工艺流程对船用5083合金挤压型材性能的影响

2020-03-18张广明窦志家刘施洋杭天明

有色金属加工 2020年1期

张广明，窦志家，刘施洋，董颖，杭天明

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003)

铝合金船板可以有效减轻船舶重量、提高稳定性、增大航速，而且可以避免钢板在使用期间因锈损引起的船舶过早报废等问题[1]。5083铝合金属于Al-Mg系铝合金，具有良好的塑性、中等强度、抗蚀性及焊接性[2-3]，被广泛应用于船舶制造。5083铝合金是不可热处理强化铝合金，其强化手段主要依赖Mg原子固溶及冷变形[4]。目前对于5083铝合金的研究多集中于轧制板材，而对于5083挤压型材的研究较少，5083铝合金轧制板材的应用也远大于挤压型材。本次实验主要研究不同工艺流程对5083挤压型材的力学性能以及耐腐蚀性能的影响，为合理制定5083铝合金高强型材的生产工艺，改善力学及腐蚀性能提供依据。

1 试验材料及方法

试验选用材料是自产的5083铝合金铸锭，其化学成分见表1；5083型材采用55MN双动卧式挤压机挤压生产；试样拉伸过程采用5MN拉伸机；试样退火设备为纳博热低温热处理炉；化学成分检测设备为ARL-3460直读光谱仪；力学性能检测设备为100kN电子万能试验机，参照GB/T 228-2010执行；晶间腐蚀检测方法按照ASTM G67；剥落腐蚀检测方法按照ASTM G66；样件壁厚测量为游标卡尺；粗糙度检测设备为粗糙度检测仪。

表1 5083铸锭化学成分 (质量分数，%)

将挤压型材试样进行不同的拉伸变形及退火处理工艺组合，具体方案见表2。每项试验取5个试样，试验结果以5个试样检测均值为准，若其中1个试样检测结果严重背离其他4个试样，则取4个试样的均值作为最终检测结果。若其中2个试样检测结果严重背离其他3个试样，则重新制取试样进行检测。试验所取力学试样均为挤压纵向试样。

表2 5083带筋板工艺流程验证对比实验方案

2 试验结果

2.1 力学性能

力学性能检测结果如图1所示。《CCS材料与焊接规范2018》中挤压型材的力学标准为5083-H112：Rp0.2≥110 MPa、Rm≥270 MPa、A50≥10%，所有检测结果均符合该标准。

2.2 剥落腐蚀性能

剥落腐蚀试验处理的试样如图2所示。栓测结果为未热处理的方案1、方案2、方案3为N级；完全退火后拉伸处理的方案4、方案5、方案6为PA级；低温退火处理的方案7和方案8为PC级。《CCS材料与焊接规范2018》中剥落腐蚀检测要求为≥PB级，工艺方案7和方案8检测结果不符合标准要求。

2.3 晶间腐蚀性能

晶间腐蚀试验处理的试样如图3所示。检测结果为，试验方案1、方案2、方案3损失质量都在3 mg/cm2左右，方案4、方案5、方案6损失质量都在5.5 mg/cm2左右，方案7和方案8损失质量则高达50 mg/cm2以上。《CCS材料与焊接规范2018》中晶间腐蚀检测标准要求损失质量≤15 mg/cm2，工艺方案7和方案8检测结果不符合标准要求。

2.4 壁厚变化测量

拉伸强化会造成型材壁厚的减薄，使用游标卡尺对不同工艺流程试样的壁厚进行测量，测量结果为，方案1和方案4的壁厚为5.80 mm，方案2、方案5和方案7的壁厚为5.68 mm，方案3、方案6和方案8的壁厚为5.56 mm。可以看出，随着拉伸变形量增大，壁厚减薄量增大，拉伸量3%～5%时壁厚减少了2%，拉伸量6%～8%时壁厚减少了4%。

2.5 粗糙度测量

经目测并未发现不同工艺方案对试样外观造成影响，测量结果为方案1和方案4表面粗糙度Ra为0.8μm，方案2、方案5和方案7表面粗糙度Ra为0.9μm，方案3、方案6和方案8表面粗糙度Ra为1.2μm。可以看出，随着拉伸变形量增大，试样表面粗糙度增大，拉伸量3%～5%时粗糙度增大了12.5%，拉伸量6%～8%时粗糙度增大150%。

3 分析与讨论

5083属于Al-Mg铝合金，主要的合金化元素为Mg，合金强度随Mg含量的增加而升高，Mg以β相Mg5Al8存在。5083合金基本上处于单相固溶体区，所以合金具有良好的耐腐蚀性能。因此Mg含量控制在上限，能保证得到屈服强度指标较好、性能稳定的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，并使合金强度略有提高，尤其对屈服强度更为明显，Mn元素含量可以控制在中限。Cr能提高Al-Mg合金的抗腐蚀能力，保证足够的细化作用[5]。通过优化铸锭Mg、Mn、Cr元素的配比，方案1挤压型材试样的屈服强度、抗拉强度及断后延伸率分别比CCS标准高出39%、14%和110%。

从拉伸变形上分析，方案2比方案1的屈服强度高出41.2%、抗拉强度高出3.8%、断后延伸率降低7.2%，方案3比方案1的屈服强度高出81.6%、抗拉强度高出6.7%、断后延伸率降低19%。表明随着拉伸变形量的增大，屈服强度、抗拉强度增大，断后延伸率减小。这是因为随着冷加工率的增加，因加工变形，晶格畸变、破碎程度加大，金属内部出现点缺陷和位错，晶粒被拉长细化并出现亚结构等。晶格畸变越严重，位错密度越大，位错滑移时通过交互作用而形成位错缠结，位错运动受阻，型材逐渐硬化，形成了纤维组织和带状组织而加工硬化，因而型材的强度提高。同时冷变形后，由于发生了晶内及晶间的破坏，晶格产生了畸变以及出现了第二类残余应力等，使塑性指标下降[6]，但抗拉强度增幅效果不明显。拉伸变形是提高5083铝合金型材力学性能的有效手段，但是从试验结果中我们也可以看到，随着拉伸量的增加，断后延伸率及型材壁厚在逐渐减小，抗晶间腐蚀性能也有所降低，试样表面粗糙度也有所增加，故在实际生产中应严格控制挤压型材的拉伸量，保证型材产品的综合性能及尺寸公差。

从退火处理上分析，对比试验结果，退火处理降低了试样的屈服强度和抗拉强度，增加了试样的断后延伸率，但力学性能都满足《CCS材料与焊接规范2018》要求。低温退火降低了型材的抗晶间腐蚀及剥落腐蚀性能，经低温退火处理的试样，其抗腐蚀性能已经远远低于CCS标准要求，低温退火工艺((140℃～180℃)×4 h)不可应用在实际生产中。对比工艺方案2、方案3、方案4、方案5和方案6，增加完全退火处理工序并未使产品在强度及抗腐蚀性能上有任何优势，再考虑到成本因素，5083铝合金挤压型材在实际生产中应优先考虑挤压+拉伸强化的工艺流程。但完全退火处理可以降低5083合金的强度，提高塑性[7]，对于某些需要进行特定成型的船舶型材构件，也可以考虑采用挤压+完全退火+变形强化的生产工艺。