al-mg系合金半连续铸造工艺的研究

al-mg系合金半连续铸造工艺的研究

5002铝合金是五种x射线合金中的典型合金，mg含量为2.2%2.8%。它属于低mg和不可提取的烤食品。它具有中等强度、良好的耐腐蚀性、焊接性和加工性能。合金退火状态塑性好,加工硬化率高,因而在硬状态时塑性低。热轧板材后,合金在冷加工率为50%时,再结晶温度约为288℃。合金中Mg是唯一的强化元素,有一定的固溶强化作用,且使合金的加工硬化率提高,合金能获得较明显的应变强化。5052合金由于具有优良的成型性能、抗蚀性、可焊性、疲劳强度,常被用作装饰面板材料。随着机械、汽车等相关行业的发展,5052铝合金板材的需求量越来越大,其研究主要集中在合金塑性加工变形和动态再结晶行为等方面。1铸造偏析瘤的形成原因由于Al-Mg系合金容易氧化、凝固区间大、熔液的流动性不好和粘性比较大,在使用半连续铸造法生产铸锭时,容易出现拉漏和偏析瘤的现象,成品率比较低。刘响亮等对5052合金铸锭半连续铸造工艺进行了研究,研究了结晶器与铸锭表面摩擦力大小、冷却水压强度对铸锭质量的影响。结果表明,通过打磨结晶器、浇注时在结晶器壁加润滑油以及增大冷却水压强度,可以有效防止由于拉裂产生的漏铝现象;增大冷却水压强度至0.20MPa,可以明显抑制铸锭表面偏析瘤的形成。在5052铝合金的铸造过程中,铸锭周边接近敞露液面有一温度较高的先凝固薄层,该凝固薄层在液穴静压力的作用下紧靠模壁,其强度很低。先遇冷凝固的薄层与结晶器间的摩擦力在薄层中体现为拉应力,若摩擦力增大则拉应力相应增大,而5052合金的凝固区间比较长,这就造成了浇注时强度极小的液固两相区存在时间较长,完全凝固的区域很薄,在拉应力的作用下极易造成铸锭周边先凝固的薄层被拉裂,从而产生漏铝。加大冷却水压,就增大了结晶器的冷却强度,使得与结晶器周边接触的凝固薄层厚度增加,晶粒变小,提高了先凝固薄层的强度,有利于进一步防止拉裂而产生漏铝。偏析瘤的形成是由于在直接水冷的半连续铸造过程中,冷却强度极大,从而造成不平衡结晶程度增加,温度过冷、成分过冷和溶质再分配的结果是使得易熔组成物富集在晶界。这种未完全凝固的低熔点组成物,凝固过程中在铸锭收缩产生的挤压力的作用下有可能被排挤出铸锭表面形成偏析瘤。并且凝固过程中铸锭周边凝固层收缩和结晶器之间形成气隙,使得凝固层从液穴中导入的热量超过了从气隙导出的热量,发生了所谓的二次加热,当二次加热温度超过低熔点组成物的熔点时,就会发生重熔现象,这些重熔化合物在液穴熔体产生的静压力的作用下被排挤到铸锭表面形成偏析瘤,而且低熔点组成物复熔时,在铸锭内气体膨胀压力的作用下,也有可能被排挤到铸锭表面形成偏析瘤。通过增加水冷强度的办法细化了铸锭周边先凝固表层的晶粒,同时使得先凝固薄层的厚度增大,晶粒细化使得表层强度增加,晶界变得更加曲折,聚集在晶界的易熔组成物被分散,使得低熔点组成物难以沿晶界被排挤到铸锭表面,同时凝固层厚度的增加也使得组成物被排挤到表面的难度增大,这样就减少了表面偏析瘤的生成,提高了铸锭的表面质量。2变形速率与应变速率的关系5052合金具有优良的成型性能,其热轧板材在70%以上的冷变形时也只有轻微的裂边。随着冷加工率的增加,合金的屈服强度、抗拉强度提高,延伸率降低。合金冷变形程度的不断增大,合金晶粒破碎程度也越大,金属内部的点缺陷和位错的密度也越大,晶格畸变程度更加严重,形成纤维组织和带状组织,材料加工硬化程度提高。G.Guiglionda等研究了晶粒取向对Al-2.5%Mg(AA5052)热轧再结晶的影响。在400℃下的平面应变压缩试验中,用晶体学织构和储能对加工态进行了表征;用最近发展的X射线衍射峰分析法测定了五种织构组分中位错密度和储能与应变的函数关系;用EBSD测定了退火后部分再结晶试样的大块区域中的再结晶百分数,变形晶粒与再结晶晶粒中的织构组分。结果表明,高储能的S织构和Cu织构在再结晶过程中更易于被消耗。此外,大变形量下再结晶立方织构组分形核率高。Q.Zhu等研究了AA5052热轧板反扭转和压缩/拉伸试验再结晶行为。工业热变形(如轧制,锻造和挤压)时,应变过程改变工件的性能。研究了剪切变形时应变方向的改变对微观结构演变和随后再结晶行为的影响,并与轴对称变形进行了比较。用扭转试验机和拉伸/压缩试验机分别进行剪切变形和轴对称变形。结果表明,应变方向的改变对AA5052轴对称变形时再结晶行为有重要影响,但对扭转没有影响。造成这种差异的原因可能与轴对称和剪切变形时微带行为有关,也就是轴对称时有更高的微带密度,或者织构演变规律不同。5052铝合金铸轧退火板材(350℃/3h)在冷轧变形过程中,随着变形量的增加,板材的硬度不断上升,变形逐渐困难。当冷轧变形量达到60%时,板材边部开始出现微裂纹,此时板材的显微硬度值也达到一个相对的高峰。当变形量达到80%时,边部开裂非常明显。因此,5052铝合金铸轧退火板材在冷轧变形量达到约60%时,需要进行中间退火以软化变形组织,恢复其塑性。任文达采用等温压缩试验研究了5052铝合金高温热变形过程中流变应力、应变、应变速率和变形温度的相互关系。研究表明,5052铝合金随应变速率的增加,合金热变形时发生动态再结晶的温度提高。变形温度提高及应变速率降低,合金热变形将发生以动态再结晶为主的软化过程;变形温度降低及应变速率提高,5052铝合金将发生以动态回复为主的软化过程。郑玉林等的研究也得出同样的结论,在应变速率为0.1s-1(变形温度为420℃~500℃)以及应变速率为0.01和0.001s-1(变形温度为300℃~500℃)时,5052铝合金热压缩变形出现了明显的峰值应力,表现为连续动态再结晶特征;在其他变形条件下存在较为明显的稳态流变特征。5052合金高温流变应力行为可以用含Z参数的双曲正弦函数形式较好的进行描述,说明该合金塑性变形过程是一种类似于高温蠕变的热激活过程。其热变形激活能△H值为182.25KJ/mol。海朝智等通过对5052H34铝合金板材生产工艺研究指出,冷加工率是影响制品组织和力学性能的主要工艺因素,并得出了冷加工率与板材主要力学性能之间的关系曲线,分析了冷加工和稳定化处理的基本机理。冷加工率在25%~55%范围时,对板材抗拉强度冷加工率的函数式是σb=208.6+l.57ε,其相关系数为0.9985。R.Carmona等研究了AA5052铝合金热轧小变形量变形机制。研究Al-Mg合金的热力耦合特性,即在小变形量(<0.2)、高温(≥300℃)和一定热轧应变速率(0.01~10s-1)下的变形机制以及不同的测量仪器对载荷-位置测量造成影响。结果表明,Zener-HollomonZ参数决定各种行为,高Z值时应力随应变的增加而增加,低Z值时应力先随应变的增加而增加,而后减小。稳态下Z值较小时,应力和应变速率有指数为3的幂函数关系,Z值较大时则为指数函数关系,观察的结果和蠕变类似。可以用不同的控制机制来解释不同阶段的应力响应,即加工硬化是因为位错迁移,应力-应变曲线中应力的下降是因为溶质的影响。W.Tong等研究了AA5052-H32薄板中的锯齿流变特性,研究了动态应变时效对准静态单轴拉伸下商用Al-2.5%Mg薄板锯齿流变的特性(或者PLC带)的影响。试样的厚度、宽度、载荷条件(试验机刚度与剪切头速度)和机械抛光对锯齿流变特性有明显影响。拉伸试验中的应力松弛和完全卸载造成的中断对随后的锯齿流变影响甚小。AA5052-H32受轴向载荷时的锯齿流变和拉伸试样表面的与拉伸轴成59±10°的狭窄变形带有关。变形带的应变分布表明变形带呈现钟状,而不是阶梯形,也表明变形带的形成受局部形核和多晶薄板截面生长过程的控制。李吉彬等研究了5052H34铝合金轧制及热处理工艺,采取对合金铸锭均匀化处理和合理控制最终冷轧变形量以及适当提高回火温度的方法,使材料的力学性能与深冲性能获得良好匹配。Y.H.Chung等研究了5052板材连续剪切变形中应变过程对织构演变和加工硬化的影响。采用不同的轧制方式(单向轧制和可逆轧制),通过织构测量和微观结构观察,研究在连续剪切作用过程中不同应变过程的织构和微观结构的演变。研究表明,FEM模拟说明连续剪切作用下在带材厚度上的变形是不均匀的(特别是在表面附近);变形材料的加工硬化不受轧制方式影响,但应变的过程对连续剪切作用过程中织构的变化影响很大。赵亦希等研究了5052铝合金平面应力状态下铝合金板的织构演化规律。研究表明,该板材中轧制织构密度普遍较小而再结晶织构立方取向、R取向及D取向密度较大;在不同应力状态下织构随着应变比绝对值增加而聚集;织构体积分数随应变比的变化不大,随机织构占有较大的体积分数。K.J.Kim等研究了AA5052板材轧制和退火后的织构演变。测试了高轧制速率下冷轧板材的变形织构。研究了不同热处理制度时再结晶织构的演变。5052板材经无润滑剂轧制和退火处理后,出现rot,cube织构({001}<110>)和纤维织构(ND∥<111>)。结果表明,大变形量时(>92%,l/d>6.3)易于形成纤维织构(ND∥<111>)。剪切变形织构中的纤维织构(ND∥<111>)在再结晶温度350℃时位向没有改变。较高轧制率和退火后的5052板材有更高的塑性应变率,但板材的各向异性得到增大。Q.Zeng等研究了单道次热轧连铸5052合金的织构变化率。热轧开坯温度和终轧温度分别为482℃和400℃,扁锭厚度从21.5mm轧制到8.6mm。用XRD、SEM和光学显微镜研究了织构和微观结构的演变。研究发现,轧制率超过38%时晶粒结构由等轴晶转变为明显拉长晶粒。随着热轧轧制率的提高,纤维织构迅速增加,其他织构改变较小。在热轧过程中不同织构的变化可以通过修正的Johnson-Mehl-Kolmogorov方程进行量化,相应的变化率也可通过计算得到。在纤维的三种主要组分(铜织构、黄铜织构和S织构)中,热轧时Cu织构最强且具有最大的变化率,S织构最弱。3大卷材中间退火工艺热处理工艺对5052铝合金力学性能、深冲折弯性能和腐蚀性能均有很大的影响。对热轧板材而言,合金的热轧终了温度对合金力学性能和深冲折弯性能的影响很大,尤其是对合金的深冲折弯性能的影响。合金热轧终了温度高于再结晶温度时,有利于合金在后续的冷加工中获得较为均匀的组织,在设备能力许可的条件下,应尽可能地提高5052合金热轧终了温度。冷加工率相同的5052板材,强度随退火温度的升高而降低,伸长率则逐渐升高。这种变化趋势随冷加工率的增加更加明显。冷加工率为20%~40%的板材,其性能变化趋势较缓,冷加工率为50%~70%的板材,其力学性能变化较快,这是由于冷加工率小时,板材的组织多为变形前的退火组织,其内部畸变能小;随着冷加工率加大,加工组织增加,畸变能升高,使金属再结晶温度降低。合金板材随着冷加工率的增加,其抗拉强度升高,延伸率下降,其退火曲线随冷加工率的变化而变化。同一冷加工率板材,在100~260℃范围内退火时性能曲线平稳,保温时间(1~3h)对力学性能影响不大。在270℃退火时性能曲线变化较大,不同的保温时间对应不同的力学性能。为消除热轧坯料终了温度对合金板材性能的影响,将热轧坯料采取中间退火处理(360~390℃/2~4h)。和没有进行中间退火处理的5052合金相同状态H22的性能比较,中间退火处理后的合金在板形、表面质量等方面表现良好,在深冲折弯性能方面也有明显的改善;但依然没有合金在H32状态下的性能优良,5052H32状态表现出更好的深冲折弯性能。马运安等结合生产实际,对5052合金软状态板材深冲折弯性能进行了研究。合金热轧板材不进行中间退火,直接冷轧至成品,然后进行360℃/4h成品退火(O状态),其深冲折弯有轻裂现象。将热轧板材400℃/4h中间退火后冷轧,再进行360℃/4h成品退火,可以较好地消除折弯裂纹,获得良好的深冲折弯性能。热轧坯料残存的内部应力与晶粒大小不均遗传到成品板材中,导致成品退火后再结晶立方织构不能充分形成。热轧坯料400℃/4h中间退火,可以避免上述缺陷,使合金的塑性及深冲成型性能达到最佳。高鑫等研究了5052铝合金大卷材的退火温度、保温时间对其组织与性能的影响。在5052铝合金大卷上切取试样进行退火,可以看出,在退火保温时间(1~2h)相同的情况下,在退火温度100~250℃范围,板材的性能变化平稳;在退火温度250~320℃范围,随着板材退火温度提高,其抗拉强度、屈服强度呈快速下降趋势,而伸长率急剧增高。这说明在退火温度100~250℃范围,板材的退火处于回复阶段,内部组织仅发生了多边化、亚晶的合并过程,因而性能.变化平稳。在退火温度250~320℃范围,其板材的内部组织由部分再结晶向完全再结晶转变。退火温度高于320℃,抗拉强度、屈服强度、伸长率值基本没有变化。5052合金大卷材在40t炉中的退火制度为:5052-O状态,炉子定温420℃加热6.5h,改定温350℃加热2.5h,达到了控制退火制度340~350℃/1.0h的目的;5052-H24状态,炉子定温320℃加热6h,改定温250℃加热3.0h,达到了控制退火制度240~250℃/1.0h的目的。4铝合金焊接特点5052铝合金具有铝镁合金的焊接特点。(1)强的还原能力。铝和氧的亲合力很强,铝在空气中极易与氧化合生成致密结实的A12O3薄膜,膜厚约0.1μm。A12O3的熔点高达2050℃,远远高于铝及铝合金的熔点(500~600℃)。在焊接过程中,氧化膜会阻碍金属之间的良好结合,易造成夹渣。氧化铝膜还会吸附水分,焊接时会促使焊缝生成气孔。(2)较高的热导率和比热容。铝及铝合金的热导率和比热容均为碳素钢和低合金钢的两倍多,在焊接过程中,大量的热量被迅速传导到基体金属内部,因而焊接铝及铝合金时,热量除消耗于熔化金属外,更多的无谓消耗于金属其他部位。(3)热裂倾向大。铝的线膨胀系数约为22.9×10-6/℃,铁为11.7×10-6/℃,铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大,达6.5%,而铁为3.5%,因而铝及铝合金焊接时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。(4)气孔敏感性高。铝及铝合金液体熔池很易吸收氢等气体,高温下溶入的大量气体在焊后冷却凝固过程中来不及析出,聚集在焊缝中会形成气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分,都是焊缝中氢气的重要来源。(5)固态液化时无色泽变化。铝及铝合金焊接熔池金属由固态变成液态时,没有明显的色泽变化,给焊接操作带来了不便。(6)单相。铝为面心立方晶格,没有同素异形体,加热与冷却过程中没有相变,焊缝晶粒易粗大,不能通过相变来细化晶粒。邓升斌等研究了5052铝合金薄板搅拌摩擦焊接工艺,分析了焊缝表面成形及焊接接头组织、力学性能。研究表明,5052铝合金具有良好的搅拌摩擦焊性能,焊缝区发生了动态再结晶,焊缝晶粒被细化,焊缝可实现0°~180°任意弯曲,优化工艺参数可使焊接接头强度达到或高于母材。双光点激光焊接能够明显改善铝合金在激光焊接时容易产生气孔、咬边等焊接缺陷的情况且焊接过程稳定,是近几年焊接工作者研究较多的新兴焊接方法。李巧艳等在对5052铝合金进行双光点激光焊接工艺研究基础上,着重对2.0mm厚5052铝合金双光点激光焊接接头组织与性能进行了研究。观察了单、双光点激光焊接接头组织,并测试了焊接接头各区域的显微硬度及室温拉伸力学性能,观察了断口形貌。结果表明,双光点激光焊接在两光点间距较小,未完全分离时,热源作用与单激光焊接相似,但散热方向更为复杂,晶粒生长接近焊缝中心时方向改变更明显,晶粒的生长受到限制,组织得以细化;5052铝合金的单激光焊接与双光点激光焊接的焊缝及热影响区硬度均高于母材,双光点激光焊接接头硬度低于单激光焊接接头,有利于接头脆化的改善;双光点激光焊接接头抗拉强度高于单激光焊接接头与母材,断后伸长率相差不大;室温拉伸断裂在母材处发生,是比较典型的韧性断裂过程,断口为韧窝形貌。吴俊对5052铝镁合金的焊接工艺进行了分析和描述。吴国芬通过对