張 冰，董雪峰

（1.河南省工業(yè)學(xué)校，河南 鄭州 450002; 2. 河南明泰鋁業(yè)股份有限公司，河南 鞏義 451283）

熱軋3003合金板帶材生產(chǎn)工藝優(yōu)化

張 冰1，董雪峰2

（1.河南省工業(yè)學(xué)校，河南 鄭州 450002; 2. 河南明泰鋁業(yè)股份有限公司，河南 鞏義 451283）

通過生產(chǎn)實踐，依據(jù)鋁及合金板帶材缺陷的影響因素，確定了熱軋3003合金板帶材導(dǎo)致表面晶粒粗大的原因，優(yōu)化了該產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝制度。

板帶材；3003合金；熱軋；組織

0 前言

3003鋁合金產(chǎn)品具有較低強度和較高塑性、良好的深沖性能和抗蝕性，廣泛應(yīng)用于裝飾裝潢、包裝、電子、航空航天等行業(yè)[1]。該合金為Al-Mn合金，屬熱處理不可強化合金。Mn是其主要元素，決定了在熔煉、鑄造、均勻化處理、軋制、退火各工序的特殊技術(shù)要求。尤其是熱軋3003合金板帶材晶粒粗大現(xiàn)象常出現(xiàn)在生產(chǎn)的前道工序，使材料的力學(xué)性能下降。這種缺陷的遺傳，導(dǎo)致后工序制品因板面不細(xì)膩、折彎開裂、橘皮、沖制破孔等報廢。依據(jù)缺陷形成機理，為確定其產(chǎn)生的原因，進行了以下生產(chǎn)試驗。

1 試驗設(shè)備、材料與方案

1.1 熔鑄設(shè)備

（1）60t節(jié)能型燃?xì)馊蹮挔t；（2）60t紅外自動控制液面傾翻型靜置爐；（3）鑄造機半連續(xù)液壓深井鑄造機，自動控制液面，自動控制流量，熔煉精煉氣體N2+ Cl2混合氣體，在線精煉氣體Ar，雙級過濾，雙轉(zhuǎn)子除氣，鑄造速度可調(diào)范圍0～100mm/min，鑄造水溫25～30℃，鑄造水壓可調(diào)范圍0～5kg/cm3，鑄造水流量可調(diào)范圍0～100m3/h。

1.2 熱軋推進式均熱爐

最大裝爐量24塊，最大裝爐長度6200mm，爐氣最高達(dá)到的溫度630℃，金屬最高達(dá)到的溫度600℃。

1.3 試驗方案

采用兩種試驗方案A-1、B-1兩個熔次，共10根鑄錠，分別試驗不同化學(xué)成分、不同鑄造參數(shù)、不同均勻化處理溫度和保溫時間、不同退火制度，分析對組織、性能產(chǎn)生的影響。試驗批次的化學(xué)成分見表1。

1.4 試驗工藝流程

熔煉-測溫-扒渣-攪拌-取樣化驗-配料-攪拌-補料-精煉-扒渣-倒?fàn)t-取樣化驗-精煉-扒渣-靜置-測溫-鑄造-鋸頭-銑面-均熱-熱粗軋-熱精軋至5mm厚度-冷軋-拉矯-H24退火-飛剪-包裝。

2 試驗結(jié)果

2.1 合金元素

實驗表明，B-2比A-1中的抗拉強度、屈服強度偏高，延伸率相同，Mn元素偏低的性能稍高。Mn元素含量的不同對性能的影響見表2。

表2 含量不同的Mn元素對最終性能的影響

2.2 鑄錠溫度

高溫鑄造和低溫鑄造參數(shù)不同，分析最高溫度和最低溫度對鑄錠組織變化的影響。表3為2種試驗方案的鑄造參數(shù)。

表3 不同鑄造溫度試驗

在兩組試驗料中，各取每熔次最高溫度和最低溫度的鑄錠。在底部200mm處鋸頭切片，做金相顯微組織和混合酸侵蝕的低倍宏觀組織檢驗觀察：經(jīng)高濃度混合酸溶液（HF：HNO3：HCl：H2O=15：15：45：25）侵蝕的低倍組織沒有明顯區(qū)別，晶粒度一級，晶粒分布均勻。

金相顯微組織觀察A-1的第1根鑄錠（高溫鑄造）枝晶網(wǎng)較明顯偏析，表面偏析浮出物增多，較粗大的針狀和片狀的一次晶分布在鋁基體中，金屬間化合物明顯比B-2（低溫鑄造）的多，這是因高溫鑄造時冷卻速度慢，不平衡組織隨冷卻速度的降低而增加，從而產(chǎn)生明顯晶內(nèi)偏析。而B-2（低溫鑄造）的第5根鑄錠顯微組織觀察枝晶網(wǎng)與A-1（高溫鑄造）相比較細(xì)密。但是由于鑄造溫度變化幅度很大，鑄造溫度也低于正常值，化合物來不及擴散，以過飽和狀態(tài)保留在固體中，導(dǎo)致鑄錠過渡帶寬度變大，熔體粘度增加，使疏松、氧化膜加入幾率增加。在軋制較薄時這種缺陷就會顯現(xiàn)出來?？焖俳Y(jié)晶產(chǎn)生的不平衡組織隨冷卻速度的增加而減小，提高冷卻速度可以減輕鑄造時組織偏析的程度。但過低的鑄造溫度不僅不能提高鑄錠質(zhì)量，反而會帶來新的鑄錠缺陷。

2.3 靜置爐溫度

圖1的縱向溫度變化表明，鑄造溫度730℃時，A-1的5根鑄錠從鑄造開始到鑄造結(jié)束，1號到5號鑄錠每米的溫差是4℃、6℃、8℃、8℃、9℃。鑄造溫度715℃時B-2的溫差為6℃、7℃、9℃，開始升溫。

圖1 縱向溫度變化（靜置爐溫度隨鑄造時間的變化）

圖2 鑄錠橫向溫度變化

圖2中顯示的是橫向溫度變化，同一時間流槽中1號鑄錠到5號鑄錠鋁熔液的溫降幅度。從圖2上表明，A-1鑄造流槽1號鑄錠到5號鑄錠橫向溫度變化幅度是：1℃、2℃、2℃、3℃，共降溫8℃。B-2橫向溫度幅度是1℃、3℃、3℃、3℃，共降溫10℃。

試驗表明：熔體的溫度越低，相對溫降的速度越快。由于冷卻速度和鑄造溫度、鑄造速度、鑄造水壓、水流量成正比，鑄錠在降溫過程的同時冷卻強度也越來越大。隨著溫度的變化，鑄錠組織不均勻程度也在發(fā)生著變化。因此，為保證鑄造系統(tǒng)的熱平衡，得到熔體的恒定溫度，應(yīng)采用保溫性、密封性較好的流槽，減少溫度的流失；靜置爐及時保溫；減小鋁液溫度浮動范圍等措施。

2.4 均勻化處理

將A-1、B-2方案的10根鑄錠，每批5根分兩次裝加熱爐進行均勻化處理，為得到真實可靠的數(shù)據(jù)，并沒有特殊的工藝要求，隨機入爐，用兩種不同的保溫時間分析均勻化處理對鑄錠再結(jié)晶組織的影響，見表4。

表4 鑄錠的溫度試驗參數(shù)

第一種方案裝爐方式如圖3，裝爐順序從右到左依次排列1～24塊。金屬測溫點分別在第7、12、17、22塊上。均熱爐分六個區(qū)，分別自動控制設(shè)定好的溫度，每區(qū)有四塊錠坯。從左邊裝入均熱爐經(jīng)過均勻化處理后從右邊出爐。圖4為試驗料裝爐的位置示意圖。

圖3 第一種試驗鑄錠方案的裝爐順序示意

圖4 3003鋁合金鑄錠裝爐位置示意

達(dá)到預(yù)定出爐溫度后，經(jīng)粗軋-精軋至熱軋坯料厚度5.0mm取樣保存，同時在冷軋開坯第一道取樣做低倍組織進行金相顯微組織觀察對比。經(jīng)高濃度混合酸溶液HF：HNO3：HCL：H2O=15：15：45：25侵蝕，進行低倍組織觀察，5批坯料都不同程度有晶粒粗大的問題，有3批坯料板面晶粒明顯粗大。對比冷軋板和熱軋板的樣板，其晶粒基本相同，肉眼可見較粗大的晶粒，判斷是在均勻化過程中出現(xiàn)的問題。查找均熱記錄，晶粒明顯粗大是第2、14、15塊。第2塊在第一區(qū)，也就是出口處的第二塊鑄錠 ，由于爐門口溫降大，溫度低，均熱過程中該處并沒有完全達(dá)到設(shè)定的再結(jié)晶溫度，不僅沒有析出再結(jié)晶晶核，反而促使低錳區(qū)不斷析出再結(jié)晶晶粒而長大。

從圖5的方案1溫度曲線上可以清楚的看到，第一區(qū)的爐氣溫度明顯比其它區(qū)低，最高溫度只有550℃左右。由于第2塊前面還有一塊其他正常生產(chǎn)的3003合金鑄錠，對它進行取樣金相觀察，其組織晶粒粗大。第14、15塊也是明顯晶粒粗大。經(jīng)分析，第14、15塊所在的第四區(qū)，溫度異常，溫度曲線偏離正常的設(shè)定溫度，加熱和均熱過程中，溫度上下浮動幅度達(dá)50℃左右，是因第四區(qū)溫度自動控制系統(tǒng)故障造成的。另外兩塊試驗鑄錠第9、20塊也有較小程度的晶粒粗大現(xiàn)象。

圖5 方案1的鑄錠均勻化處理溫度曲線

第二種方案裝爐方式如圖6，試驗料隨機裝入加熱爐內(nèi)，裝爐順序與上次相同。

圖6 第二種試驗鑄錠方案的裝爐順序示意

達(dá)到預(yù)定出爐溫度后，經(jīng)粗軋-精軋至熱軋坯料厚度5.0mm取樣保存，同時在冷軋開坯第一道取樣做低倍組織觀察，這次只有第20塊晶粒比其它4塊粗大。

圖7的方案2的溫度曲線表明，加熱爐環(huán)境相同，勻化處理制度也相同的鑄錠會出現(xiàn)不同的情況。查找原因，是這塊晶粒粗大的鑄錠正是之前高溫鑄造、低倍組織晶粒粗大、金相顯示枝晶偏析的鑄錠。確認(rèn)了有缺陷的鑄錠即使經(jīng)均勻化處理，也不會改變其鑄錠本身帶來的粗大晶粒和組織偏析的結(jié)構(gòu)。其它4塊晶粒明顯比第一種方案的晶粒細(xì)小，化合物彌散分布，延長保溫時間可以有效細(xì)化再結(jié)晶晶粒。但兩爐門口的擋爐門料和上次相同仍然晶粒較粗大，這是由于爐門口密封性差，溫度流失嚴(yán)重。金屬析出的化合物MnAl6少，并沒有達(dá)到金屬再結(jié)晶的狀態(tài)[2]。

圖7 方案2的鑄錠均勻化處理溫度曲線

結(jié)果表明：（1）均勻化處理時間不足并沒有起到完全細(xì)化再結(jié)晶晶粒的作用。方案1的鑄錠原有的嚴(yán)重枝晶偏析和大量不平衡組織的缺陷也沒有完全消除，仍保留少量的晶內(nèi)偏析。金相觀察枝晶網(wǎng)部分固溶，晶內(nèi)析出物細(xì)小不均勻，呈現(xiàn)原來枝晶偏析的痕跡，過飽和固溶體沒有充分分解。加上第14、15塊溫度異常，造成因低溫長時間均熱而出現(xiàn)晶粒長大的情況；（2）延長保溫時間對再結(jié)晶組織有明顯的促進作用。方案2的均勻化處理制度隨著時間的延長，14h的保溫時間對鑄錠過飽和固溶物的分解、不平衡共晶體的溶解，以及MnAl6化合物析出、聚集、長大都有明顯改變。

2.5 冷軋加工率

冷軋道次加工率小，晶粒破碎程度不夠，提高了再結(jié)晶溫度，軋件內(nèi)部沒有徹底破碎的晶粒會隨著冷軋軋制聚集在表面，形成表面偏析層。這種偏析一般厚度0.06mm，此處缺陷的化合物明顯比正常部位多，顯微組織觀察為兩相共晶組織[3]。用（NaOH）=25%的水溶液中浸蝕6h后，觀察到表面下層組織特性是表面晶粒粗大而內(nèi)部晶粒細(xì)小，見圖8。

圖8 粗大的表面晶粒和內(nèi)部組織對比

3 結(jié)論

（1）當(dāng)均熱制度595～600℃時，保溫時間14h的制度可以顯著改善再結(jié)晶的晶粒，延長保溫時間可以得到良好再結(jié)晶組織，為后工序提供優(yōu)質(zhì)的熱軋坯料。

（2）采用高溫快速的完全再結(jié)晶退火，能阻礙第二相的長大和其他雜質(zhì)的溶解，使晶粒長大趨勢減弱，從而得到細(xì)小的宏觀組織。

（3）冷軋道次加工率的不足，粗晶組織會隨著冷軋軋制聚集在表面，形成表面偏析層。

[1] 田榮璋，王祝堂.鋁及鋁合金加工手冊[M].長沙，中南大學(xué)出版社，1989

[2] 王立娟.均勻化退火保溫時間對3003鋁合金組織和性能的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2010，38，（8）：5-7

[3] 楊余良，張安樂，張芳，梁新華.3003合金鑄軋板坯冷軋中晶粒組織的控制[J].輕合金加工技術(shù)2008，36（10）：17-19

（編輯：余東梅）

Optimization of Production Process for Hot-rolled 3003 Aluminum Alloy Plate and Strip

ZHANG Bing, DONG Xue-feng
（1.Henan Industry College, Zhengzhou 450002; 2.Henan Mingtai Aluminum Stock Ltd., Gongyi 451283, China）

Cause of surface grain coarse of hot-rolled 3003 aluminum alloy plate and strip was determined by aid of production practice and effect factors of aluminum and its alloy defects, and production process system of the products were optimized.

plate and strip; 3003 alloy; hot rolling; microstructure

TG146.21，TG166.3

B

1005-4898（2014）05-0018-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.05.04

張冰（1966-），男，河南遂平人，高級工程師，從事鋁及鋁合金壓力加工技術(shù)的生產(chǎn)與培訓(xùn)。

2014-03-21