箔材用3003鋁合金的熱處理和性能

侯 哲 徐志遠

(1.沈陽化工大學(xué)，遼寧 沈陽 110142； 2.中國科學(xué)院金屬所，遼寧 沈陽 110016)

3003鋁合金是Al- Mn系合金中應(yīng)用最為廣泛的防銹鋁合金，由于具有強度適中、退火態(tài)塑性及耐蝕性能和焊接性能良好等特性，因而在包裝材料、汽油或潤滑油導(dǎo)管及深拉的小負荷零件等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。目前，飲料和罐頭等產(chǎn)品的需求量越來越大，從而促進了包裝材料的發(fā)展。3003鋁合金箔由于性能優(yōu)良，已成為廣泛應(yīng)用的包裝材料。然而，包裝用鋁合金箔材的制造還存在許多技術(shù)難題，如采用鑄軋坯料生產(chǎn)的鋁合金箔塑性較差，鋁板在冷軋和退火過程中析出了大量第二相，抑制了再結(jié)晶形核，導(dǎo)致再結(jié)晶困難，并易形成粗大的再結(jié)晶晶粒，造成鋁合金箔材性能不穩(wěn)定和產(chǎn)生制耳等表面缺陷[2- 3]。目前，對Al- Mn系合金板的退火工藝及其對再結(jié)晶行為的影響研究表明：退火過程中析出相的形態(tài)和數(shù)量對再結(jié)晶行為和晶粒尺寸均有明顯影響，調(diào)節(jié)退火溫度和時間能改善合金中第二相的析出和顯微組織。但是，仍存在由于第二相的不均勻分布和晶粒粗大而造成鋁合金箔力學(xué)性能不穩(wěn)定以及表面質(zhì)量較差的問題[4- 5]。本文設(shè)計了一種低溫預(yù)回復(fù)退火+高溫再結(jié)晶退火的兩段中間退火工藝，并與傳統(tǒng)的一段退火工藝進行對比，考察了3003鋁合金中間退火過程中的組織轉(zhuǎn)變及其與力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系，有助于具有良好綜合性能的3003鋁合金箔材的開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用。

1 試驗材料與方法

試驗原料為鑄軋3003鋁合金板(厚度6.6 mm)，其化學(xué)成分列于表1。

表1 試驗用3003鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the experimental 3003 aluminum alloy (mass fraction) %

在QS- 202型雙輥軋機上對鋁合金板進行多道次冷軋，冷軋變形量約30%。然后在Carbolite & Gero HRF箱式電阻爐中進行熱裝爐的一段和兩段中間退火。一段中間退火工藝為525 ℃×15 h，兩段中間退火為低溫預(yù)回復(fù)處理+高溫再結(jié)晶退火(525 ℃×15 h)；為了確定最佳預(yù)回復(fù)退火工藝，在進行兩段中間退火處理前對3003鋁合金板進行325～525 ℃保溫15 min～10 h的退火處理，退火后水冷。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 預(yù)回復(fù)退火

圖1為預(yù)回復(fù)退火溫度和時間對3003鋁合金板電導(dǎo)率和錳原子固溶度的影響。退火溫度為325～525 ℃，退火時間為15～600 min。由圖1可見，退火溫度相同，3003鋁合金板的電導(dǎo)率均隨著退火時間的延長而增大，且退火15～300 min的3003鋁合金的電導(dǎo)率隨著退火時間的延長增加的幅度較大。退火時間超過300 min時，電導(dǎo)率的增加幅度較小或趨于穩(wěn)定。退火后3003鋁合金電導(dǎo)率的大小主要與錳元素的固溶度有關(guān)，退火的初始階段電導(dǎo)率上升較快對應(yīng)于含錳相的較快析出，而后隨著合金基體中錳的固溶度的降低，含錳相的析出速度減緩[8]。圖1(b)為退火600 min合金的電導(dǎo)率和錳原子在α- Al基體中的固溶度隨退火溫度的變化，可知，隨著退火溫度的升高，3003鋁合金的電導(dǎo)率先增大后減小，錳原子的固溶度則先減小后增大；450 ℃退火的3003鋁合金的電導(dǎo)率最大、錳原子固溶度最小，表明合金中含錳相析出最多。

圖1 預(yù)回復(fù)退火時間(a)和溫度(b)對3003鋁合金電導(dǎo)率和Mn原子固溶度的影響Fig.1 Effect of duration(a)and temperature (b) of the pre- recovery annealing on conductivity and solid solubility of manganese atoms of the 3003 aluminium alloy

圖2為3003鋁合金在不同溫度退火600 min后的背散射電子像。在較低溫度(350 ℃)退火的3003鋁合金板，基體中可見少量顆粒狀析出相，尺寸約為幾十nm；375 ℃退火的合金，基體中析出相的數(shù)量增多、尺寸增大；400和425 ℃退火的合金，基體中除較多的顆粒狀析出相外，還出現(xiàn)了少量尺寸約為幾百nm的針狀析出相，且其周圍析出相的數(shù)量較少，這與針狀相消耗了周圍的溶質(zhì)原子有關(guān)[9]；450 ℃退火的合金基體中析出相的數(shù)量最多；繼續(xù)升高退火溫度，顆粒狀析出相數(shù)量減少、針狀析出相數(shù)量增多，500 ℃及以上溫度退火的合金基體中的析出相明顯粗化。

圖2 在不同溫度預(yù)回復(fù)退火600 min的3003鋁合金的背散射電子圖像Fig.2 Backscatter electron images of the 3003 aluminum alloy after pre- recovery annealing at different temperatures for 600 min

圖3為在不同溫度預(yù)回復(fù)退火600 min的3003鋁合金的透射電鏡形貌。由于在350～375 ℃退火時，合金中錳原子的擴散速率較小，析出相主要在能量較低的亞晶界等缺陷處形核和析出[10]；隨著退火溫度的升高，錳原子擴散速率增大，亞晶內(nèi)也析出了尺寸約40 nm的相(如圖中箭頭所示)；在475 ℃及以上溫度退火的合金，亞晶界的析出相發(fā)生粗化，晶內(nèi)析出相基本消失。這主要是由于在較高溫度退火時發(fā)生了Ostwald熟化所致[11]。表2列出了圖3中析出相的能譜分析結(jié)果，可見，顆粒狀析出相主要含有鋁、錳、鐵和硅元素，而針狀或塊狀析出相主要含有鋁、錳和鐵元素，且針狀析出相中鐵含量非常少。

在450 ℃退火600 min的3003鋁合金中析出相的選區(qū)電子衍射花樣如圖4所示。結(jié)合圖4和表2的能譜分析結(jié)果可知，3003鋁合金基體中的針狀析出相為Al6Mn，顆粒狀析出相為Al12(Fe,Mn)3Si，分別屬于正交晶系和簡單立方晶系結(jié)構(gòu)。在退火過程中，3003鋁合金中析出相的形態(tài)和數(shù)量不斷變化，而525 ℃退火600 min的合金中的塊狀相可能是Al6Mn相溶入了部分雜質(zhì)鐵而形成的Al6(Fe,Mn)相[12]。

表2 圖3中析出相的能譜分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù))Table 2 Results of energy spectrum analysis of the precipitated phases showed in Fig.3 (atom fraction) %

2.2 一段中間退火和兩段中間退火

上述預(yù)回復(fù)退火結(jié)果表明，450 ℃退火的3003鋁合金具有細小、彌散的顆粒狀析出相，且析出相的密度最大，因此將450 ℃作為兩段中間退火的低溫預(yù)回復(fù)退火溫度，保溫時間300 min。結(jié)果表明:隨著退火時間的延長，一段和兩段中間退火后， 3003鋁合金都是在回復(fù)階段硬度緩慢降低，再結(jié)晶開始后硬度快速降低，至再結(jié)晶完成后趨于穩(wěn)定[13]。關(guān)于開始再結(jié)晶的時間，一段中間退火的3003鋁合金在退火20 min后才開始再結(jié)晶，而兩段中間退火由于進行了預(yù)回復(fù)退火，升溫至525 ℃即發(fā)生再結(jié)晶；此外，一段中間退火的再

圖4 450 ℃退火600 min的3003鋁合金中針狀相(a)和顆粒狀相(b)的選區(qū)電子衍射花樣Fig.4 Selected electron diffraction patterns of the needle- like (a) and granular (b) phases in the 3003 aluminum alloy annealed at 450 ℃ for 600 min

結(jié)晶完成時間明顯比兩段中間退火完成的時間短，前者約3.8 h，后者約6 h。統(tǒng)計分析了冷軋態(tài)、一段和兩段中間退火態(tài)3003鋁合金的電導(dǎo)率和錳固溶度，結(jié)果表明，冷軋態(tài)合金的電導(dǎo)率和錳固溶度分別為16.2 Ms/m和1.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)；一段中間退火和兩段中間退火后回復(fù)態(tài)的電導(dǎo)率分別為23.2和28.9 Ms/m，錳固溶度分別為0.50%和0.24%；再結(jié)晶態(tài)的電導(dǎo)率分別為26.2和26.9 Ms/m，錳固溶度分別為0.33%和0.32%。這說明一段中間退火和兩段退火的合金中含錳相的析出有顯著差異。在回復(fù)階段，一段和兩段中間退火的合金分別約有0.56%和0.82%的錳從基體中析出；一段中間退火再結(jié)晶階段約有0.17%的錳從基體中析出；兩段中間退火再結(jié)晶階段有部分析出相回溶于α- Al基體而導(dǎo)致錳的固溶度升高、電導(dǎo)率略降(圖5(b))，一段和兩段中間退火的3003鋁合金板再結(jié)晶完成后錳的固溶度基本相同。

圖5 一段(a)和兩段(b)中間退火的時間對3003鋁合金電導(dǎo)率和硬度的影響Fig.5 Effect of durations of single- stage (a) and double- stage (b) intermediate annealing on electrical conductivity and hardness of the 3003 aluminum alloy

圖6為3003鋁合金冷軋態(tài)、525 ℃×15 h一段中間退火和450 ℃×5 h+525 ℃×15 h兩段中間退火后的顯微組織。由圖6可見，冷軋態(tài)合金中有沿軋制方向拉長的晶粒和軋制變形條帶，是典型的軋制變形特征；525 ℃×15 h退火后，合金已完全再結(jié)晶，具有沿軋制方向拉長的粗大晶粒；450 ℃×5 h+525 ℃×15 h退火后，合金組織為完全再結(jié)晶的細小、均勻的等軸晶粒，這主要與預(yù)

圖6 3003鋁合金在冷軋態(tài)(a)、一段(b)和兩段(c)中間退火態(tài)的顯微組織Fig.6 Microstructures of the 3003 aluminum alloy in cold- rolled (a), single- stage (b) and double- stage (c) intermediate annealed conditions

回復(fù)退火階段發(fā)生了充分回復(fù)并形成了典型的細小亞晶結(jié)構(gòu)有關(guān)[14]，同時也說明預(yù)回復(fù)退火有助于合金獲得細小的等軸晶。

為揭示一段和兩段中間退火對3003鋁合金各向異性的影響，測定了合金板軋向、與軋向成45°角以及與軋向垂直3個方向的室溫拉伸性能，結(jié)果列于表3。表3數(shù)據(jù)說明，一段和兩段中間退火的3003鋁合金在3個方向的抗拉強度相當(dāng)，但一段中間退火合金在3個方向的規(guī)定塑性延伸強度和斷后伸長率有明顯差異，而兩段中間退火合金在3個方向的規(guī)定塑性延伸強度和斷后伸長率基本相同，且高于一段中間退火的合金，這說明兩段中間退火合金的拉伸性能基本均勻。關(guān)于一段和兩段中間退火的3003鋁合金的塑性應(yīng)變比r值，前者在上述3個方向的r值變化較大(Δr=0.31)，而后者基本相同(Δr=0.03)，可見兩段中間退火有助于消除3003鋁合金板材的平面各向異性，有效避免在制備鋁合金箔材的深沖過程中產(chǎn)生制耳。

3 結(jié)論

表3 一段和兩段中間退火的3003鋁合金的室溫拉伸性能Table 3 Tensile properties of the 3003 aluminum alloy after single- stage and double- stage intermediate annealing at room temperature

(1)隨著預(yù)回復(fù)退火溫度的升高，3003鋁合金的電導(dǎo)率先增大后減小，錳原子的固溶度先減小后增大；450 ℃退火的3003鋁合金的電導(dǎo)率最高，錳原子固溶度最小；3003鋁合金退火過程中的析出相主要為針狀A(yù)l6Mn相、顆粒狀A(yù)l12(Fe,Mn)3Si相和塊狀A(yù)l6(Fe,Mn)相。

(2)3003鋁合金一段中間退火時，在保溫20 min后才開始再結(jié)晶，而兩段中間退火從預(yù)回復(fù)退火溫度升溫至高溫(525 ℃)時即發(fā)生再結(jié)晶，一段中間退火的再結(jié)晶完成時間(3.8 h)比兩段中間退火的(6 h)短；一段和兩段中間退火的3003鋁合金板再結(jié)晶完成后錳的固溶度基本相同。

(3)一段和兩段中間退火的3003鋁合金在3個方向的抗拉強度相當(dāng)，但是一段中間退火的合金3個方向的規(guī)定塑性延伸強度和斷后伸長率明顯不同，而兩段中間退火的合金3個方向的規(guī)定塑性延伸強度和斷后伸長率基本相同，且高于一段中間退火的合金；一段中間退火的3003鋁合金在軋向、與軋向成45°角以及與軋向垂直3個方向的r值變化較大(Δr=0.31)，而兩段中間退火的合金則基本相同(Δr=0.03)，后者更有利于消除板材的平面各向異性。