铸轧3003冷轧工序组织和性能控制

2012-07-27许春伟娄东阁

有色金属加工 2012年3期

许春伟，娄东阁

(1中铝河南铝业有限公司，河南洛阳471003)(2 中铝洛阳铜业有限公司，河南洛阳471039)

3003铝合金属于Al-Mn系热处理不可强化合金，由于其抗蚀性好，力学性能优良，而广泛应用于各种需要加工成形和耐蚀性能比纯铝高的场所。但由于AL-Mn系合金自身的特点，采用铸轧与冷轧法进行批量生产仍存在许多技术难题，其中，用3003合金铸轧板冷轧生产的板带材，中间退火后晶粒粗大就是一个很显著的问题。

晶粒组织粗大的铝板带在精加工后，沿轧制方向会产生许多粗晶条纹，对板带材表面质量产生极大影响，同时也会使材料的力学性能下降，经用户使用会发生弯折开裂，冲制破孔等严重质量问题。因此，在冷轧工序生产3003合金板带过程当中，如何优化生产工艺，避免晶粒粗大具有极其重要的意义。

1 试验材料与方法

1.1 实验材料

选用同一批次3003铝合金板坯作为实验材料，铸轧卷规格为7.0mm*Lmm，原始晶粒度等级均为1级，合金成分(质量分数)见表1。

表1 铸轧3003化学成分(Wt%)

1.2 试验方法

1.2.1 软化曲线

为确定新的铸轧3003中间退火工艺，取样在实验室做不同温度的小样退火，检验其抗拉强度、屈服强度及延伸率，结果如图1所示。

从图1可以看出：3003的再结晶开始温度为360℃左右，在该温度退火，力学性能发生显著的变化；完全再结晶温度为460℃左右，退火温度达到或超过该温度时材料的力学性能基本稳定，拟对同种产品中退火后总加工率相同的情况下，结合生产实际，在实验室进行小样退火的基础上，制定3种不同退火工艺进行生产试验，以便最终确定新的生产退火工艺。

图1

1.2.2 生产试验

冷轧在2050六辊不可逆冷轧机上进行，退火在箱式退火炉中进行。为了更好的掌握3003中间退火工艺制度，针对同种产品中退火后总加工率相同的情况下，先后小批量实验了3种不同退火工艺，其工艺流程如下：

方案1：7.0mm→0.49mm中间退火(480℃/10h+420℃/2h)→冷轧至成品0.32mm

方案2：7.0mm→0.65mm中间退火(480℃/8h+420℃/2h)→冷轧至成品0.42mm

方案3：7.0mm→0.43mm中间退火(550℃/6h+420℃/2h)→冷轧至成品0.28mm

2 试验结果

2.1 退火工艺的影响

3系铝合金再结晶组织普遍表现为晶粒粗大而且不均匀，其晶粒度与经过铸锭均匀化的热轧卷相比，差距很大。因此试验了三种退火工艺，从三种工艺流程生产的铝卷上切取试样，用硝酸+氢氟酸+盐酸按一定比例组成的混合液中侵蚀10s～15s，用肉眼即可明显观察到各试样的晶粒组织，见图2；另做力学性能检测见表2。

(a) ×2 (b) ×2 (c) ×2

从图2可以看出，采用方案1生产的铝卷样片在经过混合酸侵蚀后晶粒较为粗大(图2a)；采用方案2生产的铝卷样片晶粒虽然得到了很大程度的细化，但再结晶仍不完全 (图2b )；而采用方案3生产的铝卷样片，已发生完全再结晶，其晶粒组织已相当均匀细小(图2c)；因此方案3工艺最优，确定为生产中的中间退火工艺。

表2 退火工艺下对力学性能和晶粒度的影响

由于铸轧实际上是“铸”和“轧”的结合，带坯内铸造、变形、再结晶三种组织共存，且致密度较差，晶界间较宽，而3003合金中锰元素在铝中的扩散速度比较慢，在快速冷却(铸轧生产的冷却强度可达300℃/s)条件下来不及沉淀，以过饱和状态保留在固溶体中，产生晶内偏析，导致晶界附近区域含锰量较晶粒内部高。这种存在着明显晶内偏析的板带材在进行中间退火时，由于锰强烈提高铝合金的再结晶温度，如图3所示[1]，因此，含锰量高的区域再结晶温度较含锰量低的区域高，在进行中间退火时，含锰量低的区域就会先形核生成再结晶晶粒，还可能因回复而降低储能水平使再结晶温度更为提高，继续升温至高锰区能发生再结晶时，低锰区晶粒早已长大，高锰区可能自身形核，也可能以低锰区再结晶晶核为核心而长大，最后形成粗大的晶粒组织，如方案1。

在方案1的基础上，缩短退火时间，试验了方案2，使晶粒组织得到了有效的控制，但相同的成品加工率力学性能普遍偏高，折弯不能得到很好的保证。为此制定了方案3，采用高温快速退火，用其代替铸锭均匀化退火。退火后MnAl6相或(FeMn)Al6相均匀析出，铸锭均匀化处理是铸锭在高温下，锰原子进行扩散，从而消除锰在晶内的偏析。冷轧带材进行高温中间退火,由于冷变形激活能提高，更利于原子扩散，使MnAl6充分均匀析出消除锰在晶内的偏析，检测表明退火达到0态的上限，且表面大晶粒的现象已经完全被克服，晶粒度达到了1级，力学性能和折弯也基本上达到了标准及客户的要求。

从上述的实验结果看出，冷轧卷经高温中间退火，可以象铸锭均匀化处理那样，起到均匀化的作用，消除锰在晶内偏析，使之再结晶退火时不发生粗大晶粒。

2.2 变形量的影响

有研究表明，铝合金随着变形量的变化，再结晶处理后的再结晶织构也会有所不同。通过织构组分析可以得出，铝合金板低变形量时(冷轧30%, 50%)冷轧织构基本上没有发生变化。因此轧制板内主要发生了回复或原位再结晶。只有冷轧织构中的反戈斯织构组分(80°～90° , 45°, 0°)消失了。中变形量时(冷轧70%, 90%)出现了立方织构和黄铜R型织构，Ifu R织构组织分却不很强。冷轧70%时并经再结晶退火的铝板，黄铜R织构组分的出现表明不连续的初次再结晶在退火后仍然被保留下来，说明铝板内仍有一部分晶粒只发生了回复或原位再结晶。高变形量时(冷轧95%, 98%) ，R织构组分在退火后变成了主要的再结晶织构，同时立方及黄铜R织构均未能出现。变形量不同会影响到冷轧铝板内晶粒再结晶的方式，进而造成不同的再结晶织构[2]。且随着变形程度增加，金属储能增大，形核率与核心长大速度的比值不断增加，再结晶晶粒不断变细[3]。