張希園

(中鋁瑞閩股份有限公司,福建 福州 350015)

伴隨5G電子產(chǎn)品朝著輕薄、便攜、散熱及高顏值的方向發(fā)展,新型材料成為電子產(chǎn)品外殼減重的重要途徑之一。相比鎂合金、塑料及碳纖維等材料,鋁合金不論成形性、耐蝕性、性價(jià)比等方面均更具優(yōu)勢;但鋁合金面臨著強(qiáng)度不足而無法進(jìn)一步減薄的難題。電子外殼用高性能鋁材要求具有良好的塑性、擴(kuò)孔不開裂,同時(shí)要求噴砂陽極氧化處理后表面無條紋、色澤均勻、耐磨、耐蝕等。

業(yè)界普遍認(rèn)為5×××系鋁合金添加高含量的Mg、Cu、Cr等元素可提高其強(qiáng)度,但經(jīng)過冷軋的鋁材塑性差,易導(dǎo)致沖壓成形開裂。在實(shí)際生產(chǎn)過程中需在冷軋中安排一次再結(jié)晶退火,消除冷軋引起的加工硬化和內(nèi)應(yīng)力,提高塑性,改善板材的沖壓性能。本試驗(yàn)研究中間退火工藝對高鎂鋁合金組織性能的影響,為技術(shù)開發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的高鎂鋁合金,化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of test alloys (wt/%)

1.2 試驗(yàn)方案

規(guī)格為520 mm×1 400 mm×6 200 mm的鑄錠經(jīng)過鋸切銑面后進(jìn)行500 ℃3 h均勻化退火,再通過“1+3”熱軋機(jī)組軋至6.0 mm,熱軋終軋溫度為330 ℃。熱軋卷材經(jīng)過5道次冷軋,軋制成厚度1.0 mm,總加工率83.3%,取1.0 mm×200 mm×300 mm規(guī)格試樣進(jìn)行不同工藝的中間退火試驗(yàn),工藝方案見表2。

表2 中間退火試驗(yàn)方案Table 2 Intermediate annealing test plan

表3 不同工藝退火后試樣的晶粒尺寸Table 3 Grain sizes of samples annealed by different processes

5系鋁合金冷軋板帶材在工業(yè)化生產(chǎn)中退火主要采用箱式退火爐(以下簡稱箱式爐)退火與氣墊式連續(xù)退火爐(以下簡稱氣墊爐)退火兩種方式,通過控制退火溫度和保溫時(shí)間獲得材料所需的組織性能。與箱式爐相比,氣墊爐具有加熱速度快、溫度精度高、冷卻速度快、退火后制品的性能均一、表面質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[1]。本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)9種退火方案,其中9#方案采用UNITEMp快速升溫爐模擬氣墊爐380 ℃0.17 min退火工藝。

采用萬能試驗(yàn)機(jī)測試試樣的力學(xué)性能,利用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織及晶粒尺寸變化

圖1為不同工藝退火后試樣的顯微組織。表1為不同工藝退火后試樣的表面平均晶粒尺寸。由圖1a可見,未經(jīng)退火的冷軋板表面晶粒沿軋制方向呈細(xì)長纖維狀。對比1#～4#方案(圖1b～圖1e),退火溫度為330 ℃分別保溫120 min、360 min、540 min、720 min箱式爐退火,晶粒基本上為等軸晶,試樣完全再結(jié)晶,4組方案退火后試樣的平均晶粒尺寸分別為16.6 μm、17.6 μm、16.9 μm、17.2 μm,尺寸差別不大,說明在330 ℃退火溫度下,保溫時(shí)間的長短對晶粒尺寸的影響較小。

圖1 不同退火工藝下合金的晶粒組織Fig.1 Grain structure of alloys under different annealing processes

當(dāng)箱式退火溫度升高到380 ℃時(shí),保溫120 min(5#方案)的晶粒較均勻,平均晶粒尺寸為17 μm,與1#～4#方案退火的晶粒尺寸相當(dāng);保溫時(shí)間增加至360 min、540 min、720 min(6#～8#方案)時(shí),組織中部分晶粒逐漸不規(guī)則長大,平均晶粒尺寸分別達(dá)到21.2 μm、21.6 μm、22.3 μm,即隨著保溫時(shí)間延長,晶粒呈長大趨勢。

使用箱式爐退火在330 ℃長時(shí)間退火晶粒也不會長大,始終保持在17 μm左右;進(jìn)一步提高退火溫度到380 ℃,則需控制保溫時(shí)間才能獲得細(xì)小均勻等軸晶粒。

9#方案模擬氣墊爐,即在2.5 min內(nèi)由室溫25 ℃快速升溫至380 ℃,并保溫0.17 min的高溫短時(shí)退火,退火后的試樣晶粒尺寸細(xì)小均勻,平均晶粒尺寸僅為12.1 μm。高溫短時(shí)加熱使材料可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成再結(jié)晶,形核率高,晶粒來不及長大,同時(shí)減緩了阻礙晶粒長大的第二相及夾雜物的溶解,使晶粒長大受阻,從而迅速生成細(xì)小均勻的等軸晶組織[2]。

2.2 不同退火工藝對試樣力學(xué)性能的影響

不同試驗(yàn)方案退火后試樣的力學(xué)性能如表4所示。對比1#方案～4#方案,當(dāng)退火溫度為330 ℃時(shí),隨著保溫時(shí)間的延長，試樣的強(qiáng)度減小，伸長率增大;保溫720 min同保溫120 min相比,抗拉強(qiáng)度減小9 MPa,屈服強(qiáng)度減小4 MPa,伸長率增大7%。對比5#方案～8#方案,當(dāng)退火溫度為380 ℃時(shí),隨保溫時(shí)間的延長,試樣的抗拉強(qiáng)度減小,屈服強(qiáng)度變化不大,伸長率增大,保溫720 min同保溫120 min相比,抗拉強(qiáng)度減小6 MPa,伸長率增大1%。由此可見,在相同的退火溫度下,隨保溫時(shí)間延長,抗拉強(qiáng)度逐漸減小,屈服強(qiáng)度減小或不變,伸長率逐漸升高。合金在一定保溫時(shí)間完成充分再結(jié)晶。但隨保溫時(shí)間繼續(xù)增加,晶粒繼續(xù)長大,晶粒變得圓整,材料抗拉及屈服強(qiáng)度略有下降,伸長率得以提升。同時(shí)對比330 ℃與380 ℃箱式爐退火,當(dāng)保溫時(shí)間相同時(shí),抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較為接近,后者的伸長率比前者的低(保溫時(shí)間120 min除外)。這是因?yàn)楦邷亻L時(shí)退火導(dǎo)致晶粒粗大且均勻性更差,從而降低伸長率。

表4 不同退火工藝力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of different annealing processes

9#方案退火后試樣的力學(xué)性能均高于1#～8#方案的力學(xué)性能。細(xì)小均勻的晶粒使材料擁有更高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度,更大的伸長率。

3 結(jié) 論

1)試樣在箱式爐進(jìn)行330 ℃(120～720)min中間退火后均發(fā)生完全再結(jié)晶,并隨著保溫時(shí)間延長,試樣的伸長率增大,晶粒趨于圓整。

2)中間退火工藝為380 ℃(120～720)min時(shí),試樣均發(fā)生完全再結(jié)晶,并隨著保溫時(shí)間延長,晶粒呈長大趨勢,伸長率相較330 ℃時(shí)的有所減小(保溫時(shí)間120 min除外)。

3)采用快速升溫爐模仿氣墊爐高溫短時(shí)退火時(shí),試樣的力學(xué)性能高于箱式爐退火的。