5A12铝合金棒材生产工艺研究

2022-05-12高宝亭

铝加工 2022年2期

高宝亭

（东北轻合金有限责任公司，哈尔滨 150060）

0 前言

5A12 铝合金是常见高镁合金中镁含量最高的铝镁合金，具有优异的成型性、耐蚀性以及可焊性。同时由于该合金镁含量（8.5%~9.5%）很高，比强度也较高[1-2]，主要被应用于大型舰艇的上层建筑、航海舰船的大型甲板、兵器车辆装甲板等焊接结构件中[3]。由于其在轻量化、抗腐蚀性能以及可焊性方面的独特优势，近年来受到了军用和民用铝材市场的极大关注，市场潜力巨大[4]。

不同于常见的铝镁合金，该合金镁含量高，主要应用于受力结构件，因此对材料的力学性能指标和稳定性要求非常高[5-6]。在工艺改进前，生产过程中经常出现力学性能不合格或不稳定问题，例如即使力学性能合格，如果指标余量较小，也极易引发质量异议问题。目前，对5A12 铝合金挤压棒材的力学性能的公开报道和研究资料极少。为进一步提升5A12 铝合金挤压棒材力学性能稳定性，满足市场和客户对该合金挤压材要求，本文从挤压变形强化和固溶强化工艺角度进行研究分析，确定出合理的生产工艺。

1 试验材料和方法

1.1 试验用料

试验材料的化学成分满足GB/T 3190-2008 要求[7]。但对个别元素进行了调整，具体情况如表1所示。

表1 试验用料的化学成分（质量分数/%）

1.2 试验方法

选取直径分别为100 mm和150 mm的典型规格棒材作为目标规格进行挤压工艺和热处理工艺的对比研究。试验用料的铸锭直径为405 mm，均采用单孔模具挤压。挤压温度和挤压比是影响挤压材组织性能的最主要工艺参数，但考虑到实际设备能力（挤压筒直径最大415 mm）和生产效率成本，挤压方案按表2执行。5A12合金属于不可热处理强化合金，固溶强化是提升其强度的一种重要方式，因此需要对固溶热处理制度进行研究分析。具体方案按表3执行（热处理方案中温度均为金属温度）。

表2 挤压及热处理试验方案

2 试验结果与分析

2.1 挤压工艺优化

5A12 合金属于不可热处理强化合金，高温变形可以兼顾固溶强化和变形强化两种措施[8]。为保证棒材充分变形，棒材的挤压比应尽可能增加。但是受挤压机能力限制，挤压比不可能无限增加，只能依据现有能力试验目前市场所需最大规格棒材的力学性能情况。为了保证变形塑性和固溶强化效果，挤压温度一般都高于370 ℃。挤压温度较低时，固溶强化效果显著降低，在挤压过程中会导致形变强化效果并不显著，从而导致较低温度挤压时合金的抗拉强度较低；但是当挤压温度过高，为防止挤压裂纹的产生，棒材的挤压速度必须大幅度下降，又会严重制约生产效率。

依据上述原则，采用熔体质量改进后的铸锭分别按照方案1、方案2 和方案3 进行了生产试验（每组试验均采用5 个平行试样，每根棒材取一个试样），对应的力学性能检测数据见表3。

从表3 中方案1 和方案2 的力学性能检测数据可知，高温挤压棒材的屈服强度和抗拉强度虽均得到有效提升，但是抗拉强度不完全满足指标要求。挤压比代表着棒材的挤压变形程度。从方案2和方案3的力学性能检测数据可知，在现有设备能力条件下，直径不大于150 mm 的棒材，挤压比对棒材的力学性能影响不大。

表3 挤压工艺优化前后棒材的力学性能

2.2 热处理工艺优化

固溶强化是金属强化的一种重要形式[5-6]。5A12铝合金中Mg元素比例达到8.5%，具备固溶强化的基础。依据铝镁合金二元相图可知，材料的温度达到450 ℃以上时，Mg 元素的固溶度最高。高温固溶处理后，必须对制品进行快速冷却，防止固溶相脱溶，减弱固溶强化效果[2]。固溶时间对固溶效果也有影响，为了确定出相对合理的固溶保温时间，同时结合上述原则，设计方案4 至方案7 进行了生产试验（每组试验均采用5个平行试样，每根棒材取一个试样），其对应的力学性能检测数据见表4。由表中数据可知，经过固溶强化处理后，材料的强度得到明显提升。

通过方案4 和方案5 对比，可知固溶处理后水冷效果好于空冷效果。由方案5 和方案6 对比可知，虽然力学性能指标均达到表2 指标要求，但460 ℃/1 h 固溶制度好于450 ℃/1 h，且余量充裕。通过方案7 可知，对于直径150 mm 规格棒材，460 ℃/1 h 固溶制度也能满足要求并且余量充裕、适中。对比方案7 和方案8 可知，提升固溶保温时间，力学性能变化并不明显。综合比较分析，对于直径不大于150 mm的棒材，460 ℃/1 h固溶热处理制度相对比较合适。

为了从组织层面分析5A12 铝合金棒材强化机理，分别对方案3、方案7 和方案9 对应的棒材进行透射显微组织分析，其结果见图1。通过对比图1（a）、（b）和（c）可知，仅通过高温挤压处理，棒材组织中的强化相呈长条状，含量少且分布稀疏。经过低温挤压和高温固溶处理后，棒材组织中的强化相呈圆球状和块状，虽然较图1（a）有所提升，但分布也比较稀疏。经过高温挤压和高温固溶处理后，棒材组织中的强化相呈圆球状和块状，含量明显增加且分布密集。为进一步分析棒材的固溶情况，对方案3、方案7 和方案9 对应的棒材进行了电导率检测（每个方案制品检测5点，取平均值），试验检测数据见图2。由图2可知，方案7生产的棒材电导率最低，说明该方案处理后的制品固溶程度最好。结合方案3、方案7 和方案9 对应的棒材的实测力学性能数据，综合分析可知，只有同时进行高温挤压变形和固溶强化热处理才能有效提高5A12 铝合金棒材的力学性能，单独使用其中任何一种方式，效果均不理想。