5083 合金棒低 /高倍组织试验检测研究

5083 合金棒低 /高倍组织试验检测研究

何宏坤 凌莹 王朝文 赵西斌

新疆众和股份有限公司 新疆乌鲁木齐 830013

摘要：铸态组织分析：5083合金是以Mg为主要合金元素的变形铝合金，也称防锈铝。该类合金具有良好的焊接性能和力学性能，是铝合金焊材的最佳原料，其焊丝产品在轨道交通、舰船制造、武器装备等领域应用广泛。采用合适的热工处理工艺制度，观察5083合金铸态和热处理态组织及相的变化情况。

关键词：热处理工艺、低倍组织、显微组织

一、产品热处理

合金棒的生产按工艺“5083合金棒生产工艺方案”操作执行，需要进行均质处理的5083合金棒按图1.进行热处理操作）。

图1 5083合金热处理工艺曲线

二、试样制备与测试方法

1.低倍组织观察

通常，低倍组织的观察是为了观察铸锭横截面的晶粒大小分布，以及是否存在粗大晶粒、裂纹、夹渣、气孔、白斑、晶粒度、羽毛晶、光晶等。

制样：

每炉次随机抽取一根合金棒，在切头、切尾后选取试片，试样的选取如图2.所示，将选取的试片一面打钢号（区别不同批次以及首位件），另一面送往机加车面，要求表面光滑平整，不得有明显的纹路，以免影响试验效果。

图2.低倍试片切取部位

腐蚀：试样的低倍腐蚀按照：去油→侵蚀→冲洗→吹干→观察 的顺序进行，所使用的碱液用。

氢氧化钠进行配置，浓度：80-120g/L，侵蚀液采用特强酸，按照表3.比例配置。具体试验方法如表4.所示。

表1.特强酸成分

表2.侵蚀方法

2.高倍（金相）组织观察

制样：对于半连续圆铸锭及其均质处理后的样品（5083/5356），经低倍腐蚀观察横截面之后，将圆铸锭切开，分别在心部、距表面1／2半径处及表面取3块尺寸为15mmxl5mmxl5mm的样品，用作金相组织观察。铸锭横断面取料位置如图3.所示，所取试样为铸态：A1、A2、A3、B1、B2、B3，均态：A1、A2、A3、B1、B2、B3。所取样品检测面经由250→500→1000→1500→2000号粒度的水磨砂纸依次进行打磨，以9μm金刚石悬浊液作为抛光剂在短绒抛光布上手工抛光。

图3.高倍试样切取部位

腐蚀：抛光后的样品采用2mlHF+3mlHCl+5mlHN03+250mlH20混合酸溶液进行化学侵蚀15-25min，抛光后的样品用酒精清洗表面后吹干，再进行高倍组织观察。

三、试验结果与分析

1.低倍组织观察：5083的的合金棒按要求取得头、尾试片并进行后续机加和侵蚀处理，观察试片表面状况。

5083 头部 5083 尾部

图4.不同合金横截面低倍

头、尾部晶粒分布：从图4.可以看出5083合金的头部尾部晶粒均十分细小达到一级晶粒标准，相比较而言尾部晶粒比头部晶粒更为均匀细小。缺陷分析：5083合金横截面晶粒细小、分布均匀，不存在夹渣、气孔、羽毛晶、光亮晶、裂纹等缺陷。

2. 5083高倍（金相）组织观察:

均质处理：均质处理是一个退火过程，也叫均匀化退火。均匀化退火的目的是使铸锭中的不平衡共晶组织在基体中分布趋于均匀，过饱和固溶元素从固溶体中析出，以达到消除微观偏析（主要是晶内偏析和晶界偏析），改善产品加工性能的目的。按照试验要求，将5083按铸态和均态（均质处理）的区别，在试片上从心部到边缘取三块试样并进行编号A1、A2、A3。高倍组织观察目的是为了检查样品是否存在粗晶、过烧和晶界腐蚀等缺陷。金相结果如图5—图7所示。

5083合金棒横截面试样铸态和均态金相组织观察：

A1为5083合金试片靠近心部的位置取样，铸态为合金棒浇铸后的原始状态，均态为经过均质热处理后的状态。如图5.所示。

A1-铸态-200倍 A1-铸态-500倍

A1-均态-200倍 A1-均态-500倍

图5.A1铸态和均态在200倍、500倍金相对比

A2为5083合金试片介于心部和表面位置所取试样，分为铸态和均态。如图6.所示。

A2-铸态-500倍 A2-铸态-1000倍

A2-均态500倍 A2-均态-1000倍

图6.A2铸态和均态在500倍、1000倍金相对比

A3为5083合金试片靠近表面位置所取试样，分为铸态和均态。如图7.所示。

A3-铸态-200倍 A3-铸态-500倍

A3-均态-200倍 A3-均态-500倍

图7.A3铸态和均态在200倍、500倍金相对比

5 083为Al—Mg合金，Mg含量4.3%—5.4%，如图11.所示，在Al—Mg二元相图上的主要结晶过程为匀晶结晶和Mg2Al3(β)二次相的析出，在实际冷速下，由于α固相线偏移，使该成分有极少数共晶组织出现，而其中由于β相呈“离异共晶”形态，分布于α晶界处。

图8.Al-Mg二元相图

随着铸造过程的进行，铝液温度下降，铝液开始凝固，首先析出的是α初晶相（Mg在Al中的固溶体），当温度下降到450°时，从α初晶相中析出β (Mg2Al3)相。除此之外，Mn部分固溶于基体，其余以MnAl6相的形式存在于组织中，可以阻止晶粒粗化，提高合金强度；Cr元素与Mn有相似作用；少量的Ti主要是细化晶粒；Be的作用是降低铸锭的裂纹倾向同时减少Mg的烧损；Zn在多元铝合金中是能够提高抗拉强度。元素Fe和Si为有害杂质元素（Si在5A03的情况除外）可与Al形成FeAl3，α（Al-Fe-Si）、β(Al-Fe-Si)等杂质相，Si与Mg形成Mg2Si相，由于Mg含量过剩，降低了Mg2Si相在基体中的溶解度，所以强化作用不大，而且降低了合金的塑性；Fe元素与Mn和Cr元素能形成难容化合物，容易产生加工裂纹，因此对于汗死材料Fe限制在0.2%以下；Cu元素与Al形成的金属化合物Al2Cu(θ相)有一定的实效强化作用，但是沿晶界析出的θ相使合金的耐蚀性降低。

铸态和均态对比：观察以上两种类型的合金铸态照片可以发现亮白色的基体（α初晶相），圆点状（外圈为黑色中心为白色）的，还有呈骨骼状（黑色条状）的α—β共晶相。通过图5—图7观察发现铸态晶界不明显，均态晶界十分清晰，可能的原因是均质退火使晶界处富集第二相元素，使得晶界处更加容易遭受腐蚀。均质处理过程是在固相线以下（或共晶温度以下）温度进行，过饱和相固溶体中的Mg元素通过热振动以空位迁移的方式进行扩散，均匀分布在α相中；二次析出β (Mg2Al3)相在较高温度下发生溶解，其中溶质原子Mg扩散进入α相中（随着温度升高，Mg元素在Al中的溶解度是增大的）均匀分布；α—β共晶相较多地聚集在晶界处，其中中β相也发生分解，其中Mg扩散进入晶内和晶界处，达到均匀扩散的目的。从均态500倍金相照片显示晶粒心部以α初晶相为主外围和晶界处以Al—Mg化合物相为主，均匀分布在晶粒四周。此外，晶粒内部存在未融颗粒可能是Fe元素与Mn和Cr元素所形成得难容化合物，晶界处的局部不规则块状物为Mg2Si相。

心部和边部对比：对比A1铸态和A3铸态500倍金相照片对比发现A1（靠近心部位置）比A3（靠近边部位置）含有更多Mg2Al3(β)二次相（在照片中显示为晶粒背部黑白相间的圆点），A3相对于A1含有更多α—β共晶相（照片中呈现黑色块状）。同时可以发现A3的铸态晶界显示比A1更加清晰，从侧面也说明心部组织固溶更多镁元素，而边部多余的镁元素在晶界处聚集，在腐蚀液的作用下更容易遭受腐蚀。参照A1均态与A3均态的500倍金相照片发现A1均态晶粒内部的α相和α—β共晶相经过车处理后多数呈现交错均匀分布，一个晶粒内部往往出现几处α相区，中间被α—β共晶相区隔开，A2均态的特点是大部分晶粒心部被α相区占据，α—β共晶相区存在α相区以外晶界以内的周边区域。A1和A2试样的共同特征是α相区靠近中间位置，α—β共晶相区只存在晶粒周围和晶界处。A2的金相显示它的内部组织特征和A1的特征更接近。

五、结论

通过对5083圆铸锭合金的低倍和高倍试验，得出以下结论：

1.合金所含元素不同所反映的低倍组织颜色也不同，Si元素含量高的合金颜色偏黑色，Mg元素含量高的偏灰色，Zn元素含量高的颜色偏白色。

2.5083合金高倍组织主要包括基体（α初晶相），圆球状β二次相，还有骨骼状的α—β共晶相以及其它强化相和杂质元素相，均质退火的目的是将β二次相、α—β共晶相溶解扩散Mg元素以达到改善内部组织均匀性，提高产品性能的目的。

作者简介：何宏坤，男，1989年出生，新疆博乐人，2012年7月毕业于吉林大学测控技术与仪器专业，目前主要从事铝及铝合金的过程管控工作。