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重熔鋁和電解鋁生產(chǎn)的1235鋁合金鑄軋板組織和性能

2015-06-28 14:56孫劍鋒王西科
有色金屬加工 2015年5期
關(guān)鍵詞:坯料電解鋁板材

孫劍鋒,李 波,王西科

(1.中鋁河南分公司,河南鄭州450041;2.中鋁鄭州研究院,河南鄭州450041;3. 商丘陽光鋁材有限公司,河南商丘476000)

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重熔鋁和電解鋁生產(chǎn)的1235鋁合金鑄軋板組織和性能

孫劍鋒1,李 波2,王西科3

(1.中鋁河南分公司,河南鄭州450041;2.中鋁鄭州研究院,河南鄭州450041;3. 商丘陽光鋁材有限公司,河南商丘476000)

實驗以電解鋁液直接鑄軋和由鋁錠重熔鑄軋生產(chǎn)的1235鋁合金鑄軋坯料為研究對象,系統(tǒng)分析了兩種鑄軋坯料的硬度、力學(xué)性能、金相組織、第二相等。結(jié)果顯示,電解鋁液直接鑄軋生產(chǎn)的坯料硬度、抗拉強度高,晶粒組織更細(xì)小、第二相顆粒更多、分布更彌散。

鋁合金;鑄軋;第二相;顯微組織

用于加工鋁合金雙零箔的坯料有兩種,一種是鑄軋法生產(chǎn)的坯料,即鑄軋法直接生產(chǎn)出7mm左右的鑄軋卷,經(jīng)冷軋退火后得到鋁箔坯料;另一種是半連續(xù)鑄造成錠,銑面后熱軋開坯,再冷軋成坯料,即熱軋法。兩種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)鋁箔坯料目前均有使用,各有優(yōu)缺點。熱軋法組織均勻,缺陷少,有利于軋制;鑄軋法生產(chǎn)的坯料,生產(chǎn)流程短,化合物尺寸小,更適宜軋制更薄的板材或箔材[1]。鑄軋法是鋁液通過一套裝置引導(dǎo)至兩個軋輥之間形成的“輥縫”中,通過兩個軋輥的強冷卻、結(jié)晶和變形后,得到厚度為6~8mm的鑄軋卷坯。鑄軋過程中,鋁液在兩個軋輥之間受到軋輥的急劇冷卻而結(jié)晶,凝固后的坯料同時受到兩個軋輥一定程度的軋制變形,所得到的鑄軋板的內(nèi)部組織屬于半鑄態(tài)結(jié)構(gòu),晶體的方向性較強,國內(nèi)目前鋁箔坯料大多采用鑄軋坯料[2-4]。

鑄軋坯料的生產(chǎn)有用重熔鋁錠生產(chǎn)的,也有用電解鋁液直接鑄軋生產(chǎn)的[5-7]。到目前為止,很少有系統(tǒng)地研究采用兩種不同原料、相同工藝生產(chǎn)出的鑄軋坯料在組織、性能上有何異同,對后續(xù)的軋制板、箔有什么不同的影響。

本實驗分別采用重熔鋁錠和電解鋁液鑄軋成板,分析了兩種原料生產(chǎn)的板材在力學(xué)性能、微觀組織方面的異同。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗以1235鋁合金為研究對象,對比研究了兩種原料生產(chǎn)的鑄軋坯料的微觀組織、力學(xué)性能。實驗合金的化學(xué)成分見表1,添加劑的成分見表2。

1.2 實驗方法

實驗在正常生產(chǎn)線上進行,熔煉在25t鋁熔煉爐中進行,采用氣體加熱。爐料中鋁錠+回爐料控制在總爐料量的20%~30%。電解鋁液用鋁抬包轉(zhuǎn)運至鑄造廠內(nèi),利用電解鋁液的溫度預(yù)熱熔化鋁錠和回爐料;重熔鋁錠則是直接加入熔化爐。化平攪拌后靜置扒渣,利用氮氣噴粉精煉,化學(xué)成分合格后進行鑄軋,鑄軋板厚度7.0mm。

采用硬度計、拉力試驗機、金相顯微鏡、掃描電鏡分析鑄軋板的硬度、力學(xué)性能、微觀組織、第二相分布等。

硬度試樣用1000#金相砂紙打磨光滑平整,然后用HV3-1000維氏硬度計進行硬度檢測,載荷為0.98N(0.1kg),加載時間為5s。

力學(xué)性能分析樣品按國標(biāo)GB/T228-2002要求進行加工,拉伸速度為5mm/min。每個條件下的實驗取三個平行樣,測試結(jié)果的算術(shù)平均值作為最終測試結(jié)果。

金相試樣制備,采用電解拋光+陽極覆膜的方式進行制樣;溶液為高氯酸︰乙醇=1︰9,覆膜后的樣品用去離子水沖洗、吹干后用光學(xué)顯微鏡進行組織觀察。電解拋光后的樣品不用覆膜直接在掃描電鏡上進行第二相觀察。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 硬度分析

硬度是考慮材料性能的一個實驗室指標(biāo),在本實驗中顯微硬度主要用來檢測材料的表面是否存在固溶和第二相局部強化的效果。實驗鑄軋板中選取了縱向 (TD截面)、軋面 (ND截面)和軋向橫截面(RD截面)三個方向檢測維氏硬度,檢測方向如圖1所示。

圖1 顯微硬度值檢測位置

表3給出了兩種鑄軋板顯微TD、ND、RD三個面上相應(yīng)位置的顯微硬度值。

從表3中可以看出,電解鋁液直接鑄軋的板材,在縱截面上的硬度比其他兩個方向上的稍高,且三個方向上的硬度值均高于重熔用鋁錠鑄軋生產(chǎn)的板材。

2.2 抗拉強度和延伸率分析

實驗分析了鑄軋板縱橫兩個方向的力學(xué)性能,結(jié)果如表4所示。

從表4中可以看出,鑄軋板材橫縱兩個方向的抗拉強度十分接近,而縱向上的延伸率要略高于橫向,這主要是因為鑄軋后的晶粒沿軋制方向排列,材料產(chǎn)生一定的各向異性,這一點與硬度值相印證。表4中也顯示,電解鋁液直接鑄軋生產(chǎn)的坯料抗拉強度略高于重熔用鋁錠生產(chǎn)的坯料,這和硬度分析的結(jié)果一致。

表3 鑄軋板顯微硬度值(HV)Tab.3 Microhardness value of cast-rolling strip

表4 兩種鑄軋板力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of two cast-rolling strips

2.3 鑄軋板縱向組織

圖2為兩種鑄軋板縱向組織金相照片,其中圖2(a~c)為電解鋁液鑄軋板;圖2(d~f)為重熔鋁鑄軋板,取樣位置均與圖1中的(a~c)對應(yīng),即表面至中心。

由圖2可見,兩種原料生產(chǎn)的鑄軋板組織均為沿軋制方向拉長的柱狀晶或纖維狀晶,且厚度方向上分布具有明顯的不均勻性。圖中(a)、(b)、(d)、(e)為靠近板材厚度方向的中心部位,晶粒有一定的變形組織特征,但變形程度有限;而在(c)、(f)兩個靠近板材的軋面部位,晶粒明顯拉長為流線型,呈典型的變形組織特征。這是由于在鑄軋帶坯的上下表面,熔體首先接觸鑄軋表面,散熱快,冷卻速度快,晶粒成核率高,結(jié)晶快,形成致密細(xì)小的枝晶;在鑄軋坯料的中心部分,隨著結(jié)晶的向前推進,熔體傳熱速度下降,過冷度下降,結(jié)晶速度降低,枝晶有了充分的長大時間,所以形成的晶粒相對粗大,也更容易出現(xiàn)結(jié)晶缺陷。同時圖中(a)、(d)還顯示,在中心部分,晶粒呈“人”字形對稱結(jié)構(gòu),這是由于鑄軋板是上下兩個面結(jié)晶、放熱,凝固過程由上下兩表面開始,在鑄軋板中心結(jié)束,因此,鑄軋板縱面上下兩層組織沿中心呈近似對稱,并在中心焊合成為牢固的一體。

(a)(b)(c)電解鋁液;(d)(e)(f)重熔鋁圖2 鑄軋板縱截面金相組織Fig.2 Micrographs showing microstructure of cast-rolling strip in longitudinal section

除以上共同特點外,從圖2中還可以觀察到,電解鋁液鑄軋板和重熔鋁錠鑄軋板有細(xì)微的不同,即電解鋁液鑄軋坯料的晶粒組織,無論是在中心部位還是近表層位置,晶粒尺寸均較重熔鋁錠鑄軋坯料的細(xì)小,變形后的條帶更窄。

2.4 鑄軋板的第二相分布

圖3 是兩種鑄軋板材縱截面上的第二相分布。

(a)(b)(c)電解鋁液鑄軋板全貌、表層、中心;(d)(e)(f)重熔鋁錠鑄軋板全貌、表層、中心圖3 鑄軋7.0mm板縱截面第二相分布Fig. 3 Distribution of second phases of 7.0mm cast-rolling strip in longitudinal section

圖3(a) 電解鋁液鑄軋板的全貌顯示,在表層區(qū)域的第二相粒子含量明顯少于中心層,而且表層區(qū)域的第二相粒子小于中心區(qū)域。圖3(b)、(c)顯示,表層區(qū)第二相粒子多為顆粒狀,中心區(qū)域的第二相不止有顆粒狀,而且還有大量的絲狀或條狀,且尺寸較近表層的粒子尺寸大。這種第二相在鑄軋厚度方向上的差異,主要是由于表層凝固較快、固溶度相對更高,析出的第二相粒子少;另一方面,合金相的形成對于冷卻速率具有選擇性,相對于表層,中心層析出了更多的第二相,這是鑄軋過程中產(chǎn)生偏析造成的。雖然1235合金化程度不高,但是合金元素在凝固過程同樣存在偏析。鑄軋的凝固過程,由于鑄軋板的上下表面先接觸結(jié)晶而凝固,且凝固速度快,Si、Fe等合金元素在合金中的固溶度大;隨著結(jié)晶過程的進行,固/液界面向中心位置推進,Si、Fe等正偏析元素在固/液界面的液相中聚集得越來越多,此時凝固溫度升高,過冷度減小,固溶度下降,合金元素則更多地以化合物的形式在材料中存在,且由于凝固溫度的相對升高,化合物尺寸也比邊部大。同理,在重熔鋁錠生產(chǎn)的鑄軋板縱截面上的第二相分布圖也滿足這些相關(guān)特征。但是,就圖中((a)、(b)、(c)與(d)、(e)、(f)比較,似乎電解鋁液生產(chǎn)的鑄軋板析出了更多的第二相。

僅通過金相照片不能夠具體反映晶粒尺寸與數(shù)量上的差異,因此本實驗中應(yīng)用ImageJ軟件對單位面積內(nèi)兩種板材中的第二相分布數(shù)量和尺寸進行了統(tǒng)計,如表5所示。

表5 組織中第二相尺寸與數(shù)量統(tǒng)計(μm)Tab.5 Statistics of size and quantity of second phase particles

由表5可以看出,電解鋁液生產(chǎn)的鑄軋板中,第二相粒子數(shù)量高于重熔鋁鑄軋板,第二相顆粒尺寸更小,分布更彌散,這與圖3的第二相微觀照片相對應(yīng);且因為電解鋁液生產(chǎn)的鑄軋板中晶粒小,第二相顆粒多,導(dǎo)致了其力學(xué)性能也比重熔鋁錠生產(chǎn)的板材高。

3 結(jié)論

實驗對電解鋁液直接鑄軋和鋁錠重熔后鑄軋生產(chǎn)的7.0mm厚1235鋁合金板材的力學(xué)性能、金相組織、第二相數(shù)量進行了分析研究。結(jié)果表明,1)電解鋁液直接鑄軋生產(chǎn)的板坯硬度、抗拉強度均高于重熔鋁錠生產(chǎn)的坯料,兩種板坯縱向的硬度、抗拉強度均高于其橫向硬度和抗拉強度均較高;2)兩種坯料縱面沿軋制方向呈纖維組織結(jié)構(gòu),電解鋁液生產(chǎn)的坯料晶粒較重熔鋁錠生產(chǎn)的坯料晶粒更細(xì)??; 3)電解鋁液生產(chǎn)的鑄軋板的第二相粒子數(shù)量多于重熔鋁錠生產(chǎn)的鑄軋板,且粒子尺寸更小,分布更彌散。

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Effects of Remelting and Electrolytic Processes on Microstructure and Mechanical Properties of 1235 Aluminum Alloy Cast-Rolling Strip

SUN Jianfeng1, LI Bo2, WANG Xike3

(1. Henan Branch of CHALCO, Zhengzhou 450041, China; 2. Zhengzhou Research Institute of CHALCO, Zhengzhou 450041, China; 3. Shangqiu Yangguang Aluminum Co., Ltd., Shangqiu 476000, China)

The paper studied 1235 aluminum alloy casting stocks produced by electrolysis and remelting, respectively; it analyzed hardness, mechanical properties, microstructure and second phases of the two stocks. The result showed that the stock produced directly by electrolytic process had higher hardness and tensile strength, finer grain size, more second phase particles which were more dispersive in the distribution.

Aluminum alloy; cast rolling; second phase; microstructure

2014-12-23

TG146.21

A

1671-6795(2015)05-0009-04

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