影響1100鋁帶材織構(gòu)及制耳的關(guān)鍵因素

朱源源，石 磊，左欣欣，紀(jì)歡歡，李 棟，王冬旭

（河南中孚高精鋁材有限公司，鞏義 451200）

0 前言

工業(yè)純鋁具有強(qiáng)度低、塑性好、耐蝕性強(qiáng)以及可以冷、熱變形加工等特點(diǎn)，因此常常被用來加工具有良好成型性和高抗蝕性但強(qiáng)度要求不高的部件，例如化工、食品和生活用儲存容器，拉伸或者旋壓凹形器皿等。目前我公司生產(chǎn)的1100-O鋁圓片料主要用于裝飾品、生活用品等鋁制盒子（化妝品盒）。產(chǎn)品的主要生產(chǎn)流程為熔鑄-鋸銑-加熱-熱軋-冷軋-成品退火。

多晶體鋁合金經(jīng)過復(fù)雜的生產(chǎn)過程后，晶粒的晶體學(xué)取向會發(fā)生不同的變化。這種情況下，與軋向呈現(xiàn)不同角度的部位將會有不同的性能，宏觀的表現(xiàn)就是在深沖時出現(xiàn)的制耳現(xiàn)象，如何降低制耳率一直都是材料生產(chǎn)的難題[1]。1100-O鋁圓片料在后續(xù)的沖制中，因為牽涉到板向以及厚向的變形（塑性應(yīng)變），所以制耳率是其生產(chǎn)的最重要質(zhì)量指標(biāo)。

經(jīng)過對前期生產(chǎn)的1100鋁圓片料的分析，發(fā)現(xiàn)其存在制耳率偏高的現(xiàn)象。通過對其生產(chǎn)過程的分析，基本確定了影響其制耳率的生產(chǎn)要素，并通過工藝改進(jìn)后，滿足了客戶對產(chǎn)品的需求。

1 制耳主要影響因素分析

1.1 成分的影響

1100屬于純鋁系合金，主要的元素為Fe和Si，F(xiàn)e在組織中主要起強(qiáng)化作用，主要組成相為含F(xiàn)e的α（Al）、FeAl3及α-Al2Fe3Si2，少量的Al2Cu相。Fe的增加會增強(qiáng)變形織構(gòu)，并強(qiáng)烈地減緩再結(jié)晶形核和長大速率，使再結(jié)晶過程受到明顯抑制，削弱熱軋自退火時立方織構(gòu)的強(qiáng)度，從而增大45°制耳的傾向[2]；Si在后續(xù)自退火中形成再結(jié)晶立方織構(gòu){001}＜100＞，可以減少45°制耳。一般高硅低鐵可以降低制耳率，但是Si的增加會降低合金的塑性，據(jù)此我們設(shè)定1100合金的成分如表1所示。

表1 1100合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 均勻化工藝的影響

純鋁系中均勻化退火對再結(jié)晶織構(gòu)組分及其強(qiáng)弱的影響主要是通過影響雜質(zhì)鐵的存在形式實(shí)現(xiàn)的。固溶在鋁基體中的鐵元素易于沿晶界偏析，阻礙晶界遷移，從而阻礙立方取向晶核迅速長大，促進(jìn)變形織構(gòu)取向長大，最終消弱立方織構(gòu)。當(dāng)鐵含量一定時，在不同的退火工藝下立方織構(gòu)和變形織構(gòu)的組成不同主要與鐵在基體中的固溶量有關(guān)，再結(jié)晶退火時固溶的鐵越多，立方織構(gòu)越弱，變形織構(gòu)越強(qiáng)[3]。

在1100合金中，均勻化的過程對于Fe而言，一方面是析出，另一方面是溶解。均勻化溫度較低時（≤550℃），對于大部分鐵原子在此過程中以FeAl6的形式析出，再結(jié)晶時有利于促使立方取向核心的形成與長大；隨著退火溫度、退火時間的提高（≥560℃），含鐵析出相減少，過飽和固溶的鐵原子相應(yīng)增加，鋁基體中固溶的鐵含量增加，使得再結(jié)晶退火后立方織構(gòu)減弱，最后致使45°制耳增多。據(jù)此我們制定如表2所示的工藝。

表2 加均熱工藝

1.3 終軋溫度的影響

終軋溫度的影響主要是熱軋自退火過程的實(shí)現(xiàn)。板材經(jīng)過大壓下量的軋制后，組織晶格畸變能很大，溫度較高時，板材會發(fā)生強(qiáng)烈的回復(fù)和再結(jié)晶，變形織構(gòu)變?nèi)酰⒎娇棙?gòu)增加，達(dá)到合適的溫度時再結(jié)晶織構(gòu)能夠占比95%以上。對于1100合金而言，當(dāng)終軋溫度達(dá)到300℃時，通過金相覆膜分析發(fā)現(xiàn)坯料中多為粗大的扁平晶粒，均勻細(xì)小的再結(jié)晶織構(gòu)較少（如圖1（a）所示）。此次實(shí)驗將終軋溫度提升至320℃時，坯料組織基本為細(xì)小均勻的晶粒（如圖1（b）所示），達(dá)到了完全再結(jié)晶的目的，保證有足夠多的再結(jié)晶織構(gòu)占有量。

圖1 不同終軋溫度下1100熱軋坯料組織形貌（電解拋光+陽極覆膜）

從圖1中可以看到，熱軋終軋溫度較低的情況下，組織基本是變形組織和再結(jié)晶組織共存的狀態(tài)，且變形組織占比較大；提高終軋溫度以后，組織達(dá)到完全再結(jié)晶狀態(tài)，組織較為細(xì)小和均勻，為后續(xù)的成品退火提供了更加細(xì)小的形核中心。據(jù)此我們將終軋溫度由300℃提升至320℃。

1.4 加工率的影響

制耳率的減少是變形織構(gòu)和立方織構(gòu)平衡的一個過程，同時也是不同再結(jié)晶織構(gòu)相互制約的過程。變形織構(gòu)的大量增加是變形量的積累，變形量是控制板材織構(gòu)、各向異性和制耳行為的主要變量。對于1100合金而言，完全再結(jié)晶后，S織構(gòu)以及R織構(gòu)都會造成強(qiáng)45°制耳，立方織構(gòu)會造成強(qiáng)的0°/90°制耳。研究表明[4]：當(dāng)小于50%的變形量加上O態(tài)退火，冷軋織構(gòu)基本沒有變化。因此組織中主要發(fā)生的是回復(fù)和原位再結(jié)晶（主要產(chǎn)生R織構(gòu)）。超過80%的變形量時加上O態(tài)退火后，組織中出現(xiàn)了強(qiáng)立方和R織構(gòu)（S織構(gòu)轉(zhuǎn)換），并且存在一些殘留的軋制織構(gòu)，這兩種制耳有明顯的補(bǔ)償作用，使得出現(xiàn)了8方向的制耳，大大降低了制耳率。鑒于此，優(yōu)化后的工藝提高了加工率，具體的參數(shù)變化如表3所示。

表3 加工率調(diào)整對比

2 實(shí)驗結(jié)果

2.1 未退火新老工藝對比結(jié)果

通過對成分、均熱、自退火以及加工率的工藝調(diào)整，制耳的變化如圖2所示。

圖2 未成品退火沖制罐體的制耳率對比圖

圖2中1號樣品指的是使用老工藝未退火前的制耳情況。由樣品可以判斷，該罐存在很大的45°制耳，出現(xiàn)了大量的S織構(gòu)以及銅織構(gòu)，經(jīng)過測量制耳率達(dá)到了7%。雖然成品退火后制耳降低至4.79%（45°方向），但仍不能滿足客戶的需要（≤3%）。

經(jīng)過分析影響1100純鋁系制耳的因素，我們將成分進(jìn)行了更改，另外降低了均火溫度，提高了自退火溫度同時小幅度地增加了冷軋加工率。從調(diào)整后的2號樣品可以看到，45°制耳大幅度減少。經(jīng)過Fe、Si含量以及自退火溫度的調(diào)整，變形后立方織構(gòu)的殘留較大，降低了45°制耳，實(shí)測制耳率為4.3%，基本達(dá)到了退火前的制耳預(yù)期。

2.2 退火后新老工藝對比結(jié)果

圖3中的左樣指的是用老工藝生產(chǎn)的樣品經(jīng)過成品退火后的制耳情況，可以看到，主要的制耳方向仍然是45°。雖然經(jīng)過了成品退火，但是由于軋制織構(gòu)含量較高，發(fā)生再結(jié)晶后，再結(jié)晶織構(gòu)中大部分都是由原位再結(jié)晶晶粒組成，導(dǎo)致了立方織構(gòu)不足，無法將前期的大制耳平衡。經(jīng)過調(diào)整后，新工藝所生產(chǎn)的產(chǎn)品（圖3右樣）明顯制耳偏小，經(jīng)過測量制耳率為1.67%，方向為0°/90°，基本達(dá)到退火后的預(yù)期效果。

圖3 成品退火后沖制罐體的制耳率對比圖

3 結(jié)論

（1）在1100合金中，主要元素Fe和Si對深沖料的制耳率均有影響，在一定的范圍內(nèi)，適當(dāng)增加Fe含量和降低Si含量有利于制耳率的降低。

（2）在1100合金中，增加熱軋均勻化溫度，有利于制耳率的降低。

（3）在1100合金中，提高熱軋終軋溫度，坯料組織可達(dá)到完全再結(jié)晶狀態(tài)，為后續(xù)的成品退火提供了更加細(xì)小的形核中心，有利于制耳率的降低。

（4）在1100合金中，大加工率有利于制耳率的降低，超過80%的變形量時加上O態(tài)退火后，組織中出現(xiàn)了強(qiáng)立方和R織構(gòu)（S織構(gòu)轉(zhuǎn)換），并且存在一些殘留的軋制織構(gòu)，這兩種制耳有明顯的補(bǔ)償作用，使得出現(xiàn)了8方向的制耳，大大降低了制耳率。