張希園

（中鋁瑞閩股份有限公司，福州 350015）

0 前言

伴隨5G 電子產(chǎn)品朝著輕薄、便攜、散熱及高顏值的方向發(fā)展，新型材質(zhì)的選擇成為電子產(chǎn)品外殼減重的重要途徑之一。相比鎂合金、塑料及碳纖維等材料，鋁合金不論成形性、耐蝕性、性價(jià)比等方面均更具優(yōu)勢(shì)，但鋁合金面臨著強(qiáng)度不足而無法進(jìn)一步減薄的難題。電子外殼用高性能鋁材要求具有良好的強(qiáng)塑性，沖壓拉孔不開裂，同時(shí)噴砂陽極氧化處理后表面無“料紋”、色澤均勻、耐磨、耐蝕等特點(diǎn)。

業(yè)界普通認(rèn)為5×××系鋁合金添加高含量的Mg、Cu、Cr 等元素可提高鋁材強(qiáng)度。但經(jīng)過冷軋的鋁材由于加工硬化及在各向異性的影響下，鋁基材有很大的內(nèi)應(yīng)力，塑性很差，導(dǎo)致成品沖壓成型時(shí)易開裂。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中需在冷軋中間厚度安排一次再結(jié)晶退火，消除軋制積累的加工硬化和內(nèi)應(yīng)力，恢復(fù)材料塑性，改善成品沖壓性能。本文重點(diǎn)研究不同中間退火工藝對(duì)高鎂鋁合金組織性能的影響規(guī)律，為技術(shù)開發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的高鎂鋁合金扁錠，規(guī)格為520 mm× 1 400 mm× 6 200 mm，其試驗(yàn)化學(xué)成分見表1。

表1 高M(jìn)g-Al試驗(yàn)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)方案

鑄錠經(jīng)過鋸切銑面后在500 ℃/3 h 均勻化熱處理后通過“1+3”熱軋機(jī)組軋至6.0 mm，熱軋終軋溫度為330 ℃。熱軋卷材冷軋機(jī)通過83.3%總加工率5道次軋制至厚度1.0 mm之后，取1.0 mm×200 mm×300 mm規(guī)格樣品進(jìn)行不同退火方案試驗(yàn)。

5×××系合金冷軋板帶材在工業(yè)化生產(chǎn)中退火主要采用箱式爐退火與氣墊爐退火兩種方式，通過控制退火溫度和保溫時(shí)間，獲得材料所需的組織性能。與傳統(tǒng)箱式爐相比，氣墊式連續(xù)爐具有加熱速度快、溫度精度高、冷卻速度快、性能均一、表面質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[1]。本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)9種不同模擬退火方案，具體見表2，其中方案1～方案4 為箱式爐330 ℃退火，方案3～方案8為箱式爐380 ℃退火，方案9采用快速升溫爐模擬氣墊爐380 ℃/10 s退火工藝。

表2 退火試驗(yàn)方案

將冷軋板材經(jīng)箱式爐及UNITEMP 快速升溫爐進(jìn)行不同方案退火處理，得到試驗(yàn)樣品。經(jīng)萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試力學(xué)性能，利用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察晶粒組織分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織及晶粒尺寸變化

圖1 為不同退火工藝下試樣的顯微組織，表3為不同退火工藝下Al-Mg鋁合金試樣的表面平均晶粒尺寸。

圖1 不同退火工藝下合金的晶粒組織

表3 不同退火工藝下合金表面平均晶粒尺寸

對(duì)比圖1不同狀態(tài)試樣晶粒情況，未經(jīng)退火的冷軋板表面晶粒沿軋制方向呈細(xì)長纖維狀，未發(fā)生再結(jié)晶。

在箱式爐330 ℃高溫退火作用下，原子擴(kuò)散速度加快，合金在冷軋過程中產(chǎn)生的位錯(cuò)，空位快速回復(fù)，材料發(fā)生再結(jié)晶。對(duì)比方案1～方案4，330 ℃退火溫度，2 h/6 h/9 h/12 h保溫時(shí)間晶粒圖及晶粒尺寸，晶粒組織基本上為橢圓形或近圓形的等軸晶，說明在此溫度下冷軋態(tài)的纖維組織已完全消失，材料完全再結(jié)晶；4組工藝的平均晶粒尺寸分別為16.6 μm/17.6 μm/16.9 μm/17.2 μm，尺寸差距小，說明在330 ℃退火溫度下，保溫時(shí)間的長短對(duì)晶粒尺寸的影響較小。

當(dāng)箱式退火溫度繼續(xù)升高到380 ℃時(shí)，方案5保溫2 h 的晶粒較均勻，平均晶粒尺寸為17 μm，同330 ℃退火溫度的方案1～方案4 相比合金晶粒尺寸相當(dāng)。退火時(shí)間增加至6 h、9 h、12 h 時(shí)，合金組織中部分晶粒逐漸不規(guī)則長大，平均晶粒尺寸分別達(dá)到21.2 μm/21.6 μm/22.3 μm。在380 ℃退火溫度下，隨保溫時(shí)間延長，晶粒呈長大趨勢(shì)。

在使用箱式爐退火時(shí)，330 ℃可以保證長時(shí)間退火下晶粒穩(wěn)定不長大，在此基礎(chǔ)上提高退火溫度，需控制保溫時(shí)間以使合金獲得均勻等軸晶粒。

方案9 模擬氣墊爐，即在150 s 時(shí)間內(nèi)由室溫25 ℃快速升溫至380 ℃，并保溫10 s的高溫短時(shí)退火，整體晶粒尺寸細(xì)小均勻，平均晶粒尺寸僅為12.1 μm。使用氣墊爐退火相較于箱式爐中低溫長時(shí)退火，氣墊爐的高溫短時(shí)加熱使材料可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成回復(fù)并開始再結(jié)晶，內(nèi)部纖維狀組織發(fā)生再結(jié)晶時(shí)，形核率高，同時(shí)高溫短時(shí)加熱減緩了阻礙晶粒長大的一些第二相及夾雜物的溶解過程，使晶粒長大的趨勢(shì)減弱，從而迅速生成細(xì)小均勻的等軸晶組織[2]。

2.2 不同退火工藝對(duì)合金力學(xué)性能的影響

不同退火試驗(yàn)方案的軋制方向力學(xué)性能如表4所示。經(jīng)冷軋加工率83.8%的加工硬化后，抗拉強(qiáng)度454 MPa，屈服強(qiáng)度428 MPa，延伸率2.84%，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度得到極大提升，延伸率很低。

表4 不同退火工藝下合金力學(xué)性能

對(duì)比方案1～方案4，箱式爐330 ℃退火溫度，保溫2～12 h 的力學(xué)性能，隨時(shí)間延長，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度隨之降低，延伸率隨之提高。保溫12 h同保溫2 h 對(duì)比，抗拉強(qiáng)度降低9 MPa，屈服強(qiáng)度降低4 MPa，延伸率提升7%。

對(duì)比方案5～方案8，箱式爐380 ℃退火溫度下保溫2～12 h 的力學(xué)性能，隨時(shí)間延長，抗拉強(qiáng)度隨之降低，屈服強(qiáng)度變化較小，延伸率隨之提高，保溫12 h 同保溫2 h 對(duì)比抗拉強(qiáng)度降低6 MPa，延伸率提升1%。

在相同的退火溫度下，隨保溫時(shí)間延長，抗拉強(qiáng)度逐漸降低，屈服強(qiáng)度降低或不變，延伸率逐漸升高。在一定保溫時(shí)間下，金屬內(nèi)部完成充分再結(jié)晶。但隨保溫時(shí)間繼續(xù)增加，晶粒繼續(xù)長大，等軸性得以進(jìn)一步改善，材料抗拉及屈服強(qiáng)度略有下降，延伸率得以提升。同時(shí)對(duì)比箱式爐330 ℃及380 ℃退火，相同保溫時(shí)間下材料力學(xué)性能、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較為接近，但380 ℃保溫6～12 h相較330 ℃保溫6～12 h，其延伸率降低2.42%～2.82%。溫度的升高增加了可動(dòng)位錯(cuò)的數(shù)目與移動(dòng)速度，再結(jié)晶的發(fā)生是以低位錯(cuò)密度的新晶粒代替高位錯(cuò)密度的舊晶粒，這一切都將使塑性變形過程中的畸變能進(jìn)一步釋放，進(jìn)而使材料發(fā)生軟化[3]。但高溫長時(shí)退火導(dǎo)致晶粒粗大且均勻性更差，從而降低延伸率。

方案9 是氣墊爐380 ℃退火溫度保溫10 s 工藝退火，抗拉強(qiáng)度330 MPa，屈服強(qiáng)度186 MPa，延伸率28.14%，屈服強(qiáng)度及延伸率均高于前8組箱式爐退火方案。

氣墊爐高溫短時(shí)退火通過極快的加熱速度，減小阻礙晶粒長大的一些第二相及夾雜物的溶解過程，減弱晶粒長大趨勢(shì)，得到更為細(xì)小均勻的晶粒。和箱式爐退火相比，細(xì)小密集的晶粒使材料擁有更高的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度，同時(shí)更均勻的晶粒提高了材料的延伸率。

3 結(jié)論

（1）模擬箱式爐退火溫度330 ℃，保溫時(shí)間2～12 h，均發(fā)生完全再結(jié)晶，并隨著保溫時(shí)間延長，延伸率隨著升高，晶粒等軸性得以改善。

（2）模擬箱式爐退火溫度380 ℃，保溫時(shí)間2～12 h，均發(fā)生完全再結(jié)晶，并隨著保溫時(shí)間延長，晶粒呈長大趨勢(shì)，延伸率相較與箱式330 ℃有所降低。在使用箱式爐退火時(shí)，需控制退火溫度及保溫時(shí)間以使合金獲得均勻等軸晶粒，達(dá)到良好塑性。

（3）模擬氣墊式爐高溫短時(shí)退火時(shí)，整體抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率都高于箱式爐退火方案。通過極高的升溫速率及退火溫度，減緩阻礙晶粒長大的一些第二相及夾雜物的溶解過程，減弱晶粒長大趨勢(shì)，合金中的回復(fù)及再結(jié)晶均在短時(shí)間內(nèi)完成，更容易形成細(xì)小均勻的等軸晶粒，塑性最好。