重熔铝和电解铝生产的1235铝合金铸轧板组织和性能

孙剑锋，李 波，王西科

(1.中铝河南分公司，河南郑州450041；2.中铝郑州研究院，河南郑州450041；3. 商丘阳光铝材有限公司，河南商丘476000)



重熔铝和电解铝生产的1235铝合金铸轧板组织和性能

孙剑锋1，李 波2，王西科3

(1.中铝河南分公司，河南郑州450041；2.中铝郑州研究院，河南郑州450041；3. 商丘阳光铝材有限公司，河南商丘476000)

实验以电解铝液直接铸轧和由铝锭重熔铸轧生产的1235铝合金铸轧坯料为研究对象，系统分析了两种铸轧坯料的硬度、力学性能、金相组织、第二相等。结果显示，电解铝液直接铸轧生产的坯料硬度、抗拉强度高，晶粒组织更细小、第二相颗粒更多、分布更弥散。

铝合金；铸轧；第二相；显微组织

用于加工铝合金双零箔的坯料有两种，一种是铸轧法生产的坯料，即铸轧法直接生产出7mm左右的铸轧卷，经冷轧退火后得到铝箔坯料；另一种是半连续铸造成锭，铣面后热轧开坯，再冷轧成坯料，即热轧法。两种生产工艺生产铝箔坯料目前均有使用，各有优缺点。热轧法组织均匀，缺陷少，有利于轧制；铸轧法生产的坯料，生产流程短，化合物尺寸小，更适宜轧制更薄的板材或箔材[1]。铸轧法是铝液通过一套装置引导至两个轧辊之间形成的“辊缝”中，通过两个轧辊的强冷却、结晶和变形后，得到厚度为6～8mm的铸轧卷坯。铸轧过程中，铝液在两个轧辊之间受到轧辊的急剧冷却而结晶，凝固后的坯料同时受到两个轧辊一定程度的轧制变形，所得到的铸轧板的内部组织属于半铸态结构，晶体的方向性较强，国内目前铝箔坯料大多采用铸轧坯料[2-4]。

铸轧坯料的生产有用重熔铝锭生产的，也有用电解铝液直接铸轧生产的[5-7]。到目前为止，很少有系统地研究采用两种不同原料、相同工艺生产出的铸轧坯料在组织、性能上有何异同，对后续的轧制板、箔有什么不同的影响。

本实验分别采用重熔铝锭和电解铝液铸轧成板，分析了两种原料生产的板材在力学性能、微观组织方面的异同。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验以1235铝合金为研究对象，对比研究了两种原料生产的铸轧坯料的微观组织、力学性能。实验合金的化学成分见表1，添加剂的成分见表2。

1.2 实验方法

实验在正常生产线上进行，熔炼在25t铝熔炼炉中进行，采用气体加热。炉料中铝锭+回炉料控制在总炉料量的20%～30%。电解铝液用铝抬包转运至铸造厂内，利用电解铝液的温度预热熔化铝锭和回炉料；重熔铝锭则是直接加入熔化炉。化平搅拌后静置扒渣，利用氮气喷粉精炼，化学成分合格后进行铸轧，铸轧板厚度7.0mm。

采用硬度计、拉力试验机、金相显微镜、扫描电镜分析铸轧板的硬度、力学性能、微观组织、第二相分布等。

硬度试样用1000#金相砂纸打磨光滑平整，然后用HV3-1000维氏硬度计进行硬度检测，载荷为0.98N(0.1kg)，加载时间为5s。

力学性能分析样品按国标GB/T228-2002要求进行加工，拉伸速度为5mm/min。每个条件下的实验取三个平行样，测试结果的算术平均值作为最终测试结果。

金相试样制备，采用电解抛光+阳极覆膜的方式进行制样；溶液为高氯酸︰乙醇=1︰9，覆膜后的样品用去离子水冲洗、吹干后用光学显微镜进行组织观察。电解抛光后的样品不用覆膜直接在扫描电镜上进行第二相观察。

2 实验结果与分析

2.1 硬度分析

硬度是考虑材料性能的一个实验室指标，在本实验中显微硬度主要用来检测材料的表面是否存在固溶和第二相局部强化的效果。实验铸轧板中选取了纵向 (TD截面)、轧面 (ND截面)和轧向横截面(RD截面)三个方向检测维氏硬度，检测方向如图1所示。

图1 显微硬度值检测位置

表3给出了两种铸轧板显微TD、ND、RD三个面上相应位置的显微硬度值。

从表3中可以看出，电解铝液直接铸轧的板材，在纵截面上的硬度比其他两个方向上的稍高，且三个方向上的硬度值均高于重熔用铝锭铸轧生产的板材。

2.2 抗拉强度和延伸率分析

实验分析了铸轧板纵横两个方向的力学性能，结果如表4所示。

从表4中可以看出，铸轧板材横纵两个方向的抗拉强度十分接近，而纵向上的延伸率要略高于横向，这主要是因为铸轧后的晶粒沿轧制方向排列，材料产生一定的各向异性，这一点与硬度值相印证。表4中也显示，电解铝液直接铸轧生产的坯料抗拉强度略高于重熔用铝锭生产的坯料，这和硬度分析的结果一致。

表3 铸轧板显微硬度值(HV)Tab.3 Microhardness value of cast-rolling strip

表4 两种铸轧板力学性能Tab.4 Mechanical properties of two cast-rolling strips

2.3 铸轧板纵向组织

图2为两种铸轧板纵向组织金相照片，其中图2(a～c)为电解铝液铸轧板；图2(d～f)为重熔铝铸轧板，取样位置均与图1中的(a～c)对应，即表面至中心。

由图2可见，两种原料生产的铸轧板组织均为沿轧制方向拉长的柱状晶或纤维状晶，且厚度方向上分布具有明显的不均匀性。图中(a)、(b)、(d)、(e)为靠近板材厚度方向的中心部位，晶粒有一定的变形组织特征，但变形程度有限；而在(c)、(f)两个靠近板材的轧面部位，晶粒明显拉长为流线型，呈典型的变形组织特征。这是由于在铸轧带坯的上下表面，熔体首先接触铸轧表面，散热快，冷却速度快，晶粒成核率高，结晶快，形成致密细小的枝晶；在铸轧坯料的中心部分，随着结晶的向前推进，熔体传热速度下降，过冷度下降，结晶速度降低，枝晶有了充分的长大时间，所以形成的晶粒相对粗大，也更容易出现结晶缺陷。同时图中(a)、(d)还显示，在中心部分，晶粒呈“人”字形对称结构，这是由于铸轧板是上下两个面结晶、放热，凝固过程由上下两表面开始，在铸轧板中心结束，因此，铸轧板纵面上下两层组织沿中心呈近似对称，并在中心焊合成为牢固的一体。

(a)(b)(c)电解铝液；(d)(e)(f)重熔铝图2 铸轧板纵截面金相组织Fig.2 Micrographs showing microstructure of cast-rolling strip in longitudinal section

除以上共同特点外，从图2中还可以观察到，电解铝液铸轧板和重熔铝锭铸轧板有细微的不同，即电解铝液铸轧坯料的晶粒组织，无论是在中心部位还是近表层位置，晶粒尺寸均较重熔铝锭铸轧坯料的细小，变形后的条带更窄。

2.4 铸轧板的第二相分布

图3 是两种铸轧板材纵截面上的第二相分布。

(a)(b)(c)电解铝液铸轧板全貌、表层、中心；(d)(e)(f)重熔铝锭铸轧板全貌、表层、中心图3 铸轧7.0mm板纵截面第二相分布Fig. 3 Distribution of second phases of 7.0mm cast-rolling strip in longitudinal section

图3(a) 电解铝液铸轧板的全貌显示，在表层区域的第二相粒子含量明显少于中心层，而且表层区域的第二相粒子小于中心区域。图3(b)、(c)显示，表层区第二相粒子多为颗粒状，中心区域的第二相不止有颗粒状，而且还有大量的丝状或条状，且尺寸较近表层的粒子尺寸大。这种第二相在铸轧厚度方向上的差异，主要是由于表层凝固较快、固溶度相对更高，析出的第二相粒子少；另一方面，合金相的形成对于冷却速率具有选择性，相对于表层，中心层析出了更多的第二相，这是铸轧过程中产生偏析造成的。虽然1235合金化程度不高，但是合金元素在凝固过程同样存在偏析。铸轧的凝固过程，由于铸轧板的上下表面先接触结晶而凝固，且凝固速度快，Si、Fe等合金元素在合金中的固溶度大；随着结晶过程的进行，固/液界面向中心位置推进，Si、Fe等正偏析元素在固/液界面的液相中聚集得越来越多，此时凝固温度升高，过冷度减小，固溶度下降，合金元素则更多地以化合物的形式在材料中存在，且由于凝固温度的相对升高，化合物尺寸也比边部大。同理，在重熔铝锭生产的铸轧板纵截面上的第二相分布图也满足这些相关特征。但是，就图中((a)、(b)、(c)与(d)、(e)、(f)比较，似乎电解铝液生产的铸轧板析出了更多的第二相。

仅通过金相照片不能够具体反映晶粒尺寸与数量上的差异，因此本实验中应用ImageJ软件对单位面积内两种板材中的第二相分布数量和尺寸进行了统计，如表5所示。

表5 组织中第二相尺寸与数量统计(μm)Tab.5 Statistics of size and quantity of second phase particles

由表5可以看出，电解铝液生产的铸轧板中,第二相粒子数量高于重熔铝铸轧板，第二相颗粒尺寸更小，分布更弥散，这与图3的第二相微观照片相对应；且因为电解铝液生产的铸轧板中晶粒小，第二相颗粒多，导致了其力学性能也比重熔铝锭生产的板材高。

3 结论

实验对电解铝液直接铸轧和铝锭重熔后铸轧生产的7.0mm厚1235铝合金板材的力学性能、金相组织、第二相数量进行了分析研究。结果表明，1)电解铝液直接铸轧生产的板坯硬度、抗拉强度均高于重熔铝锭生产的坯料，两种板坯纵向的硬度、抗拉强度均高于其横向硬度和抗拉强度均较高；2)两种坯料纵面沿轧制方向呈纤维组织结构，电解铝液生产的坯料晶粒较重熔铝锭生产的坯料晶粒更细小； 3)电解铝液生产的铸轧板的第二相粒子数量多于重熔铝锭生产的铸轧板，且粒子尺寸更小，分布更弥散。

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Effects of Remelting and Electrolytic Processes on Microstructure and Mechanical Properties of 1235 Aluminum Alloy Cast-Rolling Strip

SUN Jianfeng1, LI Bo2, WANG Xike3

(1. Henan Branch of CHALCO, Zhengzhou 450041, China; 2. Zhengzhou Research Institute of CHALCO, Zhengzhou 450041, China; 3. Shangqiu Yangguang Aluminum Co., Ltd., Shangqiu 476000, China)

The paper studied 1235 aluminum alloy casting stocks produced by electrolysis and remelting, respectively; it analyzed hardness, mechanical properties, microstructure and second phases of the two stocks. The result showed that the stock produced directly by electrolytic process had higher hardness and tensile strength, finer grain size, more second phase particles which were more dispersive in the distribution.

Aluminum alloy; cast rolling; second phase; microstructure

2014-12-23

TG146.21

A

1671-6795(2015)05-0009-04