均勻化退火對(duì)鑄軋3003高深沖鋁板帶組織性能的影響

胡 岳，王小剛，何惠剛，胡啟源

(甘肅酒鋼天成彩鋁有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

鋁是世界上產(chǎn)量和用量?jī)H次于鋼鐵的有色金屬，目前，鋁在許多領(lǐng)域已逐步替代了鋼、銅等傳統(tǒng)金屬材料，成為支撐全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類文明進(jìn)步的主要金屬材料之一，高深沖性能鋁合金產(chǎn)品在五金家電、汽車摩配領(lǐng)域有著廣泛需求。

目前，國(guó)內(nèi)外高深沖性能鋁板帶材供坯方式主要為熱軋供料，但是傳統(tǒng)熱軋法生產(chǎn) 3003合金需經(jīng)過熔鑄、銑面、鋸切、均勻化處理、熱軋、冷軋等工序，具有耗時(shí)長(zhǎng)、工序多等缺點(diǎn)。鑄軋是在上個(gè)世紀(jì)70年代后發(fā)展的一種新型技術(shù)，依靠熔融的鋁液通過旋轉(zhuǎn)的結(jié)晶器直接生產(chǎn)出板帶產(chǎn)品，但較熱軋3003合金其在折彎及深沖性能等方面存在不足，不適宜生產(chǎn)深沖性或制耳率要求高的產(chǎn)品，如鋁圓片、動(dòng)力電池殼等[1]。

現(xiàn)階段，由于國(guó)內(nèi)鋁加工產(chǎn)業(yè)的過剩及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，促使鑄軋鋁板帶的性能和質(zhì)量要求不斷提升，越來越多的國(guó)內(nèi)外鑄軋企業(yè)研究開發(fā)利用雙輥連續(xù)鑄軋工藝技術(shù)生產(chǎn)高性能產(chǎn)品以替代熱軋法產(chǎn)品，而鑄軋鋁板帶因結(jié)晶及鑄造工藝缺陷，難以達(dá)到深沖性能要求。本實(shí)驗(yàn)從鑄軋坯料均勻化退火前后顯微組織及力學(xué)性能方向研究鑄軋供坯3003合金高深沖性鋁合金板帶生產(chǎn)工藝，以打通產(chǎn)品批量工業(yè)化生產(chǎn)最終工藝路線，突破鑄軋供坯1.0mm以上厚度深沖產(chǎn)品的禁區(qū)。產(chǎn)品主要應(yīng)用于對(duì)深沖性能有著較高要求的電飯煲、不粘鍋等家電產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)開展時(shí)，國(guó)內(nèi)1.0mm及以上厚度產(chǎn)品需求全部依靠常規(guī)熱軋料生產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3003鋁合金屬Al-Mn系熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，主要合金元素為Mn，鑄軋生產(chǎn)3003鋁合金坯料具有流程短，成本低等特點(diǎn)，但由于Al-Mn合金的液相線和固相線垂直結(jié)晶間隔小，導(dǎo)致鑄軋坯料組織中存在嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析[2]，使合金的在結(jié)晶溫度區(qū)間變寬，在進(jìn)行完全退火時(shí)容易產(chǎn)生晶粒長(zhǎng)大，影響產(chǎn)品的深沖性能。針對(duì)鑄軋3003合金鋁板帶產(chǎn)品深沖性能方面的不足，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，確定一條適合鑄軋供坯生產(chǎn)3003高深沖鋁板帶產(chǎn)品的工藝路線。

(1)化學(xué)成分。有研究表明，適當(dāng)提高3003合金Fe含量，降低Mn含量有利于3003合金冷軋板材O態(tài)成品退火后晶粒組織的細(xì)化[3]。本實(shí)驗(yàn)為減小Mn偏析對(duì)產(chǎn)品再結(jié)晶過程中的影響，對(duì)產(chǎn)品化學(xué)成分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將Mn含量控制在國(guó)標(biāo)下限，并適當(dāng)提高Fe成分含量，本次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.2～0.26，F(xiàn)e 0.5～0.6，Cu 0.06～0.1，Mn 1.0～1.05，Mg≤0.02，Zn≤0.02，Ti 0.02～0.035，Al余量。

(2)坯料厚度。由于本項(xiàng)目所研究的產(chǎn)品對(duì)象為廚具用深沖板帶材，厚度一般在1.0mm以上，冷軋變形量有限，本實(shí)驗(yàn)結(jié)合我公司1650mm冷軋機(jī)組設(shè)備情況，選擇6.5mm厚度鑄軋坯料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(3)工藝方案。方案一：鑄軋坯料→冷軋至1.45mm→成品切邊→成品退火→檢驗(yàn)；方案二：鑄軋坯料→均勻化退火→冷軋至1.45mm→成品切邊→成品退火→檢驗(yàn)。

(4)均勻化退火。為研究均勻化退火對(duì)鑄軋3003高深沖鋁板帶組織的影響，實(shí)驗(yàn)選擇將樣品分別在520℃～540℃和560℃～580℃下保溫6h～8h后自然冷卻。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織分析

熱處理是控制產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)及性能的主要手段，而冷軋鋁板帶產(chǎn)品主要熱處理方式包括中間退火、成品退火、均勻化退火等。本實(shí)驗(yàn)主要采用成品退火和均勻化退火+成品退火兩種熱處理方式進(jìn)行對(duì)比，選擇8.5mm厚度鑄軋坯料，按照上述兩種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)。圖1為兩種生產(chǎn)方案下的成品顯微組織。

圖1 成品顯微組織對(duì)比Fig.1 Comparison of finished product microtissues

通過對(duì)比圖1(a)(c)(e)產(chǎn)品金相組織，使用方案一的產(chǎn)品在經(jīng)過成品退火后，僅僅消出了產(chǎn)品的加工硬化效果。從圖1(a)可以看出，基體中第二相分布不均勻且體積較大，晶界處仍存在大量塊狀聚集相，在后續(xù)的再結(jié)晶退火中，產(chǎn)品極易出現(xiàn)晶粒異常長(zhǎng)大問題，在合金沖壓過程中由于相鄰晶粒之間變形的不均勻性而有可能導(dǎo)致沖制件開裂[4]。圖1(c)產(chǎn)品在520℃～540℃均勻化退火過程中部分過飽和狀態(tài)的Mn元素析出，形成相對(duì)細(xì)小均勻的第二項(xiàng)，可以在后續(xù)的再結(jié)晶退火中促進(jìn)再結(jié)晶形核，從而起到細(xì)化晶粒的作用，從金相組織中可以看出其組織雖已體現(xiàn)出一定的球化趨勢(shì)，但在組織中仍然存在不均勻的塊狀聚集相，表明其均勻化程度不夠完全。圖1(e)產(chǎn)品在560℃～580℃均勻化作用下過飽和固溶體大量析出細(xì)小均勻的第二相，使原本連續(xù)的枝晶網(wǎng)絡(luò)斷裂成為不連續(xù)的球狀組織，研究表明，材料析出相球狀組織會(huì)降低材料加工過程中的應(yīng)力集中，抑制微裂紋產(chǎn)生，有利于提高材料的加工性能[5]。

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，經(jīng)過560℃～580℃均勻化退火后，晶內(nèi)析出相呈現(xiàn)出彌散分布，合金成分趨于均勻化，通過圖1(b)(d)(f)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，方案二采用560℃～580℃均勻化退火產(chǎn)品的晶粒組織更加細(xì)小均勻，Mn成分偏析問題得到了更好的解決。

2.2 力學(xué)性能對(duì)比

3003鋁合金為Al-Mn系合金，這種合金的強(qiáng)度稍高于工業(yè)純鋁，不能熱處理強(qiáng)化，在退火狀態(tài)有很高的塑性，所以退火工藝制度直接決定了產(chǎn)品的沖壓性能。實(shí)驗(yàn)使用兩種方案產(chǎn)品生產(chǎn)至成品厚度進(jìn)行性能檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)的性能檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 產(chǎn)品力學(xué)性能對(duì)比Tab.2 Comparison of mechanical properties of products

理論上講，材料的屈強(qiáng)比決定了材料在沖壓過程中的成型極限，屈強(qiáng)比越小，材料的成型極限越高。從表2可以看出，經(jīng)過均勻化退火的產(chǎn)品屈強(qiáng)比有所降低，更有利于產(chǎn)品的沖壓變形。對(duì)兩種方案產(chǎn)品進(jìn)行制耳實(shí)驗(yàn)，制耳是將圓片樣品沖壓成杯狀后杯口的高低差異情況，反映出產(chǎn)品沖壓過程中各個(gè)方向的延伸均勻程度，制耳率數(shù)值的大小與材料的各向異性密切相關(guān)，材料的深沖性能會(huì)隨著材料的各向異性增大而降低[6]。從表2可以看出，經(jīng)過均勻化退火的產(chǎn)品，材料的各向異性明顯降低，其成品45°方向制耳率更小，產(chǎn)品沖壓成型性能更加穩(wěn)定。

在鋁加工行業(yè)中，杯突是表征金屬材料在加工形變過程中塑性好壞的一個(gè)重要力學(xué)性能指標(biāo)，我們通常采用杯突值來衡量金屬材料深沖性能的優(yōu)劣。從表2數(shù)據(jù)看出，使用方案二進(jìn)行了均勻化退火的產(chǎn)品，其杯凸值更高，說明材料具有更好的深沖性能。結(jié)合圖2來看，方案一產(chǎn)品杯凸深度達(dá)到8.49mm時(shí)已出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象，方案二產(chǎn)品杯凸深度10.38mm時(shí)達(dá)到極限，材料雖未出現(xiàn)開裂，但是局部已出現(xiàn)明顯減薄現(xiàn)象。綜合對(duì)比可以看出，方案二產(chǎn)品擁有更高的沖壓極限。

圖2 產(chǎn)品杯凸檢測(cè)宏觀形貌Fig.2 Product cup convex detection of macroscopic morphology

2.3 生產(chǎn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步確定產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)的深沖性能情況，使用方案二工藝路線試生產(chǎn)并經(jīng)過客戶現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，產(chǎn)品深沖過程中基本上沒有產(chǎn)生開裂的現(xiàn)象，客戶認(rèn)為采用鑄軋料坯料生產(chǎn)的3003合金高深沖板帶在深沖時(shí)基本接近熱軋料的水平，能夠替代熱軋產(chǎn)品。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)通過對(duì)3003合金高深沖性鋁合金產(chǎn)品不同生產(chǎn)工藝的成品顯微組織及力學(xué)性能分析，得出以下結(jié)論：

(1)產(chǎn)品在經(jīng)過560℃～580℃均勻化退火后，可有效避免析出相聚集對(duì)3003合金產(chǎn)品深沖性能的影響，產(chǎn)品顯微組織更加均勻；

(2)鑄軋供坯3003合金高深沖性鋁合金產(chǎn)品經(jīng)過均勻化退火后，產(chǎn)品擁有更高、更穩(wěn)定的深沖性能，更有利于產(chǎn)品的沖壓變形；

(3)鑄軋供坯3003合金生產(chǎn)沖壓性能優(yōu)異，各項(xiàng)性能穩(wěn)定的高深沖性能鋁板帶冷軋生產(chǎn)工藝流程為：鑄軋坯料→均勻化退火(560℃～580℃)→冷軋至成品厚度→成品切邊→成品退火→檢驗(yàn)包裝。