高寶亭

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

0 前言

5A12 鋁合金是常見(jiàn)高鎂合金中鎂含量最高的鋁鎂合金，具有優(yōu)異的成型性、耐蝕性以及可焊性。同時(shí)由于該合金鎂含量（8.5%~9.5%）很高，比強(qiáng)度也較高[1-2]，主要被應(yīng)用于大型艦艇的上層建筑、航海艦船的大型甲板、兵器車(chē)輛裝甲板等焊接結(jié)構(gòu)件中[3]。由于其在輕量化、抗腐蝕性能以及可焊性方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到了軍用和民用鋁材市場(chǎng)的極大關(guān)注，市場(chǎng)潛力巨大[4]。

不同于常見(jiàn)的鋁鎂合金，該合金鎂含量高，主要應(yīng)用于受力結(jié)構(gòu)件，因此對(duì)材料的力學(xué)性能指標(biāo)和穩(wěn)定性要求非常高[5-6]。在工藝改進(jìn)前，生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)力學(xué)性能不合格或不穩(wěn)定問(wèn)題，例如即使力學(xué)性能合格，如果指標(biāo)余量較小，也極易引發(fā)質(zhì)量異議問(wèn)題。目前，對(duì)5A12 鋁合金擠壓棒材的力學(xué)性能的公開(kāi)報(bào)道和研究資料極少。為進(jìn)一步提升5A12 鋁合金擠壓棒材力學(xué)性能穩(wěn)定性，滿(mǎn)足市場(chǎng)和客戶(hù)對(duì)該合金擠壓材要求，本文從擠壓變形強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化工藝角度進(jìn)行研究分析，確定出合理的生產(chǎn)工藝。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)用料

試驗(yàn)材料的化學(xué)成分滿(mǎn)足GB/T 3190-2008 要求[7]。但對(duì)個(gè)別元素進(jìn)行了調(diào)整，具體情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)用料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)方法

選取直徑分別為100 mm和150 mm的典型規(guī)格棒材作為目標(biāo)規(guī)格進(jìn)行擠壓工藝和熱處理工藝的對(duì)比研究。試驗(yàn)用料的鑄錠直徑為405 mm，均采用單孔模具擠壓。擠壓溫度和擠壓比是影響擠壓材組織性能的最主要工藝參數(shù)，但考慮到實(shí)際設(shè)備能力（擠壓筒直徑最大415 mm）和生產(chǎn)效率成本，擠壓方案按表2執(zhí)行。5A12合金屬于不可熱處理強(qiáng)化合金，固溶強(qiáng)化是提升其強(qiáng)度的一種重要方式，因此需要對(duì)固溶熱處理制度進(jìn)行研究分析。具體方案按表3執(zhí)行（熱處理方案中溫度均為金屬溫度）。

表2 擠壓及熱處理試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擠壓工藝優(yōu)化

5A12 合金屬于不可熱處理強(qiáng)化合金，高溫變形可以兼顧固溶強(qiáng)化和變形強(qiáng)化兩種措施[8]。為保證棒材充分變形，棒材的擠壓比應(yīng)盡可能增加。但是受擠壓機(jī)能力限制，擠壓比不可能無(wú)限增加，只能依據(jù)現(xiàn)有能力試驗(yàn)?zāi)壳笆袌?chǎng)所需最大規(guī)格棒材的力學(xué)性能情況。為了保證變形塑性和固溶強(qiáng)化效果，擠壓溫度一般都高于370 ℃。擠壓溫度較低時(shí)，固溶強(qiáng)化效果顯著降低，在擠壓過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致形變強(qiáng)化效果并不顯著，從而導(dǎo)致較低溫度擠壓時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度較低；但是當(dāng)擠壓溫度過(guò)高，為防止擠壓裂紋的產(chǎn)生，棒材的擠壓速度必須大幅度下降，又會(huì)嚴(yán)重制約生產(chǎn)效率。

依據(jù)上述原則，采用熔體質(zhì)量改進(jìn)后的鑄錠分別按照方案1、方案2 和方案3 進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)（每組試驗(yàn)均采用5 個(gè)平行試樣，每根棒材取一個(gè)試樣），對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

從表3 中方案1 和方案2 的力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，高溫?cái)D壓棒材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度雖均得到有效提升，但是抗拉強(qiáng)度不完全滿(mǎn)足指標(biāo)要求。擠壓比代表著棒材的擠壓變形程度。從方案2和方案3的力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，在現(xiàn)有設(shè)備能力條件下，直徑不大于150 mm 的棒材，擠壓比對(duì)棒材的力學(xué)性能影響不大。

表3 擠壓工藝優(yōu)化前后棒材的力學(xué)性能

2.2 熱處理工藝優(yōu)化

固溶強(qiáng)化是金屬?gòu)?qiáng)化的一種重要形式[5-6]。5A12鋁合金中Mg元素比例達(dá)到8.5%，具備固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)。依據(jù)鋁鎂合金二元相圖可知，材料的溫度達(dá)到450 ℃以上時(shí)，Mg 元素的固溶度最高。高溫固溶處理后，必須對(duì)制品進(jìn)行快速冷卻，防止固溶相脫溶，減弱固溶強(qiáng)化效果[2]。固溶時(shí)間對(duì)固溶效果也有影響，為了確定出相對(duì)合理的固溶保溫時(shí)間，同時(shí)結(jié)合上述原則，設(shè)計(jì)方案4 至方案7 進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)（每組試驗(yàn)均采用5個(gè)平行試樣，每根棒材取一個(gè)試樣），其對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。由表中數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過(guò)固溶強(qiáng)化處理后，材料的強(qiáng)度得到明顯提升。

通過(guò)方案4 和方案5 對(duì)比，可知固溶處理后水冷效果好于空冷效果。由方案5 和方案6 對(duì)比可知，雖然力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到表2 指標(biāo)要求，但460 ℃/1 h 固溶制度好于450 ℃/1 h，且余量充裕。通過(guò)方案7 可知，對(duì)于直徑150 mm 規(guī)格棒材，460 ℃/1 h 固溶制度也能滿(mǎn)足要求并且余量充裕、適中。對(duì)比方案7 和方案8 可知，提升固溶保溫時(shí)間，力學(xué)性能變化并不明顯。綜合比較分析，對(duì)于直徑不大于150 mm的棒材，460 ℃/1 h固溶熱處理制度相對(duì)比較合適。

為了從組織層面分析5A12 鋁合金棒材強(qiáng)化機(jī)理，分別對(duì)方案3、方案7 和方案9 對(duì)應(yīng)的棒材進(jìn)行透射顯微組織分析，其結(jié)果見(jiàn)圖1。 通過(guò)對(duì)比圖1（a）、（b）和（c）可知，僅通過(guò)高溫?cái)D壓處理，棒材組織中的強(qiáng)化相呈長(zhǎng)條狀，含量少且分布稀疏。經(jīng)過(guò)低溫?cái)D壓和高溫固溶處理后，棒材組織中的強(qiáng)化相呈圓球狀和塊狀，雖然較圖1（a）有所提升，但分布也比較稀疏。經(jīng)過(guò)高溫?cái)D壓和高溫固溶處理后，棒材組織中的強(qiáng)化相呈圓球狀和塊狀，含量明顯增加且分布密集。為進(jìn)一步分析棒材的固溶情況，對(duì)方案3、方案7 和方案9 對(duì)應(yīng)的棒材進(jìn)行了電導(dǎo)率檢測(cè)（每個(gè)方案制品檢測(cè)5點(diǎn)，取平均值），試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。由圖2可知，方案7生產(chǎn)的棒材電導(dǎo)率最低，說(shuō)明該方案處理后的制品固溶程度最好。結(jié)合方案3、方案7 和方案9 對(duì)應(yīng)的棒材的實(shí)測(cè)力學(xué)性能數(shù)據(jù)，綜合分析可知，只有同時(shí)進(jìn)行高溫?cái)D壓變形和固溶強(qiáng)化熱處理才能有效提高5A12 鋁合金棒材的力學(xué)性能，單獨(dú)使用其中任何一種方式，效果均不理想。

圖2 不同工藝處理后5A12合金棒材的電導(dǎo)率情況

3 結(jié)論

（1）高溫?cái)D壓變形和固溶強(qiáng)化熱處理同時(shí)進(jìn)行才能有效提高5A12 鋁合金棒材的力學(xué)性能，單獨(dú)使用其中任何一種方式，效果均不理想。

（2）對(duì)于直徑不大于150 mm 的5A12 鋁合金棒材，經(jīng)過(guò)400~420 ℃高溫?cái)D壓和460 ℃/1 h 固溶強(qiáng)化處理后，其力學(xué)性能指標(biāo)可完全滿(mǎn)足要求，且余量充裕適中。