黎仕兵，朱艳丽，徐晓龙，姚 军

(1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，自贡 643010；2.四川轻化工大学工程实践中心，自贡 643000)

0 引 言

ER5356铝合金焊丝是一种含镁(质量分数4.5%～5.5%)以及铬、锰、钛等微量合金元素的通用型焊材。目前，国内在高速列车、承压设备、航空航天等高端装备领域所用的ER5356焊丝仍主要依赖进口[1]，其重要原因之一是国内企业还未掌握生产ER5356铝合金焊丝用连铸连轧杆原料的核心制造工艺，包括热轧工艺。连铸连轧法制备铝合金焊丝线杆的工艺流程一般为配料→熔化→精炼→连续铸造→13道次热连轧→φ9.5 mm线杆。5系高镁铝合金在热轧时，常存在变形温度区间窄、道次变形量小、形变不均匀以及因局部应力集中而导致的热轧开裂等技术难题[2-3]，因此有必要对5系高镁铝合金的热塑性进行研究。学者们[4-6]研究了5083、5052等铝镁系合金板热轧过程的塑性变形及组织特征；乔波等[7]采用Gleeble热模拟试验机对铸态5356铝合金进行热压缩试验，建立了该合金的本构方程，并绘制了热加工图，但未从微观组织方面开展研究。目前，有关ER5356铝合金焊丝用连铸连轧杆的热塑性研究报道较少。作者以国外某公司生产的ER5356铝合金连铸连轧杆为研究对象，采用高温拉伸试验研究不同试验温度下连铸连轧杆的拉伸性能和断口形貌，分析热塑性变化规律，以期为ER5356铝合金焊丝用连铸连轧杆的国产化研究提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验用ER5356铝合金连铸连轧杆为国外某公司生产，其直径为9.5 mm，化学成分见表1。在连铸连轧杆上截取金相试样，经预磨、抛光，用Keller试剂(2.5 mL HNO3+1.5 mL HCL+1 mL HF+95 mL H2O)腐蚀后，采用JSM-6490LV型扫描电镜(SEM)观察截面显微组织，采用Image-pro plus软件对组织中的物相尺寸进行统计。按照GB/T 228-2016，在连铸连轧杆上沿轴向截取尺寸为φ5 mm×68 mm的室温拉伸试样，采用SHT4305型微机控制电液伺服万能试验机进行室温拉伸试验，加载速率为10 MPa·s-1。通过高温拉伸试验评价热塑性，按照GB/T 4338-2006，在连铸连轧杆上沿轴向截取尺寸如图1所示的高温拉伸试样，在RGM-4100型高温拉伸试验机上进行不同温度下的拉伸试验，试验温度为250，300，350，375，400，425，450，475，500，525，550 ℃，其中350～550 ℃范围内，每个温度下取2～3个平行试样。采用JSM-6490LV型扫描电镜观察高温拉伸断口形貌。

表1 ER5356铝合金连铸连轧杆的化学成分(质量分数)

图1 ER5356铝合金连铸连轧杆的高温拉伸试样尺寸Fig.1 Dimension of high temperature tensile specimen for ER5356 aluminum alloy continuous casting and rolling rod

2 试验结果与讨论

2.1 室温组织与拉伸性能

由图2可以看出，ER5356铝合金连铸连轧杆的室温组织为α-Al相+β-Mg5Al8相，尺寸均匀的细小颗粒状β相弥散分布在α-Al基体中。统计得到β相的尺寸小于2 μm。测得ER5356铝合金连铸连轧杆的室温抗拉强度为328 MPa，屈服强度为200 MPa，断后伸长率为20%。

图2 ER5356铝合金连铸连轧杆的显微组织Fig.2 Microstructure of ER5356 aluminum alloy continuous casting and rolling rod

2.2 高温拉伸性能

由图3可以看出：ER5356铝合金连铸连轧杆的高温抗拉强度与屈服强度均随温度的升高而降低；当温度低于375 ℃时，高温强度随温度升高而降低的速率较大，当温度高于375 ℃时，其降低的速率较小；475550 ℃下的高温抗拉强度仅为2.16.7 MPa。经过数据拟合处理可以发现，高温强度随温度的升高呈单指数降低趋势。断后伸长率随温度的升高而增大，断面收缩率变化不大。当温度高于400 ℃时，断后伸长率均大于100%。可知，该ER5356铝合金连铸连轧杆具有较好的高温塑性，这主要是由高温条件下基体中弥散分布的小尺寸β相有利于提高材料抵抗变形的能力导致的。

图3 不同温度下ER5356铝合金连铸连轧杆的高温拉伸性能Fig.3 High temperature tensile properties of ER5356 aluminum alloy continuous casting and rolling rod at different temperatures:(a) tensile strength and yield strength and (b) percentage elongation after fracture and percentage reduction of area

2.3 高温拉伸断口形貌

结合高温抗拉强度变化特征，选择250，400，475，525，550 ℃下的高温拉伸断口形貌进行观察，并与室温拉伸断口形貌进行对比。由图4可以看出：250 ℃拉伸断口与室温拉伸断口均为韧窝形貌，但250 ℃拉伸断口的韧窝更深，宏观上表现出更好的塑性；400 ℃拉伸断口由韧窝和少量沿晶断裂形貌组成，说明合金开始出现脆性断裂特征，这是由温度升高造成晶界弱化所致；当温度继续升高至475～525 ℃时，韧窝特征弱化，沿晶断裂区域面积显著增加，且广泛分布于韧窝底部和内壁；当温度为550 ℃时，断口全部为呈冰糖花样的沿晶断裂形貌。随着温度升高，断口形貌的变化规律为韧窝→韧窝+沿晶断裂混合形貌→脆性沿晶断裂形貌。当温度较低时，断口韧窝底部仍存在部分第二相(β相)颗粒，推测韧窝是由第二相颗粒处形成的空洞在滑移的作用下逐渐长大并与其他空洞相连形成的[8]。当温度升高至400～525 ℃时，晶界上的第二相颗粒粗化使晶界结合力显著降低，在拉伸应力作用下，晶界发生滑移而在三叉晶界处产生应力集中，当应力集中程度超过晶界的结合强度后，裂纹在三叉晶界处萌生，随着晶界滑移的继续进行，晶界裂纹扩展并连接在一起，从而形成沿晶断裂形貌[8]；部分未长大的第二相颗粒处仍有空洞形成，因此还存在韧窝。温度越高，未长大的第二相颗粒越少，形成的韧窝相应地也越少。当温度达到550 ℃时，第二相颗粒已完全粗化，晶界完全弱化而成为裂纹扩展的优先通道，断口表现为沿晶断裂特征。

图4 ER5356铝合金连铸连轧杆室温拉伸断口与不同温度下的高温拉伸断口形貌Fig.4 Morphology of room temperature tensile fracture (a) and high temperature tensile fracture at different temperatures (b-f) of ER5356 aluminum alloy continuous casting and rolling rod

2.4 分析与讨论

铸坯加热温度、进轧终轧温度、各道次轧制温度(包括乳液冷却速率)及压下量等热连轧工艺参数为ER5356铝合金连铸连轧杆制造的核心技术。铸坯温度过高，铸坯在轧制过程中可能会出现热脆、过烧或粘辊等问题，使得连铸连轧杆的热塑性下降；铸坯温度过低则可能引起铸坯在轧制过程中的不均匀变形，导致变形抗力增大，最终造成铸坯开裂，使得热轧过程难以进行[2,9]。

变形温度越高，ER5356铝合金连铸连轧杆的高温强度越低，热塑性越好，变形抗力越小。当变形温度为475～550 ℃时，连铸连轧杆的高温抗拉强度仅为2.1～6.7 MPa，说明当温度高于475 ℃时，通过升高热轧温度来降低材料变形抗力的效果并不明显，同时还易出现热轧辊粘辊现象；当温度低于375 ℃时，变形抗力较高，热轧难度增大。高温拉伸断口中沿晶断裂区域面积占比随变形温度的升高而增大；在变形温度为475525 ℃时，拉伸断口相似，均为韧窝+脆性沿晶断裂混合形貌，但在变形温度为550 ℃时拉伸断口已经完全呈脆性沿晶断裂特征，说明铸坯在此温度下的热轧过程中极易开裂。同时，根据Al-Mg合金二元相图[10]可知，当镁质量分数为4.5%～5.5%，温度高于250 ℃时5356铝合金位于α-Al单相区，该组织特征更有利于合金的热轧加工。考虑到稍宽的合理的温度区间更有利于实际工程应用，因此ER5356高镁铝合金适宜的热塑性温度区间为375～525 ℃。

3 结 论

(1) 进口ER5356铝合金连铸连轧杆的室温组织由α-Al相和弥散分布在α-Al相中尺寸小于2 μm的β-Mg5Al8相组成。

(2) ER5356铝合金连铸连轧杆的高温强度随温度的升高呈单指数降低趋势，断后伸长率随温度的升高而增大，断面收缩率变化不大，ER5356铝合金连铸连轧杆具有较好的高温塑性；随着温度升高，晶界弱化，沿晶断裂区域面积增加，拉伸断口形貌由韧窝变为韧窝+脆性沿晶断裂混合形貌，最后完全变为脆性沿晶断裂形貌。

(3) ER5356高镁铝合金的最佳热塑性温度区间为375～525 ℃。