鐵硅比對連鑄連軋8系鋁合金組織及性能的影響

邢俊紅, 趙 強

（洛陽龍鼎鋁業有限公司，河南 洛陽471000）

哈茲列特連鑄連軋工藝通過哈茲列特連續鑄造機及后接多機架熱連軋設備直接生產鋁合金薄板帶坯。哈茲列特連鑄連軋生產工藝，是一種介于輥式鑄軋和熱軋工藝之間，其將熔煉、鑄造、軋制三個工序進行整合，從而實現連續、穩定生產的一種新型鋁帶生產技術，具有短流程 ,節能降耗 ,降低生產成本等工藝優勢[1]。通過連鑄連軋技術，可以快速、批量地得到1.0～7.0mm之間的鋁卷作為坯料，用于后續加工。洛陽龍鼎鋁業連鑄連軋生產線由四臺110t混合爐、美國哈茲列特連鑄機，意大利米諾三連軋機組成。

8系鋁合金目前應用廣泛，主要應用于家用食品包裝、藥用包裝、啤酒標、空調散熱器翅片等。8系鋁合金，當鐵硅比大于3 時 ,一方面鑄態化合物數量和毛料中化合物的數量將明顯增加,尤其是α、β相大量增加 ,粗大的FeAl3 對鋁箔的性能也是極其有害的 ;另一方面 ,Fe 含量的升高也將引起固溶 Fe 含量的升高 ,從而使加工硬化率提高 ,其結果是增加了鋁箔的變形抗力。當鐵硅比小于 2 時 ,易形成粗大的針狀β相 (FeSiAl) ,使鋁脆性增加 ,不易軋制變形。Si 加入 Al2Fe 合金中能顯著降低 Fe 在 Al中的擴散激活能 ,有利于含鐵化合物的析出。Si 在Al 中的固溶度很大 ,它強烈導致加工硬化 ,Si 含量偏高時 ,易產生 Si 的晶界偏析,而且難于使 Si 充分析出 ,因此鐵硅比控制的依據是盡可能促進α(FeSiAl)相的形成[2]。

本文通過調整8系合金鐵硅比，選取8021合金、8011合金，通過對比兩種合金的材料力學性能及表面質量，確定鐵硅比對材料力學性能和表面質量的影響。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 調整鐵硅比，確定合金成分

根據目前8系合金鋁箔成熟的生產經驗和工藝研究，參照GBT 3190-2008《變形鋁及鋁合金化學成分》，實驗方案確定合金成分w (Fe)/w (Si)控制在1.5左右的合金采用8011合金，合金成分w (Fe)/w (Si)控制在2.8-3.2之間的合金采用8021合金。兩種實驗方案合金成分如表1所示。兩種合金除鐵硅含量外，其他合金元素都相同，通過對比兩種合金表面質量、力學性能可確定不同鐵硅比對8系合金組織及性能的影響。

表1 實驗合金化學成分（質量分數/%）

1.2 試驗坯料生產

試驗采用哈茲列特連鑄連軋法所生產8011、8021合金3.8mm厚度鑄坯。哈茲列特連續鑄造機采用兩條 1.5 mm厚鋼帶旋轉構成完全運動鑄模 ,鋼帶背面高速水流冷卻 ,熔融金屬鋁液通過鑄嘴饋入雙帶之間 ,冷卻凝固并隨雙帶連續向后移動。哈茲列特雙帶式連續鑄造機模腔在開始端和結束端高度相差不大 ,結束端高度稍小于開始端的是為了讓雙帶在熔融金屬冷卻凝固收縮時能緊貼鑄坯 ,熔融金屬從進入連鑄機模腔到凝固成鑄坯離開結束端僅僅只是一個連續鑄造的過程只是在后接多機架的熱連軋時才受到強烈的軋制作用。哈茲列特連續鑄造 19 mm厚鋁合金連續鑄坯出口溫度 550℃,具有很高的余熱 ,為充分利用連續鑄坯余熱在連鑄后直接多機架在線熱連軋 ,但該在線熱軋實際上是一種溫軋 ,其連軋出帶溫度一般在200℃左右,不足以完成再結晶 ,其晶粒組織主要為軋制變形晶粒組織[3]。

1.3 試驗方法

哈茲列特連鑄連軋8011、8021合金坯料試制0.02mm厚度包裝用鋁箔，生產工藝流程為：3.8mm坯料經冷軋機軋至2.0mm厚度進行再結晶退火，退火后經冷軋、箔軋軋制成品，進行成品退火。根據8011、8021合金再結晶溫度確定中間退火工藝，鋁箔雙合軋制時對比兩種合金表面條紋、酸洗晶粒情況，確定成品退火工藝，對比成品力學性能，找出鐵硅比對兩種合金的影響。

2 試驗結果及分析

2.1 坯料表面質量對比

通過對比8021合金、8011連鑄連軋坯料表面質量發現，8021合金表面條紋較8011合金稍重。8011合金Si 含量高，但鐵硅比減小 ,雖然增加了 Si 產生晶界偏析的可能性 ,但同時有利于降低 Fe 在 Al 中的擴散激活能和增加 Al 中 Si 的含量,消除含鐵化合物偏析產生的組織條紋和結晶質點較少產生的晶粒粗化。經生產實踐證明,通過降低鐵硅比 ,消除了組織條紋 ,降低了晶粒粗化傾向 ,提高了連鑄連軋表面質量。適當的增加 Si 含量和縮小鐵硅比有利于提高合金強度和合金的流動性 ，減少鑄軋缺陷，同時還將對后續加工制品的織構產生影響。鐵硅比增加容易造成分偏析，產生組織條紋。圖1為連鑄連軋8011、8021合金3.8mm厚度坯料表面質量。

圖1 （a）8021合金3.8mm坯料表面、（b）8011合金3.8mm坯料表面

2.2 中間退火溫度選擇

根據8021合金鐵成分較高、加工硬化率更高，8011合金再結晶溫度在315-330℃之間，中間退火工藝采用：

（1）8011合金中間退火工藝：530℃-360℃差溫退火，爐氣溫度500-530℃保溫6小時，金屬溫度達到360℃，保溫4小時。

（2）8021合金中間退火工藝：530℃-420℃差溫退火，爐氣溫度500-530℃保溫8小時，金屬溫度達到420℃，保溫4小時。

中間退火后經冷軋、鋁箔軋制至0.012mm厚度左右單面光鋁箔成品。

2.3 軋制參數及成品表面質量對比

在箔軋生產過程中8021合金軋制力略高于8011合金，其他工藝參數和兩種合金基本一樣。8021合金同8011合金相比，坯料經退火后軋至成品 ,軋制速度略有升高 ,表面條紋稍重, 雙合道次軋制時速度明顯提高 ,表面條紋側光看較明顯，鋁箔暗面存在細條狀間斷分布的條紋。晶粒較8011合金更細小，酸洗后組織條紋較8011合金更明顯。如圖2所示。

通過對比知8021合金表面偏析條紋更重，8021合金中Fe元素更高，在鋁合金熔煉過程中形成液熔體，在室溫下固溶度很小，主要以硬而脆的FeAl3 形式析出，表層出現成分偏析，通過中間退火及多道次軋制條紋無法消除，雙合軋制后暗面組織條紋明顯。

圖2 （a）為8021合金酸洗后晶粒組織、（b）為8011合金酸洗后晶粒組織

2.3 成品退火后性能對比

8021合金、8011合金軋至0.02mm厚度成品，取樣做原始性能，性能結果如表2所示8021合金抗拉強度較8011高20Mpa左右，延伸率較優于8011合金。

表2 試驗物料成品原始力學性能

參照我司連鑄連軋8011合金成品退火工藝及8021合金抗拉強度與延伸率變化曲線，確定成品退火采用200～250℃，保溫時長13h，退火后取樣做力學性能如表3所示。退火后8021合金抗拉強度與8011合金差別不大，但延伸率明顯高于8011合金。

試驗對比結果表明，8系合金鐵含量提高可有效提高材料抗拉強度，細化材料晶粒；降低硅含量增加鐵硅比，材料韌性提高，延伸率可提高約2倍。對于要求高延伸且表面質量要求稍低的材料，可采用8021合金生產，延伸率提高將擴大包裝用鋁箔的適用范圍。

表3 試驗物料成品退火后力學性能

3 結論

（1）8系合金增加Fe元素含量，可有效提高材料抗拉強度。

（2）8021合金較8011合金成品延伸率有明顯提高，8系合金更加鐵硅比可有效改善材料韌性。

（3）8021合金較8011合金表面偏析條紋重，8系合金增加Fe元素含量，易出現成分偏析，產生表面偏析條紋，軋制成品后表面條紋重。