鑄軋3003冷軋工序組織和性能控制

許春偉，婁東閣

(1中鋁河南鋁業(yè)有限公司，河南 洛陽(yáng)471003)(2 中鋁洛陽(yáng)銅業(yè)有限公司，河南 洛陽(yáng)471039)

3003鋁合金屬于Al-Mn系熱處理不可強(qiáng)化合金，由于其抗蝕性好，力學(xué)性能優(yōu)良，而廣泛應(yīng)用于各種需要加工成形和耐蝕性能比純鋁高的場(chǎng)所。但由于AL-Mn系合金自身的特點(diǎn)，采用鑄軋與冷軋法進(jìn)行批量生產(chǎn)仍存在許多技術(shù)難題，其中，用3003合金鑄軋板冷軋生產(chǎn)的板帶材，中間退火后晶粒粗大就是一個(gè)很顯著的問(wèn)題。

晶粒組織粗大的鋁板帶在精加工后， 沿軋制方向會(huì)產(chǎn)生許多粗晶條紋， 對(duì)板帶材表面質(zhì)量產(chǎn)生極大影響， 同時(shí)也會(huì)使材料的力學(xué)性能下降， 經(jīng)用戶使用會(huì)發(fā)生彎折開(kāi)裂， 沖制破孔等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。 因此， 在冷軋工序生產(chǎn)3003合金板帶過(guò)程當(dāng)中，如何優(yōu)化生產(chǎn)工藝，避免晶粒粗大具有極其重要的意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用同一批次3003鋁合金板坯作為實(shí)驗(yàn)材料，鑄軋卷規(guī)格為7.0mm*Lmm，原始晶粒度等級(jí)均為1級(jí)，合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見(jiàn)表1。

表1 鑄軋3003化學(xué)成分(Wt%)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 軟化曲線

為確定新的鑄軋3003中間退火工藝，取樣在實(shí)驗(yàn)室做不同溫度的小樣退火，檢驗(yàn)其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出：3003的再結(jié)晶開(kāi)始溫度為360℃左右，在該溫度退火，力學(xué)性能發(fā)生顯著的變化；完全再結(jié)晶溫度為460℃左右，退火溫度達(dá)到或超過(guò)該溫度時(shí)材料的力學(xué)性能基本穩(wěn)定，擬對(duì)同種產(chǎn)品中退火后總加工率相同的情況下，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行小樣退火的基礎(chǔ)上，制定3種不同退火工藝進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，以便最終確定新的生產(chǎn)退火工藝。

圖1

1.2.2 生產(chǎn)試驗(yàn)

冷軋?jiān)?050六輥不可逆冷軋機(jī)上進(jìn)行，退火在箱式退火爐中進(jìn)行。為了更好的掌握3003中間退火工藝制度，針對(duì)同種產(chǎn)品中退火后總加工率相同的情況下，先后小批量實(shí)驗(yàn)了3種不同退火工藝，其工藝流程如下：

方案1：7.0mm→0.49mm中間退火(480℃/10h+420℃/2h)→冷軋至成品0.32mm

方案2：7.0mm→0.65mm中間退火(480℃/8h+420℃/2h)→冷軋至成品0.42mm

方案3：7.0mm→0.43mm中間退火(550℃/6h+420℃/2h)→冷軋至成品0.28mm

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 退火工藝的影響

3系鋁合金再結(jié)晶組織普遍表現(xiàn)為晶粒粗大而且不均勻，其晶粒度與經(jīng)過(guò)鑄錠均勻化的熱軋卷相比，差距很大。因此試驗(yàn)了三種退火工藝，從三種工藝流程生產(chǎn)的鋁卷上切取試樣，用硝酸+氫氟酸+鹽酸按一定比例組成的混合液中侵蝕10s～15s，用肉眼即可明顯觀察到各試樣的晶粒組織，見(jiàn)圖2；另做力學(xué)性能檢測(cè)見(jiàn)表2。

(a) ×2 (b) ×2 (c) ×2

從圖2可以看出，采用方案1生產(chǎn)的鋁卷樣片在經(jīng)過(guò)混合酸侵蝕后晶粒較為粗大(圖2a)；采用方案2生產(chǎn)的鋁卷樣片晶粒雖然得到了很大程度的細(xì)化，但再結(jié)晶仍不完全 (圖2b )；而采用方案3生產(chǎn)的鋁卷樣片，已發(fā)生完全再結(jié)晶，其晶粒組織已相當(dāng)均勻細(xì)小(圖2c)；因此方案3工藝最優(yōu)，確定為生產(chǎn)中的中間退火工藝。

表2 退火工藝下對(duì)力學(xué)性能和晶粒度的影響

由于鑄軋實(shí)際上是“鑄”和“軋”的結(jié)合，帶坯內(nèi)鑄造、變形、再結(jié)晶三種組織共存，且致密度較差，晶界間較寬，而3003合金中錳元素在鋁中的擴(kuò)散速度比較慢，在快速冷卻(鑄軋生產(chǎn)的冷卻強(qiáng)度可達(dá)300℃/s)條件下來(lái)不及沉淀，以過(guò)飽和狀態(tài)保留在固溶體中，產(chǎn)生晶內(nèi)偏析，導(dǎo)致晶界附近區(qū)域含錳量較晶粒內(nèi)部高。這種存在著明顯晶內(nèi)偏析的板帶材在進(jìn)行中間退火時(shí)，由于錳強(qiáng)烈提高鋁合金的再結(jié)晶溫度，如圖3所示[1]，因此，含錳量高的區(qū)域再結(jié)晶溫度較含錳量低的區(qū)域高，在進(jìn)行中間退火時(shí)，含錳量低的區(qū)域就會(huì)先形核生成再結(jié)晶晶粒，還可能因回復(fù)而降低儲(chǔ)能水平使再結(jié)晶溫度更為提高，繼續(xù)升溫至高錳區(qū)能發(fā)生再結(jié)晶時(shí)，低錳區(qū)晶粒早已長(zhǎng)大，高錳區(qū)可能自身形核，也可能以低錳區(qū)再結(jié)晶晶核為核心而長(zhǎng)大，最后形成粗大的晶粒組織，如方案1。

在方案1的基礎(chǔ)上，縮短退火時(shí)間，試驗(yàn)了方案2，使晶粒組織得到了有效的控制，但相同的成品加工率力學(xué)性能普遍偏高，折彎不能得到很好的保證。為此制定了方案3，采用高溫快速退火，用其代替鑄錠均勻化退火。退火后MnAl6相或(FeMn)Al6相均勻析出，鑄錠均勻化處理是鑄錠在高溫下，錳原子進(jìn)行擴(kuò)散，從而消除錳在晶內(nèi)的偏析。冷軋帶材進(jìn)行高溫中間退火,由于冷變形激活能提高，更利于原子擴(kuò)散，使MnAl6充分均勻析出消除錳在晶內(nèi)的偏析，檢測(cè)表明退火達(dá)到0態(tài)的上限，且表面大晶粒的現(xiàn)象已經(jīng)完全被克服，晶粒度達(dá)到了1級(jí)，力學(xué)性能和折彎也基本上達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)及客戶的要求。

從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，冷軋卷經(jīng)高溫中間退火，可以象鑄錠均勻化處理那樣，起到均勻化的作用，消除錳在晶內(nèi)偏析，使之再結(jié)晶退火時(shí)不發(fā)生粗大晶粒。

2.2 變形量的影響

有研究表明， 鋁合金隨著變形量的變化， 再結(jié)晶處理后的再結(jié)晶織構(gòu)也會(huì)有所不同。 通過(guò)織構(gòu)組分析可以得出，鋁合金板低變形量時(shí)(冷軋30%, 50%)冷軋織構(gòu)基本上沒(méi)有發(fā)生變化。因此軋制板內(nèi)主要發(fā)生了回復(fù)或原位再結(jié)晶。只有冷軋織構(gòu)中的反戈斯織構(gòu)組分(80°～90° , 45°, 0°)消失了。中變形量時(shí)(冷軋70%, 90%)出現(xiàn)了立方織構(gòu)和黃銅R型織構(gòu)，Ifu R織構(gòu)組織分卻不很強(qiáng)。冷軋70%時(shí)并經(jīng)再結(jié)晶退火的鋁板，黃銅R織構(gòu)組分的出現(xiàn)表明不連續(xù)的初次再結(jié)晶在退火后仍然被保留下來(lái)，說(shuō)明鋁板內(nèi)仍有一部分晶粒只發(fā)生了回復(fù)或原位再結(jié)晶。高變形量時(shí)(冷軋95%, 98%) ，R織構(gòu)組分在退火后變成了主要的再結(jié)晶織構(gòu)，同時(shí)立方及黃銅R織構(gòu)均未能出現(xiàn)。變形量不同會(huì)影響到冷軋鋁板內(nèi)晶粒再結(jié)晶的方式，進(jìn)而造成不同的再結(jié)晶織構(gòu)[2]。且隨著變形程度增加，金屬儲(chǔ)能增大，形核率與核心長(zhǎng)大速度的比值不斷增加，再結(jié)晶晶粒不斷變細(xì)[3]。

1.再結(jié)晶開(kāi)始溫度，2.再結(jié)晶終止溫度，3.固溶線

由表2可以看出，本實(shí)驗(yàn)的變形量為94%～96%為高變形量范圍，但對(duì)其力學(xué)性能影響不大。

3 結(jié)論

① 3003鑄軋卷冷軋優(yōu)化中間退火工藝：550℃/6h+420℃/2h，可以有效的避免大晶粒產(chǎn)生；

② 冷軋變形程度94%～96%內(nèi)，變形程度對(duì)力學(xué)性能影響不大；

③ 提高加熱速度，可以有效細(xì)化晶粒，但也可通過(guò)合理控制合金成分，改善鑄軋板組織，增加冷變形程度，高溫短時(shí)退火等途徑來(lái)改善其組織性能。

[1]田榮璋，王祝堂.鋁合金及其加工手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2000，10.

[2]高矩形盒新拉伸工藝.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2000，29(1)：18～19.

[3]鄧至謙，周善初.金屬材料及熱處理[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，1989，7～13.