5×××合金雙級均勻化熱處理工藝研究及工業化驗證

趙志文

(西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326)

0 前言

5×××合金具有優良的綜合性能，在船舶上應用廣泛。然而由于采用半連續鑄造生產，在快速冷卻過程中，合金表面和心部晶粒類型、晶粒尺寸分布不均，并且易產生宏觀偏析等問題[1，2]，對后續鑄錠的軋制合格率以及最終產品的綜合性能具有重要影響。業已證明，均勻化熱處理已成為提高鑄錠綜合性能的關鍵技術[3]。本研究根據5×××合金的DSC曲線結果分析，制定了其雙級均勻化熱處理工藝，并通過了鑄錠實驗測試驗證，對工業化生產具有指導意義。

1 5×××合金DSC分析

差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）是一種熱分析方法，通過分析樣品溫度變化過程的吸熱或放熱的速率，表征相轉變過程。通過研究5×××鋁合金鑄態加熱過程的DSC曲線變化，可有效表征鑄錠內部低熔點相的融化溫度，可為均勻化熱處理工藝參數的制定提供指導。

采用DSC差示掃描量熱儀，開展5×××鑄錠材料的DSC曲線測試，DSC測試曲線如圖1所示。

圖1 5×××鋁合金DSC曲線

由圖1可知，鑄態合金在470℃處出現第一個吸熱峰，表明在此溫度發生了低熔點共晶相的溶解。另外，由圖可知低熔點相開始熔化溫度為459℃。當溫度持續上升到約570℃時，第二個吸熱峰出現，在此溫度下合金開始熔化。在均勻化過程中為了避免低熔點共晶相在459℃處過燒，需要將合金在低于459℃的適宜溫度下保溫一段時間，以使得低熔點共晶相先回溶于基體，然后再升溫至較高溫度讓溶質原子進行充分的擴散，最終達到理想的均勻化效果。因此，依據該DSC曲線，5×××合金的雙級均勻化熱處理工藝需要避開459℃溫度段和570℃溫度段。

2 雙級均勻化熱處理工藝

2.1 雙級均勻化熱處理工藝方案制定

根據5×××鋁合金的DSC曲線可知，雙級均勻化熱處理，首先采用低于459℃的溫度開展一級均熱處理，使得低熔點共晶相先回溶于基體，然后將鑄錠升溫超過459℃而低于570℃的溫度區間，實現溶質原子的充分擴散。

5×××合金的雙級均勻化熱處理工藝試驗方案如表1所示。5×××合金鑄錠不同雙級均勻化退火方案樣品DSC曲線如圖2所示，其中右側曲線圖為左側曲線圖陰中影部分的局部放大圖。

表1雙級均勻化熱處理工藝試驗方案

圖2不同均熱樣品的DSC曲線

由圖2可知，不同方案經過均勻化退火后，低熔點相的回熔峰已經消失且沒有新的峰形成，這表明經過三種方案均勻化退火處理后低熔點相都回溶充分。

2.2 雙級均勻化對顯微組織的影響

為了分析三種均勻化熱處理方案的組織差異，開展金相組織觀察對比，三種方案金相組織如表2所示。從表2金相圖中可以看出，5×××經過不同方案的均勻化退火后其組織沒有明顯差異，金相圖上沒有發現未回溶相，沒有發現過燒現象。

表2不同均勻化退火制度下的金相組織

綜合圖2和表2的試驗測試對比可知，5×××合金經過（410～450）℃/5h的第一級熱處理后較好地消除了低熔點共晶相，從而避免了在均熱過程中由于鑄錠升溫太快，低熔點相未來得及回溶而出現過燒的現象。

經過上述三種實驗方案結果分析可知，5×××鋁合金樣品由室溫加熱至410～450℃并保溫5h，然后繼續加熱至520℃并保溫10h，再冷卻至室溫后，樣品中的析出物數量明顯減少，DSC分析結果表明低熔點相已經完全回溶進基體。因此，針對所開發的5×××合金，在小實驗中采用410℃/5h+520℃/10h的雙級均勻化工藝是合理可行的。

3 工業化驗證

根據前期實驗室的研究成果，鑄錠均勻化熱處理采用了雙級均熱，第一級均熱溫度按410℃控制；考慮到工業化鑄錠規格較大，為了使得鑄錠各部位溫度充分均勻，將第一級均熱的保溫時間適宜延長至10h。從生產成本和生產效率兩方面考慮，對于第二級均熱的溫度按實驗室推薦的520℃控制，保溫時間為10h。最終制定了工業化均勻化熱處理工藝并開展工業化試制，工業化均勻化熱處理工藝如表3所示。

表3鑄錠均勻化熱處理工藝

工業化均勻化熱處理前后顯微組織照片對比如圖3所示。由圖3金相照片可知，5×××鋁合金鑄錠按表3工藝進行均勻化熱處理后枝晶偏析已基本消除，均勻化效果比較理想。

圖3工業化均熱前后的顯微組織

均勻化后鋸除鑄錠頭尾后，切取低倍試片和氧化膜試片等進行晶粒度、宏觀疏松、粗晶層等檢測，其檢測結果如表4所示。由表4可知試制的方錠的晶粒度、宏觀疏松、氧化膜等數據均比較理想。

表4鑄錠低倍檢測結果

在鑄錠底部選取9塊成分分析試樣，進行鑄錠斷面成分偏差分析，選取位置如圖4所示。各位置成分分析數據如表5所示。由表5鑄錠斷面成分析可知：Mn元素分布比較均勻，成分偏析小；合金元素Mg在鑄錠邊部較心部位置含量高，成品狀態時Mg的散差為4.46%，處于比較合理的水平。

圖4方鑄錠斷面成分分析取樣位置

表5 5×××合金方錠斷面成分（質量分數/%）

鑄錠鋸除頭尾后，在鑄錠底部的低倍試片上從心部到邊部等分選取3個高倍試樣（取樣示意如圖5所示）。浸蝕前試樣高倍金相照片如圖6所示。由圖6可知，心部有顯微疏松現象，鑄錠邊部顯微疏松現象逐漸減輕，幾乎無疏松現象。由于鑄錠中H含量較低、且鑄錠邊部無疏松缺陷，由此可以推斷鑄錠心部的疏松屬于收縮疏松。從鑄造技術上講收縮疏松難以避免，只能將其尺寸控制得盡量小。在本項目研制中能夠將疏松嚴格控制在1級，完全滿足工業化試制要求。

通過浸蝕后的高倍組織觀察則可以發現晶粒趨于等軸狀，枝晶偏析已基本消除（如圖7所示），說明均勻化效果比較理想。

圖7顯微疏松及晶粒

4 結論

通過對5×××合金DSC曲線、均熱溫度、均熱時間等工藝的研究，掌握了適宜于工業化大生產的雙級均勻化熱處理工藝。通過對工業化試制的大規格鑄錠的解剖分析，驗證了該工藝能夠保證5×××鋁合金大規格鑄錠從表層到心部均取得了理想的均勻化效果。