超聲波功率對鑄軋5182鋁合金帶坯組織性能的影響

郝建飛+李潤霞+王順成+李繼林+甘春雷+宋東福

摘要： 采用超聲波連續(xù)鑄軋工藝制備5182鋁合金帶坯，研究了超聲波功率對5182鋁合金帶坯組織性能的影響.結(jié)果表明：施加超聲波振動可細(xì)化5182鋁合金帶坯的晶粒組織，減輕元素的偏析程度.超聲波的功率越大，5182鋁合金帶坯的晶粒越細(xì)小，元素偏析程度越小，拉伸力學(xué)性能越高.當(dāng)超聲波功率為800 W時，5182鋁合金帶坯的抗拉強(qiáng)度為211.4 MPa，伸長率為18.4%，與未施加超聲波振動相比，此時5182鋁合金帶坯的抗拉強(qiáng)度提高了15.8%，伸長率提高了26.0%.

關(guān)鍵詞： 5182鋁合金； 連續(xù)鑄軋； 超聲振動； 超聲波功率

中圖分類號： TG 146.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

連續(xù)鑄軋工藝具有工藝流程短、投資規(guī)模小和高效節(jié)能等優(yōu)點，在鋁合金帶坯生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[1-2].但常規(guī)的連續(xù)鑄軋工藝目前只能生產(chǎn)1xxx系、3xxx系和8xxx系等低合金化的鋁合金帶坯，尚不能生產(chǎn)5xxx系和6xxx系等合金化程度較高的鋁合金板帶坯，原因是鋁合金板帶坯容易出現(xiàn)元素偏析、晶粒粗大等問題[3].為了解決上述問題，Mao等[4]研究了超聲波振動對鑄軋1235鋁合金帶坯顯微組織的影響，夏晨希等[5]研究了超聲波處理對鑄軋3003鋁合金帶坯組織性能的影響.研究結(jié)果表明，在連續(xù)鑄軋過程中施加超聲波振動可以細(xì)化鋁合金板帶坯的晶粒組織，減輕元素微觀偏析程度，進(jìn)而提高鋁合金帶坯的塑性和強(qiáng)度.5182鋁合金具有良好的抗腐蝕性能、加工性能和焊接性能，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、電子電器和航空航天等領(lǐng)域[6]，但5182鋁合金帶坯目前主要采用熱軋工藝生產(chǎn)，尚未見到采用連續(xù)鑄軋工藝生產(chǎn)[7-8].因此，本文采用超聲波連續(xù)鑄軋工藝生產(chǎn)5182鋁合金帶坯，研究超聲波功率對5182鋁合金帶坯組織性能的影響.

1 試驗材料與方法

試驗材料為5182鋁合金，采用工業(yè)純鋁（99.7%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、工業(yè)純鎂（99.8%）、速溶硅和Al10Mn合金熔煉配制，熔煉設(shè)備為100 kg鋁合金熔煉爐，經(jīng)SPECTROMAX光電直讀光譜儀測定，其化學(xué)成分為：Mg 4.62%，Mn 0.46%，Si 0.16%，F(xiàn)e 0.14%，Cu 0.1%，余量為Al.

試驗設(shè)備為輥徑400 mm的水平式雙輥鑄軋機(jī)、電磁感應(yīng)加熱爐和超聲波發(fā)生器.其中，鑄軋機(jī)的鑄嘴寬為200 mm，鑄嘴型腔高為18 mm，鑄軋區(qū)長度為50 mm.超聲波發(fā)生器的頻率為20 kHz，最大功率為1 kW，且功率可調(diào).壓電陶瓷式換能器的直徑為50 mm，導(dǎo)入桿材料為合金鋼.圖1為超聲波連續(xù)鑄軋裝置示意圖.

在電磁感應(yīng)加熱爐內(nèi)于740 ℃加熱熔化5182鋁合金，進(jìn)行精煉、扒渣后，將5182鋁合金液導(dǎo)入鑄軋機(jī)前箱，保持前箱內(nèi)5182鋁合金液的溫度為690 ℃，將超聲波導(dǎo)入桿插入液面下10 mm，分別在超聲波功率為300，500和800 W的條件下，將5182鋁合金液連續(xù)鑄軋成寬為220 mm、厚為6.2 mm的5182鋁合金帶坯，鑄軋速度為1.2 m/min.

試驗完成后，在5182鋁合金帶坯上取樣，試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后，在LEICADMI3000M金相顯微鏡上對帶坯橫截面（顯微照片即為橫截面照片）組織進(jìn)行觀察，在Nova NanoSEM 430掃描電子顯微鏡上觀察試樣的第二相粒子大小、形貌及其分布，并對第二相粒子進(jìn)行能譜分析.將鋁合金板帶坯加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在DNS200型電子拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸，拉伸速度為2 mm/min.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖2為超聲波功率對鑄軋5182鋁合金帶坯顯微組織的影響.從圖2（a）可看到，未施加超聲波振動時，5182鋁合金帶坯中的顯微組織均為粗大的αAl枝晶，在αAl枝晶的晶界處存在大量的共晶相，對帶坯的共晶相進(jìn)行能譜分析.根據(jù)析出相的各元素含量可知，晶界處的共晶相是由淺灰色骨骼狀的β（Al8Mg5）相和灰色塊狀的Al6Mn相組成.如圖3所示，在晶界處偏聚的共晶相是由于鋁合金液體在凝固過程中，Mg原子在合金液體中來不及擴(kuò)散發(fā)生非平衡結(jié)晶形成的Al8Mg5相，以及Mn原子在Al基體中固溶度較低而偏聚于晶界形成的Al6Mn相[9-11].表明5182鋁合金帶坯存在Mg，Mn合金元素的微觀偏析.從圖2（b）～（d）可看到，當(dāng)施加超聲波振動后，隨著超聲波功率的增大，5182鋁合金帶坯的αAl枝晶晶粒逐漸得到細(xì)化，αAl枝晶晶間的Al8Mg5，Al6Mn共晶相含量越少，帶坯中的Al8Mg5，Al6Mn共晶相含量趨于更加均勻，表明施加超聲波振動可細(xì)化5182鋁合金帶坯的晶粒組織，減輕Mg，Mn合金元素的微觀偏析程度.

對于超聲波振動細(xì)化合金的晶粒，國內(nèi)外學(xué)者提出了眾多理論，目前被大多數(shù)學(xué)者所接受的是超聲空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)[12-13].在超聲波負(fù)壓下，液體分子被拉裂產(chǎn)生空化泡，空化泡破裂時會從周圍的液體中吸收熱量，造成局部過冷，因而在空化泡的附近形成晶核，使晶核的形核率增加，組織得到細(xì)化.在空化泡崩潰過程中，強(qiáng)烈的沖擊波將擊碎初生晶體和正在長大的晶體，而破碎的晶體在聲流的攪拌作用下，再次分布到熔體中，提高了生核率.合金的顯微偏析程度與熔體的冷卻速率、雜質(zhì)元素的擴(kuò)散程度、凝固前沿熔體的熱對流程度以及溶質(zhì)的分配系數(shù)有關(guān).而超聲波能夠減輕元素偏析是因為，在鋁熔體中施加超聲波后，在交變聲場的作用下產(chǎn)生的空化泡在經(jīng)過周期性振蕩下長大并瞬間崩潰，在晶核簇附近產(chǎn)生劇烈振蕩，使晶核脫落，分散開來，經(jīng)過超聲聲流的攪拌作用，晶核均勻地分布到熔體中的各個部位，促進(jìn)了溶質(zhì)元素和一些微細(xì)顆粒的均勻彌散，減小了溶質(zhì)富集層的厚度，同時在施加超聲振動過程中晶粒得到細(xì)化.晶粒越小，晶粒之間相互接觸的生長過程就越短，晶粒內(nèi)的溶質(zhì)在晶粒間的累積時間就越短，顯微偏析出現(xiàn)的幾率就越減小.endprint

在5182鋁合金帶坯鑄軋成形過程中，由于水冷軋輥的冷卻作用，會在熔體內(nèi)產(chǎn)生較大的過冷度，該過冷度會促使晶核在結(jié)晶區(qū)內(nèi)形成.由于表層熔體散熱方式是單向散熱，使得結(jié)晶區(qū)的晶核會逆著熱流方向擇優(yōu)生長，導(dǎo)致在常規(guī)鑄軋工藝下的5182鋁合金帶坯以粗大的αAl枝晶為主.同時由于5182鋁合金的合金化程度較高，因此在鑄軋成帶坯時，容易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的Mg，Mn合金元素偏析[14-15].在鑄軋過程中施加超聲波振動之后，一方面，超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)可以使鋁熔體產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩，加劇熔體的結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏，使生長中的或已經(jīng)長大的αAl枝晶熔斷、脫落，彌散分布在亞穩(wěn)態(tài)溶體中，促進(jìn)金屬的非均質(zhì)形核，提高形核率，使晶粒細(xì)化 [16-18]；另一方面，超聲波產(chǎn)生的聲流效應(yīng)，對鋁熔體具有攪拌作用，溶質(zhì)元素Mg，Mn隨鋁熔體不斷翻滾、擴(kuò)散，在凝固過程中呈彌散分布，使得溶質(zhì)元素Mg，Mn在晶內(nèi)和晶界上分布更加均勻，從而使5182鋁合金帶坯晶界處的Al8Mg5，Al6Mn共晶相富集量減少，分布更均勻[19-20].

2.2 力學(xué)性能

圖4為超聲波功率對5182鋁合金帶坯拉伸力學(xué)性能的影響.從圖4中可以看出，5182鋁合金帶坯的拉伸力學(xué)性能隨著超聲波功率的增大而逐漸提高.當(dāng)未施加超聲波振動時，5182鋁合金帶坯的抗拉強(qiáng)度為182.6 MPa，伸長率為14.6%.當(dāng)超聲波功率達(dá)到800 W時，5182鋁合金帶坯的抗拉強(qiáng)度為211.4 MPa，伸長率為18.4%，與未施加超聲波振動相比，此時5182鋁合金帶坯的抗拉強(qiáng)度提高了15.8%，伸長率提高了26%.

3 結(jié) 論

（1） 在連續(xù)鑄軋過程中施加超聲波振動，可細(xì)化5182鋁合金帶坯的晶粒組織，減輕元素偏析.超聲波的功率越大，5182鋁合金帶坯的晶粒越細(xì)小，元素偏析程度越小，拉伸力學(xué)性能越高.

（2） 當(dāng)超聲波功率為800 W時，5182鋁合金帶坯的抗拉強(qiáng)度為211.4 MPa，伸長率為18.4%，與未施加超聲波振動相比，此時5182鋁合金帶坯的抗拉強(qiáng)度提高了15.8%，伸長率提高了26%.

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