余溫軋制對Al-Mg-Si合金組織演變的影響

田 爽，耿 杰，孫玉崇，徐 振

（遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，鞍山 114051）

0 前言

Al-Mg-Si 系鋁合金以其密度小、較好的成形性和比強度高等特點一直受到廣泛關(guān)注，是目前應(yīng)用極為廣泛的鋁合金系列。大量研究人員試圖用Al-Mg-Si 系鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)車用鋼板，進而實現(xiàn)汽車輕量化的目的。但鋁合金板材在成形時存在板形回彈、板面起皺、成形破裂和減薄不均等缺陷。與傳統(tǒng)車用鋼板相比，Al-Mg-Si 合金在成形性方面仍處于劣勢，所以提高Al-Mg-Si 合金的成形性尤為重要。雙輥鑄軋是一種將熔融態(tài)金屬直接澆入兩個不斷旋轉(zhuǎn)著的軋輥輥縫之間，使液體金屬在極短的時間內(nèi)就可以完成冷卻、結(jié)晶、凝固等過程的一種合金成形手段。雙輥鑄軋是當(dāng)前生產(chǎn)薄鋁板的主要方法之一，具有生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、工藝流程短以及能耗低等優(yōu)點。但由于板材在極冷作用成形時易產(chǎn)生縮孔、裂紋等缺陷，嚴重危害了板材的成形性能[1-2]。軋制工藝可以直接影響鑄軋板材的組織和性能，有研究表明，可以采用后續(xù)軋制的方式提升鑄軋板的綜合性能[3]。王東[4]等通過對7×××系鋁合金進行溫軋實驗時發(fā)現(xiàn)，430 ℃時溫軋可使鋁合金的強度和塑性均達到較高水平。Rao P N[5]等在對6061 鋁合金采用不同軋制工藝時發(fā)現(xiàn)，與單純采用冷軋相比，若同時采用溫軋與冷軋，鋁合金的拉伸強度與延伸率均有顯著提高。另有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Mg/Si 比值為1.5 時鑄軋板材成形性能最優(yōu)，此時再結(jié)晶更為充分，且晶粒尺寸較均勻。而余溫軋制是一種較為新穎的軋制方式，在鑄軋過程結(jié)束時板材還存在一定余溫，利用余溫進行二次軋制，既保留了鑄軋工藝流程短的工藝特點，又能實現(xiàn)軋制的目的[6]?；诖?，本文研究了不同余溫軋制制度對Mg/Si比值為1.5的Al-Mg-Si合金鑄軋板組織性能的影響規(guī)律和作用機理，以提升鑄軋板的成形性能。

1 實驗方案

采用雙輥鑄軋試驗機鑄軋出Mg/Si比值為1.5且寬度為300 mm、厚度為3.5 mm的Al-Mg-Si合金鑄軋板（化學(xué)成分見表1）。當(dāng)合金板材鑄軋之后，合金板材不會瞬間冷卻，此時進行余溫軋制實驗（軋機參數(shù)見表2）。軋制溫度不同，軋制后的板材質(zhì)量不同。溫度過高會導(dǎo)致板材內(nèi)部雜質(zhì)分層，引起板材開裂；而當(dāng)溫度過低時，會導(dǎo)致板材內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，也同樣影響板材質(zhì)量。370 ℃時余溫軋制，硬化的合金會發(fā)生一定程度的回復(fù)。相比于冷軋來說，利用余溫軋制之后的板材具有更好的塑性能力；相對熱軋來說，其性能也更加優(yōu)化[5]。具體余溫軋制工藝參數(shù)如表3所示。Al-Mg-Si合金可以進行熱處理加工，本實驗使用NWTX13B 高溫電阻爐進行固溶時效（T6）處理，530 ℃/2 h 水冷（固溶處理）+120 ℃/6 h空冷（時效處理）。

表2 軋機基本參數(shù)

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 余溫軋制壓下量對Al-Mg-Si 鑄軋板材金相組織的影響

圖1示出了Mg/Si比值為1.5時Al-Mg-Si鑄軋板材在不同壓下量余溫軋制時邊部顯微組織。當(dāng)壓下量為10%時，板材邊部晶粒組織多為原始鑄軋態(tài)樹枝晶與胞狀晶，晶粒尺寸較大，且組織不均勻；當(dāng)壓下量為15%時，板材邊部組織仍然存在鑄軋態(tài)樹枝晶與胞狀晶，尺寸較10%壓下量時明顯減小，且部分等軸晶粒分布在樹枝晶與胞狀晶之間，但存在少數(shù)尺寸極大的胞狀晶組織；當(dāng)壓下量為20%時，組織主要為鑄軋態(tài)樹枝晶與胞狀晶以及新出現(xiàn)的小尺寸等軸晶，由于壓下量較15%變化不大，導(dǎo)致晶粒形貌與大小變化不明顯；當(dāng)壓下量達到30%時，組織類型并無明顯變化，但無論是樹枝晶還是胞狀晶尺寸都變得細小，分布更加均勻，且更多細小的等軸晶分布在樹枝晶之間，另外大尺寸胞狀晶組織明顯減少。由此可知，當(dāng)軋制變形量在30%以下時，軋制試樣中晶粒仍然保持鑄態(tài)的枝晶與胞狀晶組織。也就是說，如果余溫軋制壓下量太小，晶粒形貌不會發(fā)生較大變化。這與王洪斌[7-8]等的研究結(jié)果十分吻合。

圖1 不同壓下量余溫軋制板材邊部金相組織

圖2為鑄軋板材在不同壓下量余溫軋制時心部顯微組織?？梢钥闯?，當(dāng)壓下量為10%時，板材心部顯微組織多為等軸晶。在鑄軋過程中合金熔液在熔池內(nèi)凝固，發(fā)生體積收縮，所以鑄軋態(tài)板材心部會形成縮孔等缺陷。鑄軋輥施加的軋制力并不足以愈合這些縮孔，盡管余溫軋制本身具備二次軋制的優(yōu)勢，但由于壓下量較小，所以這些鑄軋過程中形成的縮孔仍然存在。當(dāng)壓下量為15%時，組織為等軸晶，由于壓下量變大，縮孔數(shù)量減少。當(dāng)壓下量為20%時，心部組織為等軸晶。隨著壓下量的增加，板材心部的夾雜物、偏析等會沿著變形方向延伸。當(dāng)壓下量為30%時，組織為無擇優(yōu)取向的等軸晶，縮孔數(shù)量大幅度減少，致使這些無擇優(yōu)取向的等軸晶粒互相咬合，沒有明顯分界面，大幅降低了裂紋擴展的幾率，這些細小的等軸晶對板材力學(xué)性能有著顯著的提升。

圖2 不同壓下量余溫軋制板材心部金相組織

2.2 余溫軋制壓下量對Al-Mg-Si 鑄軋板材析出相的影響

圖3示出了Al-Mg-Si鑄軋板材在不同壓下量余溫軋制時邊部SEM 圖像。如圖所示，當(dāng)余溫軋制壓下量為10%、15%和20%時，板材邊部共晶相主要沿著晶界呈鏈狀分布，這些共晶相主要由白色粗短β-Fe 相、白色圓點形狀α-AlFeSi 相以及黑色短棒狀Mg2Si 相組成。隨著壓下量的增加，這些鏈狀的共晶相數(shù)量逐漸減少。當(dāng)壓下量為20%時，部分鏈狀共晶相轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀；在壓下量達到30%時，鏈狀共晶相基本消失，共晶相主要為線條狀、短棒狀與顆粒狀。這些彌散分布在位錯與晶界之間的顆粒狀共晶相可以起到很強的釘扎作用，使得晶界遷移困難，阻礙晶粒生長，進而達到細化晶粒的效果，從而顯著提升板材的強度與塑性。

圖3 不同壓下量余溫軋制板材邊部SEM圖像

圖4為Al-Mg-Si鑄軋板材在不同壓下量余溫軋制時心部SEM 圖像。從圖中可以看出，板材心部主要以粗大共晶相為主，也存在極少數(shù)顆粒狀彌散相。這些粗大共晶相聚集在心部等軸晶交叉三角晶界之間。共晶相的組成主要由白色粗短β-Fe 相、白色圓點形狀α-AlFeSi 相以及黑色顆粒狀Mg2Si 相組成，其中Mg2Si 相夾雜在共晶相中間，對板材強度與塑性均有提高。

圖4 不同壓下量余溫軋制板材心部SEM圖像

因為余溫軋制壓下量不足，導(dǎo)致心部共晶相形貌并無明顯改變，但是尺寸相對變小。當(dāng)壓下量為30%時（見圖4（d）），心部共晶相尺寸最小。在Al-Mg-Si 板材中粗大的共晶相會造成位錯塞積，容易形成內(nèi)部裂紋，導(dǎo)致板材力學(xué)性能下降。

2.3 余溫軋制壓下量對Al-Mg-Si 鑄軋板材織構(gòu)的影響

晶粒取向會在變形過程中根據(jù)受力的不同發(fā)生不同程度的變化，從而導(dǎo)致各個晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，在鑄造、軋制、拉伸與擠壓等加工過程中都會導(dǎo)致織構(gòu)發(fā)生不同程度的變化。圖5為多晶體在變形時晶粒發(fā)生變形行為的示意圖。

圖5 多晶體變形時各晶粒的變形行為

分析圖6所示的Al-Mg-Si鑄軋板余溫軋制后極圖可知，壓下量為10%時，{111}晶面織構(gòu)主要在與法向成15°范圍左右分布，最大極密度為1.824；{200}晶面織構(gòu)主要在與法向成75°范圍左右分布，最大極密度為1.491；{220}晶面織構(gòu)主要在與法向成30°范圍左右分布，最大極密度為1.535?？芍獅111}晶面上極密度最大，{220}晶面次之，{200}晶面最小。當(dāng)余溫軋制壓下量為15%、20%、30%時，在{200}晶面上極密度最大，{111}晶面次之，{220}晶面最小。由于織構(gòu)在各個晶面聚集分布位置不同，這也就導(dǎo)致了三個晶面上織構(gòu)分布形狀不同。

圖6 壓下量為10%、15%、20%、30%的余溫軋制板材{111}、{200}、{220}晶面極圖

在板材進行塑性變形過程中會生成變形織構(gòu)，動態(tài)再結(jié)晶過程會形成再結(jié)晶織構(gòu)，但因為兩過程同時進行，使得兩類織構(gòu)均得不到充分發(fā)展，所以往往導(dǎo)致熱變形后織構(gòu)很弱。另外熱變形過程會受到多種因素的影響，因此塑性變形與動態(tài)再結(jié)晶兩個過程會在不同程度上受到促進或遏制。綜上可知，隨著余溫軋制變形量的增加，{111}晶面織構(gòu)最大極密度逐漸減小，這是由變形織構(gòu)逐漸變?nèi)跛鶎?dǎo)致。{200}與{220}晶面織構(gòu)最大極密度呈先減小后增大趨勢，主要由原始變形織構(gòu)逐漸變?nèi)酢⒃俳Y(jié)晶織構(gòu)逐漸變強引起的。

圖7 為余溫軋制后鑄軋板ODF 圖。由圖可知，壓下量為10%時，在φ2=30°截面上存在旋轉(zhuǎn)立方{001}<110>織構(gòu)，φ2=45°截面上存在旋轉(zhuǎn)立方{001}<110>織構(gòu)和極強的{112}<110>織構(gòu)，φ2=65°截面上存在較弱的R{124}<211>織構(gòu)；壓下量為15%時，在φ2=20°和φ2=65°截面上存在較弱的R{124}<211>織構(gòu)，φ2=45°截面上存在較弱的{112}<110>織構(gòu)；壓下量為20%時，在φ2=20°和φ2=65°截面上存在較強的R{124}<211>織構(gòu)，φ2=45°截面上存在較弱的{112}<110>織構(gòu)；壓下量為30%時，在φ2=20°截面上存在極強的R{124}<211>織構(gòu)，φ2=65°截面上存在較弱的R{124}<211>織構(gòu)，φ2=45°截面上存在較弱的{112}<110>織構(gòu)和極強的{112}<111>織構(gòu)。

分析可知，余溫軋制板材主要存在{112}<111>織構(gòu)、{112}<110>織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)R{124}<211>織構(gòu)。由于余溫軋制是一道次軋制，板材變形量較小，結(jié)合金雪[9]與Daaland O[10]等人對鋁合金軋制織構(gòu)的研究可知，在余溫軋制板材中，變形量較小時織構(gòu)類型極為復(fù)雜。隨著余溫軋制壓下量的增加，織構(gòu)最大強度呈先減小后增加的趨勢，與極圖所得規(guī)律基本一致。推斷原因為在小范圍壓下量時，隨著壓下量的增加再結(jié)晶晶粒數(shù)量增加，板材再結(jié)晶織構(gòu)強度增加，變形織構(gòu)強度減小。當(dāng)壓下量達到一定程度時變形織構(gòu)占據(jù)主導(dǎo)地位，強度增強。

3 結(jié)論

（1）隨著余溫軋制壓下量的不斷增加，晶粒尺寸越來越小，細小等軸晶數(shù)量增多，但由于總壓下量不足，大部分的晶粒仍然保持著柱狀枝晶的形貌。

（2）隨著余溫軋制壓下量的不斷增加，邊部晶界析出相由最初的鏈狀逐漸變化，當(dāng)壓下量達到30%時變?yōu)轭w粒狀、短棒狀與線條狀。心部晶界析出相形貌并無明顯改變，但是隨著壓下量的增加，析出相尺寸逐漸減小。

（3）余溫軋制板材主要存在{112}<111>織構(gòu)、{112}<110>織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)R{124}<211>織構(gòu)，隨著余溫軋制壓下量的增加，織構(gòu)最大強度呈先減小后增加的趨勢。