5083铝合金板材塌陷成因分析

2023-05-09黄启波

铝加工 2023年2期

李霜，冯旺，孙娜，黄启波，牟春

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

0 前言

5083 合金是以Mg 为主合金元素的变形铝合金，Mg 元素在α-Al 基体中具有较大的固溶度且随温度的变化较大，但与Al 形成的化合物结构同α-Al基体相近[1]，导致A1-Mg合金的时效强化效果甚微，故为不可热处理强化型铝合金。5083 铝合金具有良好的成型性能、焊接特性、耐腐蚀性能、较高的疲劳极限、高的比强度以及较低的价格、丰富的资源等诸多方面的优势，已经在交通运输、航海造船、航空航天、电子通讯和轻工建材等领域获得了广泛的应用[2-3]。但此类合金铸锭在板材的生产过程中，轧件上易萌生裂纹等缺陷问题，不仅会影响产品的质量，甚至会导致报废量急剧增加。

针对某公司在近期生产5083 合金板材，将规格为510 mm×1940 mm 的铸锭至200 mm 左右厚的板材时，多次在板材尾端出现大面积的表面塌陷，导致材料报废的现象，为了探究板材塌陷的形成原因，对5083 铝合金板材表面缺陷处的组织和成分进行了研究。

1 试验方法

宏观观察：采用高清相机观察样品表面塌陷部位的宏观形貌；同时用NaOH溶液对板材塌陷部位和正常部位的截面进行低倍浸蚀。

微观分析：取塌陷部位的断口样品，用HitachiS-400扫描电镜进行微观观察；采用牛津X-Max能谱仪进行成分分析。同时切取塌陷部位及正常部位样品，对其纵截面进行高倍磨样，用凯勒试剂进行浸蚀后，采用Leica DM 4000M 光学显微镜进行金相组织对比分析。

根据GB/T 3190—2008 标准要求，采用ARL-4460 光电光谱仪对5083 合金板材进行成分检测。合金的化学成分如表1所示。

表1 5083合金板材化学成分（质量分数/%）

2 试验结果及分析

2.1 宏观组织分析

某厂生产的5083 合金由510 mm 厚铸锭轧至200 mm 左右时，发现距离板材尾部330~700 mm、距两侧边部约130 mm 处存在表面塌陷现象，轧制后板材宏观形貌如图1 所示。将试样用NaOH 溶液进行处理后，其低倍组织示意图见图2。由图可知，在轧板尾端的边部及中部样品出现塌陷现象，凹陷部位心部位置均存在较多尺寸不一的不规则孔洞。

图1 板材宏观示意图

图2 轧板厚度方向低倍组织图

2.2 断口形貌分析

对塌陷部位及正常部位采用人工打开裂口，对断口面进行扫描电镜对比分析，典型电镜形貌如图3所示。选取轧板厚度的1/4 位置进行固态氢含量检测，其结果见表2。由图表可知，轧板塌陷部位的固态氢含量明显高于正常部位；正常部位断口面韧窝数量较多，大韧窝边缘聚集着众多的小韧窝，为典型的韧性断裂；在样品塌陷区域断口面存在孔洞，孔洞部位表面较光滑，呈未焊合气孔形貌特征，微观形貌即为较大尺寸的显微疏松。

图3 断口面典型电镜形貌

表2 轧板T/4厚度位置固态氢含量（μg/g·Al）

2.3 显微组织分析

在轧板尾端样品的塌陷部位及轧板头端部位分别取样，对板材不同厚度位置纵截面样品的显微组织进行对比分析，其典型显微组织如图4所示。

由图4可知，轧板塌陷部位及头端部位样品心部均存在较多尺寸不一的孔洞，孔洞内壁较光滑，未见明显异物，塌陷部位样品孔洞数量及尺寸明显大于头端样品。

3 分析与讨论

该厂生产的板材塌陷部位断口面粗糙、存在孔洞，孔洞表面较光滑，而正常部位断口面呈韧窝状，断口面干净。由上述试验可知，文中5083 合金板材出现的塌陷现象是由铸锭中存在的大尺寸气孔引起的，在轧制过程中，铸锭中的大尺寸气孔遗传至板材进而形成塌陷。

5083 合金在铸造过程中，铝合金熔体中的气体（主要是氢）和氧化夹杂物、富Fe 相杂质相等使铸锭产生气孔、疏松等冶金缺陷[4-6]。铝液中形成气泡核之后，铝液中的氢向气泡核迁移，并向熔池表面运动，这是脱氢过程的一个阶段。铝液中的氢气泡透过相界面（表面氧化膜）逸出，这是脱氢的另一个阶段。然而，这种脱氢过程的路径长，并因铝液表面存在一层致密的氧化膜，使得这种迁移难于进行，当氢无法逸出时，便形成气孔。铸锭冶金缺陷的存在将直接影响到铝合金材料的强度、韧性、塑性变形性能、抗蚀性、阳极氧化性能以及最终使用性能等[7-8]。铸锭形成气孔等缺陷后，将对材料的后续加工过程产生影响。在板材的轧制过程中，压应力作用在缺陷处后，使材料内部的缺陷显现，形成文中所描述的板材塌陷现象。