5083合金不同均质制度的组织和性能研究对比

吴 楠，杨 旭，岳 凯，张 宇，郝玉喜

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

5083铝合金是Al-Mg合金，不可热处理合金，耐蚀性、可切削性良好，主要应用于模具制造业、造船业、运输业，如船舶、飞机焊接件、地铁轻轨、压力容器、制冷装置等[1]。在挤压过程，5083合金的挤压成型性较差，成品率较低。

铝合金铸锭均匀化退火时，枝晶偏析消除，铸造过程生成的非平衡相溶解，过饱和溶质沉淀析出，溶质原子逐渐趋于均匀分布。对于未回溶到基体中的初生相也会发生聚集、球化。均匀化后组织变化，提高了合金的塑性，改善了合金的加工变形性能，降低了铸锭热轧开裂的危险，使变形抗力降低，改善铸锭的机械加工性能[2，3]。本文通过分析探讨不同均匀化制度对5083合金的组织和性能影响，从微观组织、力学强度、塑性、韧性等方面，分析判断出适宜挤压的最佳均质制度。

1 试验材料与方法

本次试验5083合金具体化学成分(质量分数，%)为，Si 0.2，Fe 0.2，Mn 0.5，Mg 4.4，Cr 0.18，Zn 0.15，Ti 0.12。采用直接水冷半连续方法进行铸造，铸锭直径为198mm。采用正交试验方法设计均质热处理制度，均质温均质制度为(470℃/490℃/510℃)×(10h/16h/22h/28h)。

铸态和均质处理的铸锭试样经打磨、抛光和Keller试剂腐蚀后，使用金相显微镜和扫描电镜观其微观组织和形貌，并结合EDS进行微区成分分析。将铸态和均质处理铸锭加工成标准力学试样，使用拉伸试验机进行力学性能测试，并使用SEM观察断口形貌。

2 试验结果与分析

2.1 微观组织

图1为5083合金铸态和均质态的微观组织图片。5083合金主要相组成为α-Al、Mg2Al3、Mg2Si、(FeMn)Al6[4]。从图中可看出，铸态的试样枝晶网络连续，基体上分布着大量的非平衡共晶相，经测定其非平衡共晶熔化温度为587℃。晶界上聚集大量初生共晶相，呈骨骼状、块状、针状分布，结合铝合金金相图谱[5]可判断骨骼状为Mg2Si，多边形块状为(FeMn)Al6，穿插在晶界上、呈针状的为FeAl3相，尺寸在20μm左右。合金在受力变形过程中，FeAl3相处应力集中，易成为裂纹源，降低合金的强度和塑性，一般通过均质处理将其消除或使其球化。图1(b)(c)(d)显示，均质处理后合金晶界和枝晶界网络断续，晶界弱化，在晶界和枝晶界上的非平衡初生相部分回溶到基体中，晶界上残留的部分初生相逐渐趋于球化。均质程度提高，晶界上残留的初生相数量减少。当均质制度为510℃×28h时，组织中非平衡共晶熔化温度为593℃，基体上有细小的弥散相析出，均质温度提高，溶质原子的扩散系数增大，扩散行程增大，溶质原子逐渐向晶内扩散，在随后冷却过程中，溶质原子从基体中析出，在基体上形成弥散相分布。图1(e)为均质制度510℃×28h放大500倍的微观组织，从图中可看出，基体上仍有针状FeAl3相存在，尺寸在5μm左右。

(a)未均质；(b)470℃×28h；(c)490℃×28h；(d)510℃×28h；(e)510℃×28h(500×)

2.2 SEM及EDS

图2为5083合金不同均质制度的SEM图，表1为EDS分析结果。由图可知，均匀化处理后残留的第二相为Mg2Al3、Mg2Si相，并且有含Fe相残留。均质制度510℃×28h试样基体上有针状FeAl3相存在，尺寸有所减小，5μm左右。表1的EDS结果显示该处还含有Mn、Mg等元素，Mg、Mn原子在针状FeAl3相附近形核析出。若继续提高均质温度或时间，AlMg相和AlFeMn相会以扩散控制生长和界面控制生长两种方式生长，使FeAl3相发生相变[6]。

(a)470℃×28h；(b)490℃×28h；(c)510℃×28h

表1 EDS能谱分析 (质量分数，%)

2.3 力学性能

图3为5083合金铸态和均质态处理后的力学性能。铸态合金屈服强度、抗拉强度、断后伸长率分别为94MPa、184MPa、10.9%，均质后的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率分别为99MPa～105MPa、225MPa～248MPa、14%～19%。均质合金的强度明显高于未均质强度，塑性也优于未均质塑性。均匀化制度为510℃×28h的强度最高，塑性最好。

合金强化作用主要有固溶强化、第二相弥散沉淀强化、细晶强化以及加工硬化。在铝合金均质过程中一般不会发生晶粒尺寸变化[7]，因此试验中铸锭强度主要受固溶强化、第二相弥散沉淀强化作用影响。在均质处理过程中，富集在晶界和枝晶界上的初生相数量减少，部分残留在基体上初生相发生球化或趋于球化，同时有弥散颗粒在基体上均匀析出，起到一定强化作用。而未均质处理铸锭基体上分布着块状、针状等初生相，该部分第二相较脆，易发生应力集中，成为裂纹源，因而未均质的铸锭强度和塑性均低于均质处理的铸锭。

均质温度的提高，合金元素在Al中溶解度增大，晶界和枝晶界上形状不规则，较脆的初生相发生溶解，对力学性能改善起到了积极作用。另外，均质温度的提高，相同冷却速率下所需的冷却时间较长，析出弥散相数量多，弥散强化作用更明显。

(a)屈服强度；(b)抗拉强度；(c)断后伸长率

2.4 断口分析

图4为5083铸锭铸态和均质处理后的拉伸试样断口形貌。图4(a)为未均质铸锭拉伸断口形貌，由准解理面和少量、深度较浅的韧窝组成，且韧窝内壁光滑，韧性较差，以脆性断裂为主。在韧窝处伴有微米级尺寸颗粒存在，由图4(b)EDS检测分析，推测该颗粒为Al-Mg初生相，在外力作用下，优先在Al-Mg初生相与集体结合处形成裂纹，导致韧性和塑性较差。图(c)(d)(e)为5083合金均质铸锭的拉伸断口形貌。随着均匀化温度的提高，准解理面减少，韧窝深度增大、数量增多，合金韧性逐渐增强。510℃×28h铸锭韧窝深度较深，韧性好，强度高，与上述力学性能试验结果相一致。

(a)铸态；(b)A点EDS分析；(c)470℃×28h；(d)490℃×28h；(e)510℃×28h

3 结论

(1)5083合金均质处理后，枝晶组织消除，第二相部分回溶到基体中，弥散相均匀析出，起到一定的弥散强化作用，强度和塑性均优于铸态。均质制度510℃×28h的强度和塑性最佳。

(2)铸态铸锭以脆性断裂为主，均质处理的铸锭断裂方式为韧性断裂，510℃×28h均质处理铸锭的断口韧窝深，铸锭强度高，韧性好。

(3)5083合金基体上分布着针状、脆性FeAl3相，510℃×28h均质处理后尺寸有所减小，均质处理并未将其消除，对合金的加工成型性存在着不利影响。