5083鋁合金板材塌陷成因分析

李 霜，馮 旺，孫 娜，黃啟波，牟 春

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

5083 合金是以Mg 為主合金元素的變形鋁合金，Mg 元素在α-Al 基體中具有較大的固溶度且隨溫度的變化較大，但與Al 形成的化合物結(jié)構(gòu)同α-Al基體相近[1]，導(dǎo)致A1-Mg合金的時(shí)效強(qiáng)化效果甚微，故為不可熱處理強(qiáng)化型鋁合金。5083 鋁合金具有良好的成型性能、焊接特性、耐腐蝕性能、較高的疲勞極限、高的比強(qiáng)度以及較低的價(jià)格、豐富的資源等諸多方面的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在交通運(yùn)輸、航海造船、航空航天、電子通訊和輕工建材等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[2-3]。但此類(lèi)合金鑄錠在板材的生產(chǎn)過(guò)程中，軋件上易萌生裂紋等缺陷問(wèn)題，不僅會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至?xí)?dǎo)致報(bào)廢量急劇增加。

針對(duì)某公司在近期生產(chǎn)5083 合金板材，將規(guī)格為510 mm×1940 mm 的鑄錠至200 mm 左右厚的板材時(shí)，多次在板材尾端出現(xiàn)大面積的表面塌陷，導(dǎo)致材料報(bào)廢的現(xiàn)象，為了探究板材塌陷的形成原因，對(duì)5083 鋁合金板材表面缺陷處的組織和成分進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)方法

宏觀觀察：采用高清相機(jī)觀察樣品表面塌陷部位的宏觀形貌；同時(shí)用NaOH溶液對(duì)板材塌陷部位和正常部位的截面進(jìn)行低倍浸蝕。

微觀分析：取塌陷部位的斷口樣品，用HitachiS-400掃描電鏡進(jìn)行微觀觀察；采用牛津X-Max能譜儀進(jìn)行成分分析。同時(shí)切取塌陷部位及正常部位樣品，對(duì)其縱截面進(jìn)行高倍磨樣，用凱勒試劑進(jìn)行浸蝕后，采用Leica DM 4000M 光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織對(duì)比分析。

根據(jù)GB/T 3190—2008 標(biāo)準(zhǔn)要求，采用ARL-4460 光電光譜儀對(duì)5083 合金板材進(jìn)行成分檢測(cè)。合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 5083合金板材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 宏觀組織分析

某廠生產(chǎn)的5083 合金由510 mm 厚鑄錠軋至200 mm 左右時(shí)，發(fā)現(xiàn)距離板材尾部330~700 mm、距兩側(cè)邊部約130 mm 處存在表面塌陷現(xiàn)象，軋制后板材宏觀形貌如圖1 所示。將試樣用NaOH 溶液進(jìn)行處理后，其低倍組織示意圖見(jiàn)圖2。由圖可知，在軋板尾端的邊部及中部樣品出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，凹陷部位心部位置均存在較多尺寸不一的不規(guī)則孔洞。

圖1 板材宏觀示意圖

圖2 軋板厚度方向低倍組織圖

2.2 斷口形貌分析

對(duì)塌陷部位及正常部位采用人工打開(kāi)裂口，對(duì)斷口面進(jìn)行掃描電鏡對(duì)比分析，典型電鏡形貌如圖3所示。選取軋板厚度的1/4 位置進(jìn)行固態(tài)氫含量檢測(cè)，其結(jié)果見(jiàn)表2。由圖表可知，軋板塌陷部位的固態(tài)氫含量明顯高于正常部位；正常部位斷口面韌窩數(shù)量較多，大韌窩邊緣聚集著眾多的小韌窩，為典型的韌性斷裂；在樣品塌陷區(qū)域斷口面存在孔洞，孔洞部位表面較光滑，呈未焊合氣孔形貌特征，微觀形貌即為較大尺寸的顯微疏松。

圖3 斷口面典型電鏡形貌

表2 軋板T/4厚度位置固態(tài)氫含量（μg/g·Al）

2.3 顯微組織分析

在軋板尾端樣品的塌陷部位及軋板頭端部位分別取樣，對(duì)板材不同厚度位置縱截面樣品的顯微組織進(jìn)行對(duì)比分析，其典型顯微組織如圖4所示。

由圖4可知，軋板塌陷部位及頭端部位樣品心部均存在較多尺寸不一的孔洞，孔洞內(nèi)壁較光滑，未見(jiàn)明顯異物，塌陷部位樣品孔洞數(shù)量及尺寸明顯大于頭端樣品。

3 分析與討論

該廠生產(chǎn)的板材塌陷部位斷口面粗糙、存在孔洞，孔洞表面較光滑，而正常部位斷口面呈韌窩狀，斷口面干凈。由上述試驗(yàn)可知，文中5083 合金板材出現(xiàn)的塌陷現(xiàn)象是由鑄錠中存在的大尺寸氣孔引起的，在軋制過(guò)程中，鑄錠中的大尺寸氣孔遺傳至板材進(jìn)而形成塌陷。

5083 合金在鑄造過(guò)程中，鋁合金熔體中的氣體（主要是氫）和氧化夾雜物、富Fe 相雜質(zhì)相等使鑄錠產(chǎn)生氣孔、疏松等冶金缺陷[4-6]。鋁液中形成氣泡核之后，鋁液中的氫向氣泡核遷移，并向熔池表面運(yùn)動(dòng)，這是脫氫過(guò)程的一個(gè)階段。鋁液中的氫氣泡透過(guò)相界面（表面氧化膜）逸出，這是脫氫的另一個(gè)階段。然而，這種脫氫過(guò)程的路徑長(zhǎng)，并因鋁液表面存在一層致密的氧化膜，使得這種遷移難于進(jìn)行，當(dāng)氫無(wú)法逸出時(shí)，便形成氣孔。鑄錠冶金缺陷的存在將直接影響到鋁合金材料的強(qiáng)度、韌性、塑性變形性能、抗蝕性、陽(yáng)極氧化性能以及最終使用性能等[7-8]。鑄錠形成氣孔等缺陷后，將對(duì)材料的后續(xù)加工過(guò)程產(chǎn)生影響。在板材的軋制過(guò)程中，壓應(yīng)力作用在缺陷處后，使材料內(nèi)部的缺陷顯現(xiàn)，形成文中所描述的板材塌陷現(xiàn)象。

4 結(jié)論

板材塌陷部位斷口面粗糙、存在孔洞，孔洞表面較光滑，而正常部位斷口面呈韌窩狀；板材塌陷部位孔洞數(shù)量及尺寸明顯大于正常部位，且5083鋁合金板材塌陷部位的固態(tài)氫含量顯著高于正常部位。由此可知，板材塌陷現(xiàn)象是鑄錠中存在的大尺寸顯微疏松（氣含量偏高）引起的。