趙斌斌，趙茂密，姜小龍，馮恩浪，李 睿

（吉利百礦集團(tuán)有限公司，百色533000）

0 前言

傳統(tǒng)熱軋法生產(chǎn)3003合金需經(jīng)過(guò)熔鑄、銑面、鋸切、均勻化處理、熱軋、冷軋和精整等工序，具有耗時(shí)長(zhǎng)、工序多、總成品率偏低等缺點(diǎn)。而連續(xù)鑄軋3003合金因生產(chǎn)路線(xiàn)短、經(jīng)濟(jì)性佳且性能足夠而被廣泛地應(yīng)用于幕墻板、鋁天花和建筑等領(lǐng)域，但較熱軋3003合金其在折彎及深沖性能等方面存在不足，不適宜生產(chǎn)深沖性或制耳率要求高的產(chǎn)品，如鋁圓片、動(dòng)力電池殼等。為了降低生產(chǎn)成本和能耗，提高成品率和經(jīng)濟(jì)效益，在開(kāi)發(fā)新的鑄軋工藝生產(chǎn)高性能產(chǎn)品以替代熱軋法產(chǎn)品時(shí)，需對(duì)鑄軋3003合金進(jìn)行高溫均勻化處理。而目前有關(guān)該過(guò)程的研究?jī)?nèi)容較少[1-3]。因此，本文研究了均勻化溫度對(duì)不同厚度鑄軋3003合金試樣的晶粒度、金相組織及力學(xué)性能的影響，為生產(chǎn)高性能鑄軋合金產(chǎn)品提供參考和借鑒。

1 試驗(yàn)材料及方法

連續(xù)鑄軋得到的樣品成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為 ： Mn1.10～1.20； Fe0.50～0.60； Cu0.06～0.08；Si0.20～0.30；Ti0.03～0.05，其余為Al。

使用中頻箱式電阻爐對(duì)不同厚度試樣進(jìn)行不同溫度的均勻化處理，表1為均勻化試驗(yàn)工藝方案。采用力學(xué)拉伸試驗(yàn)機(jī)，按國(guó)標(biāo)GB/T 228.1要求檢測(cè)規(guī)格為20 mm×100 mm的鑄軋態(tài)（F）、加工態(tài)（H）和均勻化后樣品的力學(xué)性能。

經(jīng)過(guò)堿液浸泡一定時(shí)間并酸洗獲得低倍晶粒度試樣；經(jīng)過(guò)粗磨、精磨、電解拋光后，用Keller試劑腐蝕約50 s后再進(jìn)行陽(yáng)極覆膜獲得高倍晶粒度試樣。采用蔡司倒置式顯微鏡對(duì)均勻化前、后試樣的宏觀(guān)、微觀(guān)晶粒度及第二相形貌等進(jìn)行觀(guān)測(cè)；采用ZEISS掃描電鏡及能譜分析儀（EDS）觀(guān)察均勻化前、后試樣中第二相具體成分、種類(lèi)、分布、大小等情況。

表1 均勻化試驗(yàn)工藝方案

2 結(jié)果及分析

2.1 均勻化溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

經(jīng)均勻化處理10 h后不同名義厚度3003合金部分試樣的力學(xué)性能結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著總加工率的增加，試樣越薄抗拉強(qiáng)度越大，這是加工硬化使位錯(cuò)密度增大而導(dǎo)致變形抗力增加的緣故。試樣厚度相同時(shí)，均勻化處理溫度越高，則抗拉強(qiáng)度越低。均勻化處理溫度相同時(shí)，不同厚度下的抗拉強(qiáng)度大小順序?yàn)镽m（8.0）>Rm（4.0）>Rm（6.0）。名義厚度8.0 mm試樣隨均勻化溫度升高其延伸率先升后降，經(jīng)580℃均勻化后達(dá)到最高；6.0 mm試樣延伸率隨均勻化溫度升高而提高，而4.0 mm試樣的延伸率隨均勻化溫度升高而降低。這是因?yàn)殍T軋冷卻強(qiáng)度大，元素來(lái)不及析出而形成大量過(guò)飽和相，均勻化過(guò)程析出的大量相在阻礙再結(jié)晶的同時(shí)也使變形抗力提高[4]；冷變形加工中的小部分變形能轉(zhuǎn)為形變儲(chǔ)存能，并在均勻化過(guò)程中釋放而促使晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致變形抗力降低即強(qiáng)度降低。隨著總加工率增大，表面與中間的變形加大即位錯(cuò)密度增加消減了變形儲(chǔ)存能釋放導(dǎo)致變形抗力降低的作用，故抗拉強(qiáng)度Rm（4.0）>Rm（6.0）。

2.2 均勻化溫度對(duì)晶粒度的影響

經(jīng)600℃均勻化處理10 h后，不同厚度鑄軋?jiān)嚇拥纳?、下表面低倍晶粒照片表明，相同均勻化溫度處理后，試樣厚度越薄，其表面低倍晶粒尺寸越大。原因是變形程度越大，試樣表層形變?chǔ)存能積聚越多，經(jīng)均勻化處理后釋放就越充分，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力也更強(qiáng)，導(dǎo)致晶粒尺寸越粗大。均勻化后試樣由厚到薄的鑄軋上表面低倍晶粒等級(jí)分別為2級(jí)、3級(jí)、5級(jí)，下表面對(duì)應(yīng)分別為5級(jí)、4級(jí)、5級(jí)。其原因是鑄軋速度一定時(shí)，鑄軋下表面因首先接觸鑄軋輥與軋輥接觸時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，后續(xù)鋁液持續(xù)傳熱又使晶粒儲(chǔ)存能較高，相鄰晶粒間取向差變小，最終使得晶粒在均勻化時(shí)因晶界遷移速率較大而長(zhǎng)大；鑄軋上表面最后凝固，冷卻強(qiáng)度大，快速凝殼導(dǎo)致位錯(cuò)和亞晶界等缺陷大量生成而阻礙再結(jié)晶，使得晶粒細(xì)致緊密[4]。厚度4.0mm試樣在600℃均勻化處理后的試樣邊緣低倍晶粒度等級(jí)為1級(jí)，這是因?yàn)殍T軋時(shí)帶坯邊緣的冷卻強(qiáng)度極大，抵抗變形和阻礙再結(jié)晶能力極強(qiáng)，冷變形加工與均勻化處理后仍可保持細(xì)致組織。對(duì)不同名義厚度及狀態(tài)下的3003合金試樣進(jìn)行高倍晶粒觀(guān)察，結(jié)果如圖2所示。

由圖2知，試樣厚度越薄，晶界破碎的程度越顯著，晶粒更加密集且隨著均勻化溫度的升高，高倍晶粒尺寸逐漸增大，晶粒數(shù)量減少。這是因?yàn)樵谙嗤瑴囟染鶆蚧嘶饡r(shí)，試樣厚度越厚，坯料的再結(jié)晶溫度越高，再結(jié)晶所需要的能量越大，越不容易粗晶化；厚度越薄，冷變形加工率越大，坯料的再結(jié)晶溫度越低，晶粒容易粗大化。相同厚度試樣經(jīng)均勻化處理后，名義厚度8.0 mm試樣的晶粒尺寸特別粗大，6.0 mm試樣的晶粒比8.0 mm略小，晶粒分布相對(duì)更加均勻；均勻化前后晶粒的大小、分布與均勻性不一致性顯著，大小晶粒晶界相連并互相嵌入。對(duì)于相同厚度試樣，均勻化退火溫度越高，其晶粒越粗大。這是因?yàn)槟芰吭礁邉t晶界擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力更大，元素運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散更快且固溶度增加，原過(guò)飽和相析出后又溶解，對(duì)位錯(cuò)和亞晶界釘扎作用減弱致使晶粒易長(zhǎng)大。

表2 均勻化前后第二相成分（原子百分?jǐn)?shù)/%）

2.3 均勻化溫度對(duì)金相組織的影響

通過(guò)掃描電鏡觀(guān)察分析鑄軋態(tài)與580℃均勻化后名義厚度8.0 mm試樣的背散射組織形貌（見(jiàn)圖3）。表2是EDS分析均勻化前、后第二相成分的結(jié)果。

由圖3（a）可知，鑄軋態(tài)基體中第二相顆粒分布不均勻、體積較大但數(shù)量少，不同區(qū)域第二相的大小存在較大差異，晶界不清晰。這是由于激冷使大部分Mn元素固溶在A(yíng)l基體中，部分相來(lái)不及凝固而聚集成團(tuán)塊狀相。由表2分析可知，鑄軋態(tài)合金中的第二相有游離的Al6Mn相，還有由Al、Mn和少量的Fe、Ti等元素形成的AlMnFe、AlMnTi復(fù)合相。由圖3（b）可知，經(jīng)580℃均勻化后第二相分布相對(duì)較均勻，尺寸相對(duì)鑄軋態(tài)明顯減小，數(shù)量增多，這是因?yàn)榫鶆蚧^(guò)程使過(guò)飽和固溶體大量析出細(xì)小第二相。同時(shí)，晶界聚集物擴(kuò)散后仍然存在塊狀聚集相，表明均勻化程度不夠完全。第二相主要呈現(xiàn)為點(diǎn)狀、條狀和不規(guī)則橢球狀，其中點(diǎn)狀顆粒相為AlMnFe、AlMnFeSi等復(fù)合相，大塊狀相主要是AlMnFe等相，條狀與不規(guī)則橢球狀相主要是AlMnFeSi等相。

圖4是4.0 mm試樣在不同均勻化溫度下保溫10 h后的橫截面第二相形貌及尺寸。由圖4（a）可知，經(jīng)550℃均勻化后第二相顆粒尺寸在0.8～1.7μm之間，部分晶界第二相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，這些相在變形過(guò)程中有阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，使合金的韌性與塑性均一性變差。由圖4（b）可知，經(jīng)580℃均勻化后第二相顆粒尺寸在1.1～2.1μm之間，第二相數(shù)量相對(duì)550℃均勻化后有所增多，其微觀(guān)組織特征印證了圖1中的力學(xué)性能變化。由圖5（c）知，經(jīng)600℃均勻化后第二相顆粒尺寸約為1.0～2.0μm，第二相數(shù)量與密度相對(duì)580℃均勻化明顯減少，晶界復(fù)熔、粗化并且變得平直，這是因?yàn)楦邷厥沟肕n元素在基體中的固溶度增大而導(dǎo)致低熔點(diǎn)第二相大量回熔和聚集。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鑄軋3003合金試樣不同均勻化溫度處理前、后的晶粒度、金相組織及力學(xué)性能的對(duì)比與分析，得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于相同厚度試樣，均勻化溫度越高，其內(nèi)部晶粒組織越粗大，第二相尺寸也增大，反之則越?。幌嗤鶆蚧幚頃r(shí)，厚度越薄，機(jī)械加工率越大，內(nèi)部晶粒組織越粗大，反之則越小。

（2）均勻化前鑄軋態(tài)合金的晶粒細(xì)小，晶界物質(zhì)體積粗大，各類(lèi)元素在晶界集中較明顯，晶粒度等級(jí)較小，組織中存在A(yíng)l6Mn、AlMnFe、AlMnTi等第二相。均勻化后晶粒長(zhǎng)大且大小不均勻，大顆粒相部分分解或完全溶解，第二相顆粒析出數(shù)量相對(duì)明顯增多，并且出現(xiàn)AlMnFeSi等相，其形貌多為不連續(xù)的條狀與點(diǎn)狀形。

（3）均勻化處理溫度越高，相同厚度試樣的抗拉強(qiáng)度則越低，在580℃均勻化后，不同名義厚度試樣的抗拉強(qiáng)度大小為：Rm（8.0）>Rm（4.0）>Rm（6.0）。