5083鋁合金棒材鑄態(tài)微觀組織及鑄造缺陷分析

徐亞軍，陳長(zhǎng)科，馬小紅，馮偉，馬冰

（新疆眾和股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830013）

5083鋁合金屬于鋁鎂錳系合金，具有較高的耐蝕性、良好的焊接性及較好的塑性。可加工成板材、棒材、型材、管材、線(xiàn)材及鍛件等半成品，廣泛地應(yīng)用于船舶制造、航空航天、模具制造、軌道交通等領(lǐng)域。

進(jìn)口5083鋁合金產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)于國(guó)產(chǎn)5083鋁合金主要是因以下幾個(gè)方面性能：

①成分均勻性：合金鑄造過(guò)程或多或少存在成分偏析問(wèn)題，成分的穩(wěn)定性直接影響產(chǎn)品性能的均勻性。

②化合物及組織控制：5083鋁合金中起強(qiáng)化作用的主要是β（Mg5Al8）相、Mg2Si等，還有其他化合物如（FeMn）Al6、FeAl3等，不同鑄造工藝狀態(tài)下，化合物的形態(tài)不同。不同化合物因其形態(tài)、特性對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用，須進(jìn)行工藝控制，因?yàn)橥N化合物形態(tài)不同時(shí)起到強(qiáng)化作用不同、耐蝕性、耐高溫性能亦不同。針狀、片狀粗大化合物會(huì)造成合金的脆化，且粗大化合物存在的部位易引起應(yīng)力集中增加開(kāi)裂及腐蝕傾向。化合物形態(tài)及組織的控制是合金性能最關(guān)鍵的控制點(diǎn)，也是分級(jí)的主要參考。

③氣體含量及渣含量控制：現(xiàn)階段鋁合金鑄造過(guò)程氣體含量主要通過(guò)精煉工藝優(yōu)化及鑄造過(guò)程管控進(jìn)行控制。氣體含量增加同時(shí)會(huì)增加產(chǎn)品內(nèi)部夾渣風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)闅庠偸前樯嬖诘摹Ｔ恐饕ㄟ^(guò)過(guò)濾工序進(jìn)行控制，常用過(guò)濾裝置包括過(guò)濾板、深床過(guò)濾及管式過(guò)濾，須依據(jù)合金及產(chǎn)品特性選擇合適的過(guò)濾裝置。

④產(chǎn)品一致性及穩(wěn)定性：相比產(chǎn)品的高品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品穩(wěn)定一致的性能管控更為重要，特別是船舶制造、航空航天及軌道交通等領(lǐng)域，涉及民生安全的領(lǐng)域，產(chǎn)品的一致性、穩(wěn)定性比高標(biāo)準(zhǔn)更為重要。

國(guó)內(nèi)關(guān)于5083鋁合金鑄造工藝、缺陷、化合物及性能研究也較多，主要制備及研究單位有東北輕合金、南南鋁、中鋁及山東兗礦等。

李廣宇、張艷飛[1]等研究了5083鋁合金軋制板裂紋的原因。經(jīng)金相及掃描電鏡分析，軋制裂紋主要原因是疏松組織，冶金質(zhì)量對(duì)后加工性能起到直接作用。閆炎、楊顯芳等[2]研究了5083鋁合金板材金屬化合物的缺陷原因及預(yù)防措施。研究人員采用水浸超聲波檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)板材內(nèi)部缺陷、定位缺陷后剖傷分析，確認(rèn)缺陷類(lèi)型是Al-Ti-V-Cr-Mn等粗大金屬化合物，提出通過(guò)控制熔煉溫度、鑄造溫度和鑄速等措施控制鑄錠內(nèi)部金屬化合物形態(tài)。鄭許、謝尚昇[3]等研究了φ350mm 5083鋁合金圓棒探傷進(jìn)行缺陷定位，并通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀進(jìn)行缺陷分析，確認(rèn)缺陷為粗大金屬化合物（AL7Cr）,缺陷形成原因?yàn)殍T造溫度及鑄造液面不穩(wěn)有關(guān)。張梅、趙建國(guó)[4]等研究了5083合金中金屬間化合物，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)夾渣主要為（FeCr）Al7化合物。張宏亮[5]研究了5083鋁合金鑄塊均熱加熱工藝，在保證性能基礎(chǔ)上節(jié)省14h均熱時(shí)間。李志強(qiáng)、楊啟杰[6]等研究研究了5083鋁合金精密鑄造工藝。通過(guò)鋁合金成分優(yōu)化、晶粒細(xì)化劑添加及熔鑄工藝控制，制備5083鋁合金鑄板的質(zhì)量可達(dá)到國(guó)外同類(lèi)同類(lèi)產(chǎn)品水平。

周慶波[7]研究了大直徑5083鋁合金圓鑄錠的熔鑄工藝。鑄造圓錠規(guī)格為φ660mm，鑄錠邊部晶粒尺寸為59μm，心部晶粒尺寸為97μm，且無(wú)裂紋。任智森、張英[8]等研究了大規(guī)格5083鋁合金管的熱頂模鑄造工藝。鑄鋁管規(guī)格為φ800mm，采用可收縮內(nèi)置金屬芯鑄造工藝可實(shí)現(xiàn)大內(nèi)孔的鋁合金管鑄造。馬月、王強(qiáng)[9]等研究了5083鋁合金大規(guī)格圓鑄錠熔鑄工藝。鑄錠規(guī)格為φ720mm圓錠，對(duì)比A、B兩種不同鑄造工藝均實(shí)現(xiàn)合金棒材制備，通過(guò)對(duì)鑄錠外觀質(zhì)量、成分、組織及性能的全面分析，確認(rèn)了鑄錠的熔鑄工藝。

本文通過(guò)分析5083鋁合金棒材微觀組織，分析棒材內(nèi)部鑄造缺陷并提出預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)試制了φ164mm的5083鋁合金圓鑄棒，棒材成分見(jiàn)表1。由鑄造圓棒頭尾部鋸切厚度20mm樣片，再?gòu)念^尾部樣片上切取微觀組織分析塊狀小樣，小樣尺寸20＊20＊20mm。試樣磨拋使用MoPao300型自動(dòng)磨拋機(jī)，試樣觀察使用OLYMPUS GX51光學(xué)顯微鏡。

（1）棒材鑄造

根據(jù)表1配置5083鋁合金，熔煉溫度控制為750℃～760℃，鋁液完全融化后扒除表面浮渣，添加鎂合金完全融化后攪拌均勻，取樣進(jìn)行成分分析，確認(rèn)成分合格后精煉、扒渣做澆鑄準(zhǔn)備。

澆鑄鋁液溫度控制在690℃～710℃，針對(duì)小直徑棒材鑄速可適當(dāng)提高，針對(duì)大直徑5083棒材鑄速調(diào)慢，冷卻水量降低防止棒材開(kāi)裂傾向。

（2）化合物分析

將鋸切小樣經(jīng)240#，600#，1000#，2000#砂紙打磨后進(jìn)行拋光。使用9μm金剛石拋光膏拋至表面無(wú)可見(jiàn)劃痕，使用新的拋光布配合1μm金剛石拋光膏拋至樣品表面為鏡面。

使用Keller試劑腐蝕觀察分析樣品內(nèi)部化合物狀態(tài)。

（3）晶粒度分析

鋸切小樣經(jīng)240#，600#，1000#砂紙打磨后使用電解拋光溶液（高氯酸：酒精=1：9）拋光后進(jìn)行陽(yáng)極覆膜，陽(yáng)極覆膜液（濃硫酸：磷酸：蒸餾水=38：43：19）。覆膜完成后使用偏光金相顯微鏡觀察并分析5083鋁合金棒材晶粒度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 化合物分析

根據(jù)鋁鎂合金相圖分析，5083鋁合金棒材中Mg含量為4.4wt%～4.7wt%，棒材內(nèi)部組織主要為α（Al），有少量α（Al）+β（Mg5Al8）共晶組織。其中β（Mg5Al8）相主要分布在晶界。β相在晶界上連續(xù)分布時(shí)，合金對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感，不連續(xù)分布時(shí)對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感性降低[10]。圖1（a）為晶界不連續(xù)的β相，圖1（b）顯示為晶界連續(xù)的β相。合金組織中可見(jiàn)少量Mg2Si相，Mg2Si相密度小，熔點(diǎn)高，硬度大為合金材料的強(qiáng)化相，但會(huì)降低材料的塑性[11]。

圖3 5083鋁合金棒材陽(yáng)極覆膜組織及缺陷組織

分析棒材頭尾部組織如圖2所示，頭尾部組織無(wú)明顯差異，即棒材鑄造工藝穩(wěn)定性好，產(chǎn)品性能一致性較好。

2.2 晶粒度分析

樣品經(jīng)陽(yáng)極覆膜后使用偏光顯微鏡觀察組織如圖3（a）所示，截點(diǎn)法統(tǒng)計(jì)樣品平均晶粒度為100～120μm。

2.3 缺陷分析

微觀組織觀察時(shí)在尾部樣片邊部樣品中發(fā)現(xiàn)夾雜缺陷，如圖3（b）所示。夾雜缺陷主要是氧化物夾雜，可能的形成原因有①合金精煉除渣不徹底；②鑄造溫度過(guò)低夾渣不能上浮；③鑄造過(guò)程鋁液表面氧化膜破壞造成渣掉落。

3 分析及討論

5083鋁合金棒材主要鑄造缺陷包括粗大化合物和氧化物夾渣。

3.1 粗大化合物

5083鋁合金中粗大化合物形成元素主要為Al、Fe、Ti、V、Cr、Mn。合金元素的添加主要為細(xì)化晶粒、提高鋁合金特定性能。但鑄造過(guò)程必須嚴(yán)格鑄造工藝，避免合金元素形成粗大化合物降低產(chǎn)品性能。（FeMn）Al6為多邊形塊狀，F(xiàn)eAl3為針狀。（1）控制合適的熔煉及澆鑄溫度，確保合金元素充分溶解，且在鑄造過(guò)程避免化合物生長(zhǎng)溫度區(qū)間；（2）采用表面光滑的澆口，避免粗大化合物在澆口表面形核；（3）添加其他合金元素破碎粗大化合物，如Ca、P及稀土元素。

3.2 氧化物夾渣

5083為高鎂鋁合金，鎂是活潑金屬，與氧的親和力極強(qiáng)，熔煉溫度為650℃。所以在鋁合金熔煉過(guò)程，鎂極易因氧化造成損耗。為降低鎂燒損及氧化物夾渣，需（1）添加鎂合金時(shí)避免其接觸氧氣；（2）采用無(wú)鈉精煉劑；（3）減少鋁熔體的保溫時(shí)間，降低燒損；（4）鑄造過(guò)程控制液位平穩(wěn)，避免破壞鋁液表面氧化膜造成鎂持續(xù)氧化，鑄造末端氧化會(huì)增加氧化物夾渣風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)已經(jīng)突破了大直徑5083鋁合金圓棒及圓管的熔鑄工藝，且在化合物控制及缺陷抑制方向有一定研究積累，但要獲得匹配進(jìn)口的穩(wěn)定工藝仍需要研究人員的不斷探索及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的精細(xì)管控。