毛宏亮，王劍華，楊 鋼，史慶南，易健宏，陳亮維

(1. 昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650093；2. 云南省昆明冶金研究院 材料研究所，昆明 650031)

1235鋁合金是純鋁合金，主要用于生產(chǎn)高品質(zhì)雙零鋁箔，其鋁箔因具有耐低溫性、質(zhì)輕、密閉和包覆性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛用作食品、飲料、香煙、藥品、照相底板、家庭日用品等的包裝材料，電解電容器材料，建筑、車輛、船舶、房屋等的隔熱材料，還可以作為裝飾的金銀線、壁紙以及各類文具印刷品和輕工產(chǎn)品的裝潢商標(biāo)等[1]。隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展和進(jìn)步以及鋁箔的用途和應(yīng)用領(lǐng)域及相關(guān)技術(shù)的拓展，鋁箔的應(yīng)用領(lǐng)域和前景越來越廣闊。鋁箔工業(yè)已成為當(dāng)前各國十分關(guān)注的材料工業(yè)。目前，鋁箔中技術(shù)含量較高的是雙零鋁箔應(yīng)用十分廣泛，除電解電容器中使用高質(zhì)量的雙零鋁箔外，90%的包裝用鋁箔使用的也是雙零鋁箔。由于凝固過程對液態(tài)金屬成型有重要影響，并直接決定金屬的微觀組織，從而對材料的性能起到重要的作用和影響[2?5]，而近年來用連續(xù)鑄扎法生產(chǎn)制備新材料的應(yīng)用越來越廣泛[6]，尤其是集中在鎂合金[7?12]和鋁合金[13?17]。本文作者對用連續(xù)鑄軋方法得到的 1235鋁箔坯料的快速激冷凝固微觀組織進(jìn)行分析和表征，從而為合金的后續(xù)加工提供參考。連續(xù)鑄軋將澆鑄和熱軋合為一個(gè)過程使液態(tài)鋁直接生產(chǎn)到帶材，連續(xù)鑄連扎法生產(chǎn)鋁箔與傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造再冷軋的方法相比，具有過程簡單、流程短、能耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且還能有良好的合金力學(xué)性能。連續(xù)鑄軋不僅可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)冷卻和凝固，還可以提高材料的塑性成型能力。連續(xù)鑄軋的軋制速度對鋁合金的組織和性能都有影響，并且有相對較高的凝固速率，因而對鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)有有利影響，比如減少偏析和細(xì)化晶粒[18]在連續(xù)鑄軋生產(chǎn)鋁箔坯料時(shí)還以一定速率通入Al-Ti-B絲進(jìn)行晶粒細(xì)化。

由于連續(xù)鑄軋獲得的鋁合金坯料凝固組織的顯微結(jié)構(gòu)對合金的性能有很大影響，而首次鑄軋得到的鋁坯料的微觀結(jié)構(gòu)組織、相結(jié)構(gòu)和成分特征與鋁箔質(zhì)量關(guān)系的研究文獻(xiàn)報(bào)道較少。又由于電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)能對晶體材料大面積區(qū)域進(jìn)行逐點(diǎn)的晶體學(xué)取向信息的快速標(biāo)定，采用EBSD方法可以研究鋁合金的晶界特征、晶粒尺寸、晶體取向及亞晶的生長[19?20]，而利用高分辨透射電鏡可以對鋁合金中第二相進(jìn)行分析[21]。因此，本文作者利用透射電鏡(TEM)和背散電子衍射(EBSD)對首次得到的6 mm厚的鑄軋態(tài)鋁坯料的微觀組織、相結(jié)構(gòu)和相成分進(jìn)行表征，為研究鋁坯料的微觀結(jié)構(gòu)與后續(xù)生產(chǎn)的鋁箔質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系打下基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

鋁坯料熔煉時(shí)按牌號為1235鋁合金成分配料，對應(yīng)的具體成分見表1。

表1 1235鋁合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of 1235 aluminum alloy(mass fraction, %)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)中選用云南某鋁箔公司雙輥連續(xù)鑄軋生產(chǎn)的6 mm厚的鋁箔坯料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2.1 透射樣品制備

選取鑄軋后首次得到的6 mm厚鋁坯料，按以下步驟進(jìn)行透射電鏡試樣制備：1) 將6 mm厚的試樣線切割切成約0.5 mm厚的均勻薄片；2) 鑲樣，用粗砂紙、細(xì)砂紙打磨到約150~200 μm厚；3) 拋光研磨到約100 μm左右厚；4) 沖成d 3 mm 的圓片；5) 選擇10%(體積分?jǐn)?shù))的高氯酸和 90%的冰醋酸混合液做電解液，雙噴電解減薄儀的電壓是50 V、電流是30 mA，將d 3 mm的圓片中心減薄出小孔；6)迅速取出減薄試樣放入無水乙醇中漂洗干凈。在型號為 JEM?2100的透射電鏡下進(jìn)行分析，其加速電壓為200 kV。

1.2.2 EBSD樣品制備

選取鑄軋后首次得到的6 mm厚鋁坯料，切割成邊長為10 mm的小方塊，按以下步驟進(jìn)行EBSD試樣的制備：首先按金相制樣要求制樣(樣品表面的光潔度達(dá)到 0.5~1.0 μm)，其次進(jìn)行電解拋光，電解液為10%HClO4+90%CH3COOH(體積分?jǐn)?shù))，拋光電壓為18~20 V，電流為1.5~2.0 A。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋁坯料的TEM表征

用TEM表征鑄軋后首次得到的6mm厚鋁坯料，如圖1所示。在圖1(b)和(c)的圓形選區(qū)內(nèi)做電子衍射分析得到如圖 1(d)所示的多晶鋁相的電子衍射斑點(diǎn)。由于電子照射的區(qū)域直徑為2~3 μm，照射區(qū)域內(nèi)的鋁晶粒有上千個(gè)，因此，形成多晶衍射斑點(diǎn)的鋁晶粒大小估計(jì)在30~100 nm之間，這些納米晶粒是液態(tài)金屬在過度激冷中形成的，是典型的快速凝固組織。在圖 1(c)中的六邊形區(qū)域內(nèi)做衍射分析得到如圖 1(e)所示的鋁單晶衍射斑點(diǎn)，圖 1(e)所示為晶面法線方向的方向入射得到的單晶電子衍射斑點(diǎn)圖，與中心斑點(diǎn)相鄰的斑點(diǎn)對應(yīng)的晶面指數(shù)為{111}、{220}和{311}，其中一套斑點(diǎn)可標(biāo)定為和(311)。因此，圖 1(c)可解釋為鋁的納米區(qū)域經(jīng)軋制后被平行拉伸，它的邊界有滑移帶，與滑移帶相鄰的是鋁單晶晶粒。

在圖2(a)和(b)中有晶面滑移直接產(chǎn)生的近似平行臺階，臺階寬在30~50 nm之間。在圖2(a)和(b)的圓形選區(qū)內(nèi)做電子衍射分析均獲得了如圖 2(c)所示的電子衍射斑點(diǎn)，該套斑點(diǎn)是由位向相同的3套鋁單晶斑疊加而成，由電子斑點(diǎn)的特征可知它們是沿晶面產(chǎn)生了滑移。在圖 2(f)中除了左邊的滑移帶外，右邊正方形選區(qū)內(nèi)有密集的近似平行的位錯線。在圖2(e)的圓形選區(qū)內(nèi)做電子衍射分析得到如圖 2(e)所示的鋁的電子衍射單晶斑點(diǎn)，圖 2(e)所示為晶面的法線方向的[001]方向入射得到的單晶電子衍射斑點(diǎn)圖，與中心斑點(diǎn)相鄰的斑點(diǎn)對應(yīng)的晶面指數(shù)為{200}、{020}和{220}，其中一套正指數(shù)斑點(diǎn)標(biāo)定分別為(200)、(020)和(220)。圖2(a)、(c)和(e)都表示鋁的單晶晶粒，其晶粒大小都在微米級以上，但晶粒取向有差異。在該樣品中尚未觀察到Fe、Si和Ti 的第二相，說明它們極可能呈固溶體分布。如果有第二相，也多為亞穩(wěn)相。

2.2 鋁坯料的EBSD表征

用EBSD表征鑄軋后首次得到的6 mm厚鋁坯料，晶粒大小如圖3所示。從圖3(a)可看出晶粒大小的直觀分布，從圖3(b)可得出晶粒大小的統(tǒng)計(jì)柱狀分布。從圖3中可知，鑄軋后首次得到的鋁坯料晶粒直徑幾乎平均分布在20~50 μm之間。

圖3 6 mm厚鋁坯料晶粒大小分布圖Fig. 3 Grain size distribution of 6 mm-thick aluminum sheets: (a)Intuitive image; (b)Histogram

圖4 6 mm厚1235鋁坯料EBSD織構(gòu)圖Fig. 4 EBSD texture figures of 6 mm-thick 1235 aluminum sheets: (a1), (b1)Pole figures; (a2), (b2)Inverse pole figures; (a3), (b3)ODFs (constant φ section)

圖4所示為6 mm厚鋁坯料的極圖、反極圖和ODF圖。其中的圖(a)和(b)分別代表同一個(gè)樣品中的兩個(gè)不同的觀察區(qū)域。用解析法可求圖 4(a1)對應(yīng)的織構(gòu)有{221}〈112〉和{112}〈111〉銅型織構(gòu)，圖 4(b1)對應(yīng)的織構(gòu)有{221}〈012〉、{125}〈112〉和{112}〈111〉銅型織構(gòu)。對圖 4(a2)分析可知與軋面法向(ND)一致的晶面是{210}和{221}，與軋向(RD)一致的晶面是{210}和{111}；在圖 4(b2)中與軋面法向(ND)一致的晶面是{210}和{211}，與軋向(RD)一致的晶面是{210}和{320}。在圖4的反極圖((a2), (b2))分析中，由于強(qiáng)度高的區(qū)域面積比較大，在確定晶面指數(shù)時(shí)誤差較大，但比極圖法確定晶面指數(shù)要容易。由圖4(a3)和(b3)進(jìn)行分析可知，在圖4(a3)中有強(qiáng)織構(gòu)組分和，有次強(qiáng)織構(gòu)組分在圖 4(b3)中有強(qiáng)織構(gòu)組分和，有次強(qiáng)織構(gòu)組分和用ODF方法確定織構(gòu)與極圖法和反極圖法確定的結(jié)果一致，但比極圖方法和反極圖方法更簡捷、更準(zhǔn)確，還可以確定具體的織構(gòu)組分。

3 討論

1235鋁合金液體經(jīng)過導(dǎo)流槽在兩個(gè)巨大的軋輥之間直接軋成寬1500 mm厚6 mm的鋁合金片材，鑄造與軋制兩合為一。1235鋁合金的熔點(diǎn)為664 ℃，為保證鑄軋的連續(xù)進(jìn)行，前箱的熔體溫度不宜太低和太高。如果前箱溫度偏低，雖然可以降低鋁熔體中氫的含量，但影響鋁熔體流動性，還有可能在鑄嘴內(nèi)腔結(jié)晶，阻止鑄軋的順利進(jìn)行；如果前箱溫度太高，會增加鋁熔體中氫含量，在鋁箔成品中造成大量的針孔。熔體從靜置爐導(dǎo)出到鑄軋前的溫度是不斷降低的，鑄軋前箱流槽溫度嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)(前箱溫度是指在鑄軋前，流入鑄嘴時(shí)的熔體溫度)，選取溫度為685~735 ℃之間，鑄軋后的坯料溫度約在400 ℃左右。在 1235鋁合金的鑄軋態(tài)中出現(xiàn)了大量的納米晶微觀組織，晶粒尺寸在30~100 nm之間，這些納米晶粒是液態(tài)金屬在過度急冷中形成的，這是典型的快速凝固組織，如圖1(b)所示。在1235鋁合金的鑄軋態(tài)中還出現(xiàn)了塑性變形組織，有沿晶面滑移的滑移帶，還出現(xiàn)了高密度的位錯線區(qū)域，這是典型的深度塑性變形組織，如圖2(a)所示。此外，在1235鋁合金的鑄軋態(tài)中還觀察到了沿[100]晶軸入射的電子衍射斑點(diǎn)，如圖 2(e)所示。這種組織通常與退火再結(jié)晶立方織構(gòu)有關(guān)聯(lián)。在樣品的TEM分析中未觀察到Fe和Si的第二相，這說明它們極可能固溶在Al基體中。經(jīng)EBSD分析，鑄軋態(tài)1235鋁合金的晶粒直徑幾乎平均分布在20~50 μm之間，在鑄軋中產(chǎn)生強(qiáng)織構(gòu)有{210}〈122〉、{122}〈210〉和{210}〈125〉等織構(gòu)；產(chǎn)生的次強(qiáng)織構(gòu)有{112}〈111〉銅織構(gòu)和{112}〈110〉織構(gòu)。在上述強(qiáng)織構(gòu)中{210}〈122〉織構(gòu)和{122}〈210〉織構(gòu)成對出現(xiàn)，這可能是由于鑄軋中伴隨著再結(jié)晶現(xiàn)象。

對具有上述微觀組織的鑄軋態(tài)樣品進(jìn)行后續(xù)加工，獲得了性能優(yōu)良，各項(xiàng)指標(biāo)符合要求的厚度為45 μm鋁箔。這主要?dú)w因于在鑄軋態(tài)中未檢測到粒徑超過1 μm的第二相，另外，由于強(qiáng)織構(gòu){210}〈122〉織構(gòu)和{122}〈210〉織構(gòu)成對出現(xiàn)，導(dǎo)致沿橫向和軋向的伸長率和抗拉強(qiáng)度近似相等，不會導(dǎo)致制耳現(xiàn)象。

鑄軋態(tài)1235鋁合金的微觀組織與壓鑄態(tài)、傳統(tǒng)的直接冷硬鑄造加后續(xù)的軋制態(tài)的微觀組織有顯著不同，這直接影響了它們的力學(xué)性能和產(chǎn)品的成品率。

4 結(jié)論

1) 1235鋁合金連續(xù)鑄軋態(tài)的組織呈現(xiàn)多樣性。有快速凝固組織，即晶粒尺寸在30~100 nm之間的納米多晶組織，有沿晶面滑移的滑移帶和高密度位錯線等深度塑性變形組織，還有沿(100)晶面生長的再結(jié)晶組織。Fe和Si等摻雜元素固溶在基體Al中。

2) 鑄軋態(tài)1235鋁合金的晶粒直徑幾乎平均分布在 20~50 μm 之間，在鑄軋中產(chǎn)生的強(qiáng)織構(gòu)有{210}〈122〉、{122}〈210〉和{210}〈125〉等，較強(qiáng)的織構(gòu)有銅織構(gòu){112}〈111〉和{112}〈110〉。

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