5083铝合金铸锭均匀化退火的组织与性能

李学伟,　王国军,　周长海,　曹永亮

(1.黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022;2.东北轻合金有限责任公司, 哈尔滨 150060)



5083铝合金铸锭均匀化退火的组织与性能

李学伟1,王国军2,周长海1,曹永亮2

(1.黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022;2.东北轻合金有限责任公司, 哈尔滨 150060)

为研究5083铝合金均匀化退火后的组织及力学性能，利用光学显微镜、扫描电镜、万能力学实验机,分析了5083铝合金铸锭不同均匀化退火工艺后组织演变与力学性能变化。结果表明:随均匀化退火温度的提高,铸锭枝晶β相大部分溶解,剩余β相有球化的趋势。常温力学性能测试表明，均匀化退火后,拉伸强度明显提高,延伸率下降,显示脆性断裂;高温瞬时拉伸表明，均匀化退火降低了铸锭的拉伸强度,显示解理断裂。

5083铝合金; 均匀化退火; 常温拉伸; 高温拉伸

0　引　言

5083合金属于Al-Mg系合金,具有较高的强度,良好的塑性、抗蚀性及加工性等,主要用于模具、船板、船外壳、燃料储存罐等[1]。 它是一种热处理不可强化合金,主要通过Mg原子固溶强化以及加工硬化[2]。因此,铸锭的原始组织对材料的最终使用性能有很大影响,通常需对铸锭进行均匀化退火处理,以减少和消除晶内偏析, 改善铸锭化学成分和组织不均匀性[3-4]。同时,为了提高生产效率、节约能源、进一步增产增效,对现有均匀化退火工艺进行合理改善和优化也刻不容缓[5]。基于此,笔者对5083铝合金在不同温度下进行均匀化退火,以分析均匀化退火机制对铸锭组织及力学性能的影响。

1　实验材料与方法

1.1实验材料

5083铸锭为东北轻合金有限责任公司提供的方形板材,其成分如表1所示。

表1　5083铝合金的化学成分

1.2实验方法

1.2.1差热分析实验

采用德国耐驰公司推出型号为STA-449C的同步TG-DSC热分析仪,对5083铝合金试样进行差热分析(DSC)测试。从室温至700 ℃进行动态升温扫描,升温速率为10 ℃/min,扫描时试样在纯度99.999%氮气保护下进行,氮气流量为20 mL/min。图1为5083铝合金铸锭的差热分析曲线。图1可以看出,在542～584 ℃之间出现吸热峰,说明此间发生相变。均匀化处理过程一般要考虑过烧的影响,如果合金元素含量较多,在均匀化升温过程较快时,对应的低熔点相来不及扩散到基体当中,会发生过热或过烧现象,使产品失效甚至报废[6]。因此均匀化温度应选择在542 ℃以下,根据相关文献报道[1,2,5,7],最终选择均匀化退火温度为420、460和480 ℃三个温度。

图1　5083铝合金铸锭DSC曲线

1.2.2均匀化退火实验

把30 mm×30 mm×30 mm的5083合金试样放入合肥科晶材料技术有限公司生产的型号为KSL-1100的箱式高温烧结炉进行均匀化退火处理,温度精度±1 ℃。退火温度为420、460和480 ℃,时间10 h。采用10%的NaOH水溶液浸泡5 min,之后用4%硝酸水溶液擦拭0.5～1.0 min,对试样进行腐蚀并做金相观察。利用型号为CamScan 3400LV的扫描电镜,对组织和断口形貌细致观察,同时运用能谱对析出物进行分析。

1.2.3力学实验

常温力学实验按照国标GB/T16865—97规定加工试样。高温瞬时拉伸执行国标GB/T6395—86的规定。两种力学性能测试均在CMT5305型微机控制电子万能实验机的单向拉伸实验系统上进行。

2　结果与讨论

2.1不同温度下5083铝合金铸锭的组织

图2是5083合金铸锭和不同温度均匀化退火10 h后铸锭的组织。图2可以看出,原始铸锭枝晶网不连续,分布骨骼状的β相(Mg2Al3)、呈多边形块状的(FeMn)Al6相及Al基体α相。经均匀化退火后,枝晶网β相已部分溶解,并从基体中析出大量的β(Mg2Al3)等相的弥散质点。虽然仍有部分枝晶网β相未能彻底消除,但此时已经变得没有棱角趋于球化状态。随着温度的提高,析出相明显增多且均匀分布。铸锭中枝晶网β相主要是铸造过程中,当温度下降到451 ℃时Al和Mg发生离异共晶反应生成Mg2Al3相。大部分Mg和几乎所有的Si固溶到Al基体中。(FeMn)Al6相的形成是铸造过程中在658 ℃发生离异共晶反应,生成MnAl6相,当温度下降到655 ℃时,Fe和Al发生共晶反应生成FeAl3。MnAl6和FeAl3在随后的温降过程中转化为 (FeMn)Al6相。在均匀化过程中共晶的Mg2Al3及Mg2Si相固溶到基体中,在随后的冷却过程中再次析出,形成数量相对较多的Mg2Al3和少量Mg2Si相弥散地均匀分布在基体中[6-7]。

图2　5083铝合金铸锭均匀化退火组织

2.2不同温度下5083合金铸锭的力学性能

2.2.1常温

图3为均匀化处理和未处理铸锭的常温拉伸力学性能,图3可以看出经均匀化退火后,铸锭的拉伸强度σ明显增大,且不同温度下均匀化退火时的拉伸强度几乎相同。均匀化处理的铸锭组织中枝晶网β相的数量减少,断续网状分布物消失,剩余枝晶网β相变得没有棱角趋于球化,脆性相减少,同时基体中弥散析出β(Mg2Al3)和少量的Mg2Si相,起到强化作用[6]。如图3所示,均匀化处理的铸锭拉伸强度有明显提高。对比不同温度均匀化处理的组织可以看出,虽然随温度提高析出相增多,但合金中Mg质量分数仅4.0%～4.9%,加之析出过程是扩散控制,析出相的强化作用未有明显的变化。从延伸率δ可以看出,均匀化处理后延伸率明显降低,且温度越高延伸率越低。主要是弥散析出相对位错运动起到钉扎,同时枝晶网β相趋于球化,同样也可以组织晶粒间的滑移,总体上延伸率有所降低[6]。图4为480 ℃均匀化退火拉伸断口形貌。图4可以看出断口基本没有发生缩颈,虽然存在韧窝,但韧窝数量很少,且韧窝间的距离比较大,而且出现明显的解理断裂的痕迹,所以5083的常温拉伸断裂方式为脆性断裂。

图3　不同均匀化处理铸锭的常温力学性能

图4　480 ℃均匀化退火常温拉伸断口形貌

2.2.2瞬时高温

图5为均匀化处理和未处理铸锭在400 ℃保温15 min后的高温瞬时拉伸力学性能。图6为480 ℃均匀化退火后高温瞬时拉伸断口形貌。

图5　不同均匀化处理铸锭的高温瞬时力学性能

图6　480 ℃均匀化退火高温瞬时拉伸断口形貌

图5可以看出经均匀化退火后,拉伸强度明显降低,在460 ℃/10 h均匀化处理时达到最低,480 ℃/10 h均匀化退火后稍有增加,但也明显低于未处理铸锭的拉伸强度。延伸率总体也显示随均匀化退火温度提高而降低的趋势。拉伸强度和延伸率的变化与铸锭内部组织变化有密切联系。由Al-Mg相图可知,Al-Mg合金发生共晶温度为450 ℃,生成Mg2Al3。随均匀化退火温度升高,超过Al-Mg共晶温度,枝晶网Mg2Al3发生溶解和扩散,同时析出强化相也发生溶解与扩散,总体上增强效果下降,拉伸强度下降。延伸率下降可能与枝晶网Mg2Al3发生溶解,局部区域体积变化,引起内应力,易于在晶界上形成裂纹源,导致断裂有关。延伸率下降机制还需进一步研究。图6可以看出,断口基本没有发生缩颈,显示冰糖状的解理断口形式。

3　结　论

(1)对5083铝合金铸锭在420、460及480 ℃均匀化退火10 h后, 铸锭中枝晶网β相减少,网状结构消失。

(2)均匀化退火后,铸锭的常温拉伸强度明显提高,延伸率下降。

(3)高温瞬时拉伸强度随均匀化退火温度提高而显示降低趋势。

[1]吕新宇. 5083铝合金热轧板研究[D]. 上海： 中国科学院上海冶金研究所, 2000.

[2]罗兵辉, 单毅敏, 柏振海. 退火温度对淬火后冷轧5083锅合金组织及腐蚀性能的影响[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2007, 38(5): 802-808.

[3]陈永禄, 傅高升, 陈文哲, 等. 均匀化退火对 Al-Mn-Mg 合金高温压缩流变应力的影响[J]. 热加工工艺, 2008, 29(2): 103-107.

[4]张中可, 车云, 门三泉, 等. Al-Mg-Si-Cu 合金均匀化退火工艺研究[J]. 铝加工, 2011(3): 22-24.

[5]王国军, 梁岩. 不同均匀化工艺对5083铝合金组织性能的影响研究[J]. 金属世界, 2007(5): 42-46.

[6]马成国, 桑玉博. 5083铝合金均匀化退火工艺研究[J]. 热加工工艺, 2012, 41(24): 205-207.

[7]吴欣凤. 5083铝合金铸锭均匀化处理对铸锭和板材组织与性能的影响[J]. 轻合金加工技术, 2007, 35(8): 48-53.

(编辑徐岩)

Homogenizing annealing microstructure and mechanical properties of 5083 aluminum alloy ingot

LIXuewei1,WANGGuojun2,ZHOUChanghai1,CAOYongliang2

(1.School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.Northeast Light Alloy Co. Ltd., Harbin 150060, China)

Aimed at the study of 5083 aluminum alloy homogenization organization and mechanical properties after annealing，this paper is an analysis of the evolution of microstructures and mechanical properties of 5083 aluminum alloy ingot after homogenizing annealing using optical microscopy(OM), scanning electron microscopy(SEM) and universal mechanical testing machine. The results indicate that increasing homogenizing annealing triggers the dissolution of most eutecticβphase in ingot, giving the remainingβphase a tendency to nodulizing. Room temperature mechanical properties show that homogenizing annealing is followed by a significant increase in tensile strength and decrease in ductility, an indication of brittle fracture. High temperature instantaneous tensile tests suggest that homogenizing annealing tends to decrease tensile strength, showing cleavage facture.

5083 aluminum alloy; homogenizing annealing; room temperature tensile; high temperature instantaneous tensile

2013-06-09

黑龙江省杰出青年科学基金项目(JC201013); 哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目(2010RFJGG006)

李学伟(1965-),男,河南省通许人,教授,硕士,研究方向:金属材料与涂层性能,E-mail:lixueweilxw@126.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.006

TG166.3

1671-0118(2013)04-0341-04

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