5083 H321鋁合金板材制備組織性能研究

趙明偉

(寶武鋁業科技有限公司，河南 三門峽 472000)

隨著能源危機和環境污染形勢日益嚴峻，“以鋁代鋼”、“以鋁代木”成為解決環境污染、減少排放的有效途徑之一。鋁合金具有比強度高、加工性能好、耐腐蝕性優良以及減震性優良等優點成為了輕量化材料之一[1-3]。5083 H321鋁合金板材具有優異的可焊接性、耐腐蝕性及中等強度機械性能等特征，在船舶制造、液體運輸容器制備等領域具有廣泛用途。

目前5083 H321板材的生產工藝和組織性能已有很多學者進行了研究，韓帥[4]、林化強[5]等采用熔煉-鑄造-鋸切-銑面-均勻化-熱軋-冷軋的工藝路線對5083板材制備及退火組織性能進行了研究。但對基于“1+4”熱連軋生產線、2800mm冷軋生產線制備5083 H321鋁合金板材的對比分析研究較少。目前國內鋁加工企業基于降本增效考慮，不斷挖掘熱連軋生產線設備能力，因而本文基于“1+4”熱連軋生產線、2800mm冷軋生產線，對5083 H321鋁合金板制備工藝進行對比分析研究具有積極意義，以期為高品質5083 H321合金鋁材制備提供有益參考。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗原料

試驗采用半連續鑄造生產的5083鋁合金鑄錠，其合金成分(質量分數，%)為，Si 0.1～0.2，Fe 0.2～0.3，Cu 0.1～0.2，Mn 0.4～0.7，Cr 0.05～0.10，Zn 0～0.05，Ti 0.01～0.02，Al 余量。對鑄錠進行鋸切頭、尾后規格為535 mm×1860 mm×6500 mm。

1.2 實驗方法

5083 H321鋁合金板材制備工藝為，工藝路線一：熔鑄-鋸銑-均熱-熱軋-冷軋-退火-冷軋-退火；工藝路線二：熔鑄-鋸銑-均熱-熱軋。工藝路線一中熱軋采用“1+4”熱連軋線制成6.7mm厚熱軋卷后，冷軋采用2800mm冷軋機分別連續冷軋至中間退火厚度，經中間退火后(預留成品軋制15%～25%加工率)再冷軋至成品，最終成品厚度為4.0mm。工藝路線一中間退火工藝為，金屬溫度350℃保溫2h；工藝路線一成品取樣，利用實驗室馬弗爐進行小爐退火后確定成品退火溫度，溫度為125℃，保溫3h。工藝路線二中采用“1+4”熱連軋粗軋機連續軋制至中間厚度25mm～40mm，利用4機架熱精軋機連續軋至成品厚度4.0mm，其中25mm～40mm中間厚度坯溫度為340℃～380℃，4機架加工率為30%～40%，卷取終軋溫度235℃～250℃。工藝路線二具備典型的短流程制備特征，利用在線軋制工藝控制冶金組織演變及性能，較工藝路線一省略了冷軋、中間退火、成品退火等工序，具有明顯的成本優勢。

1.3 分析測試

采用工藝路線一、工藝路線二所制備4.0mm厚產品，沿軋制方向呈0°和90°方向分別取樣，利用高倍金相顯微鏡、SEM、萬能試驗拉伸機、耐腐蝕性試驗(試驗標準為ASTM G66、ASTM G67)對所制備的4.0mm厚板材產品進行力學性能、耐腐蝕性能、微觀組織檢測分析。

2 結果與討論

2.1 力學性能

由表1可知，工藝路線一、工藝路線二所制備5083 H321鋁合金板材力學性能均符合標準，其中工藝路線二板材抗拉強度、屈服強度、延伸率較工藝路線一分別高23MPa、29MPa、3%，具有明顯的優勢，即工藝路線二所制備產品力學性能優于工藝路線一產品。這是由于工藝路線二熱連軋軋制過程具有動態回復、動態再結晶和加工硬化三重作用，鑄錠經熱連軋機連續熱加工變形過程，材料動態回復和動態再結晶軟化作用弱于材料變形加工硬化，使加工硬化處于主導地位。工藝路線二通過控制機架間加功率、溫度分布和卷曲終軋溫度，釋放材料的殘余應力、減少畸變能，明顯提高材料性能的均勻性、穩定性。工藝路線一需要經過冷軋、中間退火、二次冷軋、成品退火等長流程制備工序，成品退火過程僅存在回復軟化作用，且受制于成品卷材溫度分布不均勻、畸變能陡變釋放等因素，導致成品強度和延伸率較工藝路線二低。

表1 力學性能

2.2 耐腐蝕性能

表2和圖1所示為工藝路線一、工藝路線二產品耐腐蝕性能對比，由此可知，工藝路線二產品耐腐蝕性能明顯優于工藝路線一。這是由于，工藝路線一冷加工后由于α(Al)固溶體中鎂過飽和，性能不穩定，而且β(Mg2Al3)相易在晶界和滑移帶上呈網狀析出，使材料的抗蝕性能下降。而成品穩定化退火過程受冷加工畸變能能量較大因素影響，促使β相在晶內及晶界連續沉淀析出，晶內基體和晶界上的電位差相對較大[6]，因此工藝路線一的鋁合金板材耐腐蝕性較差。工藝路線二經過熱連軋連續熱加工變形，熱連軋機架間金屬壓下率梯度分布和終軋溫度以及利用熱連軋生產線在線溫度控制及軋制后鋁材余熱控制材料性能等，有效控制材料β相析出粗大，實現第二相細小彌散分布，同步實現畸變能有效釋放，可有效提升材料耐腐蝕性能穩定性及均勻性[7-8]。

表2 耐腐蝕性能

(a)工藝路線一；(b)工藝路線二

2.3 組織分析

圖2和圖3為工藝路線一和工藝路線二產品的顯微組織照片。

(2a)工藝路線一；(2b)工藝路線二

由圖(2a)、圖(3a)和圖(3b)可知，工藝路線一產品晶粒呈現晶粒部分拉長特征，但仍存在明顯的再結晶晶粒形貌，這是由于中間退火后冷軋加功率較小，未實現晶粒充分拉長，且成品退火過程在晶界處析出β相(Al3Mg2)，部分β相尺寸粗大、沉淀連續析出，導致板材對晶間腐蝕和剝落腐蝕非常敏感[9]。由圖(2b)、圖(3c)和圖(3d)可知，工藝路線二產品晶粒呈現典型的纖維組織特征，且晶界處析出的β相數量明顯少于傳統技術，并呈現細小彌散分布。這是由于工藝路線二為實現卷取終軋溫度，獲得目標工藝性能，25mm～40mm中間厚度坯溫度較低，4機架連軋機連續軋制過程溫度梯度降低，材料組織加工硬化能力強于再結晶能力，晶粒和第二相化合物β相不斷破碎、延長，組織呈現典型的纖維組織特征，該組織特征產品具有較強的抗晶間腐蝕能力，力學性能穩定及強韌性好，板材具有優異的機械性能和耐腐蝕性能。對比分析得出，工藝路線一、工藝路線二因工藝路徑的差異性，導致材料微觀組織存在顯著差異，從而形成產品力學性能、耐蝕性能的差異。

(3a)(3b)工藝路線一；(3c)(3d)工藝路線二

3 結論

(1)兩種工藝所制備產品力學性能、耐腐蝕性能均滿足相關標準，但工藝路線二短流程工藝制備的產品具有顯著的力學性能、耐腐蝕性能優勢；

(2)采用“熔鑄-鋸銑-均熱-熱軋”工藝制備的產品具有典型的材料微觀組織優勢，從而形成產品力學性能、耐腐蝕性能的優勢；

(3)采用“1+4”熱連軋生產線短流程工藝制備的5083 H321鋁合金板材性能，其抗拉強度358MPa、屈服強度257MPa、延伸率17%、剝落腐蝕等級PA、晶間質量損失3.22mg/cm2。