有色金属材料与工程  2017, Vol. 38 Issue (4): 193-197   PDF    
引用本文
郝建飞, 李润霞, 王顺成, 李继林, 甘春雷, 宋东福. 超声波功率对铸轧5182铝合金带坯组织性能的影响[J]. 有色金属材料与工程, 2017, 38(4): 193-197.
HAO Jianfei, LI Runxia, WANG Shuncheng, LI Jilin, GAN Chunlei, SONG Dongfu. The Effects of Ultrasonic Power on Microstructure and Mechanical Properties of 5182 Aluminum Alloy Strip Prepared by Continuous Casting and Rolling Process[J]. Nonferrous Metal Materials And Engineering, 2017, 38(4): 193-197.
超声波功率对铸轧5182铝合金带坯组织性能的影响
郝建飞1,2, 李润霞2, 王顺成1, 李继林1, 甘春雷1, 宋东福1     
1. 广东省材料与加工研究所, 广东 广州 510651;
2. 沈阳工业大学 材料科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110870
收稿日期：2017-05-24
作者简介：郝建飞(1993-), 男, 硕士研究生.研究方向:铝合金板带超声铸轧技术.E-mail:840077238@qq.com
摘要：采用超声波连续铸轧工艺制备5182铝合金带坯，研究了超声波功率对5182铝合金带坯组织性能的影响.结果表明：施加超声波振动可细化5182铝合金带坯的晶粒组织，减轻元素的偏析程度.超声波的功率越大，5182铝合金带坯的晶粒越细小，元素偏析程度越小，拉伸力学性能越高.当超声波功率为800 W时，5182铝合金带坯的抗拉强度为211.4 MPa，伸长率为18.4%，与未施加超声波振动相比，此时5182铝合金带坯的抗拉强度提高了15.8%，伸长率提高了26.0%.
关键词：5182铝合金    连续铸轧    超声振动    超声波功率    
The Effects of Ultrasonic Power on Microstructure and Mechanical Properties of 5182 Aluminum Alloy Strip Prepared by Continuous Casting and Rolling Process
HAO Jianfei1,2, LI Runxia2, WANG Shuncheng1, LI Jilin1, GAN Chunlei1, SONG Dongfu1     
1. Guangdong Institute of Materials and Processing, Guangzhou 510651, China;
2. School of Material Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China
Abstract: The 5182 aluminum alloy strips were prepared by continuous casting and rolling process with ultrasonic vibration.The effect of ultrasonic power on the microstructure and mechanical properties of 5182 aluminum alloy strip was studied.The results show that the ultrasonic vibration can refine the grains size and reduce the elements segregation of 5182 aluminum alloy strip.The greater the power of the ultrasonic wave, the finer the grain size of the 5182 aluminum alloy strip, and the smaller the degree of element segregation, the higher the tensile mechanical properties.When the ultrasonic power is 800 W, the tensile strength of the 5182 aluminum alloy strip is 211.4 MPa and the elongation is 18.4%.Compared with the 5182 aluminum alloy strip prepared by continuous casting and rolling process without ultrasonic vibration, the tensile strength is increased by 15.8% and the elongation is increased by 26.0%.
Key words: 5182 aluminum alloy     continuous casting and rolling     ultrasonic vibration     ultrasonic power    

连续铸轧工艺具有工艺流程短、投资规模小和高效节能等优点, 在铝合金带坯生产中得到广泛应用[1-2].但常规的连续铸轧工艺目前只能生产1xxx系、3xxx系和8xxx系等低合金化的铝合金带坯, 尚不能生产5xxx系和6xxx系等合金化程度较高的铝合金板带坯, 原因是铝合金板带坯容易出现元素偏析、晶粒粗大等问题[3].为了解决上述问题, Mao等[4]研究了超声波振动对铸轧1235铝合金带坯显微组织的影响, 夏晨希等[5]研究了超声波处理对铸轧3003铝合金带坯组织性能的影响.研究结果表明, 在连续铸轧过程中施加超声波振动可以细化铝合金板带坯的晶粒组织, 减轻元素微观偏析程度, 进而提高铝合金带坯的塑性和强度.5182铝合金具有良好的抗腐蚀性能、加工性能和焊接性能, 广泛应用于汽车、船舶、电子电器和航空航天等领域[6], 但5182铝合金带坯目前主要采用热轧工艺生产, 尚未见到采用连续铸轧工艺生产[7-8].因此, 本文采用超声波连续铸轧工艺生产5182铝合金带坯, 研究超声波功率对5182铝合金带坯组织性能的影响.

1 试验材料与方法

试验材料为5182铝合金, 采用工业纯铝(99.7%, 质量分数, 下同)、工业纯镁(99.8%)、速溶硅和Al-10Mn合金熔炼配制, 熔炼设备为100 kg铝合金熔炼炉, 经SPECTROMAX光电直读光谱仪测定, 其化学成分为:Mg 4.62%, Mn 0.46%, Si 0.16%, Fe 0.14%, Cu 0.1%, 余量为Al.

试验设备为辊径400 mm的水平式双辊铸轧机、电磁感应加热炉和超声波发生器.其中, 铸轧机的铸嘴宽为200 mm, 铸嘴型腔高为18 mm, 铸轧区长度为50 mm.超声波发生器的频率为20 kHz, 最大功率为1 kW, 且功率可调.压电陶瓷式换能器的直径为50 mm, 导入杆材料为合金钢.图 1为超声波连续铸轧装置示意图.

图 1 超声波连续铸轧装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of ultrasonic continuous casting and rolling device

在电磁感应加热炉内于740 ℃加热熔化5182铝合金, 进行精炼、扒渣后, 将5182铝合金液导入铸轧机前箱, 保持前箱内5182铝合金液的温度为690 ℃, 将超声波导入杆插入液面下10 mm, 分别在超声波功率为300, 500和800 W的条件下, 将5182铝合金液连续铸轧成宽为220 mm、厚为6.2 mm的5182铝合金带坯, 铸轧速度为1.2 m/min.

试验完成后, 在5182铝合金带坯上取样, 试样经磨制、抛光和腐蚀后, 在LEICA-DMI3000M金相显微镜上对带坯横截面(显微照片即为横截面照片)组织进行观察, 在Nova NanoSEM 430扫描电子显微镜上观察试样的第二相粒子大小、形貌及其分布, 并对第二相粒子进行能谱分析.将铝合金板带坯加工成标准拉伸试样, 在DNS200型电子拉伸机上进行室温拉伸, 拉伸速度为2 mm/min.

2 试验结果与分析 2.1 微观组织

图 2为超声波功率对铸轧5182铝合金带坯显微组织的影响.从图 2(a)可看到, 未施加超声波振动时, 5182铝合金带坯中的显微组织均为粗大的α-Al枝晶, 在α-Al枝晶的晶界处存在大量的共晶相, 对带坯的共晶相进行能谱分析.根据析出相的各元素含量可知, 晶界处的共晶相是由浅灰色骨骼状的β(Al8Mg5)相和灰色块状的Al6Mn相组成.如图 3所示, 在晶界处偏聚的共晶相是由于铝合金液体在凝固过程中, Mg原子在合金液体中来不及扩散发生非平衡结晶形成的Al8Mg5相, 以及Mn原子在Al基体中固溶度较低而偏聚于晶界形成的Al6Mn相[9-11].表明5182铝合金带坯存在Mg, Mn合金元素的微观偏析.从图 2(b)~(d)可看到, 当施加超声波振动后, 随着超声波功率的增大, 5182铝合金带坯的α-Al枝晶晶粒逐渐得到细化, α-Al枝晶晶间的Al8Mg5, Al6Mn共晶相含量越少, 带坯中的Al8Mg5, Al6Mn共晶相含量趋于更加均匀, 表明施加超声波振动可细化5182铝合金带坯的晶粒组织, 减轻Mg, Mn合金元素的微观偏析程度.

图 2 不同超声波功率下铸轧5182铝合金带坯显微组织照片 Fig. 2 Microstructure of 5182 aluminum alloy strip prepared by casting and rolling process

图 3 铸轧5182铝合金带坯尺寸相同图像及EDS分析 Fig. 3 SEM image and EDS analysis of 5182 aluminum alloy strip prepared by casting and rolling process

对于超声波振动细化合金的晶粒, 国内外学者提出了众多理论, 目前被大多数学者所接受的是超声空化效应和声流效应[12-13].在超声波负压下, 液体分子被拉裂产生空化泡, 空化泡破裂时会从周围的液体中吸收热量, 造成局部过冷, 因而在空化泡的附近形成晶核, 使晶核的形核率增加, 组织得到细化.在空化泡崩溃过程中, 强烈的冲击波将击碎初生晶体和正在长大的晶体, 而破碎的晶体在声流的搅拌作用下, 再次分布到熔体中, 提高了生核率.合金的显微偏析程度与熔体的冷却速率、杂质元素的扩散程度、凝固前沿熔体的热对流程度以及溶质的分配系数有关.而超声波能够减轻元素偏析是因为, 在铝熔体中施加超声波后, 在交变声场的作用下产生的空化泡在经过周期性振荡下长大并瞬间崩溃, 在晶核簇附近产生剧烈振荡, 使晶核脱落, 分散开来, 经过超声声流的搅拌作用, 晶核均匀地分布到熔体中的各个部位, 促进了溶质元素和一些微细颗粒的均匀弥散, 减小了溶质富集层的厚度, 同时在施加超声振动过程中晶粒得到细化.晶粒越小, 晶粒之间相互接触的生长过程就越短, 晶粒内的溶质在晶粒间的累积时间就越短, 显微偏析出现的几率就越减小.

在5182铝合金带坯铸轧成形过程中, 由于水冷轧辊的冷却作用, 会在熔体内产生较大的过冷度, 该过冷度会促使晶核在结晶区内形成.由于表层熔体散热方式是单向散热, 使得结晶区的晶核会逆着热流方向择优生长, 导致在常规铸轧工艺下的5182铝合金带坯以粗大的α-Al枝晶为主.同时由于5182铝合金的合金化程度较高, 因此在铸轧成带坯时, 容易产生较为严重的Mg, Mn合金元素偏析[14-15].在铸轧过程中施加超声波振动之后, 一方面, 超声波产生的空化效应可以使铝熔体产生强烈的振荡, 加剧熔体的结构起伏和能量起伏, 使生长中的或已经长大的α-Al枝晶熔断、脱落, 弥散分布在亚稳态溶体中, 促进金属的非均质形核, 提高形核率, 使晶粒细化[16-18]; 另一方面, 超声波产生的声流效应, 对铝熔体具有搅拌作用, 溶质元素Mg, Mn随铝熔体不断翻滚、扩散, 在凝固过程中呈弥散分布, 使得溶质元素Mg, Mn在晶内和晶界上分布更加均匀, 从而使5182铝合金带坯晶界处的Al8Mg5, Al6Mn共晶相富集量减少, 分布更均匀[19-20].

2.2 力学性能

图 4为超声波功率对5182铝合金带坯拉伸力学性能的影响.从图 4中可以看出, 5182铝合金带坯的拉伸力学性能随着超声波功率的增大而逐渐提高.当未施加超声波振动时, 5182铝合金带坯的抗拉强度为182.6 MPa, 伸长率为14.6%.当超声波功率达到800 W时, 5182铝合金带坯的抗拉强度为211.4 MPa, 伸长率为18.4%, 与未施加超声波振动相比, 此时5182铝合金带坯的抗拉强度提高了15.8%, 伸长率提高了26%.

图 4 超声波功率对铸轧5182铝合金带坯力学性能的影响 Fig. 4 Effect of ultrasonic power on mechanical properties of 5182 aluminum alloy strip prepared by casting and rolling process
3 结论

(1) 在连续铸轧过程中施加超声波振动, 可细化5182铝合金带坯的晶粒组织, 减轻元素偏析.超声波的功率越大, 5182铝合金带坯的晶粒越细小, 元素偏析程度越小, 拉伸力学性能越高.

(2) 当超声波功率为800 W时, 5182铝合金带坯的抗拉强度为211.4 MPa, 伸长率为18.4%, 与未施加超声波振动相比, 此时5182铝合金带坯的抗拉强度提高了15.8%, 伸长率提高了26%.

参考文献
[1] 王祝堂. 迈向新世纪的世界铝带坯铸轧[J]. 轻合金加工技术, 2001, 29(4): 72–76.
[2] 丁培道, 蒋斌, 杨春楣, 等. 薄带连铸技术的发展现状与思考[J]. 中国有色金属学报, 2004, 14(S1): 192–196.
[3] 李冰峰. 浅谈汽车车身用铝板带的生产[J]. 有色金属加工, 2012, 41(4): 22–24.
[4] MAO D H, ZHANG Y F, NIE Z H, et al. Effects of ultrasonic treatment on structure of roll casting aluminum strip[J]. Journal of Central South University, 2007, 14(3): 363–369. DOI:10.1007/s11771-007-0072-6
[5] 夏晨希, 胡仕成, 田明华. 超声波处理对3003铸轧板坯组织性能的影响[J]. 热加工工艺, 2011, 40(21): 25–28. DOI:10.3969/j.issn.1001-3814.2011.21.008
[6] 唐明君, 吉泽升, 吕新宇. 5xxx系铝合金的研究进展[J]. 轻合金加工技术, 2004, 32(7): 1–7.
[7] 王宇, 曹零勇, 李俊鹏, 等. 中间退火对汽车用5182铝合金板组织和性能的影响[J]. 材料工程, 2016, 44(9): 76–81. DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2016.09.012
[8] 李娜, 王宁. 拉环用5182铝合金扁铸锭热轧裂边分析[J]. 有色金属加工, 2012, 41(6): 18–20.
[9] 王宇, 曹零勇, 李俊鹏, 等. 均匀化工艺对5182铝合金铸锭组织的影响[J]. 材料热处理学报, 2015, 36(s1): 101–106.
[10] 史朝阳, 王游根, 邓盛卫, 等. 退火温度对5182车用铝合金冷轧板的组织及性能的影响[J]. 材料导报, 2015, 29(4): 95–98. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2015.04.023
[11] 王孟君, 黄电源, 姜海涛, 等. 退火对汽车用5182铝合金板材组织与性能的影响[J]. 金属热处理, 2007, 32(9): 18–20.
[12] 王哲, 曾凡毅. 功率超声及其复合场在金属熔体处理中的应用研究[J]. 铸造技术, 2017(3): 510–512.
[13] 李军文, 付莹, 桃野正. 超声波处理时间对铝合金铸锭内的气孔生成及细化的影响[J]. 铸造技术, 2006, 27(10): 1063–1066. DOI:10.3969/j.issn.1000-8365.2006.10.012
[14] 聂朝辉, 毛大恒, 张云芳. 超声波处理对铸轧铝板带组织的影响[J]. 轻合金加工技术, 2006, 34(4): 10–13.
[15] 李晓谦, 刘荣光, 蒋日鹏. 功率超声对铝熔体作用机理研究[J]. 热加工工艺, 2008, 37(3): 9–12.
[16] GAO D M, LI Z J, HAN Q Y, et al. Effect of ultrasonic power on microstructure and mechanical properties of AZ91 alloy[J]. Materials Science & Engineering A, 2009, 502(1/2): 2–5.
[17] 蒋日鹏, 李晓谦, 张立华, 等. 超声施振方式对纯铝凝固组织细化规律的研究[J]. 材料工程, 2009, 2009(2): 6–10.
[18] 胡仕成, 张平, 李建, 等. 超声处理对7050铝合金凝固组织晶粒细化影响[J]. 热加工工艺, 2010, 39(8): 5–9.
[19] RAMIREZ A, MA Q, DAVIS B, et al. Potency of high-intensity ultrasonic treatment for grain refinement of magnesium alloys[J]. Scripta Materialia, 2008, 59(1): 19–22. DOI:10.1016/j.scriptamat.2008.02.017
[20] KHALIFA W, TSUNEKAWA Y, OKUMIYA M. Effect of ultrasonic melt treatment on microstructure of A356 aluminium cast alloys[J]. International Journal of Cast Metals Research, 2008, 21(1/2/3/4): 129–134.