分享：生产ER5356铝合金焊丝用连铸连轧杆原料的热塑性

黎仕兵1,朱艳丽2,徐晓龙1,姚 军1

 (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) 

摘 要:以进口生产 ER5356铝合金焊丝用连铸连轧杆原料为研究对象,采用高温拉伸试验研 究了不同温度(250~550 ℃)下连铸连轧杆的高温强度、塑性变化规律,并观察了断口形貌,得到最 佳热塑性温度区间。结果表明:随着温度升高,该连铸连轧杆的高温强度呈单指数降低趋势,断后 伸长率增大,断面收缩率变化不大,说明该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;ER5356铝合金连铸连轧杆的最佳热塑性温度区间为375~525 ℃。 

关键词:ER5356铝合金焊丝;连铸连轧杆;热塑性;高温拉伸;断口形貌 中图分类号:TG421 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)04-0061-04

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→?9.5mm 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 61 黎仕兵,等:生产 ER5356铝合金焊丝用连铸连轧杆原料的热塑性 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9.5mm,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(2.5mL HNO3+1.5mL HCL+1mL HF+ 95mL 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-proplus 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 ?5mm×68mm 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10MPa·s -1。通过高温拉伸试验评 价热塑性,按照 GB/T4338-2006,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 JSM6490LV 型扫描电镜观察高温拉伸断口形貌。 

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2μm。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 200MPa,断后伸长率为20%。

 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 图2 ER5356铝合金连铸连轧杆的显微组织 Fig.2 MicrostructureofER5356aluminumalloycontinuous castingandrollingrod 率较大,当温度高于375 ℃时,其降低的速率较小; 475~550℃下的高温抗拉强度仅为2.1~6.7 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。

 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 62 黎仕兵,等:生产 ER5356铝合金焊丝用连铸连轧杆原料的热塑性 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 HightemperaturetensilepropertiesofER5356aluminumalloycontinuouscastingandrollingrodatdifferenttemperatures a tensilestrengthandyieldstrengthand b percentageelongationafterfractureandpercentagereductionofarea 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 Morphologyofroomtemperaturetensilefracture a andhightemperaturetensilefractureatdifferenttemperatures b-f of ER5356aluminumalloycontinuouscastingandrollingrod 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。

 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 63 黎仕兵,等:生产 ER5356铝合金焊丝用连铸连轧杆原料的热塑性 (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475~525℃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2μm 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 ℃。

来源：材料与测试网