徐成志，萬寶偉，任素貞，董則防，張彩龍

(江蘇鼎勝新能源材料股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212141)

3003鋁合金具有可塑性強，耐蝕性能優(yōu)異以及可回收利用等特點，廣泛應(yīng)用于加工制造業(yè)中[1]。在生活廚具不粘鍋行業(yè)中，與傳統(tǒng)的鐵鍋相比，鋁合金不粘鍋具有熱傳導高、不易生銹、質(zhì)量輕、容易清洗等優(yōu)點，其所占市場預(yù)測份額逐年升高。它的基本制造過程為鋁合金板→拉深成型→修邊→清洗→熔射→冷熱循環(huán)工序→涂覆→固化→成品檢驗等工序。不粘鍋鋁合金板基材一般要求是全軟狀態(tài)，而3003鋁合金屬于不可熱處理強化鋁合金，是通過對板坯進行冷壓延變形加工，再通過成品熱處理工藝調(diào)整其力學性能[1-3]。這類產(chǎn)品通常要求材料具備深沖性能[4]。在鋁合金不粘鍋制備過程，需要拉深20 cm～30 cm高度和進行冷熱循環(huán)試驗，因此對3003鋁合金板的力學性能提出了很高的要求，要求其板材力學性能優(yōu)異、具有細小均勻的等軸晶、細小彌散分布的第二相組織[5-7]。3003鋁合金板材的生產(chǎn)過程，傳統(tǒng)方法是采用鑄錠→銑面→均勻化處理→熱軋→熱精軋→冷軋→熱處理等工序，該工藝生產(chǎn)周期長、能耗大、成本高。本次試驗主要針對采用鑄軋法生產(chǎn)的不粘鍋圓片料在后續(xù)制造不粘鍋的冷熱循環(huán)工序中開裂的原因進行分析研究。

1 試驗過程

以鑄軋法生產(chǎn)3003鋁合金板為研究對象，其成分示于表1。按照化學成分配料，將重熔鋁錠和中間合金放入熔煉爐中進行熔煉，鑄軋生產(chǎn)過程中加入鈦絲細化晶粒，經(jīng)過鑄軋得到鑄軋板坯，再冷軋到成品厚度2.5 mm，進行成品退火熱處理，得到3003-O鋁合金板，經(jīng)過圓片機模具加工成2.5 mm×380 mm規(guī)格的圓片。

表1 3003鋁合金板化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of 3003 aluminum alloy plate(wt/%)

對鋁合金板力學性能進行檢測，其拉伸試樣參照GB/T 228.1-2010《室溫條件下金屬材料拉伸試驗方法要求》，試樣如圖1所示，其中試樣長度180 mm，原始標距L0=50 mm，寬度b=12.5±0.1 mm，平行長度Lc=60 mm，采用拉力試驗機測試最大拉伸力，拉伸速度為5 mm/min。鋁合金板金相組織觀察參照GB/T 246.1-2000《變形鋁及鋁合金制品顯微組織檢驗方法》，對失效樣進行金相組織觀察，試樣制備流程如下：2.5 mm試樣-鑲嵌-粗磨(120～400號砂紙)-精磨(800～2 000號砂紙)-機械拋光-電解拋光-腐蝕-觀察。其中,電解拋光液采用高氯酸+無水乙醇按照1∶9體積比進行配制，電解電壓25 V、電流0.3 A、電解時間10 s～25 s；腐蝕液采用氫氟酸+鹽酸+蒸餾水(按照5∶10∶185比例進行配制)，腐蝕時間15 s～35 s。

圖1 拉伸試驗試樣圖Fig.1 Drawing of tensile test specimen

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 開裂現(xiàn)象分析

圖2是試料在冷熱循環(huán)模擬實驗過程中出現(xiàn)批次性開裂的照片。冷熱循環(huán)工序：試樣加熱到450 ℃、保溫2 min，快速放到冷水(20 ℃)中2 min為一次循環(huán)，共計20次為一個周期。圖2兩張照片在第13次冷熱循環(huán)時開裂。開裂位置位于鍋底圓弧過渡區(qū)附近，為無規(guī)律開裂，是典型的內(nèi)應(yīng)力集中開裂。材料經(jīng)拉深成型后，內(nèi)部存儲了大量變形應(yīng)力，晶粒內(nèi)部位錯密度升高，材料塑性差，在高溫450 ℃-低溫20 ℃的溫度突變中，因材料內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，部分區(qū)域應(yīng)力集中，導致材料開裂[8]。

圖2 試樣冷熱交替循環(huán)13次試驗后開裂處照片F(xiàn)ig.2 Photos of cracks after 13 times of hot and cold cycling test

2.2 化學成分的影響

表2是試料不同位置的化學成分分析值。位置A和位置B是開裂部位，位置C是正常部位。從測試的成分含量看出，位置C處的化學成分Si、Fe、Cu、Mn含量均在成分標準范圍內(nèi)，但是位置A和B處的Fe含量明顯偏高，其他合金元素含量均在3003鋁合金標準范圍內(nèi)，初步分析，F(xiàn)e含量異常超標對開裂現(xiàn)象有很大影響。

表2 試料不同位置的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 2 Chemical composition at different positions of the sample (wt/%)

2.3 力學性能的影響

表3是3003鋁合金板材力學性能測試結(jié)果。標準中對其力學性能的要求是：抗拉強度100 N/mm2～130 N/mm2；伸長率不小于30%。Fe、Si、Mn、Cu等元素含量會影響合金的再結(jié)晶溫度，會導致合金均勻化處理和成品再結(jié)晶退火的工藝不同，從而影響鋁合金板的力學性能。如果力學性能不良，會導致板材在拉伸過程中因伸長率不夠而引起開裂。從縱向和橫向的性能數(shù)據(jù)看出，材料的力學性能數(shù)據(jù)符合標準要求，但是抗拉強度在要求的上限，而且伸長率偏低，同樣板厚的3003鋁合金正常的伸長率是在38%以上。從本試驗的上述Fe含量超標來推測，因Fe與Al形成粗大FeAl3相，割裂了鋁基體的連續(xù)性，造成抗拉強度偏高，伸長率偏低，從而引致開裂現(xiàn)象。

表3 2.5 mm厚的3003-O鋁合金板力學性能測試結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties of 3003-O aluminum alloy plate with 2.5 mm in thickness

2.4 斷口處SEM微區(qū)成分分析

圖3和表4所示的3003鋁合金試樣開裂位置的微區(qū)合金元素分布，其中鋁含量(質(zhì)量百分數(shù))為1.07%，F(xiàn)e、Si等元素含量分別為71.5%、1.72%，比正常成分的Fe、Si含量高出很多，尤其是Fe元素含量最高，形成的金屬化合物顆粒會在材料拉深時或后續(xù)加工時造成內(nèi)應(yīng)力集中，引起開裂現(xiàn)象。

圖3 裂口位置的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photos of cracking location

表4 SEM照片中微區(qū)的成分分析Table 4 Composition analysis of micro region in SEM photos

上述在開裂位置出現(xiàn)金屬化合物夾雜，主要有以下兩方面原因：

一方面，鑄軋鋁液凈化工藝的影響。從圖3和表4中看出，在裂紋處發(fā)現(xiàn)精煉劑夾雜和合金元素的殘留，如發(fā)現(xiàn)有F、Fe元素。在鑄軋生產(chǎn)線配有在線除氣和在線過濾裝置，除氣裝置在石墨轉(zhuǎn)子中通入高純度的氬氣，在500 r/min～700 r/min的轉(zhuǎn)速下，對鋁液進行攪拌和除氫，細小的Al2O3和一些金屬夾雜物會從鋁液中帶出，從而保證鋁液的純凈度，而大尺寸的夾雜物依靠后續(xù)的過濾工藝處理，目前過濾裝置是采用1級過濾，在SEM照片看到開裂部位團聚的化合物顆粒，是因過濾板的目數(shù)不夠?qū)е聤A雜物未全部過濾排除掉，從而混入鑄軋板中，導致材料在后續(xù)加工過程出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

另一方面，鑄軋板坯中心層偏析對化合物團聚有很大影響。鑄軋工藝是結(jié)合了鑄造和軋制過程的一種快速液態(tài)到固態(tài)成形的加工方式。在一對鑄軋輥中通入25 ℃～35 ℃的循環(huán)冷卻水，為液態(tài)鋁液向固態(tài)鋁轉(zhuǎn)變提供冷卻，在幾十毫米的鑄軋區(qū)內(nèi)進行液固相態(tài)的轉(zhuǎn)變。3003鋁合金中的Mn與Al容易形成MnAl6，F(xiàn)e、Si、Al等元素容易形成Al-Fe-Si相，在不平衡結(jié)晶狀態(tài)下，會生成低熔點的化合物，而結(jié)晶時過冷度很大，容易發(fā)生低熔點化合物及雜質(zhì)的偏聚。鑄軋生產(chǎn)過程，靠近鑄軋輥面的區(qū)域先發(fā)生液、固相轉(zhuǎn)變，而鑄軋板的中心部位最后結(jié)晶，會造成大量低熔點化合物和雜質(zhì)在中心部位團聚。在其他工藝參數(shù)不變的情況下，隨著鑄軋速度越大，偏聚到板坯中心部位的化合物和雜質(zhì)就越多，造成的偏聚就越重。在高倍金相照片看到，該處偏析物呈現(xiàn)大層片狀和疏松形態(tài)，在鑄軋板的高倍金相照片上看出(見圖4)偏析處長度為50 μm～70 μm，在偏析處是Fe、Si、Mn等元素發(fā)生偏聚。形成成分偏析后，在后續(xù)沖壓加工過程中，該偏析物不容易變形，會隔斷基體組織的連續(xù)性，形成大的裂紋和應(yīng)力集中，在冷熱循環(huán)工序出現(xiàn)材料失效。

圖4 3003鋁合金鑄軋板坯的中心層偏析金相照片F(xiàn)ig.4 Metallographic photos of center layer segregation of 3003 aluminum alloy cast rolling slab

3 結(jié) 論

1)3003鋁合金板試樣在冷熱循環(huán)工序發(fā)生裂紋處出現(xiàn)大量Fe元素偏聚，這是出現(xiàn)開裂現(xiàn)象的主要原因。

2)鑄軋3003鋁合金板做深沖料要控制它的力學性能，控制抗拉強度達到目標強度值的下限，可以減輕開裂的傾向。板材試樣在冷熱循環(huán)試驗中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象一方面原因是鋁液在鑄軋加工過程中因過濾不良導致金屬化物顆粒和夾雜物混入鑄軋板中；另一方面是鑄軋工藝不合適，導致鑄軋板坯中心層出現(xiàn)偏析缺陷，導致在后續(xù)加工過程中出現(xiàn)開裂。

3)用鑄軋法生產(chǎn)3003鋁合金深沖料時要控制好過濾工藝和鑄軋工藝，防止出現(xiàn)夾雜及金屬化合物偏析等不良組織，以避免材料在后續(xù)深沖加工過程中出現(xiàn)失效現(xiàn)象。