退火工艺对铝合金组织性能的影响

退火工艺对铝合金组织性能的影响

由于良好的加工成型性能和中等静态强度，5002铝合金主要用于各种箱式铝条的铝条。此外,还用于制造飞机油箱、仪表、百叶窗等建筑装饰材料与电视机外壳冲制材料等等。5052铝合金属于不可热处理强化铝合金,迄今为止,国内外生产5052合金板材还是以传统热轧工艺为主。但传统热轧工艺存在工艺流程长、生产周期长、高能耗、成本高等缺点。铸轧工艺生产5052铝合金有高效、节能、环保、低成本、周期短等优势。但是5052铝合金经过双辊铸轧成坯后,板坯存在较严重的中间偏析,将影响最终板材的质量。已有研究表明,控制中间退火和成品退火处理的温度和保温时间,可以改善变形组织、细化晶粒、提高5052铝合金薄板的综合性能。目前生产中主要根据经验制定中间退火和成品工艺,而对于铸轧5052铝合金的冷轧和热处理工艺研究缺乏系统性。本文研究退火工艺参数对铸轧5052铝合金组织和性能的影响,为生产中制定铸轧5052铝合金中间退火和成品退火工艺,利用退火处理控制其显微组织,改善力学性能和塑性成形性能提供依据。1试验材料和方法1.1金属板坯的成分试验材料为某公司提供的双辊铸轧5052铝合金板坯,板坯厚度为7.5mm。为提高其熔体流动性,添加0.23%富铈混合稀土和0.8%Al-Ti-B细化剂,合金板坯的成分如表1所示。图1是采用偏光显微照片合成的板坯组织三维示意图,铸轧5052铝合金板坯组织“人”字形排列明显,板坯上下层晶粒组织均与中心线成20°~30°夹角。中心层厚度大约为0.9mm,中心层偏析较为严重。铸轧板横截面晶粒粗大现象严重,利用imagetool软件统计计算得到板材横截面平均晶粒尺寸为348μm。1.2试验过程和金相观察试样的制备为减轻板坯中间偏析情况,需对合金板坯进行高温均匀化退火。从DSC曲线分析得知,试验所用铸轧5052合金开始熔化温度为608.8℃。因此,均匀化退火处理方案为:加热温度为450、500、550、580和590℃,保温时间为4、10、15、20和30h。本试验第二道次冷轧过后总压下量已经接近60%,根据5052铝合金加工硬化曲线,工艺塑性变坏,需要在该道次实施中间退火工艺。分别取中间退火温度为330、360、390、420和450℃,保温30min。根据合金的再结晶温度范围,选择300、320和340℃对最终冷轧板进行成品退火,保温时间为1h。金相观察试样的制备采用电解抛光和阳极化制膜的方法,晶粒形貌和晶粒尺寸在OlympusBX51M型偏光显微镜上进行观察。合金中不同相的组成成分和主要合金元素分布情况以及组织表面和断口形貌的检测与观察在PhilipQuanta-2000型扫描电镜进行。显微硬度测试HX-1000TM/LCD显微硬度计上进行。合金力学性能拉伸试验在MTS810材料测试系统上进行。2结果与讨论2.1偏析和晶粒尺寸的变化均匀化退火对板坯中间偏析的影响如图2所示。板坯中心处偏析物大小为50~100μm,颗粒物之间的距离为300μm左右。在均匀化退火条件下,随着加热温度的升高,板坯中间偏析物的数量和尺寸减少,温度为500℃时的变化明显,如图2(a);温度为580℃时,如图2(c),偏析物数量和其分布厚度明显减小,尺寸约为50μm,中间偏析得到有效减轻;温度为590℃时,其进一步减轻趋势不明显。保温时间的延长,偏析有明显减轻,保温10h时中间偏析已有较大幅度的减轻,数量及其尺寸减小,如图2(b)。但是时间延长,偏析进一步减轻的趋势变缓,保温30h时,中间偏析的进一步变化不明显。在铸轧条件下,原板坯的晶粒尺寸很不均匀,靠近板坯表面处的晶粒尺寸明显比中间部位晶粒尺寸小,但整体来看板坯的晶粒尺寸很大,如图1所示。由于铸轧时有一定程度热变形,发生了动态回复,在晶粒内部产生亚晶。经均匀化退火过后,晶粒尺寸有所变小,但变化不太明显,主要因为温度升高使亚晶得以长大而发生再结晶,但是其对晶粒尺寸变小的作用有限;随温度不断升高,晶界移动所需驱动力增大,发生明显迁移,到580℃时,晶粒尺寸明显减小,晶界趋向于钝化,棱角减少。580℃保温20h后,板坯的显微硬度有所提高,这是过饱和元素析出产生的强化作用和过剩相溶解以及偏析消失时的原子扩散所产生固溶强化共同作用的结果。退火后板坯横截面显微硬度随机分布值的方差和标准差均小于未经均匀化退火处理的板坯,说明均匀化退火处理有效减轻了铸轧板坯的偏析程度,基体成分逐渐均匀化,这与上述组织分析一致。2.2中间退火温度对晶粒尺寸、拉伸断口形貌的影响退火温度为420℃时,如图3(a),发生完全再结晶,纤维状组织完全消失,晶粒分布均匀且呈等轴状,与铸轧板坯横截面的晶粒相比尺寸有大幅度降低,平均晶粒尺寸约为100μm。此时金属的强度和硬度下降,塑性增加,金属内部总的表面能降低,合金板材被软化,有利于下一步冷轧的进行。退火温度升高至450℃时,显微组织无显著的变化,晶粒尺寸、形状和分布均与420℃退火时相似,且没有出现晶粒异常长大现象。图3(b)是未经中间退火后冷轧板显微组织,晶粒较为粗大。中间退火后冷轧板晶粒形状呈拉长状,相比未经中间退火的组织,晶粒尺寸变小,其晶界和晶内的颗粒状析出物增多,当中间退火温度升高到420℃以上时,如图3(c)所示,晶粒呈近似等轴状,并且尺寸较大,相比较低的中间退火温度时,晶界处和晶内的颗粒状析出物少。说明420℃中间退火时,板材部分析出物已经固溶进入基体组织。随着中间退火温度的升高,板材最终抗拉强度呈下降趋势,而伸长率呈上升趋势(图4)。中间退火温度在330~390℃之间时,抗拉强度比较高,在260~280MPa之间,伸长率在11%~14%之间;当中间退火温度升为420℃时,其抗拉强度明显降低,约为225MPa,伸长率有较大提高,为17%;450℃时,其抗拉强度和伸长率与420℃时接近。这是因为退火温度低于390℃时,发生不完全再结晶,合金因冷轧变形而产生的加工硬化没有完全消除,同时退火温度较低,晶界和晶内析出大量细小颗粒物,晶内位错密度降低较少,导致最终板材抗拉强度较高,伸长率较低。退火温度为420℃时,再结晶基本完成,形成新的无畸变等轴晶,加工硬化得到完全消除,板材软化,塑性得到恢复,同时较高退火温度使一部分细小颗粒与基体组织固溶,使强度下降。随着保温温度继续升高至450℃,抗拉强度和伸长率基本稳定。图4(a)和图4(b)分别是中间退火温度为360和420℃后在同一尺度下的室温拉伸断口形貌。由图4(a)可以看出韧窝小而浅,直径约为5μm,韧窝间距小,撕裂棱小,韧窝边缘塑性变形也小,对应较低伸长率,说明塑性较差。如图4(b)所示韧窝大小和分布均匀,在多处形核起裂,撕裂棱较大,韧窝较大而且深,韧窝边缘塑性变形程度大,对应较高伸长率,说明此时合金塑性变形能力增大。2.3高温退火和冷轧板高温下的力学性能金属经较大冷变形后,即处于一种不稳定状态,从力学性能上看,强度和硬度增加,塑性下降。300℃退火后,如图5(a),拉长的晶粒开始粗化,无畸变的新晶粒已经形成并成为再结晶晶核,晶粒的形状与变形态相同,保持着纤维状或扁平状。图5(b)显示320℃退火后,纤维状晶粒基本消失,出现粗长的条状晶粒,无畸变晶核正在消耗其周围的变形基体而长大。经340℃退火后,冷轧变形组织变为新的无畸变细等轴晶,此时再结晶已经完成,如图5(c)所示。成品退火后,板材的强度较高(图6),说明沿板坯中间分布的相粒子在经过冷轧加工后变为细小的颗粒大量分散于基体中,从而引起强度升高。从抗拉强度来看,0°方向小于45°方向,而90°方向强度最大;从伸长率来看,则正好相反,0°方向大于45°方向,而90°方向最小。随退火温度升高,在板材90°方向上的强度略有降低,伸长率也略有提高,但在0°和45°方向上则呈现先降低后升高的现象。320℃退火时,板材在三个方向上的强度差值明显,说明其各向异性度高,板材成形性能较差;而340℃退火时,板材在三个方向上的强度差值较小,其板材成形性能较好。总体来看,随退火温度升高,板材强度没有较大程度降低和软化现象,反而略有升高。进一步升高加热温度和延长保温时间表明,随着温度的升高和时间的延长,再结晶晶粒并没有出现晶粒长大,反而有减小的趋势。在铝基固溶体中,当镁含量大于0.5%时,再结晶形核率急剧上升,而生长速度却仅仅略有上升,趋势缓慢。本试验5052铝合金含镁量为2.43%,高温退火时,合金的形核率非常大,晶核生长速度却很小;同时合金中大量细小分散的析出相粒子使再结晶驱动力增加阻碍了晶粒生长速度的增加。根据约翰逊-梅厄方程,当形核率增长大于生长速率增长时,再结晶晶粒尺寸将减小。因此,在340℃退火时,合金的再结晶晶粒减小,使得强度增加。由图6可知,经340℃退火,板材的强度达到280MPa以上,伸长率达到9%,已经达到军用5052铝合金板材的力学性能要求。从图中还可以看出,冷轧板屈强比整体较高,基本在0.85左右,因此其用于制备结构零件时强度的利用率高,可靠性高。图7是冷轧板经过340℃,保温1h的退火后的显微组织及能谱分析图。由图7(a)可以看出,组织内存在大量弥散分布的细小颗粒物,大小约为1μm,通过能谱分析可知,此细小颗粒物含有Mg、Fe和Si等元素,在对其它颗粒物的分析中还发现了Cr元素。Fe含量最多,Si含量其次,Cr含量最少,而Mg含量基本稳定在3wt%左右。颗粒物所含元素成分与板坯晶界处存在的颗粒物成分基本一致,且大小均为1μm左右。说明经过高温均匀化退火和冷轧加工以及中间退火处理后,颗粒物经固溶进基体和退火析出后,大量弥散分布于基体内,从而在再结晶退火时促进再结晶晶核形成并阻碍再结晶晶粒长大。图7(b)是断口的形貌以及韧窝处颗粒物的能谱分析,可以看出,该颗粒物含有Al、Fe和Si三种元素,这与图7(a)中显示颗粒物中元素成分一致,且成分含量相近,可以推测此颗粒物为AlFeSi相。铝合金在凝固时可能形成粗大的金属间化合物,如(Mn,Fe)Al6、FeAl3、α-AlMgSi和α-Al(Fe,Mn)Si等,还可能形成一些沉淀物或者分散粒子等。LiuJiantao等在连续铸造5052铝合金板带中也发现类似本试验所用板坯的中间层偏析结构,并认为经过冷轧加工和退火后形成的颗粒物多数应为Al-Fe-Mn相,而在Mn含量较少时,Fe和Si可形成稳定的α-AlFeSi相。根据表1中所示结果,本次试验5052铝合金含Mn量较少,可以基本确定此颗粒物多数应为α-AlFeSi相。3中间退火工艺1)均匀化退火后实验铝合金板坯的显微硬度提高,组织更加均匀。高温均匀化退火能够有效减轻板坯的中间偏析,使Mg等合金元素固溶到基体中,但通过均匀化退火并不能完全消除中间偏析;加热温度580℃,保温20h后,板坯中间偏析得到有效减轻,合金的显微硬度提高,组织更加均匀;2)中间退火后板材组织和性能明显改善,塑性恢复,利于进一步冷轧加工。中间退火温度为42