Al3Ti粒子可以有效抑制軋制過(guò)程中再結(jié)晶的長(zhǎng)大，440℃軋制時(shí)，軋制板中形成大量細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，使得合金組織均勻化，合金板材的綜合性能提高。

（3）鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的7050鑄軋板材再軋制的最佳工藝為：440℃軋制溫度+75%軋制變形量，此時(shí)板材強(qiáng)塑性最佳，硬度149.5HV，屈服強(qiáng)度398.79 MPa，抗拉強(qiáng)度493.26 MPa，延伸率4.25%。