5083鋁合金板材塌陷成因分析

李 霜，馮 旺，孫 娜，黃啟波，牟 春

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

5083 合金是以Mg 為主合金元素的變形鋁合金，Mg 元素在α-Al 基體中具有較大的固溶度且隨溫度的變化較大，但與Al 形成的化合物結構同α-Al基體相近[1]，導致A1-Mg合金的時效強化效果甚微，故為不可熱處理強化型鋁合金。5083 鋁合金具有良好的成型性能、焊接特性、耐腐蝕性能、較高的疲勞極限、高的比強度以及較低的價格、豐富的資源等諸多方面的優勢，已經在交通運輸、航海造船、航空航天、電子通訊和輕工建材等領域獲得了廣泛的應用[2-3]。但此類合金鑄錠在板材的生產過程中，軋件上易萌生裂紋等缺陷問題，不僅會影響產品的質量，甚至會導致報廢量急劇增加。

針對某公司在近期生產5083 合金板材，將規格為510 mm×1940 mm 的鑄錠至200 mm 左右厚的板材時，多次在板材尾端出現大面積的表面塌陷，導致材料報廢的現象，為了探究板材塌陷的形成原因，對5083 鋁合金板材表面缺陷處的組織和成分進行了研究。

1 試驗方法

宏觀觀察：采用高清相機觀察樣品表面塌陷部位的宏觀形貌；同時用NaOH溶液對板材塌陷部位和正常部位的截面進行低倍浸蝕。

微觀分析：取塌陷部位的斷口樣品，用HitachiS-400掃描電鏡進行微觀觀察；采用牛津X-Max能譜儀進行成分分析。同時切取塌陷部位及正常部位樣品，對其縱截面進行高倍磨樣，用凱勒試劑進行浸蝕后，采用Leica DM 4000M 光學顯微鏡進行金相組織對比分析。

根據GB/T 3190—2008 標準要求，采用ARL-4460 光電光譜儀對5083 合金板材進行成分檢測。合金的化學成分如表1所示。

表1 5083合金板材化學成分（質量分數/%）

2 試驗結果及分析

2.1 宏觀組織分析

某廠生產的5083 合金由510 mm 厚鑄錠軋至200 mm 左右時，發現距離板材尾部330~700 mm、距兩側邊部約130 mm 處存在表面塌陷現象，軋制后板材宏觀形貌如圖1 所示。將試樣用NaOH 溶液進行處理后，其低倍組織示意圖見圖2。由圖可知，在軋板尾端的邊部及中部樣品出現塌陷現象，凹陷部位心部位置均存在較多尺寸不一的不規則孔洞。

圖1 板材宏觀示意圖

圖2 軋板厚度方向低倍組織圖

2.2 斷口形貌分析

對塌陷部位及正常部位采用人工打開裂口，對斷口面進行掃描電鏡對比分析，典型電鏡形貌如圖3所示。選取軋板厚度的1/4 位置進行固態氫含量檢測，其結果見表2。由圖表可知，軋板塌陷部位的固態氫含量明顯高于正常部位；正常部位斷口面韌窩數量較多，大韌窩邊緣聚集著眾多的小韌窩，為典型的韌性斷裂；在樣品塌陷區域斷口面存在孔洞，孔洞部位表面較光滑，呈未焊合氣孔形貌特征，微觀形貌即為較大尺寸的顯微疏松。

圖3 斷口面典型電鏡形貌

表2 軋板T/4厚度位置固態氫含量（μg/g·Al）

2.3 顯微組織分析

在軋板尾端樣品的塌陷部位及軋板頭端部位分別取樣，對板材不同厚度位置縱截面樣品的顯微組織進行對比分析，其典型顯微組織如圖4所示。

由圖4可知，軋板塌陷部位及頭端部位樣品心部均存在較多尺寸不一的孔洞，孔洞內壁較光滑，未見明顯異物，塌陷部位樣品孔洞數量及尺寸明顯大于頭端樣品。

3 分析與討論

該廠生產的板材塌陷部位斷口面粗糙、存在孔洞，孔洞表面較光滑，而正常部位斷口面呈韌窩狀，斷口面干凈。由上述試驗可知，文中5083 合金板材出現的塌陷現象是由鑄錠中存在的大尺寸氣孔引起的，在軋制過程中，鑄錠中的大尺寸氣孔遺傳至板材進而形成塌陷。

5083 合金在鑄造過程中，鋁合金熔體中的氣體（主要是氫）和氧化夾雜物、富Fe 相雜質相等使鑄錠產生氣孔、疏松等冶金缺陷[4-6]。鋁液中形成氣泡核之后，鋁液中的氫向氣泡核遷移，并向熔池表面運動，這是脫氫過程的一個階段。鋁液中的氫氣泡透過相界面（表面氧化膜）逸出，這是脫氫的另一個階段。然而，這種脫氫過程的路徑長，并因鋁液表面存在一層致密的氧化膜，使得這種遷移難于進行，當氫無法逸出時，便形成氣孔。鑄錠冶金缺陷的存在將直接影響到鋁合金材料的強度、韌性、塑性變形性能、抗蝕性、陽極氧化性能以及最終使用性能等[7-8]。鑄錠形成氣孔等缺陷后，將對材料的后續加工過程產生影響。在板材的軋制過程中，壓應力作用在缺陷處后，使材料內部的缺陷顯現，形成文中所描述的板材塌陷現象。

4 結論

板材塌陷部位斷口面粗糙、存在孔洞，孔洞表面較光滑，而正常部位斷口面呈韌窩狀；板材塌陷部位孔洞數量及尺寸明顯大于正常部位，且5083鋁合金板材塌陷部位的固態氫含量顯著高于正常部位。由此可知，板材塌陷現象是鑄錠中存在的大尺寸顯微疏松（氣含量偏高）引起的。