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)純鋁具有強度低、塑性好、耐蝕性強以及可以冷、熱變形加工等特點，因此常常被用來加工具有良好成型性和高抗蝕性但強度要求不高的部件，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的增加會增強變形織構(gòu)，并強烈地減緩再結(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)組分及其強弱的影響主要是通過影響雜質(zhì)鐵的存在形式實現(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[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)生強烈的回復(fù)和再結(jié)晶，變形織構(gòu)變?nèi)?，立方織?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45°制耳，立方織構(gòu)會造成強的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償作用，使得出現(xiàn)了8方向的制耳，大大降低了制耳率。