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(qiáng)

（洛陽龍鼎鋁業(yè)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(xù)鑄造機(jī)及后接多機(jī)架熱連軋?jiān)O(shè)備直接生產(chǎn)鋁合金薄板帶坯。哈茲列特連鑄連軋生產(chǎn)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(gè)工序進(jìn)行整合，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)的一種新型鋁帶生產(chǎn)技術(shù)，具有短流程 ,節(jié)能降耗 ,降低生產(chǎn)成本等工藝優(yōu)勢[1]。通過連鑄連軋技術(shù)，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(xù)加工。洛陽龍鼎鋁業(yè)連鑄連軋生產(chǎn)線由四臺110t混合爐、美國哈茲列特連鑄機(jī)，意大利米諾三連軋機(jī)組成。

8系鋁合金目前應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于家用食品包裝、藥用包裝、啤酒標(biāo)、空調(diào)散熱器翅片等。8系鋁合金，當(dāng)鐵硅比大于3 時(shí) ,一方面鑄態(tài)化合物數(shù)量和毛料中化合物的數(shù)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(jié)果是增加了鋁箔的變形抗力。當(dāng)鐵硅比小于 2 時(shí) ,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(kuò)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(qiáng)烈導(dǎo)致加工硬化 ,Si 含量偏高時(shí) ,易產(chǎn)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(jù)是盡可能促進(jìn)α(FeSiAl)相的形成[2]。

本文通過調(diào)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(xué)性能及表面質(zhì)量，確定鐵硅比對材料力學(xué)性能和表面質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 調(diào)整鐵硅比，確定合金成分

根據(jù)目前8系合金鋁箔成熟的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和工藝研究，參照GBT 3190-2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(zhì)量、力學(xué)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(shí)驗(yàn)合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)坯料生產(chǎn)

試驗(yàn)采用哈茲列特連鑄連軋法所生產(chǎn)8011、8021合金3.8mm厚度鑄坯。哈茲列特連續(xù)鑄造機(jī)采用兩條 1.5 mm厚鋼帶旋轉(zhuǎn)構(gòu)成完全運(yùn)動(dòng)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(xù)向后移動(dòng)。哈茲列特雙帶式連續(xù)鑄造機(jī)模腔在開始端和結(jié)束端高度相差不大 ,結(jié)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(shí)能緊貼鑄坯 ,熔融金屬從進(jìn)入連鑄機(jī)模腔到凝固成鑄坯離開結(jié)束端僅僅只是一個(gè)連續(xù)鑄造的過程只是在后接多機(jī)架的熱連軋時(shí)才受到強(qiáng)烈的軋制作用。哈茲列特連續(xù)鑄造 19 mm厚鋁合金連續(xù)鑄坯出口溫度 550℃,具有很高的余熱 ,為充分利用連續(xù)鑄坯余熱在連鑄后直接多機(jī)架在線熱連軋 ,但該在線熱軋實(shí)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(jié)晶 ,其晶粒組織主要為軋制變形晶粒組織[3]。

1.3 試驗(yàn)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(chǎn)工藝流程為：3.8mm坯料經(jīng)冷軋機(jī)軋至2.0mm厚度進(jìn)行再結(jié)晶退火，退火后經(jīng)冷軋、箔軋軋制成品，進(jìn)行成品退火。根據(jù)8011、8021合金再結(jié)晶溫度確定中間退火工藝，鋁箔雙合軋制時(shí)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(xué)性能，找出鐵硅比對兩種合金的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 坯料表面質(zhì)量對比

通過對比8021合金、8011連鑄連軋坯料表面質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生晶界偏析的可能性 ,但同時(shí)有利于降低 Fe 在 Al 中的擴(kuò)散激活能和增加 Al 中 Si 的含量,消除含鐵化合物偏析產(chǎn)生的組織條紋和結(jié)晶質(zhì)點(diǎn)較少產(chǎn)生的晶粒粗化。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)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(zhì)量。適當(dāng)?shù)脑黾?Si 含量和縮小鐵硅比有利于提高合金強(qiáng)度和合金的流動(dòng)性 ，減少鑄軋缺陷，同時(shí)還將對后續(xù)加工制品的織構(gòu)產(chǎn)生影響。鐵硅比增加容易造成分偏析，產(chǎn)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(zhì)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(jù)8021合金鐵成分較高、加工硬化率更高，8011合金再結(jié)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(shí)，金屬溫度達(dá)到360℃，保溫4小時(shí)。

（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(shí)，金屬溫度達(dá)到420℃，保溫4小時(shí)。

中間退火后經(jīng)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(shù)及成品表面質(zhì)量對比

在箔軋生產(chǎn)過程中8021合金軋制力略高于8011合金，其他工藝參數(shù)和兩種合金基本一樣。8021合金同8011合金相比，坯料經(jīng)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(shí)速度明顯提高 ,表面條紋側(cè)光看較明顯，鋁箔暗面存在細(xì)條狀間斷分布的條紋。晶粒較8011合金更細(xì)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(xiàn)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(jié)果如表2所示8021合金抗拉強(qiáng)度較8011高20Mpa左右，延伸率較優(yōu)于8011合金。

表2 試驗(yàn)物料成品原始力學(xué)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(qiáng)度與延伸率變化曲線，確定成品退火采用200～250℃，保溫時(shí)長13h，退火后取樣做力學(xué)性能如表3所示。退火后8021合金抗拉強(qiáng)度與8011合金差別不大，但延伸率明顯高于8011合金。

試驗(yàn)對比結(jié)果表明，8系合金鐵含量提高可有效提高材料抗拉強(qiáng)度，細(xì)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(zhì)量要求稍低的材料，可采用8021合金生產(chǎn)，延伸率提高將擴(kuò)大包裝用鋁箔的適用范圍。

表3 試驗(yàn)物料成品退火后力學(xué)性能

3 結(jié)論

（1）8系合金增加Fe元素含量，可有效提高材料抗拉強(qiáng)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(xiàn)成分偏析，產(chǎn)生表面偏析條紋，軋制成品后表面條紋重。