電磁?超聲能場對1060鋁板帶再結晶組織與織構的影響

石 琛 ，毛大恒 ，黃長清

(1. 中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083；2. 中南大學 機電工程學院，長沙 410083)

鋁合金具有質輕、韌性好、易加工成型和耐腐蝕性能優(yōu)良等優(yōu)點，使其成為最受歡迎的沖壓材料[1?2]。連續(xù)鑄軋具有流程短、成本低、產(chǎn)量高等優(yōu)點，目前已成為鋁帶坯的主要生產(chǎn)方法之一[3?4]，但常規(guī)連續(xù)鑄軋板坯經(jīng)冷軋制得的成品板帶各向異性明顯，深沖性能比鑄錠?熱軋?冷軋板帶差，限制了鑄軋板在沖壓成型中的應用[5?6]，因此，有待改進連續(xù)鑄軋方法以提高鋁合金鑄軋板的深沖成型性能。

EI-BASSYOUNI[7]研究表明，交變電流產(chǎn)生的磁場能明顯細化晶粒，當磁感應強度為0.027～0.037 T時晶粒細化效果最佳；METAN等[8?9]研究了Al-Si合金在電磁攪拌作用下的凝固組織，結果表明，電磁場能夠增加晶粒的形核數(shù)量，抑制晶粒的長大速度，促進均勻細小等軸晶組織的形成；李金濤等[10]認為電磁場的攪拌作用能加速鋁熔體的對流傳熱，使溫度場分布更均勻，抑制合金定向生長；趙嘯林等[11]認為電磁攪拌作用能破碎晶粒、剝落初生枝晶，被打碎的枝晶再次融入到鋁合金熔體中成為新的晶核，從而提高合金的形核率，細化晶粒；ESKIN等[12?13]研究發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)鑄造高純Al過程中施加功率超聲波，有助于提高形核率，打斷和切碎枝晶，最終細化晶粒；MAO等[14]研究發(fā)現(xiàn)，施加超聲波能場后，鋁合金鑄軋帶坯的偏析明顯改善，晶粒大小更均勻，力學性能得到提高。由此表明，在鑄軋過程中施加電磁場、超聲波等能場可細化晶粒，使組織更加均勻，力學性能得到提高。

但對于深沖用鋁合金來說，其最大特點是在冷軋或退火狀態(tài)下要經(jīng)過沖壓成型，因此要求鋁板帶必須具有優(yōu)良的深沖成型性能(良好的塑性加工性能和較低的平面塑性各項異性)，而鋁合金成品板帶的各向異性與帶坯的原始織構以及在冷軋、退火過程中的織構演變密切相關[15?16]。因此，本文作者通過系列實驗對比分析電磁?超聲鑄軋板與常規(guī)鑄軋板經(jīng)冷軋、退火后的再結晶組織和織構，研究電磁?超聲復合能場對鋁合金板帶再結晶組織和織構的形成、演變的影響機理，對于調控鋁板帶的織構組態(tài)和提高鋁合金鑄軋板深沖成型性能有著重要的意義，也將為實現(xiàn)深沖用鋁合金板材的高效節(jié)能制備奠定理論基礎。

1 實驗

1.1 實驗材料

選用1060鋁合金為實驗材料，其化學成分如表1所列。

表1 1060鋁合金的化學組成Table 1 Chemical composition of 1060 aluminum alloy(mass fraction, %)

1.2 實驗過程

鑄軋實驗在d400 mm×500 mm水平式雙輥連續(xù)鑄軋機上進行(見圖1)。鑄軋機輥縫為4.7 mm，鑄軋區(qū)長度為60 mm，鑄軋速度為1.4 m/min，倒爐溫度為715 ℃，前箱溫度為685 ℃，冷卻水溫度為15 ℃，冷卻水流量為80 L/min，勵磁電流為10 A，電磁場中心頻率為(13±1) Hz，超聲波功率為200 W，超聲波頻率為(20±0.2) kHz。制備出寬度為200 mm、厚度為5.0 mm的1060鋁合金鑄軋板坯。

圖1 電磁?超聲鑄軋示意圖Fig. 1 Schematic diagram of electromagnetic-ultrasonic cast-rolling

冷軋實驗在d320 mm×500 mm雙輥冷軋機上進行，冷軋速度為2.5 m/min，將鑄軋板坯冷軋8道次，各道次鑄軋鋁板厚度及冷軋變形量如表2所列。

表2 鑄軋板的冷軋各道次板厚及冷軋變形量Table 2 Thickness and cold rolling reduction of cast-rolling plates

退火實驗在 KSW?4D?C電爐內(nèi)進行，退火溫度為400 ℃，保溫時間為2 h，出爐后空冷。

1.3 測試方法

分別對冷軋退火后的電磁?超聲鑄軋板與常規(guī)鑄軋板(未施加電磁?超聲能場)進行顯微組織與織構分析。

鋁板經(jīng)鑲樣、粗磨、細磨、電解拋光、浸蝕后，通過Leica DMI 5000M金相顯微鏡觀察顯微組織，并在配有能譜儀(EDS)的掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察第二相粒子大小、形貌及分布。

織構測定在Bruker D8 Discover 型X射線衍射儀上進行, 管電壓為40 kV，管電流為40 mA，采用Cu Kα輻射，用Schulz背反射法測量{111}、{200}和{220}3張不完整極圖，測得的極圖經(jīng)修正后，采用級數(shù)展開法計算取向分布函數(shù)(ODF)，結果用恒φ2(?φ2=5°)截面圖表示(Bunge符號系統(tǒng))，采用 Texture Calc軟件[17]計算織構的體積分數(shù)。

2 結果與討論

2.1 鋁鑄軋板坯的金相組織與織構

圖2所示為電磁?超聲鑄軋和常規(guī)鑄軋1060鋁板坯縱截面的金相組織。由圖2可知，電磁?超聲鑄軋板坯的晶粒組織為明顯的等軸晶組織，晶粒細小，組織均勻，晶界結構規(guī)則，平均晶粒度為30～40 μm。而常規(guī)鑄軋板坯的金相組織中含大量的柱狀晶組織，枝晶網(wǎng)胞發(fā)達，晶粒大小不均勻，晶界粗糙不規(guī)則，平均晶粒度為70～80 μm。由此可見，在鑄軋區(qū)凝固前沿施加電磁?超聲能場，電磁場產(chǎn)生的垂直于熔體流動方向的橫向剪切力和超聲波空化效應產(chǎn)生的微射流作用，可使生長中的或已經(jīng)長大的枝晶及柱狀晶斷碎、脫落，彌散分布在亞穩(wěn)態(tài)熔體中，加速非均質形核，顯著提高形核率并抑制柱狀晶的形成，而且還能加強熔體之間及熔體與鑄嘴、側耳、軋輥及空氣間的換熱強度，明顯減小熔體溫度梯度，使凝固前沿較大范圍的熔體溫度分布均勻，晶粒長大速度沿各個方向趨于一致，最終獲得均勻細小的等軸晶組織。

鑄軋板坯的第二相(析出相)分布如圖 3所示。常規(guī)鑄軋板坯的第二相分布不均勻，在部分區(qū)域大量富集，微觀偏析嚴重。而施加了電磁?超聲能場后，鋁板坯的第二相大多彌散分布在基體中，少量沿晶界均勻分布，這些分布均勻的第二相可作為強化相起到“釘扎”晶界的作用，從而提高鋁合金板坯的力學性能。由此可見，電磁?超聲能場的攪拌作用加速了溶質元素在鋁熔體中的擴散，使其在晶內(nèi)和晶界上呈均勻彌散分布。

圖2 鑄軋板坯的金相組織Fig. 2 Metallographs of cast-rolling slab: (a) Electromagneticultrasonic; (b) Traditional

圖3 鑄軋板坯的第二相分布Fig. 3 Second phase distribution of cast-rolling slab:(a) Electromagnetic-ultrasonic; (b) Traditional

圖4所示為電磁?超聲鑄軋板坯和常規(guī)鑄軋板坯的ODF截面圖。對比分析織構組分可知，在電磁?超聲能場的作用下，鑄軋板坯的織構組分漫散，存在較弱 的 Cube{001}〈110〉織 構 、 RC{001}〈110〉織 構 和{110}〈113〉織構組分，織構的取向密度很低，峰值僅為 2.1。常規(guī)鑄軋板坯的織構除含有較強的旋轉立方RC 織構組分外，還有較弱的 Brass{110}〈112〉織構組分和 Copper{112}〈111〉織構組分，具有熱軋織構的特點，取向密度峰值達到3.3，織構取向密度明顯高于電磁?超聲鑄軋板坯的織構取向密度。

由此可見，電磁?超聲能場對柱狀晶或樹枝晶的沖刷和剪切作用，使枝晶斷裂、脫落，隨熔體翻滾，不斷改變自身的位向，有效抑制晶體在凝固過程中的定向生長，最終使得鑄軋板坯的晶粒無明顯擇優(yōu)取向，織構組分漫散。

2.2 不同冷軋變形量下鋁鑄軋板的再結晶組織

電磁?超聲鑄軋板和常規(guī)鑄軋板經(jīng)冷軋后在 400℃進行2 h的退火，金相組織分別如圖5和6所示。

圖4 鑄軋板坯的ODF圖Fig. 4 ODF diagrams of cast-rolling slab: (a) Electromagnetic-ultrasonic; (b) Traditional

圖5 400 ℃、不同冷軋變形量下電磁?超聲鑄軋板的退火金相組織Fig. 5 Metallographs of electromagnetic-ultrasonic cast-rolling plate with different cold rolling reductions after annealing at 400 ℃:(a) 36%; (b) 56%; (c) 70%; (d) 80%

由圖5和6可看出，退火后，不同變形量的鑄軋板均發(fā)生了再結晶，等軸晶粒的數(shù)量、尺寸和形狀隨著變形量的不同而有所差異。當變形量為36%時，電磁?超聲鑄軋板內(nèi)已出現(xiàn)大量再結晶晶粒，但仍存在少量被壓扁的長條狀變形組織(見圖5(a))，而常規(guī)鑄軋板的晶粒組織幾乎全為粗大的長條狀變形組織，只在部分區(qū)域出現(xiàn)少量再結晶晶粒(見圖6(a))；當變形量增加到56%時，電磁?超聲鑄軋板中已看不到變形組織，在整個區(qū)域內(nèi)形成了均勻的等軸再結晶組織，表明再結晶已完成(見圖 5(b))，而此時常規(guī)鑄軋板的變形組織開始逐步消失，也形成了大量等軸晶晶粒，但大小極不均勻，部分晶粒尺寸達70 μm以上(見圖6(b))；當變形量增加到70%時，兩種鑄軋板的等軸再結晶晶粒尺寸均明顯減小，其中電磁?超聲鑄軋板組織更加細小均勻，平均晶粒尺寸僅為 10～15 μm(見圖 5(c)和6(c))；當變形量達到 80%時，電磁?超聲鑄軋板內(nèi)出現(xiàn)晶粒相互并吞的現(xiàn)象，再結晶晶粒逐漸粗化(見圖5(d))，而常規(guī)鑄軋板再結晶晶粒尺寸則相對較小，粗化不明顯(見圖6(d))。

由此可見，隨著冷軋變形量的加大，鑄軋板的位錯密度不斷上升，退火后鑄軋板的再結晶驅動力增加，電磁?超聲鑄軋板比常規(guī)鑄軋板的晶粒更細小，晶粒界面能更多，晶粒再結晶的驅動能量更高，致使相同條件下其再結晶程度更大，而且電磁?超聲鑄軋板細小均勻的晶粒在被壓扁、拉長過程中變形更均勻，位錯分布更均勻，各區(qū)域的大角度晶界遷移速度相近，故再結晶晶粒大小也更均勻。

2.3 不同冷軋變形量下鋁鑄軋板的再結晶織構

不同冷軋變形量的常規(guī)鑄軋板經(jīng)400 ℃退火后的恒φ2ODF截面圖如圖7所示。由圖7可見，常規(guī)鑄軋板退火后，冷軋織構強度減弱，并形成較強的再結晶織構，主要織構組分為再結晶 Cube{001}〈100〉和R{124}〈211〉織構。當變形量為36%時，鑄軋板主要織構為 Cube織構，同時還保留著較多的冷軋織構組分(見圖 7(a))；當冷軋變形量增加到 56%時，鑄軋板主要織構為再結晶Cube織構和R織構，其取向密度分別為7.1和 4.8，此外還保留了一定的冷軋Copper織構和S織構，織構強度分別為3.2和3.5(見圖7(b))；隨著變形量的增加，Cube織構和R織構取向密度逐漸增強，當變形量為70%時，它們的取向密度分別升高到11.3和8，但仍有一定的冷軋Copper織構和S織構組分(見圖 7(c))。當變形量增大到 80%時，織構組分較70%變形量的退火板沒有明顯差別，只是Cube織構、R織構以及冷軋Copper織構和S織構強度均略有加強，它們的取向密度分別為12.5、8.7、5.1和5.6(見圖 7(d))。

圖7 400 ℃、同冷軋變形量下常規(guī)鑄軋板等溫退火后的ODF圖Fig. 7 ODF diagrams of traditional cast-rolling plate with different cold rolling reductions after annealing at 400 ℃: (a) 36%;(b) 56%; (c) 70%; (d) 80%

圖8 所示為常規(guī)鑄軋板在400 ℃退火后各主要織構的體積分數(shù)與冷軋變形量之間的關系?？梢钥闯觯Ｒ?guī)鑄軋板退火后，各織構的體積分數(shù)隨冷軋變形量的增加而變化比較明顯：Brass織構體積分數(shù)連續(xù)降低；Copper和S織構則先下降，到70%變形量后又有所增加；再結晶R織構的體積分數(shù)呈不斷上升趨勢，由6.5%上升到17%；再結晶Cube織構體積分數(shù)先增加后略有降低，在變形量為76%時達到最高，其體積分數(shù)為23.5%。

圖8 常規(guī)鑄軋板退火后主要織構體積分數(shù)隨冷軋變形量的變化Fig. 8 Variation of main texture’s volume fraction of traditional cast-rolling plate after annealing with cold rolling reduction

圖9 400 ℃、不同冷軋變形的電磁?超聲鑄軋板等溫退火后的ODF圖Fig. 9 ODF diagrams of electromagnetic-ultrasonic cast-rolling plate with different cold rolling reductions after annealing at 400 ℃:(a) 36%; (b) 56%; (c) 70%; (d) 80%

圖9所示為不同冷軋變形量的電磁?超聲鑄軋板經(jīng)400 ℃退火后的恒φ2ODF截面圖。由圖9可看出，退火后電磁?超聲鑄軋板均形成了以再結晶織構為主的織構類型，只是不同冷軋變形量下的各織構組分及其強度有所不同：當變形量為36%時，電磁?超聲鑄9(d))。軋板各織構組分強度均較低，最高取向密度僅為3.4，除形成了再結晶Cube織構外，還保留著較弱的Brass、Copper及S冷軋織構組分(見圖9(a))；當變形量增加到56%時，電磁?超聲鑄軋板仍以Cube織構為主，強度有所提高，其取向密度為5.1，冷軋Brass織構變化不大，而Copper和S織構強度有所下降，分別下降到1.5和1.7(見圖9(b))；當變形量為70%時，電磁?超聲鑄軋板再結晶Cube織構強度比36%和56%變形量的Cube織構都高，取向密度升高到6.9，此外還有較強的再結晶R織構出現(xiàn)，其取向密度為3.2(見圖9(c))；當變形量增大到80%時，Cube織構和R織構取向密度稍有增強，但其強度也僅為8.2和4.5，同時織構組分中還保留了較強的Brass織構及較弱的S織構(見圖

圖10所示為電磁?超聲鑄軋板各織構組分的體積分數(shù)隨冷軋變形量的變化?？梢钥闯?，電磁?超聲鑄軋板經(jīng)退火后其織構組分的體積分數(shù)明顯低于常規(guī)鑄軋板的，隨著變形量增加，Brass、S和 Copper這 3種冷軋織構均呈現(xiàn)先下降后升高的變化趨勢，但體積分數(shù)始終維持在較低水平；再結晶 Cube織構體積分數(shù)隨變形量的增加而增加，再結晶R織構體積分數(shù)增加的趨勢較平緩。

綜上分析可知，不同冷軋變形量下的電磁?超聲鑄軋板和常規(guī)鑄軋板在 400 ℃等溫退火后，再結晶Cube和R織構成為主要的織構組分，同時還保留了少量的軋制織構。然而在相同條件下，電磁?超聲鑄軋板的Cube織構和R織構取向密度明顯低于常規(guī)鑄軋板的，并且常規(guī)鑄軋板的殘留冷軋織構以Copper織構為主，Copper織構在退火再結晶時易于轉變?yōu)?Cube織構，而電磁?超聲鑄軋板中殘留冷軋織構以Brass織構為主，這是由于鑄軋板坯成形過程中電磁?超聲復合能場的攪拌作用改變了晶體的取向，朝 Brass取向方向的改變在多道次冷軋過程中被強化[18]并遺傳下來，Brass織構的存在阻礙了Cube和R取向晶粒的形核和長大。由此可見，電磁?超聲能場可使鑄軋板冷軋?退火后的再結晶織構強度降低，從而抑制晶粒的擇優(yōu)取向，有利于鋁板帶的深沖成型。

圖10 電磁?超聲鑄軋板退火后主要織構體積分數(shù)隨冷軋變形量的變化Fig. 10 Variation of main texture’s volume fraction of electromagnetic-ultrasonic cast-rolling plate after annealing with cold rolling reduction

3 結論

1) 電磁?超聲能場可使鋁合金鑄軋板坯的平均晶粒尺寸減小50%，使第二相均勻彌散分布在晶內(nèi)和晶界上，并能降低織構取向密度，減弱晶粒擇優(yōu)取向，獲得漫散的織構組分。

2) 電磁?超聲能場能加大鋁合金鑄軋板冷軋?退火過程中再結晶程度，并獲得更加細小、均勻的再結晶組織。

3) 電磁?超聲能場可使鋁合金鑄軋板冷軋?退火后的再結晶織構強度降低，抑制晶粒的擇優(yōu)取向，提高鋁合金鑄軋板的深沖成型性能。

[1]潘復生, 張丁非. 鋁合金及應用[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社,2007: 70?79.PAN Fu-sheng, ZHANG Ding-fei. Aluminum alloy and application[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2007: 70?79.

[2]肖亞慶. 鋁加工技術實用手冊[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社,2005: 13?27.XIAO Ya-qing. User manual of aluminum processing technology[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2005:13?27.

[3]程 杰. 鋁及鋁合金連續(xù)鑄軋帶坯生產(chǎn)[M]. 長沙: 中南大學出版社, 2010: 5?6.CHENG Jie. Aluminum and aluminum alloy continuous cast-rolling strip production[M]. Changsha: Central South University Press, 2010: 5?6.

[4]CHEN Shou-dong, CHEN Jing-chao. Simulation of microstructures in solidification of aluminum twin-roll casting[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22(6):1452?1456.

[5]LI Z J, WINTHER G, HANSEN N. Anisotropy of plastic deformation in rolled aluminum[J]. Materials Science and Engineering A, 2004, 387/389(1/2): 199?202.

[6]屈 平, 向 群. 我國鋁板帶市場發(fā)展綜述[J]. 鋁加工, 2006,31(1): 18?20.QU Ping, XIANG Qun. Development of aluminum plate and strip market in China[J]. Aluminium Fabrication, 2006, 31(1):18?20.

[7]EI-BASSYOUNI T A. Effect of electromagnetic forces on aluminum cast structure[J]. Light Metals, 1983, 33(12):733?742.

[8]METAN V, EIGENFELD K, RABIGER D. Grain size control in Al-Si alloys by grain refinement and electromagnetic stirring[J].Journal of Alloys and Compounds, 2009, 487(1/2): 163?172.

[9]METAN V, EIGENFELD K. Controlling mechanical and physical properties of Al-Si alloys by controlling grain size through grain refinement and electromagnetic stirring[J]. The European Physical Journal Special Topics, 2013, 220(1):139?150.

[10]李金濤, 許光明, 崔建忠, 雷 鵬. 電磁場對 5082鋁合金鑄軋板材組織的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2012, 41(2):558?560.LI Jin-tao, XU Guang-ming, CUI Jian-zhong, LEI Peng. Effect of electromagnetic field on microstructure of 5082 aluminum alloy sheet by roll-casting[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2012, 41(2): 558?560.

[11]趙嘯林, 毛大恒, 陳欠根. 將電磁場引入連續(xù)鑄軋的新技術探討[J]. 中國有色金屬學報, 1995, 5(4): 145?149.ZHAO Xiao-lin, MAO Da-heng, CHEN Qian-gen. A new technique of introducing electromagnetic field to continuous cast rolling[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1995, 5(4):145?149.

[12]ESKIN G I. Broad prospects for commercial application of the ultrasonic (cavitation) melt treatment of light alloys[J].Ultrasonics Sonochemistry, 2001, 8(3): 319?325.

[13]ESKIN G I, ESKIN D G. Production of natural and synthesized aluminum-based composite materials with the aid of ultrasonic(cavitation) treatment of the melt[J]. Ultrasonics Sonochemistry,2003, 10(4/5): 297?301.

[14]MAO Da-heng, ZHANG Yun-fang, NIE Zhao-hui, LIU Qiao-hong, ZHONG Jue. Effects of ultrasonic treatment on structure of roll casting aluminum strip[J]. Journal of Central South University of Technology, 2007, 14(3): 363?369.

[15]潘秋紅, 黃 瑤, 溫曉靜, 王雷剛, 劉 囝. 深沖用工業(yè)純鋁板材的各向異性研究[J]. 礦冶工程, 2008, 28(2): 87?90.PAN Qiu-hong, HUANG Yao, WEN Xiao-jing, WANG Lei-gang,LIU Jian. Anisotropy of deep drawing commercial pure aluminum sheet[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2008,28(2):87?90.

[16]MISZCZYK M, PAUL H, DRIVER J H. Microstructure and texture evolution during annealing of plane strain compressed Al and Al-1%Mn alloy single crystals[J]. Archives of Metallurgy and Materials, 2011, 56(4): 933?938.

[17]TANG Jian-guo, ZHANG Xin-ming, DENG Yun-lai, DU Yu-xuan, CHEN Zhi-yong. Texture decomposition with particle swarm optimization method[J]. Computational Material Science,2006, 38(2): 395?399.

[18]毛大恒, 趙蘇琨, 李建平, 扶宗禮, 石 琛. 冷軋變形量對電磁?超聲鑄軋鋁板織構和性能的影響[J]. 材料工程, 2013,58(6): 12?17.MAO Da-heng, ZHAO Su-kun, LI Jian-pin, FU Zong-li, SHI Chen. Effect of cold rolling reduction on text and properties of cast-rolled aluminum strip under electromagnetic and ultrasonic field[J]. Journal of Materials Engineering, 2013, 58(6): 12?17.