5383-H321鋁合金板材的形變熱處理工藝研究

李僜諺

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

5383-H321鋁合金板材的形變熱處理工藝研究

李僜諺

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

研究了冷變形量與穩定化熱處理工藝對船用5383鋁合金板材組織和性能的影響規律。同時結合市場要求研究了GB/T 7998和ASTM G67標準對5383合金晶間腐蝕性能評判的差異。最終確定了5383-H321板材合理的形變熱處理工藝，使工業化制備的5383-H321板材滿足船用鋁合金的要求。

5383鋁合金；船用鋁合金；穩定化熱處理；剝落腐蝕；晶間腐蝕

0 前言

5383鋁合金是國外在5083鋁合金基礎上，通過降低Fe、Si等雜質含量，增加微量Cu、Zn、Zr等合金元素，發展起來的一種優于5083鋁合金的新型船用鋁合金。目前我國船用鋁合金構件大量依賴國外進口，國內對于船用鋁合金的基礎研究及工程化應用研究能力相比于國外還比較落后。本文在工業化條件下研究了冷變形量和穩定化熱處理工藝對5383鋁合金性能組織的影響規律，同時對比研究了GB/T 7998和ASTM G67兩種晶間腐蝕檢測方法對晶間腐蝕性能評判的差異，并探索出5383-H321板材的最佳工程化形變熱處理工藝，為滿足潛在市場需求做技術儲備。

1 材料及試驗方法

1.1 材料

實驗用材料為西南鋁業（集團）有限責任公司生產的5383合金鑄錠，化學成分見表1，鑄錠規格為400mm×1620mm×2500mm。

表1 5383鋁合金的化學成分/（質量分數/%）

5383鋁合金鑄錠經均勻化退火、機加、加熱后，利用2800mm四重可逆式熱粗軋機熱軋開坯，通過2800mm四重可逆式熱精軋機軋至5.0mm，然后在卷式退火爐進行完全退火。

1.2 實驗方法

在2800mm四重可逆式冷軋機上，對5.0mm厚的退火態卷材分別進行9%、12%、25%、40%、55%的冷變形。然后對不同冷變形量的板片在箱式熱處理爐進行穩定化熱處理，熱處理溫度為180℃、200℃、220℃、240℃，保溫90min。

1.3 組織觀察及性能檢測

（1）室溫拉伸實驗用試樣按GB/T16865選取，試樣取樣方向為LT向，按GB/T 228規定，在

DLy-10A萬能材料試驗機上進行室溫拉伸實驗。

（2）按GB/T 3246.1制備高倍試樣，用萊卡Leicactr4000金相顯微鏡觀察金相組織，并攝取典型組織照片。

（3）按ASTM G66標準進行剝落腐蝕試驗，并拍攝剝落腐蝕后樣品的形貌。

（4）按GB/T 7998標準進行晶間腐蝕試驗，用萊卡Leicactr4000金相顯微鏡觀察晶間腐蝕深度，并攝取典型照片。

（5）按ASTM G67進行晶間腐蝕試驗。

2 試驗結果

2.1 冷變形量對材料性能的影響

冷變形量對5383合金室溫拉伸性能的影響規律見圖1。從圖1可以發現隨著冷變形量的增大，5383合金的屈服強度和抗拉強度逐漸增大，相對伸長率逐漸減小。ASTM B928/B928M-2009規定厚度小于12.5mm的5383-H321板材的σ0.2≥230MPa，σ≥330MPa，伸長率≥10%。實驗結果表明，當冷變形量達到9%時，材料的力學性能即可滿足H321態的室溫拉伸性能要求。

圖1 5383合金室溫拉伸性能與冷變形量的關系

冷變形量對5383合金耐腐蝕性能的影響規律見表2。由表2的實驗結果可知，不同冷變形量的試樣的耐剝落腐蝕性能均為PB級。這些結果表明冷變形量對5383合金的耐剝落腐蝕性能無顯著影響。

表2 不同冷變形量對5383合金耐腐蝕性能的影響

按GB/T 7998規定的方法進行晶間腐蝕性能檢測并發現：當冷變形量不超過9%時，試樣的晶間腐蝕深度為25～30μm，屬于2級；當冷變形量達到12%甚至更大時，材料的晶間腐蝕深度增大到了3級，深度范圍在50～75μm。

國外船級社通常按ASTM G67進行晶間腐蝕性能檢測，因此極有必要按ASTM G67的試驗方法進一步研究材料的耐晶間腐蝕性能情況。根據ASTM B298/B298M-2009的規定，船用鋁合金經晶間腐蝕處理后的質量損失不應超過15mg/cm2。表2的實驗結果表明，當冷變形9%～55%時，材料的質量損失在4～7mg/cm2之間，耐晶間腐蝕性能較好，說明冷變形量對晶間腐蝕性能無顯著影響。

兩種檢測方法的實驗結果表明，冷加工程度不會顯著影響整體材料的耐晶間腐蝕性能。根據相關研究[1]表明，隨著冷板形量的增大，組織內位錯密度也逐漸增大，Mg元素的擴散也變得容易，β相的偏聚傾向逐漸增強，隨著時間的延長β相將沿晶界及位錯纏繞處呈連續析出，使得合金的耐腐蝕性能下降。對于長期服役使用的5383鋁合金要避免這種情況，因此對于冷軋態的5383合金，通常要進行穩定化熱處理，以提高合金性能的穩定性。

2.2 穩定化熱處理工藝對性能的影響

對9%、12%、25%、40%、55%冷變形試樣分別在180℃、200℃、220℃、240℃下保溫90min

進行穩定化熱處理。穩定化熱處理工藝對不同冷變形試樣的室溫拉伸性能的影響情況見圖2、圖3和圖4。實驗結果表明，隨著穩定化熱處理溫度的升高5383合金的屈服強度、抗拉強度逐漸降低，伸長率不斷升高。當冷變形量為9%時，經180℃/90min的穩定熱處理，材料的室溫拉伸性能未達到H321態的性能要求；當冷變形量為12%時，經180℃/90min的穩定熱處理后材料的室溫拉伸性能滿足H321態的性能要求。但是，當溫度升高到200℃后，材料的屈服強度低于H321態的性能要求；當冷變形量為25%時，經180～220℃/90min的穩定熱處理后材料的室溫拉伸性能滿足H321態的指標要求。當冷變形量達到40%～55%時，經過240℃/90min穩定化熱處理，材料的室溫拉伸性能滿足H321態性能要求。但對于55%冷變形，經240℃/90min的穩定熱處理后材料的強度性能遠高于H321態的性能要求，其中屈服強度高出標準約70MPa，屈服強度富余量過大。

圖2 穩定化熱處理工藝對不同冷變形量試樣屈服強度的影響

圖3 穩定化熱處理工藝對不同冷變形量試樣抗拉強度的影響

圖4 穩定化熱處理工藝對不同冷變形量試樣伸長率的影響

表3 不同冷變形量對5383合金耐腐蝕性能的影響

穩定化熱處理工藝對不同冷變形量試樣的耐腐蝕性能的影響情況見表3。由表3可知，當冷變形量為9%～12%時，經180～240℃/90min穩定化熱處理，材料的剝落腐蝕性能為PA～PB級，與穩

定化熱處理之前相比有明顯的改善。當冷變形量為25%～55%時，經180～240℃/90min熱處理，材料的剝落腐蝕性能均為PB級，與穩定化熱處理之前相比處于同一水平。

穩定化熱處理工藝對不同冷變形試樣的耐晶間腐蝕性能的影響情況見表3。實驗結果表明：當冷變形量小于12%時，經200～240℃/90min穩定化熱處理后，5383合金的晶間腐蝕深度為2～3級（GB/T 7998），質量損失為4～13mg/cm2（ASTM G67），滿足ASTM B298/B298M-2009對船用鋁合金耐晶間腐蝕性能的規定；當冷變形量為25%時，經220～240℃/90min的穩定化熱處理，材料的晶間腐蝕深度為2級（GB/T 7998），質量損失為3～7mg/cm2（ASTM G67），滿足ASTM B298/ B298M-2009要求；當冷變形量增大到40～55%時，經220～240℃/90min的穩定化熱處理，雖然材料的晶間腐蝕深度為2級（GB/T 7998），但質量損失為16～22mg/cm2（ASTM G67），不滿足ASTM B298/B298M-2009的要求。說明當冷變形量增大到40%以上時，材料的晶間腐蝕敏感性較強，既是經過240℃/90min的穩定化熱處理，仍不足以改善材料的耐腐蝕性能。

選取冷變形量為12%和25%的冷軋態以及熱處理后的樣品，通過光學金相顯微鏡觀察其第二相的分布情況，攝取的典型組織照片見圖5和圖6。

圖5 9%冷變形試樣經不同溫度穩定化熱處理后的第二相分布情況

圖6 25%冷變形試樣經不同溫度穩定化熱處理后的第二相分布情況

由圖5可知，經過9%冷變形的樣品的第二相呈不連續分布。當經過180℃/90min的穩定化熱處理后，第二相呈連續的網絡狀分布。當熱處理溫度升高到200℃時部分第二相發生了回溶，其分布情況也隨之呈不連續狀態。隨著熱處理溫度的繼續升高，更多的第二相回溶于基體，尺寸較小的第二相則完全回溶于基體，尺寸較大的第二相則變得更加細小。經過220～240℃/90min的穩定化熱處理后的樣品，與其它熱處理制度處理的樣品對比來看，其第二相的數量更少，尺寸也更小。圖6為25%冷變形試樣經不同溫度熱處理后的第二相組織，第二相的分布規律與晶間腐蝕結果與9%冷變形樣品的規律相似，只是熱處理溫度要提高到220℃時第二相才呈不連續分布，這比9%冷變形試樣提高了20℃。這說明，隨著冷變形量的增加，要使第二相回溶呈不連續分布的穩定化熱處理溫度也隨著提高。

結合不同樣品的晶間腐蝕檢測結果來看，當第二相呈連續分布時，材料的耐晶間腐蝕敏感性較強，耐腐蝕性能較差。5XXX系鋁合金是以Mg為主要合金元素，其中Mg元素主要以固溶狀態和β（Mg2Al3或Mg5Al8）相存在[2]。根據相關研究[3]可知，β相與基體的電極電位不同，β相的腐蝕電位相對于α(Al)基體更負，在腐蝕介質中，β相相對于α(Al)基體呈陽極，在合金中會優先腐蝕。在

腐蝕環境中連續分布的β相，將成為陽極腐蝕通道使得合金極容易發生晶間腐蝕而破壞，所以連續分布的β相對材料的耐腐蝕性能是有害的。

3 結論

（1）冷軋變形量對5383合金的剝落腐蝕無顯著影響，在9%～55%的冷變形條件下，5383合金的耐剝落腐蝕、耐晶間腐蝕性能均能滿足船用鋁合金對腐蝕性能的要求。

（2）5383合金H321態的冷變形量宜按25%控制，同時穩定化熱處理溫度宜按220℃控制較好，經穩定化熱處理90min后，材料能夠過獲得較好的綜合性能。

[1] 王國軍.5383-H321鋁合金板材穩定化熱處理制度的確定[D].第十二屆中國有色金屬學會材料科學與合金加工學術研討會文集，2007，125-131

[2] 肖亞慶.鋁加工技術實用手冊[M].北京∶冶金工業出版，2005，151-151

[3] 李學朝.鋁合金材料組織與金相圖譜[M].北京∶冶金工業出版，2010，257-273

（編輯：楊毅）

采用超聲波振動解決大型鋁錠中鐵基結晶產物造成的二次缺陷

歐洲專利 JP2013066920

本專利提供了一種解決大型鋁合金鑄坯中出現的鐵基結晶產物造成的二次缺陷的問題。具體的辦法是在半固態鑄造時，從多個方向對不銹鋼金屬型中的鋁液進行超聲波振動，破壞組織粗大的鐵基結晶產物，使粗大的結晶晶粒得到細化和均化，從而大幅度改善鋁合金鑄坯的力學性能。

采用強力剪切方法處理金屬液的方法及其裝置

歐洲專利 EP2616754

本專利涉及一種采用強力剪切方法處理金屬液的方法及其裝置（高剪切裝備）。該裝置由相互具有很小間隙的轉子/定子等組成，它能提供強力的剪切攪拌，有效均勻地分散在金屬液中的氣體、液體和固體相而不會在液面產生嚴重的紊流。該裝置可通過同心或垂直安排單個的轉子/定子組合體而擴展為多級高剪切泵。該裝置與高剪切泵很容易結合起來應用于現有鑄造工藝中，因此，該裝置可用于壓力鑄造、低壓鑄造、重力鑄型鑄造、熔模精密鑄造等其他需要液體金屬的鑄造工藝。

Research on Thermo-mechanical Treatment Process for 5383-H321 Aluminum Alloy Plate

LI Deng-yan
（Southwest Aluminum (Group) Co.,Ltd., Chongqing 401326, China）

Effect of cold deformation and stabilizing heat treatment process on microstructure and property of 5383 aluminum alloy plate for marine were studied. Reasonable heat treatment process of 5383-H321 plate was determined, and industrial production 5383-H321 plates meet the requirement of marine.

5383-H321; intergranular corrosion; thermo-mechanical treatment; marine

TG166.3

A

1005-4898（2016）03-0052-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.03.13

李僜諺（1986-），男，甘肅武威人，助理工程師，主要從事鋁合金材料的軋制及熱處理工藝研究。

2016-04-25