熱處理工藝對高鎂鋁合金組織和力學性能的影響

張希園

（中鋁瑞閩股份有限公司，福州 350015）

0 前言

伴隨5G 電子產(chǎn)品朝著輕薄、便攜、散熱及高顏值的方向發(fā)展，新型材質(zhì)的選擇成為電子產(chǎn)品外殼減重的重要途徑之一。相比鎂合金、塑料及碳纖維等材料，鋁合金不論成形性、耐蝕性、性價比等方面均更具優(yōu)勢，但鋁合金面臨著強度不足而無法進一步減薄的難題。電子外殼用高性能鋁材要求具有良好的強塑性，沖壓拉孔不開裂，同時噴砂陽極氧化處理后表面無“料紋”、色澤均勻、耐磨、耐蝕等特點。

業(yè)界普通認為5×××系鋁合金添加高含量的Mg、Cu、Cr 等元素可提高鋁材強度。但經(jīng)過冷軋的鋁材由于加工硬化及在各向異性的影響下，鋁基材有很大的內(nèi)應力，塑性很差，導致成品沖壓成型時易開裂。因此在實際生產(chǎn)過程中需在冷軋中間厚度安排一次再結(jié)晶退火，消除軋制積累的加工硬化和內(nèi)應力，恢復材料塑性，改善成品沖壓性能。本文重點研究不同中間退火工藝對高鎂鋁合金組織性能的影響規(guī)律，為技術開發(fā)提供參考。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗采用半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的高鎂鋁合金扁錠，規(guī)格為520 mm× 1 400 mm× 6 200 mm，其試驗化學成分見表1。

表1 高Mg-Al試驗化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

1.2 試驗方案

鑄錠經(jīng)過鋸切銑面后在500 ℃/3 h 均勻化熱處理后通過“1+3”熱軋機組軋至6.0 mm，熱軋終軋溫度為330 ℃。熱軋卷材冷軋機通過83.3%總加工率5道次軋制至厚度1.0 mm之后，取1.0 mm×200 mm×300 mm規(guī)格樣品進行不同退火方案試驗。

5×××系合金冷軋板帶材在工業(yè)化生產(chǎn)中退火主要采用箱式爐退火與氣墊爐退火兩種方式，通過控制退火溫度和保溫時間，獲得材料所需的組織性能。與傳統(tǒng)箱式爐相比，氣墊式連續(xù)爐具有加熱速度快、溫度精度高、冷卻速度快、性能均一、表面質(zhì)量高等優(yōu)點[1]。本次試驗共設計9種不同模擬退火方案，具體見表2，其中方案1～方案4 為箱式爐330 ℃退火，方案3～方案8為箱式爐380 ℃退火，方案9采用快速升溫爐模擬氣墊爐380 ℃/10 s退火工藝。

表2 退火試驗方案

將冷軋板材經(jīng)箱式爐及UNITEMP 快速升溫爐進行不同方案退火處理，得到試驗樣品。經(jīng)萬能試驗機測試力學性能，利用蔡司光學顯微鏡觀察晶粒組織分布。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 顯微組織及晶粒尺寸變化

圖1 為不同退火工藝下試樣的顯微組織，表3為不同退火工藝下Al-Mg鋁合金試樣的表面平均晶粒尺寸。

圖1 不同退火工藝下合金的晶粒組織

表3 不同退火工藝下合金表面平均晶粒尺寸

對比圖1不同狀態(tài)試樣晶粒情況，未經(jīng)退火的冷軋板表面晶粒沿軋制方向呈細長纖維狀，未發(fā)生再結(jié)晶。

在箱式爐330 ℃高溫退火作用下，原子擴散速度加快，合金在冷軋過程中產(chǎn)生的位錯，空位快速回復，材料發(fā)生再結(jié)晶。對比方案1～方案4，330 ℃退火溫度，2 h/6 h/9 h/12 h保溫時間晶粒圖及晶粒尺寸，晶粒組織基本上為橢圓形或近圓形的等軸晶，說明在此溫度下冷軋態(tài)的纖維組織已完全消失，材料完全再結(jié)晶；4組工藝的平均晶粒尺寸分別為16.6 μm/17.6 μm/16.9 μm/17.2 μm，尺寸差距小，說明在330 ℃退火溫度下，保溫時間的長短對晶粒尺寸的影響較小。

當箱式退火溫度繼續(xù)升高到380 ℃時，方案5保溫2 h 的晶粒較均勻，平均晶粒尺寸為17 μm，同330 ℃退火溫度的方案1～方案4 相比合金晶粒尺寸相當。退火時間增加至6 h、9 h、12 h 時，合金組織中部分晶粒逐漸不規(guī)則長大，平均晶粒尺寸分別達到21.2 μm/21.6 μm/22.3 μm。在380 ℃退火溫度下，隨保溫時間延長，晶粒呈長大趨勢。

在使用箱式爐退火時，330 ℃可以保證長時間退火下晶粒穩(wěn)定不長大，在此基礎上提高退火溫度，需控制保溫時間以使合金獲得均勻等軸晶粒。

方案9 模擬氣墊爐，即在150 s 時間內(nèi)由室溫25 ℃快速升溫至380 ℃，并保溫10 s的高溫短時退火，整體晶粒尺寸細小均勻，平均晶粒尺寸僅為12.1 μm。使用氣墊爐退火相較于箱式爐中低溫長時退火，氣墊爐的高溫短時加熱使材料可以在極短的時間內(nèi)完成回復并開始再結(jié)晶，內(nèi)部纖維狀組織發(fā)生再結(jié)晶時，形核率高，同時高溫短時加熱減緩了阻礙晶粒長大的一些第二相及夾雜物的溶解過程，使晶粒長大的趨勢減弱，從而迅速生成細小均勻的等軸晶組織[2]。

2.2 不同退火工藝對合金力學性能的影響

不同退火試驗方案的軋制方向力學性能如表4所示。經(jīng)冷軋加工率83.8%的加工硬化后，抗拉強度454 MPa，屈服強度428 MPa，延伸率2.84%，抗拉強度及屈服強度得到極大提升，延伸率很低。

表4 不同退火工藝下合金力學性能

對比方案1～方案4，箱式爐330 ℃退火溫度，保溫2～12 h 的力學性能，隨時間延長，抗拉強度及屈服強度隨之降低，延伸率隨之提高。保溫12 h同保溫2 h 對比，抗拉強度降低9 MPa，屈服強度降低4 MPa，延伸率提升7%。

對比方案5～方案8，箱式爐380 ℃退火溫度下保溫2～12 h 的力學性能，隨時間延長，抗拉強度隨之降低，屈服強度變化較小，延伸率隨之提高，保溫12 h 同保溫2 h 對比抗拉強度降低6 MPa，延伸率提升1%。

在相同的退火溫度下，隨保溫時間延長，抗拉強度逐漸降低，屈服強度降低或不變，延伸率逐漸升高。在一定保溫時間下，金屬內(nèi)部完成充分再結(jié)晶。但隨保溫時間繼續(xù)增加，晶粒繼續(xù)長大，等軸性得以進一步改善，材料抗拉及屈服強度略有下降，延伸率得以提升。同時對比箱式爐330 ℃及380 ℃退火，相同保溫時間下材料力學性能、抗拉強度和屈服強度較為接近，但380 ℃保溫6～12 h相較330 ℃保溫6～12 h，其延伸率降低2.42%～2.82%。溫度的升高增加了可動位錯的數(shù)目與移動速度，再結(jié)晶的發(fā)生是以低位錯密度的新晶粒代替高位錯密度的舊晶粒，這一切都將使塑性變形過程中的畸變能進一步釋放，進而使材料發(fā)生軟化[3]。但高溫長時退火導致晶粒粗大且均勻性更差，從而降低延伸率。

方案9 是氣墊爐380 ℃退火溫度保溫10 s 工藝退火，抗拉強度330 MPa，屈服強度186 MPa，延伸率28.14%，屈服強度及延伸率均高于前8組箱式爐退火方案。

氣墊爐高溫短時退火通過極快的加熱速度，減小阻礙晶粒長大的一些第二相及夾雜物的溶解過程，減弱晶粒長大趨勢，得到更為細小均勻的晶粒。和箱式爐退火相比，細小密集的晶粒使材料擁有更高的抗拉強度及屈服強度，同時更均勻的晶粒提高了材料的延伸率。

3 結(jié)論

（1）模擬箱式爐退火溫度330 ℃，保溫時間2～12 h，均發(fā)生完全再結(jié)晶，并隨著保溫時間延長，延伸率隨著升高，晶粒等軸性得以改善。

（2）模擬箱式爐退火溫度380 ℃，保溫時間2～12 h，均發(fā)生完全再結(jié)晶，并隨著保溫時間延長，晶粒呈長大趨勢，延伸率相較與箱式330 ℃有所降低。在使用箱式爐退火時，需控制退火溫度及保溫時間以使合金獲得均勻等軸晶粒，達到良好塑性。

（3）模擬氣墊式爐高溫短時退火時，整體抗拉強度、屈服強度及延伸率都高于箱式爐退火方案。通過極高的升溫速率及退火溫度，減緩阻礙晶粒長大的一些第二相及夾雜物的溶解過程，減弱晶粒長大趨勢，合金中的回復及再結(jié)晶均在短時間內(nèi)完成，更容易形成細小均勻的等軸晶粒，塑性最好。