樂 鵬，毛大恒，李建平，趙蘇琨，扶宗禮

(中南大學 機電工程學院 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083)

連續(xù)鑄軋制備的 3003鋁合金具有能耗低、流程短、加工成本低等優(yōu)點，然而其發(fā)展卻受到多方面的制約：常規(guī)鑄軋生產的鋁帶坯枝晶網胞較發(fā)達，組織不均勻，晶粒較粗大，并且易產生中間偏析，導致鋁帶坯的力學性能下降，與通過傳統(tǒng)鑄錠熱軋工藝制備的3003鋁合金相比存在一定的差距，工業(yè)上一般采用添加變質劑的方法獲得細晶組織，但存在成分偏析等問題[1]；連續(xù)鑄軋速度低，單機生產量小，無法滿足國內與國際市場的需求。

為了提高鑄軋速度，丁培道等[2]和YUN等[3]利用減薄鑄軋帶坯尺寸的方法來提高鑄軋速度，但該方法對鑄軋板的質量影響較大；HAGA等[4]采用立式雙輥連鑄技術有效地提高了鑄軋速度，并拓寬了合金品種范圍，但由于工藝條件十分嚴格，過程控制困難，該技術也不易推廣。為了進一步節(jié)能降耗，同時提高鑄軋帶坯質量，VIVES[5]將電磁場引入連鑄生產中，研究了電磁場對鑄坯微觀組織的影響，但缺乏對電磁場鑄坯后續(xù)加工的研究；趙嘯林等[6]和毛大恒等[7]研究了電磁場對金屬凝固的作用機理，并研發(fā)了鋁及鋁合金電磁連續(xù)鑄軋新技術；RAMIREZ等[8]研究了高密度超聲波處理對鎂合金晶粒細化作用和機理，認為超聲波能打碎柱狀晶，細化晶粒，使組織更加均勻；李建平等[9]將電磁場與超聲能場結合并應用于鑄軋，研究了復合能場對鎂合金帶坯組織和性能的影響。目前，有關電磁?超聲復合能場對3003鋁合金鑄軋板組織和性能影響方面的研究未見報道。本文作者通過將電磁?超聲復合能場引入鋁合金帶坯雙輥鑄軋的鑄軋區(qū)，實現(xiàn)了多能場鑄軋，驗證了該方法的可行性，探討了電磁?超聲復合能場改善鋁合金帶坯以及其成品板材組織和性能的作用機理；此外，采用非對稱下沉式新型鑄軋工藝，研究了其作用機理和實施效果。

1 實驗

1.1 實驗設備和材料

1) 水平式雙輥鑄軋機組：d400 mm×500 mm、速度0～15 m/min、可鑄軋厚度2～10 mm。

2) 熔化爐：電阻加熱爐、容量300 kg。

3) 鑄嘴：寬200 mm、型腔高13 mm、鑄嘴材質為Al2O3+硅酸鋁纖維+石棉燒結制品。

4) 超聲波發(fā)生器：頻率(20±0.5) kHz、功率2000 W、可調。

5) 電磁感應系統(tǒng)：變頻電源、頻率可變范圍為0～50 Hz，電流可變范圍為0～12 A，感應線圈(三相，每相580匝)。

6) 精煉除氣裝置：瓶裝高純氬氣以及保護裝置、覆蓋劑、精煉劑。

7) 輔助設備：冷水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剪切機、卷取機等。

在上述設備上分別實施普通對稱鑄軋、非對稱下沉式鑄軋和非對稱下沉式電磁?超聲鑄軋。制備 3種寬度為200 mm、厚度為6.0 mm的3003鋁合金帶坯，標記為1號、2號和3號樣品。3003合金的化學組成如表1所列。

表1 3003鋁合金的化學組成Table 1 Chemical composition of 3003 aluminum alloy(mass fraction/%)

1.2 實驗方法

按表1所示成分配制3003鋁合金，在電阻加熱爐中進行融化，加入打渣劑熔煉，并加熱至720～725 ℃進行保溫。同時，將鑄嘴和過橋分別放置于150 ℃左右和400 ℃左右的爐子內烘烤保溫，除去水分。實驗開始前加入精煉劑，通入氬氣精煉并進行扒渣，升溫至730 ℃靜置30 min。實驗開始時，將鑄軋機輥縫調為6.0 mm，非對稱鑄軋的鑄軋區(qū)長度為60 mm，對稱鑄軋的鑄軋區(qū)長度為45 mm，熔體經流槽進入前箱，前箱溫度保持在680～690 ℃之間，在合適的液面高度下保持穩(wěn)定。經過多次降速，鋁熔體持續(xù)與通有冷卻水的棍套接觸，制備了厚度為6.0 mm、寬度為200 mm的3003合金帶坯。進行復合能場鑄軋時超聲波發(fā)生器安裝在鑄軋機的凝固前沿，功率為200 W；電磁場使用頻率f=(13±1) Hz，電流I=10 A。鑄軋過程示意圖如圖1所示，具體工藝參數(shù)見表2。

分別取本次實驗的3種鑄軋鋁板截取試樣，經鑲樣、粗磨、細磨、電解拋光和浸蝕后，在Leica DMI 5000M金相顯微鏡下進行觀察。

取上述實驗得到的初軋帶坯試樣1和2按照制罐料流程[10?11]加工為成品薄帶試樣 4～7，工藝路線如圖2所示。分別取非對稱普通鑄軋、非對稱電磁?超聲和普通對稱式3種粗軋板(試樣編號為1～3)和4種成品薄帶(試樣編號為4～7)在WPL?300動靜萬能實驗機上沿鑄軋方向(Roll-casting direction，RD)、45°方向、90°方向(Transverse direction，TD)進行拉伸測試。拉伸速率分別為2和1 mm/min，記錄3種鑄軋狀態(tài)和4種成品狀態(tài)下的鋁帶坯的σb、σ0.2和δ，每個測定值取3個試樣拉伸結果的平均值。

圖1 鑄軋過程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of roll-casting process: 1—Melting furnace; 2—Aluminum liquid; 3—Argon pipe; 4—Sealed cap;5—Groove; 6—Former case; 7—Bridge; 8—Feeding mouth;9—Ultrasonic generator; 10—Roller; 11—Aluminum strip

最后，在JSM?6490LV掃描電鏡下觀察各狀態(tài)下鋁帶坯的 SEM 像和析出相情況，并在能譜儀上對其指定區(qū)域進行DES成分分析。度從45 mm增大到65 mm，下表面熔體和輥面的接觸時間比上表面與輥面的接觸時間長，則上、下表面熔體冷卻強度不同，結晶條件也發(fā)生變化，其結果是使偏析層上移。當這種變化接近于極限狀態(tài)時，偏析層

表2 鑄軋實驗參數(shù)Table 2 Parameter of roll-casting experiment

圖2 0.25 mm厚薄帶樣品的制備流程圖Fig. 2 Flowchart of manufacturing of aluminum strip samples with thickness of 0.25 mm

2 結果與討論

2.1 宏觀組織觀察

圖3和4所示分別為對稱鑄軋和非對稱鑄軋帶坯低倍金相組織。宏觀組織觀察表明：普通對稱鑄軋帶坯中間偏析較嚴重，圖 3(b)中間分層明顯，圖3(c)中縱斷面上、下兩側均呈明顯的柱狀晶并與中心界面成一定角度，以“人”字形有規(guī)則地排布；而非對稱下沉式鑄軋能夠使鋁帶坯中間偏析層消失，如圖4所示，并且組織更加致密。

其次，由表2的實驗參數(shù)可知：非對稱下沉式鑄軋速度達到1.2 m/min以上，遠大于常規(guī)對稱式鑄軋的速度0.9 m/min，有效地提高了生產效率。圖5所示為非對稱鑄軋機理圖。由圖5可知，當鑄嘴中心面下沉至與軋輥中心面相距h的位置時，相應的鑄軋區(qū)長消失，使帶坯組織更加均勻；由于非對稱下沉式鑄軋的鋁熔體接觸面積比普通對稱式的大，散熱快，因此，提高了鑄軋速度。

圖3 對稱鑄軋鋁板的宏觀金相組織Fig. 3 Macro-metallographs of symmetric roll-casting aluminum alloy plates: (a) Surface of sample 3;(b) Cross-section of sample 3; (c) Longitudinal-section of sample 3

圖4 非對稱鑄軋鋁板的宏觀金相組織Fig. 4 Macro-metallographs of asymmetric roll-casting aluminum alloy plates: (a) Surface of sample 1; (b)Cross-section of sample 1; (c) Longitudinal-section of sample 1

圖5 非對稱鑄軋機理圖Fig. 5 Schematic diagram showing mechanism of asymmetric roll-casting

2.2 金相組織觀察

由于鑄軋是鑄造與軋制在同一時間內完成，所以組織中含有“鑄”與“軋”兩個過程，帶坯內有鑄造、變形和再結晶3種組織，且致密度較低，晶界較寬。圖6所示為普通對稱鑄軋鋁板的微觀金相組織；圖7所示為施加復合能場鑄軋帶坯的金相組織；圖8所示為未添加變質劑的非對稱鑄軋帶坯的金相組織。由圖 8可見，非對稱普通鑄軋板帶的晶粒較粗大，枝晶網胞發(fā)達，二次枝晶間距為15～20 μm，晶粒平均尺寸(直徑)為40～50 μm，部分晶粒直徑達到200 μm。通過將圖6與圖8對比可知，采取非對稱工藝對鋁帶坯組織影響不大。將圖 7與圖 8對比可知，各截面經過電磁?超聲波處理后的鑄軋鋁帶坯大部分枝晶網胞被擊碎，轉化為更加細小的等軸晶粒，且分布較為均勻，晶粒平均尺寸(直徑)在20～30 μm之間。

圖6 普通對稱鑄軋鋁板的微觀金相組織Fig. 6 Micro-metallographs of symmetric roll-casting aluminum alloy plates: (a) Surface of sample 1; (b) Crosssection of sample 1; (c) Longitudinal-section of sample 1

超聲波在熔體內傳播的過程中，形成聲流效應，發(fā)生超聲空化作用[12]。此外，電磁場也起到強烈的攪拌作用，剪切枝晶并改善枝晶偏析。本研究中，在鑄軋關鍵部位同時添加電磁和超聲兩種能場，使攪拌作用得到加強，組織中發(fā)達的枝晶組織被打碎，部分枝晶剝落成為新的晶核，從而提高了形核率；此外，復合能場使鋁熔體凝固溫度升高且凝固時間縮短，凝固方式由逐層凝固變?yōu)轶w積凝固，抑制了柱狀晶的生成。在復合能場的作用下，熔體被均勻攪拌，晶粒更細小均勻。

圖7 非對稱下沉式電磁?超聲鑄軋鋁板的微觀金相組織Fig. 7 Micro-metallographs of asymmetric and sunken roll-casting aluminum alloy plates under electromagneticultrasonic compound energy field: (a) Surface of sample 2;(b) Cross-section of sample 2; (c) Longitudinal-section of sample 2

圖8 非對稱下沉式鑄軋鋁板的微觀金相組織Fig. 8 Micro-metallographs of symmetric roll-casting aluminum alloy plates: (a) Surface of sample 3; (b) Crosssection of sample 3; (c) Longitudinal-section of sample 3

2.3 力學性能

表3所列為3種鑄軋鋁合金帶坯的力學性能。從表3中可以看出，非對稱普通鑄軋帶坯試樣1的σb、σ0.2和δ的平均值分別為114.168 MPa、56.41 MPa和27.23%，施加電磁?超聲能場后，試樣2的3項力學性能分別提高到了130.551 MPa、68.785 MPa和34.72%，增幅分別為14.3%、21.94%和27.5%，其中3個不同方向上的伸長率的最大差值從試樣1的3.5%減小到試樣2的 1.96%，說明施加復合能場后帶坯的各向異性有所減?。欢鴮Ρ仍嚇?和試樣1的力學性能發(fā)現(xiàn)，它們并無顯著差別。由此可見，非對稱鑄軋相比對稱式鑄軋并不能顯著改善力學性能，而施加復合能場可顯著地提高原始鑄軋鋁合金帶坯的力學性能。

表3 鑄軋合金板的拉伸性能Table 3 Tensile properties of roll-casting aluminum alloy plates

表4所列為4種成品薄帶沿軋制方向的力學性能。表4表明：對于只經過冷軋的成品薄帶，施加復合能場的試樣7的σb、σ0.2和δ比未施加復合能場的試樣6的分別提高了 13.09%、10.67%和11.54%；而在均勻化處理和中間退火狀態(tài)下，施加復合能場的試樣5的σb和σ0.2較未施加復合能場的試樣 4的也分別提高了32.93%和38.91%，但伸長率的變化不大。無論對于直接冷軋組(試樣 6和 7)或是經過均勻化和中間退火組(試樣4和5)，施加復合能場后，試樣都表現(xiàn)出更加優(yōu)良的力學性能。

表4 鑄軋鋁合金成品薄帶沿軋制方向的拉伸性能Table 4 Tensile properties of roll-casting aluminum alloy strips along RD

2.4 掃描電鏡分析

通過對比普通鑄軋帶坯試樣 1和電磁?超聲鑄軋帶坯試樣2的SEM像(見圖9)可以發(fā)現(xiàn)：兩種帶坯的析出相沿晶界析出，普通鑄軋板材析出相主要聚集在晶界上，呈網絡狀分布，第二相較粗大；而施加復合能場后的析出相較少，且更加彌散，第二相較為細小。這是由于經復合能場處理后合金元素在基體相中的固溶度增加。對析出相進行EDS分析(見圖9(d))可知，兩種鑄軋帶坯中粗大的塊狀析出相主要為(Fe,Mn)Al6。

圖9 3003鋁合金鑄軋板試樣表面析出相的SEM像及EDS分析Fig. 9 Precipitate morphologies and EDS pattern of 3003 aluminum roll-casting plates: (a) SEM image of plates, sample 1; (b)SEM image of plates, sample 2; (c), (d) Primary precipitates and its EDS pattern

圖10 成品鋁薄帶試樣表面析出相的SEM像及其EDS譜Fig. 10 Precipitate morphologies and EDS patterns of 3003 aluminum strips: (a) SEM image of cold rolled strips, sample 6; (b)SEM image of cold rolled strips under compound energy field, sample 7; (c) SEM image of cold rolled strips, sample 4; (d) SEM image of cold rolled strips under compound energy field, sample 5; (e), (f) Short rod-like precipitates and its EDS; (g), (h) Bulk precipitates and its EDS

圖10 所示為兩種鑄軋帶坯成品薄帶試樣4～7的SEM像。對比圖10(a)、(b)與(c)、(d)可知，經熱處理后的析出相不再沿軋制方向排列，這是由于高溫均勻化過程中的析出相經過長大，對位錯和亞晶界的釘扎力減小, 晶界發(fā)生移動[13?14]。對 4種成品薄帶進行EDS分析, 根據所得析出相各元素含量可知：圖10(e)所示圓短棒狀析出相是Al(Fe, Mn) Si相；圖10(g)所示的塊狀相含有Al、Mn、Si和Fe 4種元素，該相為(Fe, Mn)Al6相。進一步對比施加電磁?超聲的成品薄帶試樣5、7和未施加電磁?超聲的成品薄帶試樣4、6的 SEM 像發(fā)現(xiàn)：普通成品薄帶中析出相大小不均勻且塊狀大顆粒較多，而電磁?超聲帶坯制備的成品薄帶析出相細小且分布較為均勻，這是由于電磁?超聲的攪拌作用使得析出相充分彌散；其次，經復合能場處理后大量析出相粒子作為強化相彌散到基體中，使得普通成品薄帶的析出相數(shù)量明顯較多；最后，雖然兩種成品薄帶析出相種類相似，但是在組成比例上略有不同，施加電磁?超聲處理的試樣，析出相基本轉化為Al(Fe, Mn)Si相，在數(shù)目上明顯多于(Fe, Mn)Al6相，這是由于復合能場促進(Fe, Mn)Al6相向 Al(Fe,Mn)Si相轉變。Al(Fe, Mn)Si相對于(Fe, Mn)Al6相具有更高的強度，可以更好地防止深沖時擦傷的發(fā)生，從而有利于改善材料的加工性能[15]。

3 結論

1) 所采用的非對稱下沉式鑄軋的鑄軋速度可達1.2 m/min，與普通對稱方式鑄軋相比，鑄軋速度可提高33.3%，并且鑄軋帶坯的中間偏析得到有效消除。

2) 普通鑄軋帶坯原始晶粒粗大且不均勻，而復合能場鑄軋帶坯原始晶粒為均勻細小的等軸晶；隨著冷軋變形量的增加，兩種鑄軋板晶粒逐漸被壓扁和拉長，最終獲得明顯的鏈狀排列的纖維組織，其中復合能場鑄軋板的組織更加細小。

3) 引入電磁?超聲復合能場后 3003鋁合金鑄軋帶坯的組織和性能均得到明顯改善，其抗拉強度、屈服強度和伸長率比普通鋁帶坯的分別提高了 14.3%、21.94%和27.5%，其后續(xù)加工的成品薄帶相應的力學性能比普通成品薄帶也分別提高了32.93%、38.91%和6.25%。

4) 4種成品薄帶的析出相主要為塊狀(Fe, Mn)Al6相和圓短棒狀Al( Fe, Mn) Si相，經電磁?超聲處理后薄帶的析出相相對彌散均勻，數(shù)量較少，并且其圓短棒狀析出相較普通薄帶量大。

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