覃秋慧，韋 昌，冼滿峰

(廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031)

5083屬Al-Mg系鋁合金，質(zhì)輕，強(qiáng)度中等，伸展性、耐蝕性及可焊性優(yōu)良，因而廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)域[1-2]。Mg為5083鋁合金的主要強(qiáng)化元素，可與Al形成β相(Mg2Al3或Mg5Al8)。雖然β相的熱處理強(qiáng)化效果不明顯，但其數(shù)量和分布卻對合金的腐蝕性能產(chǎn)生顯著影響：若大量β相沿晶界連續(xù)分布，將嚴(yán)重惡化合金的耐腐蝕性能；反之，若β相數(shù)量減少且在晶界晶內(nèi)彌散分布，則耐腐蝕性能會明顯提升[3]。國內(nèi)外已有許多專家研究了軋制變形量、穩(wěn)定化退火溫度和保溫時間等因素對5083鋁合金β相的析出及其對腐蝕性能和力學(xué)性能的影響[4-7]，卻鮮有提及在板材的腐蝕性能已經(jīng)不合格的情況下，應(yīng)如何進(jìn)行補(bǔ)救，以及退火冷卻方式對船用5083-H116鋁合金板材組織和性能的影響。因此，本課題利用實(shí)際大生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的腐蝕性能不合格的板材，對其進(jìn)行補(bǔ)充退火試驗(yàn)，以期提升該板材的耐腐蝕性能，同時保證其力學(xué)性能也滿足ASTM B928標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用5083-H116鋁合金板材試樣厚度為12 mm，其化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)之前，板材已經(jīng)過了均熱→加熱→熱軋→拉伸→退火等工藝過程，熱軋終軋溫度258 ℃，退火工藝為240 ℃3 h，隨爐冷，該退火處理是為了去應(yīng)力以保證板材的平直度。

表1 5083-H116鋁合金板材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 5083-H116 aluminum alloy plate(wt/%)

1.2 補(bǔ)充退火實(shí)驗(yàn)工藝

補(bǔ)充退火實(shí)驗(yàn)中，將已原退火的試樣放入加熱爐，分別隨爐升溫至240 ℃、270 ℃、300 ℃、保溫3 h，保溫結(jié)束后分別采用水冷、空冷和隨爐冷方式冷卻至室溫，具體退火工藝如表2所示。

表2 補(bǔ)充退火工藝參數(shù)Table 2 Parameters of supplementary annealing process

1.3 檢測方法

拉伸力學(xué)性能檢測按ASTM B557標(biāo)準(zhǔn)取樣及標(biāo)定，在德國Zwick公司生產(chǎn)的Z100 THW型材料試驗(yàn)機(jī)上測試。晶間腐蝕性能檢測按ASTM G67標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，剝落腐蝕檢測按ASTM G66標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

金相試樣經(jīng)研磨及機(jī)械拋光后在H3PO4與H2O體積比為4∶6的試劑中浸蝕60 s，隨后在Zeiss Axio Vert.A1型倒置金相顯微鏡上觀察。未補(bǔ)充退火的原板材試樣采用Zeiss EV018型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察形貌，并用能譜儀進(jìn)行成分分析(EDS)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 腐蝕性能

腐蝕性能檢測表明：原板材單位面積質(zhì)量損失為33 mg/cm2(ASTM B928標(biāo)準(zhǔn)要求不大于15 mg/cm2)，剝落腐蝕等級為N級。補(bǔ)充退火后試樣的腐蝕檢測結(jié)果如表3及圖1所示。在240 ℃補(bǔ)充退火，其耐腐蝕性能仍然很差，并且明顯受到退火冷卻方式的影響，冷卻速度越慢，則晶間腐蝕結(jié)果越差。與原板材的晶間腐蝕結(jié)果對比，水冷時晶間腐蝕性能有所改善(質(zhì)量損失為24 mg/cm2)，空冷的二者相當(dāng)(質(zhì)量損失為36 mg/cm2)，而隨爐冷的晶間腐蝕性能降低(質(zhì)量損失為46 mg/cm2)。剝落腐蝕結(jié)果為爐冷時最差，為PC級；水冷的次之，PA級；空冷的最好，為N級。當(dāng)補(bǔ)充退火溫度為270 ℃時，耐腐蝕性能明顯改善，單位面積質(zhì)量損失均大幅度降低，水冷與空冷的相當(dāng)，質(zhì)量損失為2 mg/cm2；爐冷的稍差，質(zhì)量損失為3 mg/cm2。補(bǔ)充退火溫度升至300 ℃時，耐腐蝕性能進(jìn)一步提升，水冷與空冷的單位面積質(zhì)量損失為1 mg/cm2；爐冷的稍差，為3 mg/cm2。270 ℃及300 ℃補(bǔ)充退火后的剝落腐蝕等級均為N級。

表3 補(bǔ)充退火后晶間及剝落腐蝕檢測結(jié)果Table 3 Test results of intergranular and exfoliation corrosion after supplementary annealing

圖1 補(bǔ)充退火溫度及冷卻方式對試樣晶間腐蝕的影響Fig.1 Effect of supplementary annealing temperature and cooling mode on intergranular corrosion

2.2 力學(xué)性能

原板材的屈服強(qiáng)度(Rp0.2)為252 N/mm2，抗拉強(qiáng)度(Rm)356 N/mm2，伸長率(A)16.0%。補(bǔ)充退火后的力學(xué)性能如表4所示，240 ℃補(bǔ)充退火后屈服強(qiáng)度下降15 N/mm2～18 N/mm2，抗拉強(qiáng)度下降4 N/mm2，而伸長率稍有升高(0～1.5%)；270 ℃退火后的力學(xué)性能與240 ℃的相差不大，沒有明顯的下降，均滿足5083-H116鋁合金板材的力學(xué)性能要求；但300 ℃補(bǔ)充退火后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯下降，伸長率明顯提高，達(dá)到了完全再結(jié)晶狀態(tài)的性能。在上述三個溫度下進(jìn)行補(bǔ)充退火，其冷卻方式對力學(xué)性能沒有明顯影響，水冷、空冷和爐冷的試樣力學(xué)性能都相近。

表4 補(bǔ)充退火后力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 4 Test results of mechanical properties after supplementary annealing

2.3 顯微組織

原板材的金相組織及第二相成分分別如圖2和表5所示。可以看出，初退火之后板材還保留著明顯的軋制組織，沿晶界析出了許多第二相，粗大的第二相應(yīng)為Al6Mn相[8]，并溶解了一部分雜質(zhì)Fe。較細(xì)小的應(yīng)為β相[9]，其成分檢測很大程度上受到了基體成分的影響。

圖2 原板材的金相組織及SEM形貌Fig.2 Metallographic structure and SEM morphology of original plate

表5 圖2中各點(diǎn)的EDS成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 5 EDS analysis of points in Fig.2(wt/%)

補(bǔ)充退火后板材的金相組織如圖3所示。240 ℃補(bǔ)充退火后，板材的纖維組織依然很明顯，退火水冷時大量β相未充分固溶到基體當(dāng)中，但其分布較原板材組織中彌散一些；退火空冷時β相沿晶界聚集成鏈狀，晶內(nèi)β相減少；退火隨爐冷時晶內(nèi)β相進(jìn)一步減少，繼續(xù)沿晶界聚集、連接。270 ℃退火后，板材還保留著一定的纖維組織，但β相的數(shù)量大幅度降低；隨著冷卻速度的降低，β相有所增加。300 ℃退火后板材的軋制纖維組織已不明顯，β相的數(shù)量進(jìn)一步降低，只有部分粗大第二相未溶入基體之中；隨著冷卻速度的降低，β相稍有增加。

圖3 不同補(bǔ)充退火溫度及冷卻方式試樣的顯微組織Fig.3 Microstructures of samples with different supplementary annealing temperatures and cooling methods

3 分析討論

3.1 補(bǔ)充退火對5083鋁合金板材顯微組織的影響

由圖4的Al-Mg二元相圖可知[10]，w(Mg)=4.71%的鋁合金固相線以上溫度約大于510 K(≈237 ℃)，因而5083鋁合金板240 ℃退火時只固溶了很少一部分β相，大部分β相還保留在基體上(圖3)；隨著冷卻速度的降低(水冷→空冷→爐冷)，β相有充分的時間聚集，因此β相的分布逐步由彌散狀向連續(xù)狀轉(zhuǎn)變。而270 ℃退火時，溶解度升高，完全進(jìn)入了單相區(qū)，β相能充分固溶到基體之中，因此其數(shù)量大幅度降低。300 ℃退火時β相的數(shù)量進(jìn)一步下降；而隨著冷卻速度的降低，β相在冷卻過程中能再次析出，因此其數(shù)量有所增加。

由Al-Mg二元相圖可知[10]，w(Mg)=4.71%的鋁合金的熔點(diǎn)約為915 K(≈642 ℃)，開始再結(jié)晶溫度按0.4T熔計(jì)算的話則約為257 ℃[11]。但5083鋁合金中還添加了w(Mn)=0.69%的Mn元素和w(Cr)=0.10%的Cr元素，而Mn和Cr是強(qiáng)烈提高再結(jié)晶溫度的元素[12-13]，且加熱時合金還存在過熱現(xiàn)象[14]，即加熱溫度需高于再結(jié)晶開始溫度一定值后合金才開始發(fā)生再結(jié)晶。有研究表明，分別添加w(Mn)=0.6%和w(Cr)=0.25%的Al-4.9Mg合金，其開始再結(jié)晶溫度約為265 ℃[15]，由此可知板材在240 ℃及270 ℃退火時還處于回復(fù)階段，因此還保留著軋制時的纖維組織(圖3)。而在300 ℃退火時則進(jìn)入了再結(jié)晶階段，所以消除了大部分的纖維組織。

圖4 Al-Mg二元相圖[10]Fig.4 Al-Mg binary phase diagram

3.2 補(bǔ)充退火對5083鋁合金板材腐蝕和力學(xué)性能的影響

一般認(rèn)為，第二相質(zhì)點(diǎn)的存在不利于合金的耐腐蝕性能，因?yàn)榈诙噘|(zhì)點(diǎn)造成了合金組織的不均勻性，使合金中出現(xiàn)微電池現(xiàn)象[16-17]。第二相質(zhì)點(diǎn)與基體組織構(gòu)成了原電池中的兩極，電極電勢較高的相在微電池中做陰極，而電極電勢較低的相作為陽極，這樣在腐蝕介質(zhì)中便構(gòu)成了一個完整的微電池，使電化學(xué)腐蝕過程自動地進(jìn)行，結(jié)果使合金遭受腐蝕破壞。第二相數(shù)量越多，即形成的微電池數(shù)量越多，它分布越不均勻，對合金耐蝕性的不利影響越大。此外，在鋁合金中，若第二相質(zhì)點(diǎn)成連續(xù)鏈狀分布，則天然構(gòu)成了一個“腐蝕通道”，使合金的腐蝕行為不斷進(jìn)行，大大加速了合金的腐蝕損失[9，18]。因此，在240 ℃退火時，由于基體上還分布著許多β相，所以其耐晶間腐蝕性能未得到提升，并且隨著冷卻速度的降低，β相的連續(xù)分布特征越來越明顯，因而其晶間腐蝕性能隨冷卻速度的降低而明顯惡化。而在270 ℃和300 ℃退火時，由于β相的數(shù)量大幅度降低，因而其耐晶間腐蝕性能有了明顯的提升(表3及圖1)，且晶間腐蝕性能隨冷卻速度的降低也沒有明顯惡化。但隨著冷卻速度的降低，板材內(nèi)應(yīng)力釋放得越充分，水冷的試樣內(nèi)應(yīng)力最大，隨爐冷的試樣幾乎可完全消除內(nèi)應(yīng)力。而剝落腐蝕同時受到晶間腐蝕和內(nèi)應(yīng)力的影響，內(nèi)應(yīng)力越大，表面的氧化保護(hù)膜的結(jié)合力越差[17]。因此240 ℃退火時，剝落腐蝕并不像晶間腐蝕性能那樣隨冷卻速度的降低而惡化，而是水冷時為PA級，空冷時為N級，隨爐冷時為PC級。水冷及隨爐冷時的剝落腐蝕性能較原板材(N級)的差。

另一方面，5083鋁合金為熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，退火時β相的數(shù)量、形態(tài)和分布對力學(xué)性能的影響不大，所以在一定的退火溫度下，不同冷卻方式的5083鋁合金板的性能相近。熱處理不可強(qiáng)化鋁合金主要的強(qiáng)化方式為形變強(qiáng)化，退火后保留的原軋制纖維組織越多，即再結(jié)晶程度越低，其強(qiáng)度下降得越少。因此240 ℃和270 ℃退火后，板材還處于回復(fù)階段，強(qiáng)度下降不多，且變化不大，但300 ℃退火的板材發(fā)生了再結(jié)晶，強(qiáng)度明顯下降，伸長率明顯上升(表4)。

4 結(jié) 論

1)240 ℃初退火的5083鋁合金板材在240 ℃補(bǔ)充退火后，β相未能充分溶入基體中，而第二相數(shù)量越多，合金的耐腐蝕性能越差，板材的耐腐蝕性能未能得到明顯改善；隨著冷卻速度的降低，β相的連續(xù)分布特征越明顯，晶間腐蝕性能也隨之惡化。

2)在270 ℃及300 ℃補(bǔ)充退火之后，β相大量溶入基體中，板材的耐腐蝕性能顯著提升；隨著冷卻速度的降低，β相的數(shù)量稍有增加，因此晶間腐蝕性能稍有下降。

3)5083鋁合金板材的力學(xué)性能與β相的數(shù)量及分布關(guān)系不大，而與再結(jié)晶過程進(jìn)行的程度有關(guān)。240 ℃及270 ℃退火的板材未發(fā)生明顯的再結(jié)晶，還保留軋制時的纖維狀組織，因此強(qiáng)度下降不多，力學(xué)性能變化不大。而在300 ℃退火后板材發(fā)生了明顯的再結(jié)晶，強(qiáng)度明顯降低，伸長率明顯上升。

4)270 ℃補(bǔ)充退火既能明顯改善5083鋁合金板材的耐腐蝕性能，又能保證板材的強(qiáng)度不明顯下降，且隨著冷卻方式的變化其性能變化不大。結(jié)合實(shí)際大生產(chǎn)考慮，空冷最易于實(shí)現(xiàn)，因此船用5083鋁合金板材的補(bǔ)充退火工藝制度確定為270 ℃3 h，保溫結(jié)束后出爐空冷。