3102 鋁合金空調箔板坯鑄軋工藝優化

王海賓，王 強，卜小江，劉 超

（鄒平縣宏程鋁業科技有限公司，山東 濱州 256200）

理想中的鋁卷組織在整個截面上應具有均勻、細小的等軸晶，這是因為細小的等軸晶各向異性小，加工時變形均勻、塑形好。要得到這種均勻細密組織，通常需對鑄錠進行細化處理。凡是能促進形核、抑制晶粒長大的過程都稱為細化晶粒。表示晶粒大小的尺度叫晶粒度，常用單位體積（或單位面積）內的晶粒度數目或晶粒度的平均線長度（或直徑）表示。金屬凝固結晶時，每個晶粒度都是由一個晶核長大而成的，因此，鑄坯的晶粒度取決于晶核數量和晶粒長大速度。晶核的數目用形核率標識。形核率越高，單位體積中的晶核數目越多，晶粒越細小。晶粒長大的速度越小，長大過程中形成的晶核越多，晶粒越細小。反之，形核率越小而長大速度越大，則晶粒越大。因此，晶粒度的大小取決于形核率和長大速率之比，比值越大，晶粒度越小。

在常溫下細晶粒金屬的力學性能比粗晶粒金屬高。這主要是由于晶粒越細小，晶界的數量越多，位錯移動時的阻力增大，使金屬的塑性變形抗力增加。同時，晶粒數量越多，金屬的塑性變形可以分散到更多的晶粒內進行，晶界也會阻止裂紋的擴展，使金屬的綜合力學性能提高。此外，細小均勻的晶粒組織，可以使成品箔獲得更好的成形和使用性能。

針對3102 鋁合金空調箔鑄軋卷在退火后晶粒出現長大現象，無法滿足后續加工和使用性能要求，本文開展相應實驗，探究鑄軋工藝對退火后晶粒度的影響，并通過控制鑄軋工藝來改變合金的形核率和長大速率，以降低合金的晶粒度。

1 實驗方案

金屬凝固過程中的形核率、晶粒長大速度均與過冷度有關，過冷度增加，形核率與長大速度都增加，但兩者的增加速度不同，形核率的增長率大于長大速度的增長率。在一般金屬結晶時的過冷范圍內，過冷度越大，結晶越細小。因此，本文主要通過改變鑄造速度、冷卻速度、澆注溫度等工藝參數，提高熔體過冷度，從而細化鑄軋板坯晶粒組織，優化產品性能。

2 工藝試驗及結果分析

2.1 降低鑄造速度對鑄坯晶粒的影響

我公司內部將鋁合金鑄坯晶粒度分為三個等級：1-1級最好，1-2 級次之，1-3 級最差，如圖1 所示。在3102 鋁合金空調箔生產初期，鑄軋速度為0.95m/min，發現，鑄坯多為1-3 級晶粒度。通過降低鑄軋速度≦0.90m/min 發現，晶粒度轉為1-2 與1-3 各占50%左右。即通過降低鑄軋速度，可以適當提高合金的晶粒度等級，但提高效果不明顯。但若繼續降低鑄軋速度，將對生產效率產生較大的影響，因此，試驗未進一步降低鑄軋速度，而是再從提高過冷度方面進行探究。

圖1 鑄軋板坯晶粒度等級

2.2 優化冷卻系統對鑄坯晶粒的影響

我公司連鑄機鑄軋系統的冷卻，采用的是軋輥一進三出水循環模式，一般水壓控制在0.4MPa 左右，冷卻水溫度約為30℃～35℃。為了提高鑄軋過程中熔體過冷度，將水壓力提高至0.45MPa，冷卻水溫度降至28℃～30℃。試驗結果表明，鑄坯晶粒組織得到有效細化，1-3 級晶粒有所減少（剩余40%左右），1-1 級晶粒開始出現（10%左右）。

2.3 降低澆鑄溫度對鑄坯晶粒的影響

試驗過程中，將前箱熔體溫度由700±2℃降至695±2℃，結果發現，晶粒細化效果不明顯；繼續降低熔體溫度至690±2℃時發現，1-2 級晶粒增多，1-3 級晶粒減少（剩余30%左右），1-1級晶粒明顯增多（30%左右），晶粒細化效果良好。

2.4 改變鈦絲加入點對鑄坯晶粒的影響

通過改變鈦絲加入點，至除氣箱入口處，使除氣箱轉子對鈦絲進行充分攪拌，增加晶核數量，提高成核率。試驗時適當提高除氣箱鋁水溫度（720℃～730℃），使鈦絲充分融化；另在鈦絲上加上搖擺裝置，減少TiB2 相聚集的同時，增加其熔化效果并定期對鈦絲加入點進行人工攪拌，最大限度的較少TiB2 相聚集，提高Ti 的利用率。通過上述工藝改進，結果表明，鑄軋板坯的晶粒細化效果明顯得到改善：1-1 級晶粒穩定達到60%，1-2 級晶粒有所下降，特別是1-3 級晶粒直接減少至20%左右。

2.5 優化合金成分對鑄坯及鋁箔的影響

試驗時適當增加了合金中的Fe、Si 含量（Fe 提高0.05%、Si提高0.05%），調整前后的化學成分如表1 所示。實驗結果表明，成分調整后3102 成品箔強度和延伸均有提高，改善了材料的綜合性能。這是因為，隨Fe 含量的增加，合金中的金屬間化合物過剩相也隨著增加，不論是過剩相粒子的平均尺寸，還是它們的體積分數都隨之增加，細小彌散的含Fe 相不僅對箔材起到一定的彌散強化作用，還能阻止晶粒長大，細化晶粒，提高再結晶溫度，有效地減緩回復過程，使箔材獲得細小均勻的組織，提高了箔材的綜合性能；同時，適當增加Si 含量，可以促進含Mn 相的充分析出，增強彌散強化作用。經充分調整后，3102 鋁合金鑄軋板內的1-1 級晶粒增加到80%左右，1-3 級晶粒剩余10%左右。

表1 3102 鋁合金空調箔化學成分調整前后對比（wt.%）

3 結論

（1）通過對鑄軋速度、冷卻系統、澆鑄溫度、鈦絲加入點、成分配比等鑄軋工藝的調整，提高了凝固結晶形核率，降低了Mn 偏析，有效細化了3102 鋁合金鑄軋板坯的晶粒組織。

（2）經優化的3102 鋁合金板坯的連續鑄軋工藝為：鑄軋速度為0.9m/min，冷卻水溫度為28 ℃～30 ℃，澆鑄溫度為685℃～690℃，Fe 含量控制在0.29wt.%～0.34wt.%、Si 含量控制在0.10wt.%～0.15wt.%。在此工藝下，3102 鋁合金鑄軋板坯晶粒度達到1-1 級，經冷軋和退火后的成品箔，客戶使用后反饋良好，無投訴退火晶粒長大現象，性能也符合客戶要求。