遲 蕊，王家毅，顧華鋒，張俊才，劉曉滕，劉晨光

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司 國家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心，山東 煙臺 265700)

3104鋁合金是目前常用的易拉罐罐體材料，這主要是因?yàn)樵摵辖鸬膹?qiáng)度高、耐蝕性優(yōu)良及深沖性能好[1-3]。制作易拉罐時，3104鋁合金板材發(fā)生拉伸減薄，在這個過程中的斷罐率和制耳率取決于板材的質(zhì)量[2]。為了提高罐體料的質(zhì)量，對板材生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)控制極為重要。

在3104鋁合金扁錠鑄造過程中容易產(chǎn)生粗大的化合物，它對后續(xù)熱軋等工序有不利的影響[4]。鑄錠的均勻化處理能將粗大(FeMn)Al6化合物轉(zhuǎn)化為α-Al12(FeMn)3Si相[5]，其轉(zhuǎn)化程度與均勻化工藝參數(shù)的設(shè)定有關(guān)[6]。均勻化工藝的調(diào)控參數(shù)是均勻化溫度、保溫時間及冷卻速率等[7]。一些研究者[8-10]對3104鋁合金均勻化處理進(jìn)行研究，但未系統(tǒng)的分析不同均勻化工藝參數(shù)對第二相及硬度的影響，制定一套適合生產(chǎn)的均勻化工藝制度。

本項目對6種不同的均勻化工藝參數(shù)方案展開試驗(yàn)研究，利用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡及硬度儀對鑄錠的組織、性能變化進(jìn)行分析，從而得到3104鋁合金扁錠合適的均勻化工藝參數(shù)范圍。

1 試驗(yàn)材料及方案

試驗(yàn)材料為3104鋁合金鑄錠，是在公司大生產(chǎn)條件下熔鑄制取的。取樣位置為圖1所示：A(1/2T處)，B(1/4T處)，C(1/10T處)，T為鑄錠厚度。將切取的試料鋸切成20 mm×20 mm×18 mm的小塊試樣，試樣編號為A1、A3、A5、A7、A9、A11、A13，B1、B3、B5、B7、B9、B11、B13，C1、C3、C5、C7、C9、C11、C13。

圖1 鑄錠取樣位置圖(T-鑄錠厚度，W-鑄錠寬度)Fig.1 Sampling location of the ingot(T-ingot thickness,W-ingot width)

6種均勻化工藝參數(shù)試驗(yàn)方案如下：

方案①，試樣編號A1、B1、C1，用10 h從室溫升溫至600 ℃保溫8 h，隨后將爐子快速降溫至500 ℃保溫2 h，取出空冷。累計用時約20 h。

方案②,試樣編號A3、B3、C3及方案④，試樣編號A7、B7、C7；將它們都用10 h從室溫升溫至600 ℃保溫8 h，隨后將方案④的試樣取出空冷。而后將爐子快速降溫至500 ℃保溫2 h，最后將方案②的試樣取出空冷。方案②的試樣累計用時約20 h，方案④的試樣累計用時18 h。

方案③，試樣編號A5、B5、C5，用10 h從室溫升溫至600 ℃保溫8 h，隨后控速降溫至500 ℃(降溫速率25 ℃/h，用時4 h)，在500 ℃保溫2 h，最后取出空冷。累計用時24 h。

方案⑤，試樣編號A9、B9、C9，用10 h從室溫升溫至605 ℃保溫6 h，最后取出空冷。累計用時16 h。

方案⑥，試樣編號A11、B11、C11，從室溫升溫至600 ℃保溫6.5 h，最后取出空冷。累計用時16.5 h。不經(jīng)均勻化處理的試樣編號為A13、B13、C13。

圖2是6種不同均勻化處理參數(shù)試驗(yàn)方案的工藝路線的示意圖。

圖2 6種均勻化試驗(yàn)方案的工藝路線的示意圖Fig.2 Schematic diagram of six homogenization test schemes

利用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡及硬度儀對鑄態(tài)試樣以及6種均勻化工藝試驗(yàn)方案處理后的試樣進(jìn)行檢測和分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3為3104鋁合金鑄態(tài)金相組織。由圖3可知，在鑄造過程中形成了大量的枝晶，其界面附近存在非平衡的結(jié)晶相，主要有Al6(Fe, Mn)、α-Al12-(Fe, Mn)3Si及Mg2Si相，各相的形態(tài)各異，骨骼狀、片狀及不規(guī)則狀。圖4為3104鋁合金鑄錠經(jīng)不同均勻化工藝處理后的金相組織。經(jīng)過不同均勻化處理后，不論是升溫至某一溫度、保溫一段時間后取出空冷，還是在保溫后降溫至某一溫度保溫一段時間、隨后取出空冷，Mg2Si相發(fā)生回熔、非平衡結(jié)晶相出現(xiàn)不同程度的熔斷，得到較為圓滑的第二相即α-Al12(Fe,Mn)3Si。從圖4還發(fā)現(xiàn)，A3、B3及C3號試樣較其他試樣熔斷的更為徹底，這與均勻化時間及溫度有關(guān)，A3、B3及C3號試樣在降溫段溫度高于540 ℃，且在此溫度下保溫一段時間。α-Al12(Fe,Mn)3Si相的存在有利于減少制罐過程中的斷罐率，可提高制罐生產(chǎn)效率，同時還能避免在深沖過程中出現(xiàn)針孔等缺陷[1]。

圖3 3104鋁合金鑄態(tài)金相組織Fig.3 As-cast microstructure of 3104 aluminum alloy

圖4 3104鋁合金鑄錠不同均勻化工藝處理后的金相組織Fig.4 Microstructure of 3104 aluminum alloy ingot after different homogenization processes

鑄態(tài)及不同均勻化工藝處理試樣的SEM圖分別見圖5和圖6。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，Al6(Fe,Mn)與α-Al12(Fe,Mn)3Si相在不同均勻化工藝處理后的轉(zhuǎn)化情況，與上述金相組織的表現(xiàn)一致。對圖6b中不同形貌的a相和b相進(jìn)行能譜分析，得出a相是由Al、Fe、Mn和Si組成，b相是由Al、Fe、Mn組成。

圖5 3104鋁合金鑄態(tài)SEM組織形貌Fig.5 SEM microstructure of as-cast 3104 aluminum alloy

圖6 3104鋁合金鑄錠不同均勻化工藝處理后的SEM組織形貌Fig.6 SEM microstructure of 3104 aluminum alloy ingot after different homogenization processes

同時還發(fā)現(xiàn)a相在均勻化過程中形成了很多小點(diǎn)，這是由于Al6(Fe,Mn)相轉(zhuǎn)化為α-Al12(Fe,Mn)3Si相的結(jié)果[11]，將這些小點(diǎn)稱之為“鋁點(diǎn)”[9]。

圖7為不同均勻化工藝處理試樣的透射電鏡觀察圖像，其典型相的透射圖及能譜分析結(jié)果如圖8和表1所示 。從圖中可以得知，不同均勻化工藝處理后，在合金中均析出大量的彌散相，其尺寸細(xì)小，形狀大多為條狀和塊狀，同時通過能譜分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)這些彌散相為含Mn的第二相，不同均勻化工藝處理并不會改變彌散相的類型，卻會影響彌散相的尺寸、數(shù)量及分布，這在A5、B5及C5號試樣中(均勻化處理累計用時24 h)尤為明顯。對具有典型均勻化工藝的A3號試樣(快速降溫，累計用時20 h)、A5號試樣(控速降溫，累計用時24 h)及A9號試樣(直接取出空冷，累計用時16 h)進(jìn)行彌散相的粒徑統(tǒng)計，其數(shù)值分別為250 nm、270 nm及180 nm，通過對比得出，慢的冷卻速率(A5號試樣)會導(dǎo)致彌散相尺寸長大，在500 ℃以上長時間保溫(A3和A5號試樣)也會使彌散相長大。上述結(jié)果表明，均勻化時間長短及冷卻速率對彌散相的尺寸、數(shù)量及分布有顯著影響。

圖7 不同均勻化工藝處理試樣的TEM圖像Fig.7 TEM images of samples processed by different homogenization processes

圖8 圖7中典型相的TEM顯微形貌Fig.8 TEM micrographs of typical phases in Fig.7

表1 圖8中對應(yīng)相的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Results of energy spectrum analysis of corresponding phase in Fig.8(wt/%)

表2為不同均勻化工藝處理試樣的硬度值。從表2可以發(fā)現(xiàn)，硬度值基本上表現(xiàn)為從表層(1/10T處)到心部(1/2T處)逐漸減少，這與鑄錠的偏析程度有關(guān)。鑄態(tài)鑄錠心部A13號試樣的硬度平均值最低，與表層C13號試樣的硬度平均值差距較大，差值為5.69 HV。均勻化處理后的各試樣的硬度值均高于鑄態(tài)的硬度值，這是由于鑄錠在冷卻過程中冷卻速率比較慢，使得基體中有彌散相析出，而此時的彌散相尺寸和數(shù)量所引起的彌散強(qiáng)化作用較弱，同時又降低了基體的晶格畸變，進(jìn)而使得經(jīng)過均勻化處理的硬度值稍高于鑄態(tài)的硬度值。A9、B9、C9號試樣(方案⑤)的硬度值方差最小，最大差值僅為1.11 HV，這與Mn的擴(kuò)散速率有關(guān)，它在高于605 ℃均勻化處理時擴(kuò)散速度較快[10-12]。3×××系鋁合金中的彌散相基本上均與Mn相關(guān)，在605℃保溫處理時會促進(jìn)更多的彌散相均勻析出 ，從而降低了偏析程度，這為鑄錠后續(xù)熱軋等工序提供了好的基礎(chǔ)。

表2 鑄態(tài)試樣經(jīng)不同均勻化工藝處理試樣的硬度值Table 2 Hardness values of as-cast specimens treated by different homogenization processes

結(jié)合透射電鏡顯微圖像和硬度值的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，彌散相的尺寸及數(shù)量與硬度變化值有一定的聯(lián)系，選擇受成分影響較小的心部硬度值來分析，得出A9號試樣的硬度值高于A5號試樣的硬度值，A5號試樣和A9號試樣彌散相粒徑分別為270 nm和180 nm，說明A5號試樣彌散相中的“尺寸效應(yīng)”所導(dǎo)致硬度值增加的程度已小于數(shù)量密度所產(chǎn)生的效果，但A5號試樣的硬度值卻比其他均勻化工藝下的硬度值高，這表明在數(shù)量密度一定的前提下，尺寸較大的彌散相的“尺寸效應(yīng)”仍能發(fā)揮主要作用?？偟膩碚f，Mn的擴(kuò)散速率對均勻化溫度要求很高，為使更多細(xì)小均勻的彌散相析出，應(yīng)在合理范圍內(nèi)適當(dāng)提高均勻化溫度。

3 結(jié) 論

1)與其他均勻化工藝方案相比，A3、B3及C3號試樣在均勻化后非平衡結(jié)晶相熔斷得更為徹底，這與均勻化時間和溫度有關(guān)。

2)通過對A3、A5和A9號試樣中彌散相粒徑的對比，均勻化處理中慢的冷卻速率和500 ℃長時間保溫會使彌散相長大，得出均勻化時間長短和冷卻速率對彌散相的尺寸、數(shù)量及分布有影響。

3)3104鋁合金鑄錠及經(jīng)過均勻化處理后試樣的硬度值基本上都是從表層到心部逐漸減少，這與偏析程度有關(guān)。A9、B9、C9號試樣的硬度值方差最小，這與Mn的擴(kuò)散速率有關(guān)，在605℃保溫處理下有更多的彌散相析出，彌散相尺寸和數(shù)量與硬度值有一定的關(guān)系，合理提高鑄錠的均勻化溫度有助于彌散相的均勻析出。