電磁?超聲能場對3003鋁合金鑄軋組織和性能的影響

樂 鵬，毛大恒，李建平，趙蘇琨，扶宗禮

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083)

連續(xù)鑄軋制備的 3003鋁合金具有能耗低、流程短、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，然而其發(fā)展卻受到多方面的制約：常規(guī)鑄軋生產(chǎn)的鋁帶坯枝晶網(wǎng)胞較發(fā)達(dá)，組織不均勻，晶粒較粗大，并且易產(chǎn)生中間偏析，導(dǎo)致鋁帶坯的力學(xué)性能下降，與通過傳統(tǒng)鑄錠熱軋工藝制備的3003鋁合金相比存在一定的差距，工業(yè)上一般采用添加變質(zhì)劑的方法獲得細(xì)晶組織，但存在成分偏析等問題[1]；連續(xù)鑄軋速度低，單機(jī)生產(chǎn)量小，無法滿足國內(nèi)與國際市場的需求。

為了提高鑄軋速度，丁培道等[2]和YUN等[3]利用減薄鑄軋帶坯尺寸的方法來提高鑄軋速度，但該方法對鑄軋板的質(zhì)量影響較大；HAGA等[4]采用立式雙輥連鑄技術(shù)有效地提高了鑄軋速度，并拓寬了合金品種范圍，但由于工藝條件十分嚴(yán)格，過程控制困難，該技術(shù)也不易推廣。為了進(jìn)一步節(jié)能降耗，同時(shí)提高鑄軋帶坯質(zhì)量，VIVES[5]將電磁場引入連鑄生產(chǎn)中，研究了電磁場對鑄坯微觀組織的影響，但缺乏對電磁場鑄坯后續(xù)加工的研究；趙嘯林等[6]和毛大恒等[7]研究了電磁場對金屬凝固的作用機(jī)理，并研發(fā)了鋁及鋁合金電磁連續(xù)鑄軋新技術(shù)；RAMIREZ等[8]研究了高密度超聲波處理對鎂合金晶粒細(xì)化作用和機(jī)理，認(rèn)為超聲波能打碎柱狀晶，細(xì)化晶粒，使組織更加均勻；李建平等[9]將電磁場與超聲能場結(jié)合并應(yīng)用于鑄軋，研究了復(fù)合能場對鎂合金帶坯組織和性能的影響。目前，有關(guān)電磁?超聲復(fù)合能場對3003鋁合金鑄軋板組織和性能影響方面的研究未見報(bào)道。本文作者通過將電磁?超聲復(fù)合能場引入鋁合金帶坯雙輥鑄軋的鑄軋區(qū)，實(shí)現(xiàn)了多能場鑄軋，驗(yàn)證了該方法的可行性，探討了電磁?超聲復(fù)合能場改善鋁合金帶坯以及其成品板材組織和性能的作用機(jī)理；此外，采用非對稱下沉式新型鑄軋工藝，研究了其作用機(jī)理和實(shí)施效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

1) 水平式雙輥鑄軋機(jī)組：d400 mm×500 mm、速度0～15 m/min、可鑄軋厚度2～10 mm。

2) 熔化爐：電阻加熱爐、容量300 kg。

3) 鑄嘴：寬200 mm、型腔高13 mm、鑄嘴材質(zhì)為Al2O3+硅酸鋁纖維+石棉燒結(jié)制品。

4) 超聲波發(fā)生器：頻率(20±0.5) kHz、功率2000 W、可調(diào)。

5) 電磁感應(yīng)系統(tǒng)：變頻電源、頻率可變范圍為0～50 Hz，電流可變范圍為0～12 A，感應(yīng)線圈(三相，每相580匝)。

6) 精煉除氣裝置：瓶裝高純氬氣以及保護(hù)裝置、覆蓋劑、精煉劑。

7) 輔助設(shè)備：冷水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剪切機(jī)、卷取機(jī)等。

在上述設(shè)備上分別實(shí)施普通對稱鑄軋、非對稱下沉式鑄軋和非對稱下沉式電磁?超聲鑄軋。制備 3種寬度為200 mm、厚度為6.0 mm的3003鋁合金帶坯，標(biāo)記為1號、2號和3號樣品。3003合金的化學(xué)組成如表1所列。

表1 3003鋁合金的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of 3003 aluminum alloy(mass fraction/%)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按表1所示成分配制3003鋁合金，在電阻加熱爐中進(jìn)行融化，加入打渣劑熔煉，并加熱至720～725 ℃進(jìn)行保溫。同時(shí)，將鑄嘴和過橋分別放置于150 ℃左右和400 ℃左右的爐子內(nèi)烘烤保溫，除去水分。實(shí)驗(yàn)開始前加入精煉劑，通入氬氣精煉并進(jìn)行扒渣，升溫至730 ℃靜置30 min。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，將鑄軋機(jī)輥縫調(diào)為6.0 mm，非對稱鑄軋的鑄軋區(qū)長度為60 mm，對稱鑄軋的鑄軋區(qū)長度為45 mm，熔體經(jīng)流槽進(jìn)入前箱，前箱溫度保持在680～690 ℃之間，在合適的液面高度下保持穩(wěn)定。經(jīng)過多次降速，鋁熔體持續(xù)與通有冷卻水的棍套接觸，制備了厚度為6.0 mm、寬度為200 mm的3003合金帶坯。進(jìn)行復(fù)合能場鑄軋時(shí)超聲波發(fā)生器安裝在鑄軋機(jī)的凝固前沿，功率為200 W；電磁場使用頻率f=(13±1) Hz，電流I=10 A。鑄軋過程示意圖如圖1所示，具體工藝參數(shù)見表2。

分別取本次實(shí)驗(yàn)的3種鑄軋鋁板截取試樣，經(jīng)鑲樣、粗磨、細(xì)磨、電解拋光和浸蝕后，在Leica DMI 5000M金相顯微鏡下進(jìn)行觀察。

取上述實(shí)驗(yàn)得到的初軋帶坯試樣1和2按照制罐料流程[10?11]加工為成品薄帶試樣 4～7，工藝路線如圖2所示。分別取非對稱普通鑄軋、非對稱電磁?超聲和普通對稱式3種粗軋板(試樣編號為1～3)和4種成品薄帶(試樣編號為4～7)在WPL?300動靜萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上沿鑄軋方向(Roll-casting direction，RD)、45°方向、90°方向(Transverse direction，TD)進(jìn)行拉伸測試。拉伸速率分別為2和1 mm/min，記錄3種鑄軋狀態(tài)和4種成品狀態(tài)下的鋁帶坯的σb、σ0.2和δ，每個(gè)測定值取3個(gè)試樣拉伸結(jié)果的平均值。

圖1 鑄軋過程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of roll-casting process: 1—Melting furnace; 2—Aluminum liquid; 3—Argon pipe; 4—Sealed cap;5—Groove; 6—Former case; 7—Bridge; 8—Feeding mouth;9—Ultrasonic generator; 10—Roller; 11—Aluminum strip

最后，在JSM?6490LV掃描電鏡下觀察各狀態(tài)下鋁帶坯的 SEM 像和析出相情況，并在能譜儀上對其指定區(qū)域進(jìn)行DES成分分析。度從45 mm增大到65 mm，下表面熔體和輥面的接觸時(shí)間比上表面與輥面的接觸時(shí)間長，則上、下表面熔體冷卻強(qiáng)度不同，結(jié)晶條件也發(fā)生變化，其結(jié)果是使偏析層上移。當(dāng)這種變化接近于極限狀態(tài)時(shí)，偏析層

表2 鑄軋實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Parameter of roll-casting experiment

圖2 0.25 mm厚薄帶樣品的制備流程圖Fig. 2 Flowchart of manufacturing of aluminum strip samples with thickness of 0.25 mm

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀組織觀察

圖3和4所示分別為對稱鑄軋和非對稱鑄軋帶坯低倍金相組織。宏觀組織觀察表明：普通對稱鑄軋帶坯中間偏析較嚴(yán)重，圖 3(b)中間分層明顯，圖3(c)中縱斷面上、下兩側(cè)均呈明顯的柱狀晶并與中心界面成一定角度，以“人”字形有規(guī)則地排布；而非對稱下沉式鑄軋能夠使鋁帶坯中間偏析層消失，如圖4所示，并且組織更加致密。

其次，由表2的實(shí)驗(yàn)參數(shù)可知：非對稱下沉式鑄軋速度達(dá)到1.2 m/min以上，遠(yuǎn)大于常規(guī)對稱式鑄軋的速度0.9 m/min，有效地提高了生產(chǎn)效率。圖5所示為非對稱鑄軋機(jī)理圖。由圖5可知，當(dāng)鑄嘴中心面下沉至與軋輥中心面相距h的位置時(shí)，相應(yīng)的鑄軋區(qū)長消失，使帶坯組織更加均勻；由于非對稱下沉式鑄軋的鋁熔體接觸面積比普通對稱式的大，散熱快，因此，提高了鑄軋速度。

圖3 對稱鑄軋鋁板的宏觀金相組織Fig. 3 Macro-metallographs of symmetric roll-casting aluminum alloy plates: (a) Surface of sample 3;(b) Cross-section of sample 3; (c) Longitudinal-section of sample 3

圖4 非對稱鑄軋鋁板的宏觀金相組織Fig. 4 Macro-metallographs of asymmetric roll-casting aluminum alloy plates: (a) Surface of sample 1; (b)Cross-section of sample 1; (c) Longitudinal-section of sample 1

圖5 非對稱鑄軋機(jī)理圖Fig. 5 Schematic diagram showing mechanism of asymmetric roll-casting

2.2 金相組織觀察

由于鑄軋是鑄造與軋制在同一時(shí)間內(nèi)完成，所以組織中含有“鑄”與“軋”兩個(gè)過程，帶坯內(nèi)有鑄造、變形和再結(jié)晶3種組織，且致密度較低，晶界較寬。圖6所示為普通對稱鑄軋鋁板的微觀金相組織；圖7所示為施加復(fù)合能場鑄軋帶坯的金相組織；圖8所示為未添加變質(zhì)劑的非對稱鑄軋帶坯的金相組織。由圖 8可見，非對稱普通鑄軋板帶的晶粒較粗大，枝晶網(wǎng)胞發(fā)達(dá)，二次枝晶間距為15～20 μm，晶粒平均尺寸(直徑)為40～50 μm，部分晶粒直徑達(dá)到200 μm。通過將圖6與圖8對比可知，采取非對稱工藝對鋁帶坯組織影響不大。將圖 7與圖 8對比可知，各截面經(jīng)過電磁?超聲波處理后的鑄軋鋁帶坯大部分枝晶網(wǎng)胞被擊碎，轉(zhuǎn)化為更加細(xì)小的等軸晶粒，且分布較為均勻，晶粒平均尺寸(直徑)在20～30 μm之間。

圖6 普通對稱鑄軋鋁板的微觀金相組織Fig. 6 Micro-metallographs of symmetric roll-casting aluminum alloy plates: (a) Surface of sample 1; (b) Crosssection of sample 1; (c) Longitudinal-section of sample 1

超聲波在熔體內(nèi)傳播的過程中，形成聲流效應(yīng)，發(fā)生超聲空化作用[12]。此外，電磁場也起到強(qiáng)烈的攪拌作用，剪切枝晶并改善枝晶偏析。本研究中，在鑄軋關(guān)鍵部位同時(shí)添加電磁和超聲兩種能場，使攪拌作用得到加強(qiáng)，組織中發(fā)達(dá)的枝晶組織被打碎，部分枝晶剝落成為新的晶核，從而提高了形核率；此外，復(fù)合能場使鋁熔體凝固溫度升高且凝固時(shí)間縮短，凝固方式由逐層凝固變?yōu)轶w積凝固，抑制了柱狀晶的生成。在復(fù)合能場的作用下，熔體被均勻攪拌，晶粒更細(xì)小均勻。

圖7 非對稱下沉式電磁?超聲鑄軋鋁板的微觀金相組織Fig. 7 Micro-metallographs of asymmetric and sunken roll-casting aluminum alloy plates under electromagneticultrasonic compound energy field: (a) Surface of sample 2;(b) Cross-section of sample 2; (c) Longitudinal-section of sample 2

圖8 非對稱下沉式鑄軋鋁板的微觀金相組織Fig. 8 Micro-metallographs of symmetric roll-casting aluminum alloy plates: (a) Surface of sample 3; (b) Crosssection of sample 3; (c) Longitudinal-section of sample 3

2.3 力學(xué)性能

表3所列為3種鑄軋鋁合金帶坯的力學(xué)性能。從表3中可以看出，非對稱普通鑄軋帶坯試樣1的σb、σ0.2和δ的平均值分別為114.168 MPa、56.41 MPa和27.23%，施加電磁?超聲能場后，試樣2的3項(xiàng)力學(xué)性能分別提高到了130.551 MPa、68.785 MPa和34.72%，增幅分別為14.3%、21.94%和27.5%，其中3個(gè)不同方向上的伸長率的最大差值從試樣1的3.5%減小到試樣2的 1.96%，說明施加復(fù)合能場后帶坯的各向異性有所減??；而對比試樣3和試樣1的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，它們并無顯著差別。由此可見，非對稱鑄軋相比對稱式鑄軋并不能顯著改善力學(xué)性能，而施加復(fù)合能場可顯著地提高原始鑄軋鋁合金帶坯的力學(xué)性能。

表3 鑄軋合金板的拉伸性能Table 3 Tensile properties of roll-casting aluminum alloy plates

表4所列為4種成品薄帶沿軋制方向的力學(xué)性能。表4表明：對于只經(jīng)過冷軋的成品薄帶，施加復(fù)合能場的試樣7的σb、σ0.2和δ比未施加復(fù)合能場的試樣6的分別提高了 13.09%、10.67%和11.54%；而在均勻化處理和中間退火狀態(tài)下，施加復(fù)合能場的試樣5的σb和σ0.2較未施加復(fù)合能場的試樣 4的也分別提高了32.93%和38.91%，但伸長率的變化不大。無論對于直接冷軋組(試樣 6和 7)或是經(jīng)過均勻化和中間退火組(試樣4和5)，施加復(fù)合能場后，試樣都表現(xiàn)出更加優(yōu)良的力學(xué)性能。

表4 鑄軋鋁合金成品薄帶沿軋制方向的拉伸性能Table 4 Tensile properties of roll-casting aluminum alloy strips along RD

2.4 掃描電鏡分析

通過對比普通鑄軋帶坯試樣 1和電磁?超聲鑄軋帶坯試樣2的SEM像(見圖9)可以發(fā)現(xiàn)：兩種帶坯的析出相沿晶界析出，普通鑄軋板材析出相主要聚集在晶界上，呈網(wǎng)絡(luò)狀分布，第二相較粗大；而施加復(fù)合能場后的析出相較少，且更加彌散，第二相較為細(xì)小。這是由于經(jīng)復(fù)合能場處理后合金元素在基體相中的固溶度增加。對析出相進(jìn)行EDS分析(見圖9(d))可知，兩種鑄軋帶坯中粗大的塊狀析出相主要為(Fe,Mn)Al6。

圖9 3003鋁合金鑄軋板試樣表面析出相的SEM像及EDS分析Fig. 9 Precipitate morphologies and EDS pattern of 3003 aluminum roll-casting plates: (a) SEM image of plates, sample 1; (b)SEM image of plates, sample 2; (c), (d) Primary precipitates and its EDS pattern

圖10 成品鋁薄帶試樣表面析出相的SEM像及其EDS譜Fig. 10 Precipitate morphologies and EDS patterns of 3003 aluminum strips: (a) SEM image of cold rolled strips, sample 6; (b)SEM image of cold rolled strips under compound energy field, sample 7; (c) SEM image of cold rolled strips, sample 4; (d) SEM image of cold rolled strips under compound energy field, sample 5; (e), (f) Short rod-like precipitates and its EDS; (g), (h) Bulk precipitates and its EDS

圖10 所示為兩種鑄軋帶坯成品薄帶試樣4～7的SEM像。對比圖10(a)、(b)與(c)、(d)可知，經(jīng)熱處理后的析出相不再沿軋制方向排列，這是由于高溫均勻化過程中的析出相經(jīng)過長大，對位錯(cuò)和亞晶界的釘扎力減小, 晶界發(fā)生移動[13?14]。對 4種成品薄帶進(jìn)行EDS分析, 根據(jù)所得析出相各元素含量可知：圖10(e)所示圓短棒狀析出相是Al(Fe, Mn) Si相；圖10(g)所示的塊狀相含有Al、Mn、Si和Fe 4種元素，該相為(Fe, Mn)Al6相。進(jìn)一步對比施加電磁?超聲的成品薄帶試樣5、7和未施加電磁?超聲的成品薄帶試樣4、6的 SEM 像發(fā)現(xiàn)：普通成品薄帶中析出相大小不均勻且塊狀大顆粒較多，而電磁?超聲帶坯制備的成品薄帶析出相細(xì)小且分布較為均勻，這是由于電磁?超聲的攪拌作用使得析出相充分彌散；其次，經(jīng)復(fù)合能場處理后大量析出相粒子作為強(qiáng)化相彌散到基體中，使得普通成品薄帶的析出相數(shù)量明顯較多；最后，雖然兩種成品薄帶析出相種類相似，但是在組成比例上略有不同，施加電磁?超聲處理的試樣，析出相基本轉(zhuǎn)化為Al(Fe, Mn)Si相，在數(shù)目上明顯多于(Fe, Mn)Al6相，這是由于復(fù)合能場促進(jìn)(Fe, Mn)Al6相向 Al(Fe,Mn)Si相轉(zhuǎn)變。Al(Fe, Mn)Si相對于(Fe, Mn)Al6相具有更高的強(qiáng)度，可以更好地防止深沖時(shí)擦傷的發(fā)生，從而有利于改善材料的加工性能[15]。

3 結(jié)論

1) 所采用的非對稱下沉式鑄軋的鑄軋速度可達(dá)1.2 m/min，與普通對稱方式鑄軋相比，鑄軋速度可提高33.3%，并且鑄軋帶坯的中間偏析得到有效消除。

2) 普通鑄軋帶坯原始晶粒粗大且不均勻，而復(fù)合能場鑄軋帶坯原始晶粒為均勻細(xì)小的等軸晶；隨著冷軋變形量的增加，兩種鑄軋板晶粒逐漸被壓扁和拉長，最終獲得明顯的鏈狀排列的纖維組織，其中復(fù)合能場鑄軋板的組織更加細(xì)小。

3) 引入電磁?超聲復(fù)合能場后 3003鋁合金鑄軋帶坯的組織和性能均得到明顯改善，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率比普通鋁帶坯的分別提高了 14.3%、21.94%和27.5%，其后續(xù)加工的成品薄帶相應(yīng)的力學(xué)性能比普通成品薄帶也分別提高了32.93%、38.91%和6.25%。

4) 4種成品薄帶的析出相主要為塊狀(Fe, Mn)Al6相和圓短棒狀A(yù)l( Fe, Mn) Si相，經(jīng)電磁?超聲處理后薄帶的析出相相對彌散均勻，數(shù)量較少，并且其圓短棒狀析出相較普通薄帶量大。

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