鑄軋法3104鋁合金生產(chǎn)工藝控制要點(diǎn)淺析

陳博文，杜新偉

（乳源東陽光優(yōu)艾希杰精箔有限公司，廣東 韶關(guān) 512700）

3000系鋁合金主要添加元素為Mn元素，主要形成MnAl6第二相作為強(qiáng)化相。3系鋁合金中的3104合金除了在鋁基體中添加Mn元素之外，還添加了Mg元素作為強(qiáng)化元素，普遍應(yīng)用于易拉罐體材料、幕墻材料、鋁基板材料等的生產(chǎn)。3104合金主要采用（DC法）鑄造-熱軋-冷軋的工藝模式，（CC法）鑄軋生產(chǎn)方式由于受到各種不良因素的限制，難以得到推廣，近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對CC法3104合金鋁材的內(nèi)部組織機(jī)理和影響因素進(jìn)行了一些研究，大多數(shù)局限于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理論上的分析，本文介紹了在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)條件下，闡明了最優(yōu)的生產(chǎn)鑄軋3104合金帶材的工藝參數(shù)。

1 CC法3104合金工藝難點(diǎn)

圖1 鑄軋3104合金板材硬態(tài)及退火態(tài)金相組織圖片

3XXX鋁合金的主要合金元素是Mn，3104合金也有其它的金屬元素，如Mg、Fe、Si、Cu、Zn等，其中Mg元素的含量約為1%。根據(jù)Al-Mn系合金平衡相圖，其凝固過程具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：①液相線斜率很小，等溫結(jié)晶間隔甚寬。②液相線和固相線垂直結(jié)晶間隔很小，僅0.5℃～1.0℃。③錳在鋁中的固溶度變化很大，隨溫度的下降而急劇減小。加之CC法鑄軋生產(chǎn)工藝鑄軋工藝具有劇烈的冷卻速度，其值已經(jīng)達(dá)到了102～103℃/s，比常規(guī)半連續(xù)鑄造技術(shù)約快2個(gè)數(shù)量級，因此高M(jìn)n3104合金鑄軋板材當(dāng)中存在著明顯晶內(nèi)偏析，即晶內(nèi)與晶外的Mn元素濃度存在明顯差異，成品退火時(shí).低錳區(qū)域就會先形核生成再結(jié)品晶粒，繼續(xù)升溫至高錳區(qū)能發(fā)生再結(jié)晶時(shí)，低錳區(qū)晶粒早已長大，因此，造成再結(jié)晶的晶粒大小不一[1]。如圖1(a)、（b）所示。

2 技術(shù)改進(jìn)措施

生產(chǎn)測試中，按照3104標(biāo)準(zhǔn)成分進(jìn)行鑄軋法生產(chǎn)（如表1），材料加工工藝為：熔煉-鑄軋-均熱--冷軋-切邊-冷軋-退火-發(fā)貨，鑄軋坯料厚度7.0mm，冷軋5-8個(gè)道次，成品厚度0.4mm，中間退火工藝：370～450℃＊3h。分別采取鑄軋工藝調(diào)整、增加鑄軋坯料均熱工藝、等工藝措施控制其晶內(nèi)偏析，效果與原因分析如下所述。

表1 合金成分表（wt%）

（1）鑄軋工藝優(yōu)化。軋輥壓力下，富集在固液界面處的液態(tài)合金元素沿枝晶間隙，從軋輥與熔鋁接觸的過冷面根據(jù)孔道效應(yīng)集中到中部溫度較高的區(qū)域，當(dāng)液態(tài)合金全部凝固后，在板坯的中心層則形成了偏析層。中心偏析一直是鑄軋材料的固有缺陷。采用了光譜分析方法探索不同鑄軋參數(shù)條件下鑄軋坯的元素偏析，可以更宏觀的測出元素在不同層上的分布情況。鑄軋參數(shù)主要包括鑄軋速度、前箱溫度兩個(gè)指標(biāo)。圖2指出了在三種不同前箱溫度（鑄軋溫度）和鑄軋速度情況下的元素偏析情況，偏析發(fā)生的趨勢大體一致，按照到表面的距離呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢。并且偏析較嚴(yán)重的區(qū)域都發(fā)生在板坯中心線附近。不同工藝條件下，偏析的程度存在差異，在前箱溫度為670℃，鑄軋速率為1.0m/min時(shí)Mg元素和Mn元素的偏析較嚴(yán)重，在前箱溫度為690℃，鑄軋速率為0.8m/min時(shí)，偏析相對較輕。適當(dāng)降低鑄軋速率，提高冷卻強(qiáng)度可以一定程度預(yù)防中心線偏析。

圖2 不同鑄軋參數(shù)下距板坯厚度方向元素分布情況

（2）鑄軋坯料均熱工藝。熱軋法生產(chǎn)過程中，鑄錠一般需要均勻化退火，其可以消除枝晶偏析，使部分共晶相溶解、成分均勻且消除大部分內(nèi)應(yīng)力。均勻化溫度一般選擇：0.9Tm～0.95Tm，Tm為鑄錠開始融化時(shí)的溫度，3104鑄錠均勻化溫度一般為：580℃～600℃。鑄軋坯料很少有進(jìn)行均勻化退火的工藝操作，經(jīng)過大量實(shí)踐論證，根據(jù)鑄軋立板溫度一般為590℃～595℃，制定了570℃×10 h的均勻化熱處理制度。

圖3 均熱后鑄軋板組織情況

圖3（a）～（b）為3104鋁合金合金經(jīng)570℃×10h的均勻化處理之后的顯微組織照片，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)均勻化處理后鑄軋板的顯微組織發(fā)生了顯著的變化，經(jīng)均勻化處理后，合金的組織中晶內(nèi)枝晶斷裂、枝晶組織特質(zhì)得到改善，大部分粗大非平衡結(jié)晶相溶入基體中，并且組織中未出現(xiàn)復(fù)熔共晶球等過燒特征。說明實(shí)驗(yàn)所制定的均勻化處理工藝效果較好。最終成品退火后進(jìn)行延伸率測試的結(jié)果如表2，從表中可見，常規(guī)鑄軋材料進(jìn)行均熱后，材料的延伸率僅有20%，表面紋路明顯，沖壓測試出現(xiàn)裂紋比例高，經(jīng)過鑄軋以及均勻化工藝之后，材料延伸率可以達(dá)到27%，沖壓測試未出現(xiàn)裂紋。

表2 不同工藝機(jī)械性能

3 結(jié)論

鑄軋過程中通過選擇適宜的鑄軋工藝（前箱溫度690℃,鑄軋速度0.8m/s）以及適宜的均勻化工藝（570℃×10h）可以有效的降低鑄軋法3104合金的晶內(nèi)偏析同時(shí)降低晶粒度，改善后的成品經(jīng)過退火后，0.4mm3系合金O狀態(tài)延伸率可以達(dá)到27%，沖壓不開裂，表面不存在水波紋。