鑄軋3003冷軋工序組織和性能控制

許春偉，婁東閣

(1中鋁河南鋁業有限公司，河南 洛陽471003)(2 中鋁洛陽銅業有限公司，河南 洛陽471039)

3003鋁合金屬于Al-Mn系熱處理不可強化合金，由于其抗蝕性好，力學性能優良，而廣泛應用于各種需要加工成形和耐蝕性能比純鋁高的場所。但由于AL-Mn系合金自身的特點，采用鑄軋與冷軋法進行批量生產仍存在許多技術難題，其中，用3003合金鑄軋板冷軋生產的板帶材，中間退火后晶粒粗大就是一個很顯著的問題。

晶粒組織粗大的鋁板帶在精加工后， 沿軋制方向會產生許多粗晶條紋， 對板帶材表面質量產生極大影響， 同時也會使材料的力學性能下降， 經用戶使用會發生彎折開裂， 沖制破孔等嚴重質量問題。 因此， 在冷軋工序生產3003合金板帶過程當中，如何優化生產工藝，避免晶粒粗大具有極其重要的意義。

1 試驗材料與方法

1.1 實驗材料

選用同一批次3003鋁合金板坯作為實驗材料，鑄軋卷規格為7.0mm*Lmm，原始晶粒度等級均為1級，合金成分(質量分數)見表1。

表1 鑄軋3003化學成分(Wt%)

1.2 試驗方法

1.2.1 軟化曲線

為確定新的鑄軋3003中間退火工藝，取樣在實驗室做不同溫度的小樣退火，檢驗其抗拉強度、屈服強度及延伸率，結果如圖1所示。

從圖1可以看出：3003的再結晶開始溫度為360℃左右，在該溫度退火，力學性能發生顯著的變化；完全再結晶溫度為460℃左右，退火溫度達到或超過該溫度時材料的力學性能基本穩定，擬對同種產品中退火后總加工率相同的情況下，結合生產實際，在實驗室進行小樣退火的基礎上，制定3種不同退火工藝進行生產試驗，以便最終確定新的生產退火工藝。

圖1

1.2.2 生產試驗

冷軋在2050六輥不可逆冷軋機上進行，退火在箱式退火爐中進行。為了更好的掌握3003中間退火工藝制度，針對同種產品中退火后總加工率相同的情況下，先后小批量實驗了3種不同退火工藝，其工藝流程如下：

方案1：7.0mm→0.49mm中間退火(480℃/10h+420℃/2h)→冷軋至成品0.32mm

方案2：7.0mm→0.65mm中間退火(480℃/8h+420℃/2h)→冷軋至成品0.42mm

方案3：7.0mm→0.43mm中間退火(550℃/6h+420℃/2h)→冷軋至成品0.28mm

2 試驗結果

2.1 退火工藝的影響

3系鋁合金再結晶組織普遍表現為晶粒粗大而且不均勻，其晶粒度與經過鑄錠均勻化的熱軋卷相比，差距很大。因此試驗了三種退火工藝，從三種工藝流程生產的鋁卷上切取試樣，用硝酸+氫氟酸+鹽酸按一定比例組成的混合液中侵蝕10s～15s，用肉眼即可明顯觀察到各試樣的晶粒組織，見圖2；另做力學性能檢測見表2。

(a) ×2 (b) ×2 (c) ×2

從圖2可以看出，采用方案1生產的鋁卷樣片在經過混合酸侵蝕后晶粒較為粗大(圖2a)；采用方案2生產的鋁卷樣片晶粒雖然得到了很大程度的細化，但再結晶仍不完全 (圖2b )；而采用方案3生產的鋁卷樣片，已發生完全再結晶，其晶粒組織已相當均勻細小(圖2c)；因此方案3工藝最優，確定為生產中的中間退火工藝。

表2 退火工藝下對力學性能和晶粒度的影響

由于鑄軋實際上是“鑄”和“軋”的結合，帶坯內鑄造、變形、再結晶三種組織共存，且致密度較差，晶界間較寬，而3003合金中錳元素在鋁中的擴散速度比較慢，在快速冷卻(鑄軋生產的冷卻強度可達300℃/s)條件下來不及沉淀，以過飽和狀態保留在固溶體中，產生晶內偏析，導致晶界附近區域含錳量較晶粒內部高。這種存在著明顯晶內偏析的板帶材在進行中間退火時，由于錳強烈提高鋁合金的再結晶溫度，如圖3所示[1]，因此，含錳量高的區域再結晶溫度較含錳量低的區域高，在進行中間退火時，含錳量低的區域就會先形核生成再結晶晶粒，還可能因回復而降低儲能水平使再結晶溫度更為提高，繼續升溫至高錳區能發生再結晶時，低錳區晶粒早已長大，高錳區可能自身形核，也可能以低錳區再結晶晶核為核心而長大，最后形成粗大的晶粒組織，如方案1。

在方案1的基礎上，縮短退火時間，試驗了方案2，使晶粒組織得到了有效的控制，但相同的成品加工率力學性能普遍偏高，折彎不能得到很好的保證。為此制定了方案3，采用高溫快速退火，用其代替鑄錠均勻化退火。退火后MnAl6相或(FeMn)Al6相均勻析出，鑄錠均勻化處理是鑄錠在高溫下，錳原子進行擴散，從而消除錳在晶內的偏析。冷軋帶材進行高溫中間退火,由于冷變形激活能提高，更利于原子擴散，使MnAl6充分均勻析出消除錳在晶內的偏析，檢測表明退火達到0態的上限，且表面大晶粒的現象已經完全被克服，晶粒度達到了1級，力學性能和折彎也基本上達到了標準及客戶的要求。

從上述的實驗結果看出，冷軋卷經高溫中間退火，可以象鑄錠均勻化處理那樣，起到均勻化的作用，消除錳在晶內偏析，使之再結晶退火時不發生粗大晶粒。

2.2 變形量的影響

有研究表明， 鋁合金隨著變形量的變化， 再結晶處理后的再結晶織構也會有所不同。 通過織構組分析可以得出，鋁合金板低變形量時(冷軋30%, 50%)冷軋織構基本上沒有發生變化。因此軋制板內主要發生了回復或原位再結晶。只有冷軋織構中的反戈斯織構組分(80°～90° , 45°, 0°)消失了。中變形量時(冷軋70%, 90%)出現了立方織構和黃銅R型織構，Ifu R織構組織分卻不很強。冷軋70%時并經再結晶退火的鋁板，黃銅R織構組分的出現表明不連續的初次再結晶在退火后仍然被保留下來，說明鋁板內仍有一部分晶粒只發生了回復或原位再結晶。高變形量時(冷軋95%, 98%) ，R織構組分在退火后變成了主要的再結晶織構，同時立方及黃銅R織構均未能出現。變形量不同會影響到冷軋鋁板內晶粒再結晶的方式，進而造成不同的再結晶織構[2]。且隨著變形程度增加，金屬儲能增大，形核率與核心長大速度的比值不斷增加，再結晶晶粒不斷變細[3]。

1.再結晶開始溫度，2.再結晶終止溫度，3.固溶線

由表2可以看出，本實驗的變形量為94%～96%為高變形量范圍，但對其力學性能影響不大。

3 結論

① 3003鑄軋卷冷軋優化中間退火工藝：550℃/6h+420℃/2h，可以有效的避免大晶粒產生；

② 冷軋變形程度94%～96%內，變形程度對力學性能影響不大；

③ 提高加熱速度，可以有效細化晶粒，但也可通過合理控制合金成分，改善鑄軋板組織，增加冷變形程度，高溫短時退火等途徑來改善其組織性能。

[1]田榮璋，王祝堂.鋁合金及其加工手冊[M].長沙：中南大學出版社，2000，10.

[2]高矩形盒新拉伸工藝.機械設計與制造工程，2000，29(1)：18～19.

[3]鄧至謙，周善初.金屬材料及熱處理[M].長沙：中南大學出版社，1989，7～13.