5A12鋁合金棒材生產工藝研究

高寶亭

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060）

0 前言

5A12 鋁合金是常見高鎂合金中鎂含量最高的鋁鎂合金，具有優異的成型性、耐蝕性以及可焊性。同時由于該合金鎂含量（8.5%~9.5%）很高，比強度也較高[1-2]，主要被應用于大型艦艇的上層建筑、航海艦船的大型甲板、兵器車輛裝甲板等焊接結構件中[3]。由于其在輕量化、抗腐蝕性能以及可焊性方面的獨特優勢，近年來受到了軍用和民用鋁材市場的極大關注，市場潛力巨大[4]。

不同于常見的鋁鎂合金，該合金鎂含量高，主要應用于受力結構件，因此對材料的力學性能指標和穩定性要求非常高[5-6]。在工藝改進前，生產過程中經常出現力學性能不合格或不穩定問題，例如即使力學性能合格，如果指標余量較小，也極易引發質量異議問題。目前，對5A12 鋁合金擠壓棒材的力學性能的公開報道和研究資料極少。為進一步提升5A12 鋁合金擠壓棒材力學性能穩定性，滿足市場和客戶對該合金擠壓材要求，本文從擠壓變形強化和固溶強化工藝角度進行研究分析，確定出合理的生產工藝。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗用料

試驗材料的化學成分滿足GB/T 3190-2008 要求[7]。但對個別元素進行了調整，具體情況如表1所示。

表1 試驗用料的化學成分（質量分數/%）

1.2 試驗方法

選取直徑分別為100 mm和150 mm的典型規格棒材作為目標規格進行擠壓工藝和熱處理工藝的對比研究。試驗用料的鑄錠直徑為405 mm，均采用單孔模具擠壓。擠壓溫度和擠壓比是影響擠壓材組織性能的最主要工藝參數，但考慮到實際設備能力（擠壓筒直徑最大415 mm）和生產效率成本，擠壓方案按表2執行。5A12合金屬于不可熱處理強化合金，固溶強化是提升其強度的一種重要方式，因此需要對固溶熱處理制度進行研究分析。具體方案按表3執行（熱處理方案中溫度均為金屬溫度）。

表2 擠壓及熱處理試驗方案

2 試驗結果與分析

2.1 擠壓工藝優化

5A12 合金屬于不可熱處理強化合金，高溫變形可以兼顧固溶強化和變形強化兩種措施[8]。為保證棒材充分變形，棒材的擠壓比應盡可能增加。但是受擠壓機能力限制，擠壓比不可能無限增加，只能依據現有能力試驗目前市場所需最大規格棒材的力學性能情況。為了保證變形塑性和固溶強化效果，擠壓溫度一般都高于370 ℃。擠壓溫度較低時，固溶強化效果顯著降低，在擠壓過程中會導致形變強化效果并不顯著，從而導致較低溫度擠壓時合金的抗拉強度較低；但是當擠壓溫度過高，為防止擠壓裂紋的產生，棒材的擠壓速度必須大幅度下降，又會嚴重制約生產效率。

依據上述原則，采用熔體質量改進后的鑄錠分別按照方案1、方案2 和方案3 進行了生產試驗（每組試驗均采用5 個平行試樣，每根棒材取一個試樣），對應的力學性能檢測數據見表3。

從表3 中方案1 和方案2 的力學性能檢測數據可知，高溫擠壓棒材的屈服強度和抗拉強度雖均得到有效提升，但是抗拉強度不完全滿足指標要求。擠壓比代表著棒材的擠壓變形程度。從方案2和方案3的力學性能檢測數據可知，在現有設備能力條件下，直徑不大于150 mm 的棒材，擠壓比對棒材的力學性能影響不大。

表3 擠壓工藝優化前后棒材的力學性能

2.2 熱處理工藝優化

固溶強化是金屬強化的一種重要形式[5-6]。5A12鋁合金中Mg元素比例達到8.5%，具備固溶強化的基礎。依據鋁鎂合金二元相圖可知，材料的溫度達到450 ℃以上時，Mg 元素的固溶度最高。高溫固溶處理后，必須對制品進行快速冷卻，防止固溶相脫溶，減弱固溶強化效果[2]。固溶時間對固溶效果也有影響，為了確定出相對合理的固溶保溫時間，同時結合上述原則，設計方案4 至方案7 進行了生產試驗（每組試驗均采用5個平行試樣，每根棒材取一個試樣），其對應的力學性能檢測數據見表4。由表中數據可知，經過固溶強化處理后，材料的強度得到明顯提升。

通過方案4 和方案5 對比，可知固溶處理后水冷效果好于空冷效果。由方案5 和方案6 對比可知，雖然力學性能指標均達到表2 指標要求，但460 ℃/1 h 固溶制度好于450 ℃/1 h，且余量充裕。通過方案7 可知，對于直徑150 mm 規格棒材，460 ℃/1 h 固溶制度也能滿足要求并且余量充裕、適中。對比方案7 和方案8 可知，提升固溶保溫時間，力學性能變化并不明顯。綜合比較分析，對于直徑不大于150 mm的棒材，460 ℃/1 h固溶熱處理制度相對比較合適。

為了從組織層面分析5A12 鋁合金棒材強化機理，分別對方案3、方案7 和方案9 對應的棒材進行透射顯微組織分析，其結果見圖1。 通過對比圖1（a）、（b）和（c）可知，僅通過高溫擠壓處理，棒材組織中的強化相呈長條狀，含量少且分布稀疏。經過低溫擠壓和高溫固溶處理后，棒材組織中的強化相呈圓球狀和塊狀，雖然較圖1（a）有所提升，但分布也比較稀疏。經過高溫擠壓和高溫固溶處理后，棒材組織中的強化相呈圓球狀和塊狀，含量明顯增加且分布密集。為進一步分析棒材的固溶情況，對方案3、方案7 和方案9 對應的棒材進行了電導率檢測（每個方案制品檢測5點，取平均值），試驗檢測數據見圖2。由圖2可知，方案7生產的棒材電導率最低，說明該方案處理后的制品固溶程度最好。結合方案3、方案7 和方案9 對應的棒材的實測力學性能數據，綜合分析可知，只有同時進行高溫擠壓變形和固溶強化熱處理才能有效提高5A12 鋁合金棒材的力學性能，單獨使用其中任何一種方式，效果均不理想。

圖2 不同工藝處理后5A12合金棒材的電導率情況

3 結論

（1）高溫擠壓變形和固溶強化熱處理同時進行才能有效提高5A12 鋁合金棒材的力學性能，單獨使用其中任何一種方式，效果均不理想。

（2）對于直徑不大于150 mm 的5A12 鋁合金棒材，經過400~420 ℃高溫擠壓和460 ℃/1 h 固溶強化處理后，其力學性能指標可完全滿足要求，且余量充裕適中。