重熔鋁和電解鋁生產(chǎn)的1235鋁合金鑄軋板組織和性能

孫劍鋒，李 波，王西科

(1.中鋁河南分公司，河南鄭州450041；2.中鋁鄭州研究院，河南鄭州450041；3. 商丘陽(yáng)光鋁材有限公司，河南商丘476000)

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重熔鋁和電解鋁生產(chǎn)的1235鋁合金鑄軋板組織和性能

孫劍鋒1，李 波2，王西科3

(1.中鋁河南分公司，河南鄭州450041；2.中鋁鄭州研究院，河南鄭州450041；3. 商丘陽(yáng)光鋁材有限公司，河南商丘476000)

實(shí)驗(yàn)以電解鋁液直接鑄軋和由鋁錠重熔鑄軋生產(chǎn)的1235鋁合金鑄軋坯料為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了兩種鑄軋坯料的硬度、力學(xué)性能、金相組織、第二相等。結(jié)果顯示，電解鋁液直接鑄軋生產(chǎn)的坯料硬度、抗拉強(qiáng)度高，晶粒組織更細(xì)小、第二相顆粒更多、分布更彌散。

鋁合金；鑄軋；第二相；顯微組織

用于加工鋁合金雙零箔的坯料有兩種，一種是鑄軋法生產(chǎn)的坯料，即鑄軋法直接生產(chǎn)出7mm左右的鑄軋卷，經(jīng)冷軋退火后得到鋁箔坯料；另一種是半連續(xù)鑄造成錠，銑面后熱軋開(kāi)坯，再冷軋成坯料，即熱軋法。兩種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)鋁箔坯料目前均有使用，各有優(yōu)缺點(diǎn)。熱軋法組織均勻，缺陷少，有利于軋制；鑄軋法生產(chǎn)的坯料，生產(chǎn)流程短，化合物尺寸小，更適宜軋制更薄的板材或箔材[1]。鑄軋法是鋁液通過(guò)一套裝置引導(dǎo)至兩個(gè)軋輥之間形成的“輥縫”中，通過(guò)兩個(gè)軋輥的強(qiáng)冷卻、結(jié)晶和變形后，得到厚度為6～8mm的鑄軋卷坯。鑄軋過(guò)程中，鋁液在兩個(gè)軋輥之間受到軋輥的急劇冷卻而結(jié)晶，凝固后的坯料同時(shí)受到兩個(gè)軋輥一定程度的軋制變形，所得到的鑄軋板的內(nèi)部組織屬于半鑄態(tài)結(jié)構(gòu)，晶體的方向性較強(qiáng)，國(guó)內(nèi)目前鋁箔坯料大多采用鑄軋坯料[2-4]。

鑄軋坯料的生產(chǎn)有用重熔鋁錠生產(chǎn)的，也有用電解鋁液直接鑄軋生產(chǎn)的[5-7]。到目前為止，很少有系統(tǒng)地研究采用兩種不同原料、相同工藝生產(chǎn)出的鑄軋坯料在組織、性能上有何異同，對(duì)后續(xù)的軋制板、箔有什么不同的影響。

本實(shí)驗(yàn)分別采用重熔鋁錠和電解鋁液鑄軋成板，分析了兩種原料生產(chǎn)的板材在力學(xué)性能、微觀組織方面的異同。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)以1235鋁合金為研究對(duì)象，對(duì)比研究了兩種原料生產(chǎn)的鑄軋坯料的微觀組織、力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1，添加劑的成分見(jiàn)表2。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在正常生產(chǎn)線上進(jìn)行，熔煉在25t鋁熔煉爐中進(jìn)行，采用氣體加熱。爐料中鋁錠+回爐料控制在總爐料量的20%～30%。電解鋁液用鋁抬包轉(zhuǎn)運(yùn)至鑄造廠內(nèi)，利用電解鋁液的溫度預(yù)熱熔化鋁錠和回爐料；重熔鋁錠則是直接加入熔化爐?；綌嚢韬箪o置扒渣，利用氮?dú)鈬姺劬珶?，化學(xué)成分合格后進(jìn)行鑄軋，鑄軋板厚度7.0mm。

采用硬度計(jì)、拉力試驗(yàn)機(jī)、金相顯微鏡、掃描電鏡分析鑄軋板的硬度、力學(xué)性能、微觀組織、第二相分布等。

硬度試樣用1000#金相砂紙打磨光滑平整，然后用HV3-1000維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，載荷為0.98N(0.1kg)，加載時(shí)間為5s。

力學(xué)性能分析樣品按國(guó)標(biāo)GB/T228-2002要求進(jìn)行加工，拉伸速度為5mm/min。每個(gè)條件下的實(shí)驗(yàn)取三個(gè)平行樣，測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值作為最終測(cè)試結(jié)果。

金相試樣制備，采用電解拋光+陽(yáng)極覆膜的方式進(jìn)行制樣；溶液為高氯酸︰乙醇=1︰9，覆膜后的樣品用去離子水沖洗、吹干后用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察。電解拋光后的樣品不用覆膜直接在掃描電鏡上進(jìn)行第二相觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硬度分析

硬度是考慮材料性能的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)，在本實(shí)驗(yàn)中顯微硬度主要用來(lái)檢測(cè)材料的表面是否存在固溶和第二相局部強(qiáng)化的效果。實(shí)驗(yàn)鑄軋板中選取了縱向 (TD截面)、軋面 (ND截面)和軋向橫截面(RD截面)三個(gè)方向檢測(cè)維氏硬度，檢測(cè)方向如圖1所示。

圖1 顯微硬度值檢測(cè)位置

表3給出了兩種鑄軋板顯微TD、ND、RD三個(gè)面上相應(yīng)位置的顯微硬度值。

從表3中可以看出，電解鋁液直接鑄軋的板材，在縱截面上的硬度比其他兩個(gè)方向上的稍高，且三個(gè)方向上的硬度值均高于重熔用鋁錠鑄軋生產(chǎn)的板材。

2.2 抗拉強(qiáng)度和延伸率分析

實(shí)驗(yàn)分析了鑄軋板縱橫兩個(gè)方向的力學(xué)性能，結(jié)果如表4所示。

從表4中可以看出，鑄軋板材橫縱兩個(gè)方向的抗拉強(qiáng)度十分接近，而縱向上的延伸率要略高于橫向，這主要是因?yàn)殍T軋后的晶粒沿軋制方向排列，材料產(chǎn)生一定的各向異性，這一點(diǎn)與硬度值相印證。表4中也顯示，電解鋁液直接鑄軋生產(chǎn)的坯料抗拉強(qiáng)度略高于重熔用鋁錠生產(chǎn)的坯料，這和硬度分析的結(jié)果一致。

表3 鑄軋板顯微硬度值(HV)Tab.3 Microhardness value of cast-rolling strip

表4 兩種鑄軋板力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of two cast-rolling strips

2.3 鑄軋板縱向組織

圖2為兩種鑄軋板縱向組織金相照片，其中圖2(a～c)為電解鋁液鑄軋板；圖2(d～f)為重熔鋁鑄軋板，取樣位置均與圖1中的(a～c)對(duì)應(yīng)，即表面至中心。

由圖2可見(jiàn)，兩種原料生產(chǎn)的鑄軋板組織均為沿軋制方向拉長(zhǎng)的柱狀晶或纖維狀晶，且厚度方向上分布具有明顯的不均勻性。圖中(a)、(b)、(d)、(e)為靠近板材厚度方向的中心部位，晶粒有一定的變形組織特征，但變形程度有限；而在(c)、(f)兩個(gè)靠近板材的軋面部位，晶粒明顯拉長(zhǎng)為流線型，呈典型的變形組織特征。這是由于在鑄軋帶坯的上下表面，熔體首先接觸鑄軋表面，散熱快，冷卻速度快，晶粒成核率高，結(jié)晶快，形成致密細(xì)小的枝晶；在鑄軋坯料的中心部分，隨著結(jié)晶的向前推進(jìn)，熔體傳熱速度下降，過(guò)冷度下降，結(jié)晶速度降低，枝晶有了充分的長(zhǎng)大時(shí)間，所以形成的晶粒相對(duì)粗大，也更容易出現(xiàn)結(jié)晶缺陷。同時(shí)圖中(a)、(d)還顯示，在中心部分，晶粒呈“人”字形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這是由于鑄軋板是上下兩個(gè)面結(jié)晶、放熱，凝固過(guò)程由上下兩表面開(kāi)始，在鑄軋板中心結(jié)束，因此，鑄軋板縱面上下兩層組織沿中心呈近似對(duì)稱，并在中心焊合成為牢固的一體。

(a)(b)(c)電解鋁液；(d)(e)(f)重熔鋁圖2 鑄軋板縱截面金相組織Fig.2 Micrographs showing microstructure of cast-rolling strip in longitudinal section

除以上共同特點(diǎn)外，從圖2中還可以觀察到，電解鋁液鑄軋板和重熔鋁錠鑄軋板有細(xì)微的不同，即電解鋁液鑄軋坯料的晶粒組織，無(wú)論是在中心部位還是近表層位置，晶粒尺寸均較重熔鋁錠鑄軋坯料的細(xì)小，變形后的條帶更窄。

2.4 鑄軋板的第二相分布

圖3 是兩種鑄軋板材縱截面上的第二相分布。

(a)(b)(c)電解鋁液鑄軋板全貌、表層、中心；(d)(e)(f)重熔鋁錠鑄軋板全貌、表層、中心圖3 鑄軋7.0mm板縱截面第二相分布Fig. 3 Distribution of second phases of 7.0mm cast-rolling strip in longitudinal section

圖3(a) 電解鋁液鑄軋板的全貌顯示，在表層區(qū)域的第二相粒子含量明顯少于中心層，而且表層區(qū)域的第二相粒子小于中心區(qū)域。圖3(b)、(c)顯示，表層區(qū)第二相粒子多為顆粒狀，中心區(qū)域的第二相不止有顆粒狀，而且還有大量的絲狀或條狀，且尺寸較近表層的粒子尺寸大。這種第二相在鑄軋厚度方向上的差異，主要是由于表層凝固較快、固溶度相對(duì)更高，析出的第二相粒子少；另一方面，合金相的形成對(duì)于冷卻速率具有選擇性，相對(duì)于表層，中心層析出了更多的第二相，這是鑄軋過(guò)程中產(chǎn)生偏析造成的。雖然1235合金化程度不高，但是合金元素在凝固過(guò)程同樣存在偏析。鑄軋的凝固過(guò)程，由于鑄軋板的上下表面先接觸結(jié)晶而凝固，且凝固速度快，Si、Fe等合金元素在合金中的固溶度大；隨著結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行，固/液界面向中心位置推進(jìn)，Si、Fe等正偏析元素在固/液界面的液相中聚集得越來(lái)越多，此時(shí)凝固溫度升高，過(guò)冷度減小，固溶度下降，合金元素則更多地以化合物的形式在材料中存在，且由于凝固溫度的相對(duì)升高，化合物尺寸也比邊部大。同理，在重熔鋁錠生產(chǎn)的鑄軋板縱截面上的第二相分布圖也滿足這些相關(guān)特征。但是，就圖中((a)、(b)、(c)與(d)、(e)、(f)比較，似乎電解鋁液生產(chǎn)的鑄軋板析出了更多的第二相。

僅通過(guò)金相照片不能夠具體反映晶粒尺寸與數(shù)量上的差異，因此本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用ImageJ軟件對(duì)單位面積內(nèi)兩種板材中的第二相分布數(shù)量和尺寸進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表5所示。

表5 組織中第二相尺寸與數(shù)量統(tǒng)計(jì)(μm)Tab.5 Statistics of size and quantity of second phase particles

由表5可以看出，電解鋁液生產(chǎn)的鑄軋板中,第二相粒子數(shù)量高于重熔鋁鑄軋板，第二相顆粒尺寸更小，分布更彌散，這與圖3的第二相微觀照片相對(duì)應(yīng)；且因?yàn)殡娊怃X液生產(chǎn)的鑄軋板中晶粒小，第二相顆粒多，導(dǎo)致了其力學(xué)性能也比重熔鋁錠生產(chǎn)的板材高。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)對(duì)電解鋁液直接鑄軋和鋁錠重熔后鑄軋生產(chǎn)的7.0mm厚1235鋁合金板材的力學(xué)性能、金相組織、第二相數(shù)量進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，1)電解鋁液直接鑄軋生產(chǎn)的板坯硬度、抗拉強(qiáng)度均高于重熔鋁錠生產(chǎn)的坯料，兩種板坯縱向的硬度、抗拉強(qiáng)度均高于其橫向硬度和抗拉強(qiáng)度均較高；2)兩種坯料縱面沿軋制方向呈纖維組織結(jié)構(gòu)，電解鋁液生產(chǎn)的坯料晶粒較重熔鋁錠生產(chǎn)的坯料晶粒更細(xì)?。?3)電解鋁液生產(chǎn)的鑄軋板的第二相粒子數(shù)量多于重熔鋁錠生產(chǎn)的鑄軋板，且粒子尺寸更小，分布更彌散。

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Effects of Remelting and Electrolytic Processes on Microstructure and Mechanical Properties of 1235 Aluminum Alloy Cast-Rolling Strip

SUN Jianfeng1, LI Bo2, WANG Xike3

(1. Henan Branch of CHALCO, Zhengzhou 450041, China; 2. Zhengzhou Research Institute of CHALCO, Zhengzhou 450041, China; 3. Shangqiu Yangguang Aluminum Co., Ltd., Shangqiu 476000, China)

The paper studied 1235 aluminum alloy casting stocks produced by electrolysis and remelting, respectively; it analyzed hardness, mechanical properties, microstructure and second phases of the two stocks. The result showed that the stock produced directly by electrolytic process had higher hardness and tensile strength, finer grain size, more second phase particles which were more dispersive in the distribution.

Aluminum alloy; cast rolling; second phase; microstructure

2014-12-23

TG146.21

A

1671-6795(2015)05-0009-04