一種5083鋁合金板帶材邊部起皮缺陷研究

王繹潭，曹 城，章國華，陳勝剛，陳祚啟，湯波楷，孫春雷，肖自飛

（浙江永杰鋁業(yè)股份有限公司，杭州 311222）

0 前言

5083鋁合金屬于Al-Mg系熱處理不可強化變形鋁合金，具有密度小、強度高、韌性好、耐腐蝕性強等優(yōu)點。隨著軌道交通用鋁合金的開發(fā)，汽車行業(yè)輕量化的發(fā)展，5083合金板帶材在新能源汽車上有著廣泛的應(yīng)用，不但要求有良好的機械性能，同時對表面質(zhì)量也有著很高的要求。但在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，5083合金板帶材縱向距兩邊部約0～200 mm范圍內(nèi)有不連續(xù)的細(xì)長條起皮缺陷，并且這種缺陷在撕去其上面的PE保護(hù)膜后更加明顯。此類缺陷因只發(fā)生在5083合金表面，其位置只出現(xiàn)在邊部，且表面沒有明顯的破裂翻起現(xiàn)象，所以不同于扁錠銑量不足、扁錠加熱時間長、扁錠加熱后掛擦傷以及扁錠熔體H含量高等因素產(chǎn)生的起皮問題。為了找到此類起皮缺陷產(chǎn)生機制并探索改善的方案，將5083合金扁錠經(jīng)銑面、加熱、熱軋軋制、冷軋軋制后，通過JSM-IT200電鏡掃描儀、賽默飛世爾8820直讀光譜儀等檢測手段對5083合金的邊部起皮缺陷進(jìn)行了分析研究。

1 5083合金板帶材起皮缺陷研究

1.1 起皮缺陷宏觀分析

5083合金扁錠大面單側(cè)銑面量為15 mm，小面單側(cè)銑面量5 mm。銑面后扁錠經(jīng)加熱→熱連軋→冷軋→板帶材，最終在5083合金板帶材邊部0～200 mm范圍出現(xiàn)細(xì)長條絲狀的起皮缺陷，覆PE膜并撕膜后更加明顯，缺陷形貌見圖1。此類起皮不同于常見鋁板帶表面明顯破皮、翻皮的成層脫落的起皮。

圖1 5083起皮缺陷宏觀形貌

1.2 缺陷的SEM觀察

針對不同批次板帶表面的起皮缺陷位置取樣，在JSM-IT200電鏡掃描儀下觀察起皮情況。放大200～1 000倍后觀察到起皮位置表面破裂嚴(yán)重，有明顯掉皮顯現(xiàn)，其掃描電鏡結(jié)果見圖2。

圖2 起皮缺陷的掃描電鏡分析

1.3 組織成分的SEM分析

利用JSM-IT200電鏡掃描儀對不同位置的起皮缺陷進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)起皮區(qū)域內(nèi)Mg和O含量異常高，Al含量異常低，成分能譜圖詳見圖3。不同位置的起皮區(qū)域能譜分析數(shù)據(jù)詳見表1。表2為5083合金板帶非起皮區(qū)域內(nèi)利用賽默飛世爾8820直讀光譜儀獲得的能譜數(shù)據(jù)。通過表1和表2的對比分析，發(fā)現(xiàn)起皮缺陷區(qū)域Mg原子的質(zhì)量百分比較正常表面的高2～3倍，同時發(fā)現(xiàn)O原子的質(zhì)量百分比較正常表面的高3～4倍。

圖3 起皮區(qū)域不同位置能譜分析

表1 起皮區(qū)域的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

表2 非起皮區(qū)域化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.4 起皮缺陷產(chǎn)生原理剖析

經(jīng)過對5083合金板帶材邊部起皮缺陷的深入研究，判定5083扁錠在加熱過程中因加熱溫度過高，扁錠表面在高溫下形成Al2O3和MgO的氧化混合物。因扁錠為四方體形狀，在四周邊部位置實際溫度更接近加熱溫度，遂在邊部更容易發(fā)生高溫氧化。出爐熱軋過程中因軋件中部溫度較高，乳液潤滑效果強，軋件邊部溫度相對較低、油水分離不佳、乳液粘稠度高、潤滑效果差，軋制過程軋輥剝落的Al2O3和MgO氧化物以及鋁粉容易在縱向邊部堆積，在熱態(tài)下反復(fù)軋制壓入板坯邊部。MgO呈絲狀推積在邊沿，而MgO冷態(tài)下脆性好，容易脫落，最終在板帶材邊部形成起皮缺陷，同時也解釋了撕膜后更為明顯的原因。為驗證加熱溫度對5083合金扁錠高溫氧化的影響，經(jīng)過模擬加熱實驗得出5083鑄錠加熱氧化程度隨溫度變化規(guī)律。當(dāng)加熱溫度＞540℃時，扁錠表面Mg的含量呈直線增加；加熱溫度在440～540℃之間時Mg含量呈緩慢增加。在加熱溫度＞520℃時，O含量隨著溫度上升呈直線增加，如圖4和圖5所示。

圖4 Mg含量隨加熱溫度的變化規(guī)律

圖5 O含量隨加熱溫度的變化規(guī)律

2 改善措施及其效果評價

2.1 降低扁錠加熱溫度

將呈六面體的5083合金扁錠置于箱式天然氣加熱爐內(nèi)加熱。加熱過程中邊沿位置更早接近加熱爐爐氣溫度（580℃），其邊沿表面受高溫加熱容易發(fā)生氧化形成MgO氧化物。通過模擬加熱試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，加熱溫度超過540℃后氧化物形成加劇。為了避免加熱過程扁錠邊沿表面發(fā)生高溫氧化，將加熱爐爐氣溫度由原580℃降到535℃加熱，扁錠金屬出爐溫度保持原工藝金屬溫度不變，即在490℃下保溫2 h后出爐軋制。

2.2 噴淋寬度調(diào)整

熱軋過程軋件兩邊部冷卻強，乳液油水分離性差，粘稠度高。軋制時邊部潤滑強度低，乳液沖刷出來的氧化物以及鋁粉容易在邊部堆積。因此，試驗縮短噴淋寬度，在原噴淋數(shù)量里兩邊部上下各減少一個噴嘴噴淋，以適當(dāng)減小邊部冷卻強度，提高乳液油水分離性能，增加潤滑強度，實現(xiàn)軋制過程產(chǎn)生的鋁粉以及氧化物不在軋件邊部殘留，通過提升潤滑效果將氧化物沖洗凈，避免隨著板坯在熱態(tài)下反復(fù)軋制將Al2O3和MgO等氧化混合物壓入板坯邊部。

2.3 效果評價

通過試驗工藝將加熱溫度降低至535℃、邊部各減少一個噴嘴的噴淋量軋制，首次小批量試驗6塊5083扁錠，并與同批次原工藝下生產(chǎn)的5083扁錠進(jìn)行對比，結(jié)果見表3。表3證明：試驗工藝下的5083扁錠軋制最終成品，其邊部均未發(fā)現(xiàn)撕膜起皮缺陷。

表3 工藝對起皮缺陷的影響

經(jīng)過半年時間的對比生產(chǎn)得出結(jié)論：試驗工藝下5083合金扁錠軋制成品邊部的起皮范圍為0～50 mm，95%的邊部起皮通過在成品修邊能切除，不影響最終的成品表面質(zhì)量。原工藝下的5083合金扁錠軋制成品，在邊部0～200 mm范圍內(nèi)有不同程度的起皮缺陷，且這些缺陷不能通過正常切邊將其切除，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量，需要增加分切工序?qū)⑵鹌げ糠智谐蛱魭髲U。其次，通過對兩種不同工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品從組織、性能對比發(fā)現(xiàn)，試驗工藝下的產(chǎn)品組織和性能與原工藝沒有明顯區(qū)別，均滿足技術(shù)要求。另外，試驗工藝生產(chǎn)成品的成材率較原工藝提升5.2%～7.2%。由此可見，此成果不但改善成品表面質(zhì)量，還提升了生產(chǎn)效益。

3 結(jié)束語

針對5083合金扁錠加熱高溫氧化導(dǎo)致邊部起皮缺陷進(jìn)行了研究，首先判定此類起皮不同于常見的表面明顯破皮、翻皮的成層脫落的起皮。然后分析原因，尋找改善措施，經(jīng)過大批量生產(chǎn)驗證得出結(jié)論：適當(dāng)降低5083合金扁錠加熱溫度和縮短噴淋寬度方案能改善邊部起皮問題，并且成果顯著。

板帶材表面起皮類型較多，5083合金扁錠經(jīng)過加熱高溫氧化和熱軋時邊部潤滑性差導(dǎo)致的板帶材表面邊部絲狀起皮只是其中的一種，要想有效改善起皮問題，需根據(jù)起皮缺陷具體表象進(jìn)行深入分析。總之，該起皮缺陷的改善，不但提高了產(chǎn)品表面質(zhì)量，同時也提升了生產(chǎn)效益，意義深遠(yuǎn)。