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(qiáng)度高等特點(diǎn)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(chē)用鋼板，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的目的。但鋁合金板材在成形時(shí)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(chē)用鋼板相比，Al-Mg-Si 合金在成形性方面仍處于劣勢(shì)，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(gè)不斷旋轉(zhuǎn)著的軋輥輥縫之間，使液體金屬在極短的時(shí)間內(nèi)就可以完成冷卻、結(jié)晶、凝固等過(guò)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(jiǎn)單、工藝流程短以及能耗低等優(yōu)點(diǎn)。但由于板材在極冷作用成形時(shí)易產(chǎn)生縮孔、裂紋等缺陷，嚴(yán)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(guò)對(duì)7×××系鋁合金進(jìn)行溫軋實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，430 ℃時(shí)溫軋可使鋁合金的強(qiáng)度和塑性均達(dá)到較高水平。Rao P N[5]等在對(duì)6061 鋁合金采用不同軋制工藝時(shí)發(fā)現(xiàn)，與單純采用冷軋相比，若同時(shí)采用溫軋與冷軋，鋁合金的拉伸強(qiáng)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(shí)鑄軋板材成形性能最優(yōu)，此時(shí)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(guò)程結(jié)束時(shí)板材還存在一定余溫，利用余溫進(jìn)行二次軋制，既保留了鑄軋工藝流程短的工藝特點(diǎn)，又能實(shí)現(xiàn)軋制的目的[6]。基于此，本文研究了不同余溫軋制制度對(duì)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(jī)理，以提升鑄軋板的成形性能。

1 實(shí)驗(yàn)方案

采用雙輥鑄軋?jiān)囼?yàn)機(jī)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(jiàn)表1）。當(dāng)合金板材鑄軋之后，合金板材不會(huì)瞬間冷卻，此時(shí)進(jìn)行余溫軋制實(shí)驗(yàn)（軋機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2）。軋制溫度不同，軋制后的板材質(zhì)量不同。溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致板材內(nèi)部雜質(zhì)分層，引起板材開(kāi)裂；而當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，會(huì)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(shí)余溫軋制，硬化的合金會(huì)發(fā)生一定程度的回復(fù)。相比于冷軋來(lái)說(shuō)，利用余溫軋制之后的板材具有更好的塑性能力；相對(duì)熱軋來(lái)說(shuō)，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(jìn)行熱處理加工，本實(shí)驗(yàn)使用NWTX13B 高溫電阻爐進(jìn)行固溶時(shí)效（T6）處理，530 ℃/2 h 水冷（固溶處理）+120 ℃/6 h空冷（時(shí)效處理）。

表2 軋機(jī)基本參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 余溫軋制壓下量對(duì)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(shí)Al-Mg-Si鑄軋板材在不同壓下量余溫軋制時(shí)邊部顯微組織。當(dāng)壓下量為10%時(shí)，板材邊部晶粒組織多為原始鑄軋態(tài)樹(shù)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(shí)，板材邊部組織仍然存在鑄軋態(tài)樹(shù)枝晶與胞狀晶，尺寸較10%壓下量時(shí)明顯減小，且部分等軸晶粒分布在樹(shù)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(shí)，組織主要為鑄軋態(tài)樹(shù)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(dá)到30%時(shí)，組織類(lèi)型并無(wú)明顯變化，但無(wú)論是樹(shù)枝晶還是胞狀晶尺寸都變得細(xì)小，分布更加均勻，且更多細(xì)小的等軸晶分布在樹(shù)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(shí)，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(shuō)，如果余溫軋制壓下量太小，晶粒形貌不會(huì)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(shí)心部顯微組織?？梢钥闯?，當(dāng)壓下量為10%時(shí)，板材心部顯微組織多為等軸晶。在鑄軋過(guò)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(huì)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(shì)，但由于壓下量較小，所以這些鑄軋過(guò)程中形成的縮孔仍然存在。當(dāng)壓下量為15%時(shí)，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(shí)，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(huì)沿著變形方向延伸。當(dāng)壓下量為30%時(shí)，組織為無(wú)擇優(yōu)取向的等軸晶，縮孔數(shù)量大幅度減少，致使這些無(wú)擇優(yōu)取向的等軸晶?；ハ嘁Ш?，沒(méi)有明顯分界面，大幅降低了裂紋擴(kuò)展的幾率，這些細(xì)小的等軸晶對(duì)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(duì)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(shí)邊部SEM 圖像。如圖所示，當(dāng)余溫軋制壓下量為10%、15%和20%時(shí)，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(diǎn)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(shí)，部分鏈狀共晶相轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀；在壓下量達(dá)到30%時(shí)，鏈狀共晶相基本消失，共晶相主要為線(xiàn)條狀、短棒狀與顆粒狀。這些彌散分布在位錯(cuò)與晶界之間的顆粒狀共晶相可以起到很強(qiáng)的釘扎作用，使得晶界遷移困難，阻礙晶粒生長(zhǎng)，進(jìn)而達(dá)到細(xì)化晶粒的效果，從而顯著提升板材的強(qiáng)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(shí)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(diǎn)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(duì)板材強(qiáng)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?yàn)橛鄿剀堉茐合铝坎蛔悖瑢?dǎo)致心部共晶相形貌并無(wú)明顯改變，但是尺寸相對(duì)變小。當(dāng)壓下量為30%時(shí)（見(jiàn)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(huì)造成位錯(cuò)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(duì)Al-Mg-Si 鑄軋板材織構(gòu)的影響

晶粒取向會(huì)在變形過(guò)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(gè)晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在鑄造、軋制、拉伸與擠壓等加工過(guò)程中都會(huì)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(shí)晶粒發(fā)生變形行為的示意圖。

圖5 多晶體變形時(shí)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(shí)，{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(shí)，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(gè)晶面聚集分布位置不同，這也就導(dǎo)致了三個(gè)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(jìn)行塑性變形過(guò)程中會(huì)生成變形織構(gòu)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程會(huì)形成再結(jié)晶織構(gòu)，但因?yàn)閮蛇^(guò)程同時(shí)進(jìn)行，使得兩類(lèi)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(guò)程會(huì)受到多種因素的影響，因此塑性變形與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶兩個(gè)過(guò)程會(huì)在不同程度上受到促進(jìn)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(shì)，主要由原始變形織構(gòu)逐漸變?nèi)?、再結(jié)晶織構(gòu)逐漸變強(qiáng)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(shí)，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(qiáng)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(shí)，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(shí)，在φ2=20°和φ2=65°截面上存在較強(qiáng)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(shí)，在φ2=20°截面上存在極強(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(shí)織構(gòu)類(lèi)型極為復(fù)雜。隨著余溫軋制壓下量的增加，織構(gòu)最大強(qiáng)度呈先減小后增加的趨勢(shì)，與極圖所得規(guī)律基本一致。推斷原因?yàn)樵谛》秶鷫合铝繒r(shí)，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(qiáng)度增加，變形織構(gòu)強(qiáng)度減小。當(dāng)壓下量達(dá)到一定程度時(shí)變形織構(gòu)占據(jù)主導(dǎo)地位，強(qiáng)度增強(qiáng)。

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(lái)越小，細(xì)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(dá)到30%時(shí)變?yōu)轭w粒狀、短棒狀與線(xiàn)條狀。心部晶界析出相形貌并無(wú)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(qiáng)度呈先減小后增加的趨勢(shì)。