深冷處理對5083Al-Mg合金組織和性能的影響

晉芳偉, 吉學英, 馬秀勤, 高榆嵐

(1. 貴州工程應用技術學院 機械工程學院, 貴州 畢節 551700;2. 貴州工程應用技術學院 畢節循環經濟研究院, 貴州 畢節 551700)

深冷處理是指在低于-130 ℃下對工件進行冷處理,與通常的冷處理技術(-70～-80 ℃,即干冰溫度)相比溫度要更低,因此也稱為超冷處理。目前,深冷處理用于改善材料性能的研究仍是熱點。譬如對于黑色金屬及合金,深冷處理用于Cr-Mo-V-Ni鋼,其抗拉強度略有提高,屈服強度則顯著提升[1]。對AISI D6工具鋼進行深冷處理,可在保持耐磨性不降低的情況下提高硬度及韌性[2]。淬火加深冷處理能顯著提高30CrMnSi結構鋼的塑性[3]。WC-Co硬質合金經-196 ℃深冷處理12 h,其斷裂韌度提高14.3%,同時深冷處理對其耐磨性的提高有很大影響[4]。深冷處理可改善合金表面質量,降低表面粗糙度、減少殘余應力和表面缺陷[5-6]。在柴油機凸輪軸的熱處理工藝中加入深冷處理[7],可使軸的顯微組織變好、力學性能提高、熱處理畸變可控。對YG11C 硬質合金進行深冷處理后其耐磨性較常規處理提高顯著,但經磁場深冷處理后其耐磨性反而降低[8]。當然,深冷處理用于鋁合金的研究亦很廣泛。Al-Zn-Cu合金焊接件經深冷處理,焊核區晶粒細化,焊接接頭的沖擊性能和抗拉強度得以提升[9]。Al-Zn-Mg-Cu合金經深冷處理后,用高分辨率透射電子顯微技術觀察到GP區和亞穩相,深冷處理誘導GP區中的第二相析出,深冷處理通過改善合金顯微組織而改變其性能[10]。對Al-Mg合金而言,對其進行深冷處理的研究報道較少見。Al-Mg合金廣泛應用于航空航海和機械制造業之各類配件。更由于Al-Mg合金之密度比純鋁還小,材質更加輕盈,焊接性能和抗腐蝕性能穩定,因此常作為輪船、軍艦和飛機上的蒙皮。目前報道的改善Al-Mg合金性能的方法有均勻化退火[11]、軋制[12]、改變鑄型[13]等。本文對5083Al-Mg合金進行“液體法”深冷處理,研究深冷處理時間對其組織和性能的影響規律。

1 試驗材料與方法

試驗材料為5083Al-Mg合金棒材,主要成分見表1。制備拉伸、金相和硬度試樣,拉伸試樣尺寸見圖1。制備6組試樣,每組試樣包括3根拉伸試棒、一個金相試樣和一個硬度試樣,其中一組作為對比試樣,不做深冷處理,另外5組試樣分別浸泡于液氮中進行深冷處理,浸泡時間依次為4、12、24、72和120 h,浸泡結束將試樣取出并回溫至室溫。

圖1 5083Al-Mg合金拉伸試樣尺寸Fig.1 Dimensions of tensile specimens for the 5083Al-Mg alloy

表1 5083Al-Mg合金的化學成分(質量分數,%)

用WAM-300微機控制電液伺服萬能試驗機進行力學性能試驗,取3根拉伸試棒力學性能試驗值的平均值作為每組試樣的試驗結果進行分析。用210HBS-3000型的數顯布氏硬度計測定硬度,其中,壓頭為硬質合金小球,直徑為φ10 mm,加載載荷是1000 kg,加載時間為30 s。取硬度試樣兩底面硬度值的平均值作為每個試樣的試驗結果。金相試樣經預磨、拋光、氫氟酸水溶液腐蝕后,用蔡司掃描電鏡進行組織分析。

2 試驗結果與分析

2.1 深冷時間對合金拉伸性能的影響分析

表2為每組試樣的力學性能測試結果,其中一組試樣未進行深冷處理,深冷時間用0 h表示。由表2可見,合金的抗拉強度在0～72 h范圍內隨著深冷時間的增加而增大。在深冷時間為72 h 時,合金試樣抗拉強度達到最大值298.3 MPa,與未經深冷處理的試樣比較,抗拉強度提高了4.4%。深冷時間為120 h時,試樣的抗拉強度293.5 MPa,盡管與未經深冷處理的試樣相比抗拉強度仍然提高,但與深冷時間為72 h的合金試樣相比抗拉強度卻有所降低?？梢?深冷時間過長,反而對進一步改善合金的抗拉強度不利,亦即,通過深冷處理提高5083Al-Mg合金的抗拉強度存在較佳時間范圍。

表2 不同深冷時間處理后5083Al-Mg合金的力學性能

同樣,從表2中可看出,合金經深冷處理后伸長率有所下降,但隨深冷時間的延長,伸長率變化不大。與未經深冷處理的試樣比較,深冷處理24 h時伸長率下降了2.26%,降幅最大。從表2還可知,深冷處理對合金的斷面收縮率影響甚微。經深冷處理的5組試樣的斷面收縮率平均值為56.60%,而未經深冷處理試樣的斷面收縮率是57.00%,可見合金經深冷處理后斷面收縮率的改變非常有限。

從上述5083Al-Mg合金拉伸性能試驗結果可見,合金經深冷處理后,不同深冷處理時長下各力學性能指標表現各異。深冷處理的主要目的之一是提升合金材料的強韌性,即不損失塑性的情況下提高強度。表2的試驗數據表明,5083Al-Mg合金經不同時間深冷處理后強度均有不同程度提高;伸長率均有所下降,但數值有限;斷面收縮率幾乎不受影響。這對于提高合金的強韌性比較有利。目前認為鋁合金的深冷處理強化機理是深冷處理過程中基體組織之晶格畸變產生局部應力集中,誘導位錯發生纏繞,從而使合金強度提高[14];鋁合金在低溫下獲得的過飽和點缺陷及位錯增殖,與溶質原子相互作用導致沉淀物析出,加強彌散強化改善合金塑性[15]。5083Al-Mg合金的組織由α-Al和Al3Mg2相組成,深冷處理時由于內應力的作用,固溶在α-Al中的Mg原子析出并與Al原子作用生成Al3Mg2相,該相彌散分布改善合金塑性。因此,即便合金深冷處理后強度提升,但塑性卻損失甚微甚至有所改善,如深冷處理時間為12 h時,5083Al-Mg合金試樣的抗拉強度明顯增加,斷面收縮率卻增大。當深冷處理時間超過24 h后,隨著時間的增加抗拉強度的提升程度變緩,深冷時間過長,如處理120 h,抗拉強度反而有所下降。究其原因,深冷處理前期(12～24 h)晶格畸變明顯,抗拉強度提升顯著;當深冷處理時間過長,如達到120 h時,應力集中產生的晶格畸變程度有所緩解,導致強度下降。

2.2 深冷處理時間對合金硬度的影響分析

從表2的硬度測試結果可知,隨著深冷時間的變化試樣硬度明顯存在峰值。未經深冷處理試樣的布氏硬度為73.50 HBW,經深冷處理12 h和14 h試樣的硬度分別為95.20 HBW和96.35 HBW,和未深冷處理試樣比較,硬度有明顯提高,提升幅值分別是21.7 HBW、22.85 HBW。深冷處理時間超過12 h后,試樣硬度繼續提高,但增速變緩,當深冷處理增至24 h時試樣硬度達到峰值。深冷處理時間超過24 h后,試樣硬度值大幅度降低。深冷處理時間為72 h、120 h試樣的硬度值分別為74.3 HBW、73.15 HBW,二者相差僅1.15 HBW,變化甚微。硬度和析出相的數量密切相關。當深冷處理時間為12 h時,強化相Al3Mg2的析出基本完成,彌散強化效果較好,硬度提升顯著。繼續延長深冷處理時間,強化相的進一步析出有限,表現為合金硬度增加不明顯。深冷處理時間過長,彌散析出的Al3Mg2相發生脫溶分解,合金的硬度下降,深冷處理對試樣的硬度影響減弱甚至消失。

考察深冷處理時間對合金力學性能的影響,則深冷處理時間在4～120 h 范圍,抗拉強度均有改善,顯著改善的時間范圍是12～72 h?？疾焐罾涮幚頃r間對合金硬度的影響,顯著提高硬度的深冷處理時間范圍是12～24 h。綜合考察二者,深冷處理改善合金力學性能和硬度的較佳深冷時間范圍是12～24 h。

2.3 顯微組織分析

5083鋁鎂合金SEM組織如圖2所示。由圖2可見,所有試樣組織均由α-Al和Al3Mg2相組成,其中,α-Al為合金基體組織,Al3Mg2為析出相或第二項。未經深冷處理時,其組織中的Al3Mg2相粒狀尺寸較大且分布不均勻,經深冷處理后所有試樣組織中的Al3Mg2相粒狀尺寸均減小且分布更均勻。在4～12 h范圍內隨著深冷處理時間的延長,試樣組織中的Al3Mg2相數量增多,尺寸變小,分布更均勻,如圖2(b,c)所示,但當深冷處理時間增至24 h時,試樣組織中的Al3Mg2相分布均勻性變差,見圖2(d)。當深冷處理時間為72 h時,試樣組織中的Al3Mg2相數量明顯減少,見圖2(e),這就是前面提到的深冷處理時間過長,彌散析出的Al3Mg2相發生脫溶分解導致其數量急劇減少,表現為硬度會大幅度減小,和硬度測定的結果相一致(見表2)。仔細觀察和分析圖2中鋁鎂合金試樣的組織形貌發現,圖2(e)和圖2(b)以及圖2(f)和圖2(a)的組織形貌很相似,而恰巧對應硬度試樣測得的硬度值也很接近,分別是74.30 HBW和74.55 HBW以及73.15 HBW和73.50 HBW。觀察分析鋁鎂合金試樣的SEM組織同樣發現,深冷處理使合金組織中出現Al3Mg2相數量較多、尺寸較小且分布更均勻的較佳深冷時間范圍是12～24 h,與合金性能的試驗結果相符合。

圖2 5083Al-Mg合金試樣經不同時間深冷處理后的SEM組織(a)未處理;(b)4 h;(c)12 h;(d)72 h;(e)120 hFig.2 SEM images of the 5083Al-Mg alloy specimens cryogenically treated for different time(a) untreated; (b) 4 h; (c) 12 h; (d) 72 h; (e) 120 h

3 結論

1) 5083Al-Mg合金的抗拉強度在0～72 h范圍,隨著深冷處理時間的增加而增大;深冷處理時間過長,反而不利于合金抗拉強度的進一步改善,提高合金抗拉強度的深冷處理時間存在較佳范圍。

2) 5083Al-Mg合金經深冷處理改善拉伸性能和硬度的較佳深冷處理時間為12～24 h,深冷處理時間達到72 h時,深冷處理對進一步改善5083Al-Mg合金力學性能不利。

3) 深冷處理使5083Al-Mg合金組織中出現Al3Mg2相數量較多、尺寸較小且分布更均勻的較佳深冷時間范圍是12～24 h。