徐 遙
(西南鋁業(yè)(集團)有限責任公司,重慶401326)
5×××系鋁合金屬于變形鋁合金中的Al-Mg合金(Mg是其主要合金元素),是熱處理不可強化鋁合金,具有中等強度,有較好的耐蝕性、加工性能與焊接性能,應(yīng)用較廣。5×××系鋁合金一般在退火、冷作硬化加穩(wěn)定化處理狀態(tài)下使用。冷變形的Al-Mg合金自由能升高而處于不穩(wěn)定狀態(tài),因為鎂含量較高,在室溫下長期存放時,易產(chǎn)生“時效軟化”現(xiàn)象。采用100~200℃短時間加熱的穩(wěn)定化處理可消除這一現(xiàn)象,使顯微組織中的析出物呈細小微粒狀均勻地分布于晶內(nèi)和晶界上。穩(wěn)定化處理后的鋁合金材料力學(xué)性能穩(wěn)定且耐應(yīng)力腐蝕性能好[1]。
5×××系鋁合金中Mg含量范圍較寬,其中5A43合金中Mg的含量最低,為0.6%~1.4%,5A13合金中的Mg含量最高,達到9.2%~10.5%。常用變形Al-Mg合金中Mg的含量為0.8%~5.5%,Mg在Al中可形成β(Mg5Al8)相,起彌散強化作用[2]。除Mg外,5×××系鋁合金中還含有少量的Mn、Cr、Be、Ti等。
5052鋁合金是5×××系合金中的典型合金,Mg含量在2.2%~2.8%之間,屬于低Mg、熱處理不可強化鋁合金,具有中等強度、耐蝕性及焊接性良好和易于加工成形等特點[2]。板材熱軋后,在冷加工率為50%時,合金再結(jié)晶溫度約為288℃[1]。合金中存在三種不同形態(tài)的化合物:一種為形狀較規(guī)則呈直邊多邊形的界面清晰的塊狀化合物(MgAl相),另一種為邊界呈曲線狀且界面模糊、形狀不規(guī)則的化合物(MgAlSi相),還有一種為針狀化合物(FeAl3相)[3]。
目前,大多數(shù)研究主要集中在5052合金高溫熱變形過程中流變應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率和變形溫度的相互關(guān)系以及軋制和退火后的織構(gòu)演變[4-7],而關(guān)于合金板材冷軋加工和退火熱處理對室溫力學(xué)性能、折彎成型性能和組織等的影響報道較少。故本文選取5052合金熱連軋板材,研究冷軋加工及退火熱處理對合金性能及組織的影響,為合金板材的生產(chǎn)提供參考。
試驗材料選取西南鋁業(yè)(集團)有限責任公司的“1+4”熱連軋5052鋁合金熱精軋坯料,合金的化學(xué)成分見表1。
將4.7 mm×400 mm×1 200 mm的板坯剪切為4.7 mm×400 mm×400 mm的 板 材,分 別 選 擇20%、30%、40%、50%、60%、70%冷加工率進行冷軋,考察冷加工率對合金性能的影響,并分析合金的顯微組織。
將上述規(guī)格板坯冷軋至厚1.5 mm左右的板材,其冷加工率均≥70%。將冷加工后的板材分別在230℃、240℃、250℃、260℃、265℃、270℃、275℃、280℃、300℃和320℃溫度下退火,保溫3 h,出爐空冷,考察退火溫度對合金性能的影響,并觀察合金的顯微組織。
對冷加工至1.5 mm厚的板材取樣,在260℃、270℃、280℃溫度下退火,分別保溫1 h、2 h、3 h、4 h和5 h,出爐空冷,考察退火時間對合金性能的影響,并觀察合金的顯微組織。
選取以上試驗材料,剪切成為25 mm×100 mm的板材(橫向),檢測合金的90°折彎性能。
5052鋁合金具有良好的塑性,在60%以上的冷變形下只有輕微的裂邊。從圖1中可以看出,隨著冷加工率的增加,合金的屈服強度、抗拉強度提高,延伸率降低。
隨著合金冷變形程度的不斷增大,金屬內(nèi)部的點缺陷和位錯密度也越大,晶格畸變程度更加嚴重,形成了纖維狀加工組織,材料加工硬化程度提高,見圖2。
圖2 不同冷加工率下的合金金相組織
隨著退火溫度的升高,合金強度也隨之降低,延伸率則逐漸升高。在260℃以下退火時,板材力學(xué)性能的變化不大;在260℃、265℃、270℃和275℃退火的板材的強度明顯低于在230~255℃下退火的板材,而其延伸率則大幅上升;在280℃、300℃、320℃退火時,合金的強度變化不大;而在300℃、320℃下退火,合金的性能已接近于完全退火狀態(tài)。退火溫度與力學(xué)性能的關(guān)系如圖3所示。
圖3 不同退火溫度對合金力學(xué)性能的影響
圖4 為不同退火溫度下合金的金相組織。從圖中可以看出,在230~250℃/3 h條件下退火時,合金大部分為纖維狀加工組織,表明合金主要以靜態(tài)回復(fù)為主;在260~275℃/3 h條件下退火時,合金為纖維狀加工組織與再結(jié)晶組織并存,且再結(jié)晶組織為主要表現(xiàn)形式,合金的強度下降明顯,延伸率則明顯上升。當冷變形程度達到50%時,合金的再結(jié)晶溫度約為288℃[1]。因此,在≥280℃條件下退火時,合金的纖維狀加工組織幾乎降為零,合金基本上已完全再結(jié)晶,其性能已接近于完全退火狀態(tài)。這可能是由于冷變形程度較大(≥70%)、加工變形組織畸變能升高,降低了合金再結(jié)晶溫度的緣故。
圖4 不同退火溫度下合金的典型金相組織
退火保溫時間對合金板材性能的影響沒有退火溫度大。隨著保溫時間的延長,合金的強度隨之下降,尤其是屈服強度下降更為明顯,而延伸率則逐漸上升。在相同的退火溫度下退火,保溫1 h,合金的強度變化比較分散,但大部分保持了較高的強度。在保溫時間超過1 h后,合金強度下降很快;在相同的退火溫度下保溫2~5 h,合金的強度變化平穩(wěn),可見保溫時間對合金性能影響不大,見圖5。
圖5 不同退火溫度下不同保溫時間對力學(xué)性能的影響
對于冷加工率相同的合金板材,在相同的退火溫度(≥260℃)下保溫1 h,由于時間短,合金來不及發(fā)生再結(jié)晶或只有少量的再結(jié)晶組織,殘留有較多的加工變形組織,因而其強度相對較高,即使在較高的溫度下(280℃)退火,也保持了很高的強度,且折彎性能良好。而在保溫2 h、3 h、4 h、5 h后,合金組織中殘留的加工變形組織大大減少,主要為再結(jié)晶組織,其強度相對下降較快,延伸率則相對上升。不同冷加工率的合金板材在相同的退火熱處理制度下,冷加工率越大,其再結(jié)晶組織的比例也越多,殘留的加工變形組織也就越少。這也說明了冷變形程度越大,加工變形組織畸變能升高,合金再結(jié)晶溫度也越低。圖6為不同退火保溫時間下合金的典型金相組織。
圖6 合金不同退火保溫時間典型金相組織
2.4.1 退火溫度的影響
在(230~250)℃/3 h較低溫度下退火時,合金大部分為纖維狀的加工組織,主要以靜態(tài)回復(fù)為主,合金則保持較高的強度和較低的延伸率。合金中殘留有大量因加工變形形成的畸變組織,造成組織不均勻,降低了合金的塑性,因而在合金板材進行90°折彎檢測時,出現(xiàn)裂紋或細裂紋。在(260~320)℃/3 h退火時,合金大部分為再結(jié)晶組織,屈服強度下降較快,延伸率上升,表現(xiàn)出較好的塑性,因而合金的折彎性能良好。表3示出了退火溫度對合金板材折彎性能的影響(保溫3 h)。
表3 退火溫度對合金板材折彎性能的影響
2.4.2 退火時間的影響
合金在260℃以上的溫度退火時,退火保溫時間對合金折彎性能影響不大。合金組織基本上為再結(jié)晶組織(參見圖6),其組織較為均勻,且有較好的塑性(參見圖5),因而表現(xiàn)出良好的折彎性能。
表4 不同退火溫度下保溫時間對板材折彎性能的影響
(1)5052鋁合金板材具有良好的塑性,60%的冷變形也只能使其產(chǎn)生輕微的裂邊。隨著冷加工率的增加,合金的屈服強度和抗拉強度隨之提高,延伸率則逐漸降低。
(2)當退火溫度≤250℃時,退火溫度和保溫時間對合金室溫力學(xué)性能的影響不大;在退火溫度≥260℃時,隨著退火溫度的升高,合金強度降低,延伸率隨之逐漸升高。在此溫度范圍內(nèi),當退火保溫時間超過1 h后,屈服強度均小于130 MPa;保溫2~5 h后合金的強度變化平穩(wěn)。
(3)退火溫度≤250℃時,合金組織大部分為纖維狀的加工組織,板材進行90°折彎檢測時發(fā)現(xiàn)有裂紋。在≥260℃時退火,合金組織大部分為再結(jié)晶組織,合金90°折彎無裂紋,說明其折彎成型性能良好。