工藝流程對(duì)船用5083合金擠壓型材性能的影響

張廣明，竇志家，劉施洋，董 穎，杭天明

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

鋁合金船板可以有效減輕船舶重量、提高穩(wěn)定性、增大航速，而且可以避免鋼板在使用期間因銹損引起的船舶過(guò)早報(bào)廢等問(wèn)題[1]。5083鋁合金屬于Al-Mg系鋁合金，具有良好的塑性、中等強(qiáng)度、抗蝕性及焊接性[2-3]，被廣泛應(yīng)用于船舶制造。5083鋁合金是不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，其強(qiáng)化手段主要依賴Mg原子固溶及冷變形[4]。目前對(duì)于5083鋁合金的研究多集中于軋制板材，而對(duì)于5083擠壓型材的研究較少，5083鋁合金軋制板材的應(yīng)用也遠(yuǎn)大于擠壓型材。本次實(shí)驗(yàn)主要研究不同工藝流程對(duì)5083擠壓型材的力學(xué)性能以及耐腐蝕性能的影響，為合理制定5083鋁合金高強(qiáng)型材的生產(chǎn)工藝，改善力學(xué)及腐蝕性能提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用材料是自產(chǎn)的5083鋁合金鑄錠，其化學(xué)成分見(jiàn)表1；5083型材采用55MN雙動(dòng)臥式擠壓機(jī)擠壓生產(chǎn)；試樣拉伸過(guò)程采用5MN拉伸機(jī)；試樣退火設(shè)備為納博熱低溫?zé)崽幚頎t；化學(xué)成分檢測(cè)設(shè)備為ARL-3460直讀光譜儀；力學(xué)性能檢測(cè)設(shè)備為100kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，參照GB/T 228-2010執(zhí)行；晶間腐蝕檢測(cè)方法按照ASTM G67；剝落腐蝕檢測(cè)方法按照ASTM G66；樣件壁厚測(cè)量為游標(biāo)卡尺；粗糙度檢測(cè)設(shè)備為粗糙度檢測(cè)儀。

表1 5083鑄錠化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

將擠壓型材試樣進(jìn)行不同的拉伸變形及退火處理工藝組合，具體方案見(jiàn)表2。每項(xiàng)試驗(yàn)取5個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果以5個(gè)試樣檢測(cè)均值為準(zhǔn)，若其中1個(gè)試樣檢測(cè)結(jié)果嚴(yán)重背離其他4個(gè)試樣，則取4個(gè)試樣的均值作為最終檢測(cè)結(jié)果。若其中2個(gè)試樣檢測(cè)結(jié)果嚴(yán)重背離其他3個(gè)試樣，則重新制取試樣進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)所取力學(xué)試樣均為擠壓縱向試樣。

表2 5083帶筋板工藝流程驗(yàn)證對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如圖1所示?！禖CS材料與焊接規(guī)范2018》中擠壓型材的力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)為5083-H112：Rp0.2≥110 MPa、Rm≥270 MPa、A50≥10%，所有檢測(cè)結(jié)果均符合該標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 剝落腐蝕性能

剝落腐蝕試驗(yàn)處理的試樣如圖2所示。栓測(cè)結(jié)果為未熱處理的方案1、方案2、方案3為N級(jí)；完全退火后拉伸處理的方案4、方案5、方案6為PA級(jí)；低溫退火處理的方案7和方案8為PC級(jí)?！禖CS材料與焊接規(guī)范2018》中剝落腐蝕檢測(cè)要求為≥PB級(jí)，工藝方案7和方案8檢測(cè)結(jié)果不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 晶間腐蝕性能

晶間腐蝕試驗(yàn)處理的試樣如圖3所示。檢測(cè)結(jié)果為，試驗(yàn)方案1、方案2、方案3損失質(zhì)量都在3 mg/cm2左右，方案4、方案5、方案6損失質(zhì)量都在5.5 mg/cm2左右，方案7和方案8損失質(zhì)量則高達(dá)50 mg/cm2以上?！禖CS材料與焊接規(guī)范2018》中晶間腐蝕檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求損失質(zhì)量≤15 mg/cm2，工藝方案7和方案8檢測(cè)結(jié)果不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 壁厚變化測(cè)量

拉伸強(qiáng)化會(huì)造成型材壁厚的減薄，使用游標(biāo)卡尺對(duì)不同工藝流程試樣的壁厚進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為，方案1和方案4的壁厚為5.80 mm，方案2、方案5和方案7的壁厚為5.68 mm，方案3、方案6和方案8的壁厚為5.56 mm?？梢钥闯?，隨著拉伸變形量增大，壁厚減薄量增大，拉伸量3%～5%時(shí)壁厚減少了2%，拉伸量6%～8%時(shí)壁厚減少了4%。

2.5 粗糙度測(cè)量

經(jīng)目測(cè)并未發(fā)現(xiàn)不同工藝方案對(duì)試樣外觀造成影響，測(cè)量結(jié)果為方案1和方案4表面粗糙度Ra為0.8μm，方案2、方案5和方案7表面粗糙度Ra為0.9μm，方案3、方案6和方案8表面粗糙度Ra為1.2μm。可以看出，隨著拉伸變形量增大，試樣表面粗糙度增大，拉伸量3%～5%時(shí)粗糙度增大了12.5%，拉伸量6%～8%時(shí)粗糙度增大150%。

3 分析與討論

5083屬于Al-Mg鋁合金，主要的合金化元素為Mg，合金強(qiáng)度隨Mg含量的增加而升高，Mg以β相Mg5Al8存在。5083合金基本上處于單相固溶體區(qū)，所以合金具有良好的耐腐蝕性能。因此Mg含量控制在上限，能保證得到屈服強(qiáng)度指標(biāo)較好、性能穩(wěn)定的5083合金材料，合金中添加少量的Mn具有抑制晶粒粗化的作用，并使合金強(qiáng)度略有提高，尤其對(duì)屈服強(qiáng)度更為明顯，Mn元素含量可以控制在中限。Cr能提高Al-Mg合金的抗腐蝕能力，保證足夠的細(xì)化作用[5]。通過(guò)優(yōu)化鑄錠Mg、Mn、Cr元素的配比，方案1擠壓型材試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后延伸率分別比CCS標(biāo)準(zhǔn)高出39%、14%和110%。

從拉伸變形上分析，方案2比方案1的屈服強(qiáng)度高出41.2%、抗拉強(qiáng)度高出3.8%、斷后延伸率降低7.2%，方案3比方案1的屈服強(qiáng)度高出81.6%、抗拉強(qiáng)度高出6.7%、斷后延伸率降低19%。表明隨著拉伸變形量的增大，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度增大，斷后延伸率減小。這是因?yàn)殡S著冷加工率的增加，因加工變形，晶格畸變、破碎程度加大，金屬內(nèi)部出現(xiàn)點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)，晶粒被拉長(zhǎng)細(xì)化并出現(xiàn)亞結(jié)構(gòu)等。晶格畸變?cè)絿?yán)重，位錯(cuò)密度越大，位錯(cuò)滑移時(shí)通過(guò)交互作用而形成位錯(cuò)纏結(jié)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，型材逐漸硬化，形成了纖維組織和帶狀組織而加工硬化，因而型材的強(qiáng)度提高。同時(shí)冷變形后，由于發(fā)生了晶內(nèi)及晶間的破壞，晶格產(chǎn)生了畸變以及出現(xiàn)了第二類殘余應(yīng)力等，使塑性指標(biāo)下降[6]，但抗拉強(qiáng)度增幅效果不明顯。拉伸變形是提高5083鋁合金型材力學(xué)性能的有效手段，但是從試驗(yàn)結(jié)果中我們也可以看到，隨著拉伸量的增加，斷后延伸率及型材壁厚在逐漸減小，抗晶間腐蝕性能也有所降低，試樣表面粗糙度也有所增加，故在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制擠壓型材的拉伸量，保證型材產(chǎn)品的綜合性能及尺寸公差。

從退火處理上分析，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，退火處理降低了試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，增加了試樣的斷后延伸率，但力學(xué)性能都滿足《CCS材料與焊接規(guī)范2018》要求。低溫退火降低了型材的抗晶間腐蝕及剝落腐蝕性能，經(jīng)低溫退火處理的試樣，其抗腐蝕性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CCS標(biāo)準(zhǔn)要求，低溫退火工藝((140℃～180℃)×4 h)不可應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。對(duì)比工藝方案2、方案3、方案4、方案5和方案6，增加完全退火處理工序并未使產(chǎn)品在強(qiáng)度及抗腐蝕性能上有任何優(yōu)勢(shì)，再考慮到成本因素，5083鋁合金擠壓型材在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)優(yōu)先考慮擠壓+拉伸強(qiáng)化的工藝流程。但完全退火處理可以降低5083合金的強(qiáng)度，提高塑性[7]，對(duì)于某些需要進(jìn)行特定成型的船舶型材構(gòu)件，也可以考慮采用擠壓+完全退火+變形強(qiáng)化的生產(chǎn)工藝。

4 結(jié)論

(1)5083鋁合金隨著拉伸變形量增大，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度增大，斷后延伸率降低，但抗拉強(qiáng)度增幅效果不明顯；

(2)未熱處理的擠壓狀態(tài)下，5083鋁合金抗腐蝕性能良好，較低的拉伸量對(duì)晶間、剝落腐蝕性能沒(méi)有影響；

(3)低溫退火((140℃～180℃)×4h)處理大幅降低了5083合金的抗腐蝕性能，不宜在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用；

(4)擠壓+拉伸強(qiáng)化(3%～5%)和擠壓+拉伸強(qiáng)化(6%～8%)兩種工藝流程方案的試樣均具有優(yōu)秀的力學(xué)性能及抗腐蝕性能，實(shí)際生產(chǎn)中優(yōu)先考慮擠壓+拉伸強(qiáng)化工藝流程，對(duì)于某些需要進(jìn)行特定成型的船舶型材構(gòu)件，也可以考慮采用擠壓+完全退火+變形強(qiáng)化的生產(chǎn)工藝。