哈兹列特连铸连轧3003铝合金板组织和性能研究

哈兹列特连铸连轧3003铝合金板组织和性能研究
杨永昌;关绍康;陈斌斌
【摘要】采用金相、扫描电镜等分析手段及拉伸、弯曲力学性能测试,研究了相同厚度(2 mm)哈兹列特连铸连轧3003铝合金板带和铸轧3003铝合金冷轧产品的显微组织及力学性能,哈兹列特连铸连轧3003铝合金板带无需后续冷轧,直接用于幕墙铝单板加工使用是可行的,可降低生产成本,缩短流程.
【期刊名称】《轻合金加工技术》
【年(卷),期】2010(038)010
【总页数】5页(P15-18,26)
【关键词】哈兹列特连铸连轧;3003铝合金;显微组织;力学性能;幕墙铝单板
【作者】杨永昌;关绍康;陈斌斌
【作者单位】郑州大学材料研究中心,河南,郑州,450002;郑州大学材料研究中心,河南,郑州,450002;郑州大学材料研究中心,河南,郑州,450002
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.21;TG44
哈兹列特连铸连轧工艺通过哈兹列特连续铸造机及后接多机架热连轧设备直接生产铝合金薄板带坯,具有短流程,节能降耗,降低生产成本等工艺优势[1]。

幕墙用 3003铝合金单板国内普遍使用铸轧工艺生产,但铸轧厚度无法达到幕墙使用厚度,还需经过后续的冷轧继续减小厚度,而哈兹列特连铸连轧工艺在连铸之后直接短流程地连
轧至2mm厚度,如果其力学性能及质量能达到幕墙铝单板的使用要求,则省去了后续的冷轧,大大缩短了生产周期,提高了生产效率。

通过对比试验研究了哈兹列特连铸连轧工艺和铸轧工艺生产的产品在组织性能上的差异,探讨了哈兹列特连铸连轧铝合金板带无需后续冷轧,直接用于幕墙铝单板加工使用的可行性。

1 试验材料及方法
试验材料为哈兹列特公司提供的哈兹列特连铸连轧2mm厚3003铝合金板带。

对比试验组采用国内某铝加工厂提供的由铸轧生产然后冷轧至2 mm厚的3003铝合金H 24板带,采用ARUN台式直读光谱仪Metalscal-2000F测定板材的实际成分,如表1。

沿轧向截取试样,用牙托粉镶样,用 800#砂纸研磨后机械抛光,再电解抛光。

利用Olympus H2-UMA型金相采集系统观察板材金相显微组织并采集照片,对试样进行阳极覆膜试验,在Olympus BX51M型偏光显微镜下观察其晶粒组织并采集照片,在菲利普(Philip)Quanta-2000型扫描电镜上进行高倍观察及能谱分析,以确定析出相的形貌和成分。

板材拉伸力学性能按GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸实验方法》,GB/T 16865-1997《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样》的规定进行测定。

板材的弯曲性能试验方法按 GB/T232-1999《金属材料弯曲试验方法》的规定进行。

表1 实测不同工艺3003合金板成分(质量分数) %?
2 试验结果及分析
2.1 不同工艺 3003铝合金板显微组织对比分析
哈兹列特连铸连轧2mm厚3003铝合金板和铸轧2 mm厚3003铝合金冷轧板金相显微组织对比如图 1。

哈兹列特连铸连轧 3003铝合金板中第二相颗粒有明显沿轧向分布的趋向(图 1a),这是因为3003铝合金熔融金属液经哈兹列特连续铸造机连铸后直接在3在机架热连轧,从连续铸坯厚度 19mm连轧至2 mm,变形量大,晶粒组织沿轧向大变形量地伸长,第二相颗粒被压碎,多为细小、均匀圆颗粒状,沿晶粒
伸长方向分布。

相对于哈兹列特连续铸造,铸轧冷却速度快,铸轧晶粒组织细小,析出相沿晶界分布,故其析出相较哈兹列特连铸连轧的要多,要细。

铸轧 3003铝合金虽
然在连铸的同时轧制变形,但其变形量相对哈兹列特连铸连轧铝合金板带的要小得多,第二相颗粒沿轧向分布的趋向没有哈兹列特连铸连轧板材的明显,经冷轧后第二
相颗粒分布变得更加弥散。

图1 不同工艺2mm厚3003铝合金板中第二相(纵向)
哈兹列特连续铸造机采用两条1.5 mm厚钢带旋转构成完全运动铸模,钢带背面高
速水流冷却,熔融金属铝液通过铸嘴馈入双带之间,冷却凝固并随双带连续向后移动。

哈兹列特双带式连续铸造机模腔在开始端和结束端高度相差不大,结束端高度稍小
于开始端的是为了让双带在熔融金属冷却凝固收缩时能紧贴铸坯,熔融金属从进入
连铸机模腔到凝固成铸坯离开结束端仅仅只是一个连续铸造的过程,只是在后接多
机架的热连轧时才受到强烈的轧制作用。

哈兹列特连续铸造19 mm厚铝合金连续铸坯出口温度538℃[2],具有很高的余热,为充分利用连续铸坯余热在连铸后直接多机架在线热连轧,但该在线热轧实际上是一种温轧,其连轧出带温度一般不高于315℃[3],不足以完成再结晶,其晶粒组织主要为轧制变形晶粒组织,如图2a。

图2 不同工艺2mm厚3003铝合金板偏光组织(纵向)
铝带坯连续铸轧技术的主要特点是用转动的轧辊做结晶器,使金属熔体经过铸造又
受到轧制直接生产出不同厚度的铝带坯。

铸轧时,铸轧区内熔体的热量主要通过铸
轧辊套传给辊芯内的冷却水,其余部分由带坯带走。

在铸轧辊压力作用下,刚刚凝固
的薄壳产生的塑性变形很小,带坯与轧辊间的接触是紧密的,不会形成间隙,保持良好的导热状态。

因此,熔体在铸轧区内受到剧烈的冷却,冷却速度可达102℃/s,比常规水冷半连续铸锭的冷却速度约高两个数量级[4]。

铸轧过程中铸轧板完全凝固后,在
变形区内承受一定的轧制变形,该轧制变形是在高温下进行的,带坯离开轧辊时的表
面温度为320℃～360℃,铸轧变形在固相线温度到出坯温度区间内发生,轧制率通
常为 20%～30%。

铸轧带坯在热变形时会发生动态回复,使金属变形时的畸变能有相当大的降低,但由于铸轧带坯出口温度不高,带坯内仍然保留一定量的变形能。

铸轧带坯的显微组织既不是完全的铸态组织,也不是完全的变形组织,而是铸态组织和部分发生动态回复和少量再结晶的组织。

经冷轧后,铸轧变形晶粒组织及少量再结晶晶粒组织都沿轧向延伸为细长变形晶粒组织,如图2b。

不同工艺轧制 3003铝合金板中第二相扫描电镜观察及能谱分析如图 3,高倍下发现哈兹列特连铸连轧 3003铝合金板中第二相不规则颗粒状,明显是由于连铸晶间化合物被轧碎沿轧向分布,铸轧 3003铝合金板中第二相因为铸轧时快速冷却,第二相沿细小晶粒的晶界不连续析出,故呈圆颗粒状,冷轧至2mm,第二相因为细小,形态没有太大的变化,仍然呈圆颗粒状,但变得沿轧向分布。

经能谱分析哈兹列特连铸连轧 3003铝合金板和铸轧 3003铝合金板中的第二相主要为AlMn相和AlMnFe 相。

图3 不同工艺 2mm厚3003铝合金板中第二相扫描电镜观察及能谱分析
2.2 不同工艺 3003铝合金板力学性能及强化机制分析
哈兹列特连铸连轧2mm厚3003铝合金板和铸轧 3003铝合金冷轧板拉伸力学性能对比如表 2。

铸轧 3003铝合金冷轧板由于冷轧加工硬化,细小弥散第二相强化,强度相对较高,但塑性加工性能较差。

哈兹列特连铸连轧 3003铝合金板强度略低于铸轧+冷轧的,但塑性加工性能好。

参照标准YS/T429.1-2000《铝幕墙板板基》规定的抗拉强度为 110 N/mm2～177 N/mm2,铝板伸长率为 5%,哈兹列特连铸连轧 3003铝合金板达到该行业标准。

弥散第二相强化机制分析[5]：
对于两相合金,第二相粒子如果十分细小,并且在基体晶粒内呈弥散分布时,第二相质点将成为位错运动的障碍物,且相界(即晶界)面积显著增多并使其周围晶格发生畸变,从而使滑移抗力增加,表现为弥散合金强化。

表2 不同工艺 3003铝合金板的力学性能对比?
当质点小而软或为软相时,位错能切割它并使其变形,这时加工硬化小,但随质点尺寸的增大,位错只有在加大外力的情况下才能通过。

当质点坚硬而难于被位错切开时,位错不能直接越过这种第二相质点,但在外力作用下,位错线可以环绕第二相质点发生弯曲,最后在质点周围留下一个位错环而让位错通过。

位错线弯曲将增加位错影响区的晶格畸变能,增加位错移动的阻力,使滑移抗力提高。

位错线弯曲的半径越小,所需外力越大。

因此,在第二相数量一定的条件下,第二相质点的弥散度越大(分散成很细小的质点),则滑移抗力越大,合金的强化程度越高[6]。

哈兹列特连铸连轧 3003铝合金板及铸轧冷轧3003铝合金板中第二相都呈弥散分布状态,对合金具有一定强化作用。

2.3 不同工艺 3003铝合金板弯曲性能对比分析
哈兹列特连铸连轧3003合金 2mm厚板与铸轧3003铝合金冷轧板(2 mm厚)弯曲性能见表 3。

轧制板材的晶粒组织沿轧向伸长,其力学性能具有明显方向性,横向和纵向的其最大弯曲应力和最大弯曲应变具有一定差别,横向试样在弯曲角度不到90°时出现裂纹,应力-应变曲线迅速下降,而纵向试样在稍大于90°时才出现裂纹。

从不同工艺的对比数据来看,哈兹列特连铸连轧板和铸轧 +冷轧板的弯曲性能差别不大。

表3 不同工艺 3003铝合金板弯曲性能对比?
2.4 哈兹列特连铸连轧 3003铝合金板带直接用于幕墙铝单板可行性探讨
随着我国建筑业的发展,建筑幕墙材料的需求越来越多,铝板幕墙质轻、造型美观、色彩丰富、安装方便、施工周期短、易维护、可回收,特别是在使用氟碳聚合物树脂涂料防护漆后,可根据需要选择颜色,具有不退色、不龟裂、不粉化、防污染、耐酸碱、抗紫外线、抗工业废气、抗酸雨及化学药品侵蚀、易保养优点,因而得到越来越广泛的应用。

铝板幕墙又分为铝单板幕墙、铝塑复合板、蜂窝复合铝板。

铝塑
复合板采用内外两层厚度为0.5mm的铝板,中间夹层厚度为2mm～5mmPVC或者其他石油副产物。

铝板和PVC夹层用胶结压合,复合强度不高,局部受热时中间夹胶膨胀,使铝板向外鼓包,使用寿命短,夹层含有毒成分,在燃烧和高温时放出毒气,对人体有害。

铝单板相对复合铝板强度大,使用寿命长,若不与钢铁直接接触,铝板挂在墙上 50年不会脱落和腐蚀,容易加工成弧形及多折边或锐角,能够适应如今多变的外墙装饰的需要。

铝单板主要选用 1100或 3003铝合金板材经折弯成形、焊接、背面加槽形加强肋,四周铆接组成,单层户外用铝板厚度一般选择2.5mm、3.0mm;低层和裙楼部分可选择2.0 mm厚度,室内用时可选择更薄的1.0mm或1.5 mm。

幕墙铝单板国内普遍使用铸轧工艺生产,但铸轧板坯厚度一般在 4 mm～7 mm,很难达到 2 mm,另外铸轧板有“人字形”枝晶、枝晶偏析、很强的结晶织构等显微组织特点[7],铸轧板要经过退火和冷轧加工才可以交给客户使用。

哈兹列特连铸连轧工艺可直接生产2 mm板材,对比两种不同生产工艺,哈兹列特连铸连轧工艺大大缩短了生产流程,节省了铸轧工艺后续冷轧及退火部分的生产成本。

根据上述显微组织和力学性能的对比试验,哈兹列特连铸连轧板材达到国内幕墙板行业使用标准,用该工艺生产的 3003铝合金产品取代铸轧工艺生产的,是切实可行的。

3 结论
(1)哈兹列特连铸连轧 3003铝合金板和铸轧3003铝合金板中的第二相主要为AlMn相和AlMnFe相。

弥散分布的细小第二相颗粒对合金板材具有一定强化作用,晶粒组织主要为沿轧向伸长的变形晶粒组织。

(2)哈兹列特连铸连轧工艺生产的板材的抗拉强度、伸长率达到行业标准 YS/T 429.1-2000《铝幕墙板板基》规定的抗拉强度的使用要求,且其折弯性能与铸轧产品的相差不大,哈兹列特连铸连轧 3003铝合金板带产品直接用于幕墙铝单板是切实可行的。

致谢：特别感谢哈兹列特公司首席材料专家SzczypiorskiWojteksz先生及上海有色金属协会顾问马道章先生为该课题提供的材料及帮助。

【相关文献】
[1] 马道章.连铸连轧—降低汽车用铝材高成本的好工艺[J].轻合金加工技术,2006,34(6)：6-7.
[2] 荣宝星.HAZELETT双带连铸机和连轧设备[J].上海金属(有色分册),1987,8(4)：48-55.
[3] 刘小玲,马道章.浅谈哈兹列特连铸技术在我国铝板带生产上的应用[J].上海有色金属.2004,25(2)：77-82.
[4] 马锡良.铝带坯连续铸轧生产[M].长沙：中南工业大学出版社,1992.
[5] 彭大暑.金属塑性加工原理[M].长沙：中南大学出版社,2004.
[6] HANSEN V,ANDERSSON B,TIBBALISJE,etal.Metallurgical reactions in two industrially strip-castaluminum-manganese alloy[J].Metallurgicaland Materials Transactions
B.1995,26A：839-849.
[7] 王希维.铸轧铝板的组织及其缺陷[J].轻合金加工技术,1994,22(2)：14-17.。