钒含量对3102铝合金组织及性能的影响

胡展奎，柯珊珊

（乳源东阳光优艾希杰精箔有限公司，广东 韶关 512721）

钒含量对3102铝合金组织及性能的影响

胡展奎，柯珊珊

（乳源东阳光优艾希杰精箔有限公司，广东 韶关 512721）

对不同钒含量的3102合金经过铸轧、冷轧和退火后的组织及性能进行了观察和测试。结果表明，V元素的微量增加会使再结晶温度降低，降低材料的延伸率，但是对抗拉强度的影响则不明显。

V元素；3102铝合金；再结晶温度；延伸率

0 前言

3102铝合金主要用于空调散热器用铝箔，随着空调行业的快速发展，空调散热器用铝箔从90年代初的几千吨到目前的300kt/a以上。而3102合金是空调散热器铝箔用量最大的铝合金产品，远远超过8011、1100等铝合金的使用量。

目前行业中普遍采用低成本的铸轧法生产3102铝合金，由于3102铝合金的脆性小，冷轧轧制时不易裂变而断带，而且使用性能完全可以满足散热片的冲制，使得3102铝合金受到空调器生产厂的青睐。而空调器生产厂不断追求降低原材料的成本及制造成本，铝箔的厚度逐渐减薄，从开始的0.15～0.20mm，到目前最常用的0.09～0.10mm，技术实力强的空调生产企业（如松下空调）已经实现了0.08～0.09mm的散热片研发及推广生产。在厚度减薄的同时，加工过程对于铝箔的力学性能要求也在不断的提高，主要体现在抗拉强度与延伸率的增加，强度提高主要为了保证后续使用过程中不产生塌陷，延伸率提高则为了保证散热片冲制过程中不开裂。

由于空调器厂家对性能的要求不断提高，需要铝箔生产厂不断提高生产技术及工艺管理水平，缩窄参数控制范围，尽可能地将性能波动范围缩小，保证产品性能的稳定性，以满足客户的使用要求。其中，化学成分的控制就是最基本的要求，但由于各产地各公司生产的国内重熔用铝锭化学成分不尽相同，主要区别在Fe、Si等杂质元素及Zr、Ga、V等微量元素上，不同的元素含量导致普铝锭的价格也不尽相同。Fe、Si等常规杂质对于3102合金的性能影响已经有了较多研究，但V对于产品性能的影响目前研究较少。为了更好地降低采购成本及控制好产品的最终性能，本试验研究了微量元素V所产生的性能结果，并对此进行了分析研究。

1 试验材料及方案

采用连续铸轧法生产3卷铸轧坯料，合金成分如表1所示。

表1 三种试验铝合金最终化学成分(质量分数/%)

熔炼时控制炉内外熔体除气和除渣效果，熔体氢含量≤0.15mL/（100gAl），铸轧时严格控制工艺参数，铸轧卷坯厚度6.0～7.0mm，晶粒度等级二级以内。

铸轧卷坯料不经过任何的中间退火，从6.0～7.0mm厚度通过冷轧、箔轧轧至0.10mm厚度，取样做以下检测：（1）不同温度下的H2X状态退火并检测力学性能；（2）再结晶开始的温度及其性能组织检测；（3）V元素及其它主要元素的分布EDS检测。

2 试验结果及分析

2.1 H2X状态退火分析

3102合金空调箔的交付状态为H2X，即经过冷、箔轧轧制后需要进行一次半软态退火，这也是3102合金空调箔能否满足最终使用要求的重要工序。设计了表2所示退火工艺，验证3种V元素含量对H2X抗拉强度及延伸率的影响：

试样在万能拉伸机上进行检测，最终性能结果见图1。

表2 热处理制度

图1 试样抗拉强度和延伸率随退火温度变化曲线

从图1可以看出，3种不同V含量的试样抗拉强度随退火温度变化的趋势整体一致，在各个温度段，3种试样的抗拉强度也没有明显的区别，说明V元素的微量变化没有对3102合金退火后的抗拉强度产生明显的影响。

从图1中3种试样的延伸率变化曲线来看，温度对延伸率的变化趋势不如抗拉强度那样有规律，在275℃至280℃达到延伸率最高值，同时，3种V含量的试样的变化趋势是一致的。唯一最大的区别在于无论在哪个退火温度段，1#试样的延伸率都最高，3#试样的延伸率最低，这充分说明了V元素的微量增加会降低材料的延伸率，并且无法通过退火温度的工艺调整进行改善。

在3102铝合金空调散热片的冲制过程中，延伸率是一个非常重要的参考指标，延伸率越高，冲制过程中材料越不容易开裂，故V元素的增加会降低材料的应用范围。

2.2 V元素对再结晶的影响

为了进一步了解V元素对3102合金的影响，对试验样进行320℃×1.5h的再结晶退火，检测3种试样的力学性能并进行偏光显微组织观察。

试样在万能拉伸机上检测力学性能，最终性能结果如表3所示。

表3 3种试样在再结晶退火后的力学性能

在同样的再结晶温度退火工艺后，3种试验材料的抗拉强度及延伸率有明显区别，随着V元素的增加，抗拉强度降低，延伸率提高。

对经过320℃×1.5h退火后的试样进行电解抛光、覆膜，在蔡司金相显微镜上观察其显微偏光组织，观察结果如图2所示。

图2 3种试样再结晶退火后的偏光组织

从3种试样的偏光组织可以看出，V含量最低的1#试样只出现了少量的再结晶晶粒，晶粒周围依然是轧制组织，V含量最高的3#试样则出现大量的再结晶晶粒。这3种试样的再结晶组织区别明显，说明V元素含量影响了3102铝合金的再结晶开始温度。

根据性能和组织结果，可以分析出，V元素使得3102铝合金的再结晶温度降低，使得材料在较低的温度下开始再结晶，强度下降明显。

2.3 样品的EDS元素分布分析

3102铝合金中的主合金元素为Mn，也是对3102铝合金组织及性能影响最大的合金元素，同时Fe、Si为主要杂质元素，为了进一步确认V元素在合金中所起的作用，对3种试样用扫描电镜检测Mn、V 、Fe、Si元素的分布，其结果如图3所示。

图3 3种试样的元素分布

3×××系铝合金中，Mn溶于Al形成固溶体，但是溶解度很小，在共晶温度658℃时，Mn最大的溶解度为1.82%。试验3102铝合金在铸轧过程中，由于强烈的过冷度，Mn在Al中的溶解度更低，过快的冷却速度形成强烈过饱和固溶体。在凝固冷却时析出的Mn和Al形成分散的第二相MnAl6。由于3102铝合金中Fe的存在，Fe会融入（Fe Mn）Al6，若Fe与Si同时存在，则会形成α-Al12（Fe Mn）Si化合物。试样中的Fe元素含量比Mn元素含量要高，而Fe在655℃时能溶解0.052%，在室温下仅能溶解0.002%，Fe与Al可形成金属间化合物FeAl3[1]。V元素在铝中的溶解度0.4%，共晶温度661℃，与Al形成VAl11化合物。

综上所述，3102铝合金试样中的第二相化合物有（Fe Mn）Al6、α-Al12（Fe Mn）Si、FeAl3及VAl11。而决定3102铝合金再结晶温度高低的主要因素是Mn、Fe元素在Al基体中的固溶度，因为Mn、Fe等元素固溶到基体中，会明显提高铝合金的再结晶温度[2]，故只要3102铝合金中的Mn、Fe元素溶解的越多，再结晶温度越高。

图3中1#试样的Mn、Fe、Si元素分布最弥散，2#试样Mn、Fe、Si元素分布开始趋向集中，3#试样的Mn、Fe、Si元素分布最集中，同时每种试样的V元素都与其Mn、Fe、Si这三种元素的分布趋于一致，说明这3个试样第二相化合物的量存在差异：1#试样的第二相化合物量相对较少，3#试样的第二相化合物量相对最多，随着V元素的增加，第二相化合物增加，Mn、Fe元素固溶在基体中的量减少，从而使得3种试样的再结晶温度出现区别。

笔者认为，在铸轧过程中，随着V元素的增加，Mn元素更难固溶到Al基体中，Mn元素的析出量也随之增加，进而增加了第二相化合物的量，使铝基体中Mn元素以大量的第二相形式存在，最终导致Mn元素无法使3102铝合金的再结晶温度提高。同时由于第二相的增加，最终导致了半软态退火后延伸率的降低。

3 结论

（1）3102铝合金半软态H2X退火时，随着V元素的微量增加，同一退火温度下，材料的强度差异不大，但是材料的延伸率会出现降低，从而使材料在冲制散热片过程中存在开裂风险。

（2）V元素含量的增加，在铸轧过程中，促使Mn元素的析出增加，从而降低了Mn在铝基体中的固溶度，降低了3102铝合金的再结晶温度。

（3）考虑到铝锭厂家制造成本以及最终产品的使用性，结合本文的试验分析，V含量控制在0.02%以下较为适宜，超过这个指标会导致性能的恶化，过低的指标会无形中增加铝锭厂家的生产成本。

[1] 王祝堂，田荣璋.铝合金及其加工手册[M].长沙：中南大学出版社，2000

[2] 候波，李永春，等．铝合金连续铸轧和连铸连轧技术[M]．北京：冶金工业出版社，2010：225

Influence of V Content on Microstructure and Properties of 3102 Aluminum Alloy

HU Zhan-kui, KE Shan-shan
(Ruyuan Dongyangguang UACJ Fine Aluminum Foil Co.,Ltd, Shaoguan 512721, China)

Microstructure and properties of 3102 alloy with different V contents after continuous cast-rolling, cold-rolling and annealing are observed and tested. The results show that, the recrystallization temperature will decrease with the tiny increasing of V element, the elongation of material will decrease, however, the effect of the V element contents on tensile strength is not obvious.

V element; 3102 aluminum alloy; recrystallization temperature; elongation

TG146.21，TG339

A

1005-4898（2017）01-0004-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.01.01

广东省铝板带箔加工研究院资助项目（2014B090903012）；关键技术研究与开发应用资助项目（2015B090926007）。

胡展奎（1985-），男，广东梅州人，工程师。

2016-10-08