軋制工藝對7050鑄軋板組織及性能的影響

孫玉崇，高安妮，徐 振，王洪斌，張丁丁，周 樂

（1.遼寧科技大學 材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051；2.沈陽工業大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

雙輥鑄軋作為一種近終形技術，可將熔融的鋁合金直接加工成合金薄板，工藝流程短，能耗低。但是雙輥鑄軋鋁合金薄板在加工過程中易產生偏析、疏松和裂紋等問題，嚴重危害板材成形性［1-3］。軋制是合金錠坯依靠摩擦力被拉進軋輥之間，利用軋輥之間的壓力將錠坯拉長、橫斷面減小、厚度變薄的一種塑性變形過程［4］，廣泛應用在金屬材料加工領域。軋制工藝參數直接影響鑄軋板材的表面質量和組織性能［5］。王敏［6］研究溫軋工藝對7020鑄軋板影響發現，在相同溫度下，壓下量越大，鑄軋板材裂紋愈合程度越好。陳銳［7］通過實驗確定7050鋁合金在變形量為50%，壓下量為1.5 mm時，可以得到較優的綜合性能，此時再結晶更充分，晶粒組織更為均勻。因此，對鑄軋板進行再軋制可優化合金的微觀結構，增強鑄軋板的強塑性［8］?；诖?，本文研究不同軋制工藝下鈦質量分數為0.2%的7050鑄軋板組織性能的變化規律和機理，以獲得最佳再軋制工藝參數，提高板材的綜合性能。

1 實驗方案

實驗采用雙輥鑄軋試驗機進行。鑄軋板化學成分：w（Zn）=6.31%，w（Mg）=1.61%，w（Cu）=1.62%，w（Cr）＜0.01%，w（Zr）=0.090%，w（Fe）=0.027%，w（Si）=0.010%，w（Ti）=0.220%，余量為Al。再軋制工藝方案詳見表1和表2。

表1 不同溫度的再軋制工藝參數Tab.1 Rerolling process parameters at different temperatures

表2 不同變形量的再軋制工藝參數Tab.2 Rerolling process parameters at different deformation rates

使用ZEISS Axio Vert.A1光學顯微鏡分析7050鑄軋板材晶粒尺寸及形貌；采用德國卡爾蔡司SIGMAHD場發射高分辨掃描電子顯微鏡觀察樣品的斷口形貌；試樣經磨制拋光之后，利用維氏硬度計Q10M測量硬度，加載載荷100 N，壓力持續10 s。多次測量取平均值。采用電子萬能試驗機進行常溫拉伸實驗，拉伸速率1 mm/min。

2 實驗結果及分析

2.1 軋制溫度對再軋制7050鑄軋板的影響

圖1是當軋制變形量為75%時，不同軋制溫度下再軋制7050鑄軋板的微觀組織。板材內部晶粒組織沿軋制方向拉長，原本的鑄軋態組織已完全消失。沿晶界分布和枝晶間產生的粗大非平衡共晶組織基本固溶于基體，殘余的枝晶偏析組織已明顯消除。當軋制溫度為400℃時，晶粒由近似圓形的鑄軋態形貌變成纖維狀，試樣中未出現再結晶晶粒。這是由于再結晶退火溫度低，即使變形時儲存的形變能足夠大，也不能夠發生再結晶，此時合金僅發生回復，消除了殘余應力，而組織仍保持纖維狀。當軋制溫度提高到420℃時，組織有少量再結晶晶粒生成。這表明合金達到了再結晶退火溫度并儲存足夠多的變形能，組織發生回復和再結晶，由纖維狀的組織逐漸變為等軸晶。當軋制溫度繼續提高到440℃時，并未出現過燒現象，再結晶晶粒數量增多，晶界處有第二相粒子析出。綜合來看，軋制溫度為440℃時，合金的組織結構最好。

圖1 不同軋制溫度下再軋制7050鑄軋板的微觀組織Fig.1 Microstructure of rerolled 7050 twin-roll-cast plate at different rolling temperatures

軋制溫度分別為400、420、440℃時，鑄軋板的硬度分別為125.75HV、151.25HV和161.75HV。板材硬度隨軋制溫度升高而逐漸提高。因為隨軋制溫度升高，位錯運動加強，位錯的重新排列和對消促進合金亞晶組織形成，亞晶通過合并長大，部分發生再結晶，晶粒組織由纖維狀逐漸變成細小的等軸晶，從而增大了晶界面積，使合金硬度提高［9］。在軋制溫度達到440℃時，組織中出現大量細小的再結晶晶粒，晶粒的均勻度增加，晶界數量增多，合金的流動性最好，此時硬度達到最大值。

不同軋制溫度下常溫拉伸再軋制7050鑄軋板的拉伸性能如圖2所示。隨軋制溫度的升高，板材的拉伸性能逐漸提升，軋制溫度為440℃時，拉伸性能達到最優。軋制溫度越高，越容易出現動態再結晶。

圖2 不同軋制溫度下再軋制7050板材的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of 7050 plate rerolled at different rolling temperatures

圖3是440℃軋制時鑄軋板透射電鏡組織照片。鑄軋板中存在納米級的Al3Ti顆粒。組織中彌散的Al3Ti粒子對合金再結晶晶粒的長大有抑制作用，促使合金組織逐漸由纖維狀向再結晶細小晶粒轉變，從而提高合金塑性；同時，由于大量細小的再結晶晶粒的存在，使合金中晶界數目增多，組織位錯密度增大，進而提高了板材的強塑性。

圖4是軋制變形量為75%時，軋制溫度分別為400、420、440℃條件下，再軋制7050鑄軋試樣拉伸斷口形貌。在三種軋制溫度下，試樣均存在不均的韌窩和撕裂棱，即韌性斷裂。400℃軋制時，存在撕裂棱以及類似準解理臺階的層狀結構，也有類似河流的花樣結構存在，韌窩數量較少且深度較淺，同時有冰糖狀沿晶斷裂特征存在?？傮w來看，這是一種介于韌性斷裂和準解理斷裂的混合型斷裂。420℃軋制時，韌窩數量大幅增加，形貌大而深，冰糖狀結構破碎分散在韌窩附近，并且在韌窩深處存在少量的第二相粒子，阻礙位錯移動，合金的塑性變形能力提高。440℃軋制時，韌窩分布較為均勻，數量明顯增多，撕裂棱基本消失，在試樣拉伸變形過程中局部抗失穩能力增強，在斷裂過程中可以吸收更多能量。這是由于板材內部夾雜物及第二相促進了微孔與韌窩的形成。440℃軋制板材的斷口形貌最佳，板材塑性最好。

圖4 不同軋制溫度下再軋制7050板材拉伸斷口Fig.4 Fracture morphology of 7050 twin-roll casting plate rerolled at different rolling temperatures

2.2 軋制變形量對再軋制7050鑄軋板的影響

軋制溫度為440℃，軋制變形量分別為12.5%、37.5%、57.5%、70%和75%的條件下，7050鑄軋板縱截面微觀組織如圖5所示。變形量12.5%時，晶粒變化不大，基本保持鑄軋態形狀，只有少數晶粒被壓扁拉長呈近似橢圓形，組織中存在少量枝晶網狀結構，枝晶缺陷未完全消除。這說明合金在軋制過程中發生的變形不均勻，較小的變形量僅能改變少數晶粒尺寸與形狀，組織結構并未發生較大變化。當變形量為37.5%時，大部分晶粒形狀改變，沿軋制方向被拉長，呈橢圓形。變形量57.5%時，晶粒明顯增大，鑄軋態的組織大幅減少，枝晶網狀結構消除，并且晶粒大部分呈長條狀，在晶粒內及晶界有第二相粒子少量析出。變形量70%時，晶粒呈纖維狀，沿軋制方向分布，鑄軋組織消失，組織中有大量第二相析出。變形量75%時，出現大量細小的晶粒組織，這些細小的晶粒是再結晶晶粒組織。因為鋁合金熱變形時，隨變形量的增大，板材內部位錯互相作用，位錯增值、滑移轉變成胞狀組織，位錯交織生成亞晶界，并且通過晶界的遷移作用形成大角度晶界，促進動態再結晶過程的發生，最終形成細小的再結晶晶粒［10］。

圖5 不同變形量再軋制7050鑄軋板縱截面的微觀組織圖Fig.5 Microstructures in longitudinal direction of 7050 twin-roll-cast plate rerolled at different rolling deformation rates

不同軋制變形量時鑄軋板的硬度如圖6所示。隨變形量的增加，鑄軋板硬度先下降后上升。變形量為75%時，硬度最大，達到149.5HV。變形量為57.5%時，硬度最小，為123.5HV。這是因為隨著變形程度的增加，晶體中的晶粒逐漸被拉長，晶界數目減少，硬度下降；變形量繼續增加，晶體內第二相充分破碎、細化，組織中析出強化相，從而提高合金板的強度和硬度。

圖6 再軋制7050鑄軋板硬度隨軋制變形量變化的趨勢Fig.6 Microstructures in longitudinal direction of 7050 twin-rollcast plate rerolled at different rolling deformation rates

軋制溫度為440℃，不同變形量下鑄軋板常溫拉伸測試結果如圖7所示。隨著變形量的增加，鑄軋板屈服強度、抗拉強度和延伸率逐漸增大。當變形量為75%時，鑄軋板強度最大：抗拉強度為493.26 MPa、屈服強度為398.79 MPa、延伸率為4.25%。主要有兩方面原因：一是隨變形量增加，鑄軋板變形程度不斷加劇，鑄軋組織逐步消除，枝晶、偏析和微小裂紋等缺陷逐漸消失，粗大非平衡共晶相沿著軋制方向破碎，組織中的大部分晶粒沿軋制方向被拉長，形成具有擇優取向的纖維組織，大幅度提高合金的強塑性；二是隨著變形程度的加劇，組織中非平衡共晶相充分破碎且細化，在熱軋過程中，析出大量強化相MgZn2，通過析出強化提高合金強度。在軋制過程中儲存足夠的形變能，促使再結晶過程的發生，但未來得及發生再結晶長大。合金中存在的Al3Ti粒子對再結晶的發生有抑制作用，當變形量為75%時，組織中出現大量細小再結晶晶粒，起到細晶強化作用，使鑄軋板的強塑性提高。

圖7 不同軋制變形量下再軋制7050鑄軋板的拉伸性能Fig.7 Tensile properties of 7050 twin-roll-cast plate rerolled at different deformation rates

軋制溫度為440℃，不同軋制變形量條件下再軋制7050鑄軋板拉伸斷口的形貌如圖8所示。當變形量為12.5%時，合金斷口中韌窩較少且深度較淺，有大量撕裂棱以及準解理臺階存在，推斷為準解理斷裂。當變形量為37.5%時，合金斷口中的韌窩數目略有增加，準解理臺階減少，但韌窩周邊出現撕裂棱，推斷為穿晶斷裂。57.5%軋制變形時，韌窩數量明顯增加，斷口中出現大量冰糖狀沿晶斷裂的特征。當變形量達70%時，在合金斷口處出現大量的韌窩且分布均勻，撕裂棱基本消失。當變形量為75%時，出現大量較深的韌窩，且分布更加均勻，撕裂棱和準解理臺階完全消失，合金呈現韌性斷裂特征。綜上所述，在75%軋制變形時，7050鑄軋板的強塑性最佳。

圖8 不同軋制變形量下板材的拉伸斷口Fig.8 Tensile fracture morphology of 7050 twin-roll-cast plate rerolled at different deformation rates

3 結論

（1）鈦質量分數為0.2%的7050鑄軋板再軋制之后，宏觀微小裂紋明顯愈合，板材的微觀組織得到明顯改善；組織中粗大的第二相破碎，枝晶偏析消除。

（2）鑄軋板中的Al3Ti粒子可以有效抑制軋制過程中再結晶的長大，440℃軋制時，軋制板中形成大量細小的再結晶晶粒，使得合金組織均勻化，合金板材的綜合性能提高。

（3）鈦質量分數為0.2%的7050鑄軋板材再軋制的最佳工藝為：440℃軋制溫度+75%軋制變形量，此時板材強塑性最佳，硬度149.5HV，屈服強度398.79 MPa，抗拉強度493.26 MPa，延伸率4.25%。