熱軋溫度對純鋁系裝飾板帶材冷軋組織的影響

劉 軍，杜新偉，楊 杰，董煌成

（1.韶關(guān)東陽光科技研發(fā)有限公司，乳源 512721；2.乳源東陽光優(yōu)艾希杰精箔有限公司，乳源 512721）

0 前言

鋁板帶箔材是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于航空、航天、建筑、印刷、交通、電子、化工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)，其產(chǎn)量和消費量近年來呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的態(tài)勢。其中外墻建筑及室內(nèi)裝飾、印刷、電子、食品包裝等行業(yè)的需求量進(jìn)一步提高，是鋁板帶消費量增長的主要動力，同時，交通運輸業(yè)正在成為新的鋁板帶箔消費增長點。純鋁系板帶材因為具有密度小、可強化、易加工、耐腐蝕、反射性強、美觀性好等一系列優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于裝飾材料。隨著市場競爭的日趨激烈，客戶對這類產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量和外觀質(zhì)量方面的要求越來越高。內(nèi)在質(zhì)量包括微觀組織的均勻性、強度等方面，外觀質(zhì)量包括板面色差、線條等缺陷。

純鋁系板帶材通常采用熱軋法生產(chǎn)，常規(guī)工藝流程為：熔鑄→均熱處理→熱軋→冷軋→精整。板錠熱軋工序的開軋溫度一般為400～560℃，終軋溫度為200～300℃，總壓下量＞96%。熱軋的軋制溫度高，壓下量大，在軋制過程中會發(fā)生動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶以及靜態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶。熱軋溫度對再結(jié)晶的影響很大，進(jìn)而影響熱軋卷最終的組織狀態(tài)，熱軋卷的組織會遺傳到冷軋，從而對冷軋卷的組織和外觀產(chǎn)生影響。所以為了得到滿意的冷軋組織，需要控制合適的熱軋溫度。

1 試驗方法

為了驗證熱軋溫度對1系鋁板帶組織的影響，選擇了1070合金進(jìn)行試驗。生產(chǎn)工藝流程設(shè)計如下：熔鑄→均熱處理→熱軋→冷軋。板錠尺寸：450 mm×1 100 mm×5 000 mm，熱軋卷厚度：5.0 mm。

1.1 試驗方案設(shè)計

熱軋開軋溫度設(shè)計了高、中、低3個方案；冷軋壓下道次設(shè)計了2個方案，一個方案的單道次壓下量≤40%，一個方案的單道次壓下量≥50%；具體實驗方案見表1、表2和表3。

表1 均熱及熱軋試驗方案

熱軋卷從5.0 mm冷軋到0.27 mm，小壓下量冷軋壓下工藝見表2，大壓下量冷軋壓下工藝見表3。

表2 小壓下量冷軋道次表

表3 大壓下量冷軋道次表

1.2 低倍組織檢測

對熱軋卷取內(nèi)圈板樣，一部分樣品銑去表層2.5 mm到板樣芯層位置，做低倍腐蝕。低倍腐蝕液配比：8%HCl+8%HNO3+4%HF+80%純水（體積比），腐蝕時間10～15 min。

1.3 硬度測量

對低倍組織不同部位取樣測量硬度，檢測設(shè)備采用F09C44A001(DHV-1000)維氏硬度計，加載力0.3 kg，保壓時間15 s。

2 試驗結(jié)果

2.1 熱軋過程比較

在熱軋機工作輥的左、右兩側(cè)安裝紅外線測溫儀，實時測量并記錄板坯在軋制過程中的溫度其結(jié)果見圖1。

圖1 板坯熱軋過程溫度比較

從圖1中的對比結(jié)果可知，在熱軋過程中，A工藝的軋件溫度最高，軋制時間最長，發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶的程度最高，B工藝次之，C/D工藝開軋溫度最低，發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶的程度最低。

2.2 熱軋組織比較

取試驗料卷的熱軋板樣進(jìn)行腐蝕，尺寸為1 100 mm×300 mm×5 mm。圖2為樣品直接腐蝕的低倍組織，圖3為樣品表層銑削2.5 mm到芯層后再進(jìn)行腐蝕的低倍組織。

圖2、圖3中的A、B分別對應(yīng)表1試驗方案中的開軋溫度520℃、460℃，C/D對應(yīng)表1試驗方案中的開軋溫度420℃。從圖2、圖3可以看出，A的表層組織、芯層組織都比較均勻；B的表層組織仍比較均勻，芯層組織出現(xiàn)輕微的不均勻現(xiàn)象；C/D的表層組織出現(xiàn)了一般不均勻現(xiàn)象（延伸帶），芯層組織現(xiàn)了嚴(yán)重的不均勻現(xiàn)象（粗大延伸條狀組織）。

圖2 熱軋板表層低倍組織

圖3 熱軋板芯層低倍組織

2.3 冷軋外觀形貌比較

4個方案的試驗料，分別按表1要求的冷軋道次軋制到0.27 mm厚度。在軋制過程中密切觀察冷軋卷的外觀形貌，其結(jié)果見表4。

表4 冷軋道次中出現(xiàn)白條紋的情況

在冷軋成品道次完成后，對試驗料進(jìn)行取樣拍照比較，結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，圖4（a）、（b）的外觀比較均勻，為正常的冷軋板狀形貌；圖4（c）的冷軋外觀很不均勻，表面存在明顯的縱向間隔性白色帶狀形貌；圖4（d）的冷軋外觀不均勻性較輕，縱向間隔性白色帶狀形貌不明顯。

圖4 不同工藝?yán)滠埦肀砻嫱庥^形貌的對比

3 分析與討論

3.1 純鋁熱軋的回復(fù)與再結(jié)晶行為對其組織的影響

熱軋是指在金屬再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的軋制。熱軋過程由于在再結(jié)晶溫度以上，軋制變形過程中金屬加工硬化和回復(fù)同時進(jìn)行，金屬隨變形程度的增加會有一定的加工硬化。但在熱軋范圍內(nèi)，回復(fù)過程起主要作用，金屬的再結(jié)晶通常不完全，其合金組織主要顯現(xiàn)為再結(jié)晶組織并同時存在變形組織。熱軋變形過程中的再結(jié)晶，包括與變形同時發(fā)生的動態(tài)再結(jié)晶和各道次之間變形完結(jié)后冷卻時所發(fā)生的晶態(tài)再結(jié)晶[1]。

研究結(jié)果表明：動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形程度很大；動態(tài)再結(jié)晶易于在晶界及亞晶界處形核；由于動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形程度比靜態(tài)再結(jié)晶大很多，因此，一旦變形停止，馬上會發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶；變形溫度越高，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶與靜態(tài)再結(jié)晶所需時間就越短[1]。

很長時間以來，人們一直認(rèn)為在工業(yè)生產(chǎn)條件下，熱軋純鋁不會經(jīng)歷動態(tài)再結(jié)晶過程[2-3]。因為純鋁在高溫變形中借助回復(fù)降低位錯密度的能力太強，以至基體中保留的儲存能，即再結(jié)晶驅(qū)動力不足以在工業(yè)生產(chǎn)的降溫變形過程中及時驅(qū)動再結(jié)晶。熱軋變形溫度降低到300℃以下后，變形基體不能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶行為。但是在熱軋完成后的卷取或再次退火處理中會發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶[3]。由此可見，強烈回復(fù)后的熱變形組織內(nèi)的儲存能可以驅(qū)動后續(xù)的靜態(tài)再結(jié)晶[2-4]。但明顯降低的驅(qū)動力和持續(xù)降低的變形溫度使得再結(jié)晶的孕育期大幅度延長，以至于熱軋變形過程中的動態(tài)再結(jié)晶尚未開始熱軋變形加工就結(jié)束了。研究發(fā)現(xiàn)[5-6]，只有在非常低的應(yīng)變速率（例如1 mm/min）條件下，高純鋁的熱變形時間才會超過動態(tài)再結(jié)晶的孕育期，從而觀察到典型的動態(tài)再結(jié)晶應(yīng)力-應(yīng)變曲線。同時隨著鋁純度降低，較多的雜質(zhì)元素也會阻礙動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生[7]。

純鋁扁錠的工業(yè)熱軋速度一般在90 m/min以上，綜上所述，1×××系純鋁合金，在熱軋過程中，基本上不會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，主要發(fā)生動態(tài)回復(fù)、靜態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶。熱軋溫度越高，發(fā)生的靜態(tài)再結(jié)晶程度就越高。

圖2、圖3的熱軋板試樣組織差異說明，熱軋組織的均勻性與開軋溫度息息相關(guān)。因為開軋溫度越高，熱軋過程的溫度就越高，發(fā)生的靜態(tài)再結(jié)晶程度就越高，反之亦然。圖2和圖3中，A的開軋溫度最高，再結(jié)晶程度最高，經(jīng)過反復(fù)軋制，發(fā)生多次靜態(tài)再結(jié)晶，最終的熱軋組織比較細(xì)小，表面及芯層均無粗大組織；B的開軋溫度次之，最終熱軋板已經(jīng)開始出現(xiàn)粗大組織，但是不嚴(yán)重；C/D的開軋溫度最低，板錠芯層的粗大晶粒再結(jié)晶程度最低，經(jīng)熱軋多次反復(fù)延伸后，仍然保留了部分的粗大晶粒，同時產(chǎn)生了較粗大的條狀花紋組織。C/D的板錠表層因道次變形程度遠(yuǎn)大于芯層，再結(jié)晶驅(qū)動力足夠，在熱軋前、中期溫度較高時再結(jié)晶程度還是很高的。但是到了熱軋后期，隨著熱軋溫度進(jìn)一步降低，再結(jié)晶程度明顯不足，表面呈現(xiàn)明顯軋制紋路，有些局部還出現(xiàn)了粗大帶狀組織。

3.2 熱軋不良組織對冷軋組織的影響

圖4（c）中出現(xiàn)的與軋向平行的帶狀發(fā)白紋路稱為粘狀花紋。粘狀花紋是軋輥粘附物不均勻地印附在鋁板或鋁卷的表面上所形成的與軋向平行的帶狀光澤不良紋路。光澤不均從微觀上可分為“粘附雜質(zhì)”和“表面微裂紋”兩類，“粘鋁”和“表面微裂紋”密度增大，光澤不均的密度也增大，且呈白色[8]。C/D工藝熱軋溫度低（見圖3），熱軋卷芯層有粗大條狀組織，而且芯層組織硬度分布也不均勻（見表5），組織越粗大，硬度越小。在冷軋初期，因為熱軋表面的組織基本正常，所以沒有出現(xiàn)色差帶缺陷組織，當(dāng)冷軋到0.27 mm左右，熱軋芯層的粗大組織流露到軋件表面，粗大帶狀組織的硬度與均勻組織不一樣，表面潤滑及表層鋁粉脫落的情況也不一致，直接導(dǎo)致軋輥鋁粉的粘附物出現(xiàn)差異，從而導(dǎo)致光澤不均，產(chǎn)生粘狀花紋，見表4。

表5 熱軋板組織的硬度測量結(jié)果

當(dāng)?shù)来螇合铝勘容^小時，單道次塑性變形程度較小，熱軋芯層粗大組織無法迅速破碎，隨著厚度減薄逐漸顯露在表面形成這種軋輥粘附物，見圖4（c）。當(dāng)單道次壓下量增大時上述情況正好相反，塑性變形程度大，粗大組織在前期大加工率條件下被破碎，只有少部分殘留，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的粘狀花紋比較輕微，見圖4（d）。

4 結(jié)論

（1）降低純鋁板錠的熱軋開軋溫度及終軋溫度，會導(dǎo)致熱軋卷的再結(jié)晶程度變低。

（2）當(dāng)熱軋開軋溫度在420℃以下，終軋溫度低于280℃，熱軋發(fā)生再結(jié)晶程度低下，純鋁熱軋卷的芯層會遺留有粗大晶粒，同時會出現(xiàn)較粗大的條狀花紋組織。

（3）純鋁熱軋卷組織越粗大硬度越低，粗大組織會遺傳到冷軋卷。如果冷軋的單道次壓下量≤40%，在冷軋到一定厚度時，會出現(xiàn)粘狀花紋缺陷。

（4）對于芯層有粗大組織及條狀花紋的純鋁卷，如果冷軋的單道次壓下量＞50%，可以減弱或者防止粘狀花紋缺陷。