生產ER5356鋁合金焊絲用連鑄連軋桿原料的熱塑性

黎仕兵，朱艷麗，徐曉龍，姚 軍

(1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，自貢 643010；2.四川輕化工大學工程實踐中心，自貢 643000)

0 引 言

ER5356鋁合金焊絲是一種含鎂(質量分數4.5%～5.5%)以及鉻、錳、鈦等微量合金元素的通用型焊材。目前，國內在高速列車、承壓設備、航空航天等高端裝備領域所用的ER5356焊絲仍主要依賴進口[1]，其重要原因之一是國內企業還未掌握生產ER5356鋁合金焊絲用連鑄連軋桿原料的核心制造工藝，包括熱軋工藝。連鑄連軋法制備鋁合金焊絲線桿的工藝流程一般為配料→熔化→精煉→連續鑄造→13道次熱連軋→φ9.5 mm線桿。5系高鎂鋁合金在熱軋時，常存在變形溫度區間窄、道次變形量小、形變不均勻以及因局部應力集中而導致的熱軋開裂等技術難題[2-3]，因此有必要對5系高鎂鋁合金的熱塑性進行研究。學者們[4-6]研究了5083、5052等鋁鎂系合金板熱軋過程的塑性變形及組織特征；喬波等[7]采用Gleeble熱模擬試驗機對鑄態5356鋁合金進行熱壓縮試驗，建立了該合金的本構方程，并繪制了熱加工圖，但未從微觀組織方面開展研究。目前，有關ER5356鋁合金焊絲用連鑄連軋桿的熱塑性研究報道較少。作者以國外某公司生產的ER5356鋁合金連鑄連軋桿為研究對象，采用高溫拉伸試驗研究不同試驗溫度下連鑄連軋桿的拉伸性能和斷口形貌，分析熱塑性變化規律，以期為ER5356鋁合金焊絲用連鑄連軋桿的國產化研究提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用ER5356鋁合金連鑄連軋桿為國外某公司生產，其直徑為9.5 mm，化學成分見表1。在連鑄連軋桿上截取金相試樣，經預磨、拋光，用Keller試劑(2.5 mL HNO3+1.5 mL HCL+1 mL HF+95 mL H2O)腐蝕后，采用JSM-6490LV型掃描電鏡(SEM)觀察截面顯微組織，采用Image-pro plus軟件對組織中的物相尺寸進行統計。按照GB/T 228-2016，在連鑄連軋桿上沿軸向截取尺寸為φ5 mm×68 mm的室溫拉伸試樣，采用SHT4305型微機控制電液伺服萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，加載速率為10 MPa·s-1。通過高溫拉伸試驗評價熱塑性，按照GB/T 4338-2006，在連鑄連軋桿上沿軸向截取尺寸如圖1所示的高溫拉伸試樣，在RGM-4100型高溫拉伸試驗機上進行不同溫度下的拉伸試驗，試驗溫度為250，300，350，375，400，425，450，475，500，525，550 ℃，其中350～550 ℃范圍內，每個溫度下取2～3個平行試樣。采用JSM-6490LV型掃描電鏡觀察高溫拉伸斷口形貌。

表1 ER5356鋁合金連鑄連軋桿的化學成分(質量分數)

圖1 ER5356鋁合金連鑄連軋桿的高溫拉伸試樣尺寸Fig.1 Dimension of high temperature tensile specimen for ER5356 aluminum alloy continuous casting and rolling rod

2 試驗結果與討論

2.1 室溫組織與拉伸性能

由圖2可以看出，ER5356鋁合金連鑄連軋桿的室溫組織為α-Al相+β-Mg5Al8相，尺寸均勻的細小顆粒狀β相彌散分布在α-Al基體中。統計得到β相的尺寸小于2 μm。測得ER5356鋁合金連鑄連軋桿的室溫抗拉強度為328 MPa，屈服強度為200 MPa，斷后伸長率為20%。

圖2 ER5356鋁合金連鑄連軋桿的顯微組織Fig.2 Microstructure of ER5356 aluminum alloy continuous casting and rolling rod

2.2 高溫拉伸性能

由圖3可以看出：ER5356鋁合金連鑄連軋桿的高溫抗拉強度與屈服強度均隨溫度的升高而降低；當溫度低于375 ℃時，高溫強度隨溫度升高而降低的速率較大，當溫度高于375 ℃時，其降低的速率較小；475550 ℃下的高溫抗拉強度僅為2.16.7 MPa。經過數據擬合處理可以發現，高溫強度隨溫度的升高呈單指數降低趨勢。斷后伸長率隨溫度的升高而增大，斷面收縮率變化不大。當溫度高于400 ℃時，斷后伸長率均大于100%。可知，該ER5356鋁合金連鑄連軋桿具有較好的高溫塑性，這主要是由高溫條件下基體中彌散分布的小尺寸β相有利于提高材料抵抗變形的能力導致的。

圖3 不同溫度下ER5356鋁合金連鑄連軋桿的高溫拉伸性能Fig.3 High temperature tensile properties of ER5356 aluminum alloy continuous casting and rolling rod at different temperatures:(a) tensile strength and yield strength and (b) percentage elongation after fracture and percentage reduction of area

2.3 高溫拉伸斷口形貌

結合高溫抗拉強度變化特征，選擇250，400，475，525，550 ℃下的高溫拉伸斷口形貌進行觀察，并與室溫拉伸斷口形貌進行對比。由圖4可以看出：250 ℃拉伸斷口與室溫拉伸斷口均為韌窩形貌，但250 ℃拉伸斷口的韌窩更深，宏觀上表現出更好的塑性；400 ℃拉伸斷口由韌窩和少量沿晶斷裂形貌組成，說明合金開始出現脆性斷裂特征，這是由溫度升高造成晶界弱化所致；當溫度繼續升高至475～525 ℃時，韌窩特征弱化，沿晶斷裂區域面積顯著增加，且廣泛分布于韌窩底部和內壁；當溫度為550 ℃時，斷口全部為呈冰糖花樣的沿晶斷裂形貌。隨著溫度升高，斷口形貌的變化規律為韌窩→韌窩+沿晶斷裂混合形貌→脆性沿晶斷裂形貌。當溫度較低時，斷口韌窩底部仍存在部分第二相(β相)顆粒，推測韌窩是由第二相顆粒處形成的空洞在滑移的作用下逐漸長大并與其他空洞相連形成的[8]。當溫度升高至400～525 ℃時，晶界上的第二相顆粒粗化使晶界結合力顯著降低，在拉伸應力作用下，晶界發生滑移而在三叉晶界處產生應力集中，當應力集中程度超過晶界的結合強度后，裂紋在三叉晶界處萌生，隨著晶界滑移的繼續進行，晶界裂紋擴展并連接在一起，從而形成沿晶斷裂形貌[8]；部分未長大的第二相顆粒處仍有空洞形成，因此還存在韌窩。溫度越高，未長大的第二相顆粒越少，形成的韌窩相應地也越少。當溫度達到550 ℃時，第二相顆粒已完全粗化，晶界完全弱化而成為裂紋擴展的優先通道，斷口表現為沿晶斷裂特征。

圖4 ER5356鋁合金連鑄連軋桿室溫拉伸斷口與不同溫度下的高溫拉伸斷口形貌Fig.4 Morphology of room temperature tensile fracture (a) and high temperature tensile fracture at different temperatures (b-f) of ER5356 aluminum alloy continuous casting and rolling rod

2.4 分析與討論

鑄坯加熱溫度、進軋終軋溫度、各道次軋制溫度(包括乳液冷卻速率)及壓下量等熱連軋工藝參數為ER5356鋁合金連鑄連軋桿制造的核心技術。鑄坯溫度過高，鑄坯在軋制過程中可能會出現熱脆、過燒或粘輥等問題，使得連鑄連軋桿的熱塑性下降；鑄坯溫度過低則可能引起鑄坯在軋制過程中的不均勻變形，導致變形抗力增大，最終造成鑄坯開裂，使得熱軋過程難以進行[2,9]。

變形溫度越高，ER5356鋁合金連鑄連軋桿的高溫強度越低，熱塑性越好，變形抗力越小。當變形溫度為475～550 ℃時，連鑄連軋桿的高溫抗拉強度僅為2.1～6.7 MPa，說明當溫度高于475 ℃時，通過升高熱軋溫度來降低材料變形抗力的效果并不明顯，同時還易出現熱軋輥粘輥現象；當溫度低于375 ℃時，變形抗力較高，熱軋難度增大。高溫拉伸斷口中沿晶斷裂區域面積占比隨變形溫度的升高而增大；在變形溫度為475525 ℃時，拉伸斷口相似，均為韌窩+脆性沿晶斷裂混合形貌，但在變形溫度為550 ℃時拉伸斷口已經完全呈脆性沿晶斷裂特征，說明鑄坯在此溫度下的熱軋過程中極易開裂。同時，根據Al-Mg合金二元相圖[10]可知，當鎂質量分數為4.5%～5.5%，溫度高于250 ℃時5356鋁合金位于α-Al單相區，該組織特征更有利于合金的熱軋加工。考慮到稍寬的合理的溫度區間更有利于實際工程應用，因此ER5356高鎂鋁合金適宜的熱塑性溫度區間為375～525 ℃。

3 結 論

(1) 進口ER5356鋁合金連鑄連軋桿的室溫組織由α-Al相和彌散分布在α-Al相中尺寸小于2 μm的β-Mg5Al8相組成。

(2) ER5356鋁合金連鑄連軋桿的高溫強度隨溫度的升高呈單指數降低趨勢，斷后伸長率隨溫度的升高而增大，斷面收縮率變化不大，ER5356鋁合金連鑄連軋桿具有較好的高溫塑性；隨著溫度升高，晶界弱化，沿晶斷裂區域面積增加，拉伸斷口形貌由韌窩變為韌窩+脆性沿晶斷裂混合形貌，最后完全變為脆性沿晶斷裂形貌。

(3) ER5356高鎂鋁合金的最佳熱塑性溫度區間為375～525 ℃。