3003鋁合金材料制耳率的控制

熊 彪

（中色科技股份有限公司，洛陽471039）

0 前言

3003 是以Mn 為主要合金元素的鋁合金，具有較高的抗蝕性、較好的焊接性以及成形性能，廣泛應用于新能源汽車、家具、飲料、電子行業等領域，常見的產品有電池殼、餐具、罐料、電容器等，市場前景廣闊。這些產品有一個共同的特點：生產時需要多次深沖變形、變形量大、過程較復雜，這對材料的綜合性能特別是深沖成形性能提出了更高的要求。而衡量材料深沖成形性能的指標，除了抗拉強度、屈服強度和塑性指標外，制耳率是一個主要的衡量指標。

制耳現象是指材料切成圓片經過沖成杯狀物后，杯口呈現高低不平的情況，制耳率是對這一現象的量化。當制耳率大時，會造成后續加工過程中，切邊量大，同時在波峰或者波谷存在產生開裂的危險，嚴重影響產品質量和成品率。制耳率數值的大小與材料的各向異性密切相關，強烈的各向異性對板材的使用性能特別是深沖非常不利[1]。材料的各向異性與其在加工變形和退火中形成的織構密切相關，只有當材料內部各種織構達到一定平衡時，才能降低各向異性，使材材獲得較小的制耳率，保證其深沖性能[2]。

本文研究了化學成分、終軋溫度、中間退火前冷軋總加工率、中間退火制度四個因素對3003 制耳率的影響，并通過對這四種影響因素的綜合控制，穩定地將材料的制耳率控制在3%以下，生產出滿足用戶使用要求的產品。

1 材料要求

1.1 化學成分

本試驗采用單機架雙卷取熱軋坯料，坯料規格為7.0 mm×1280 mm，選用的兩種3003合金化學成分見表1。

表1 3003鋁合金的化學成分（質量分數/%）

1.2 產品規格及合金狀態

產品規格：0.3 mm（厚度） × 1220 mm（寬度）；合金狀態：3003-H14。

1.3 目標值

制耳率≤3%；抗拉強度：155～185 MPa；屈服強度：145～175 MPa；延伸率≥3%。

2 工藝路線及試驗方案

2.1 工藝路線

本試驗主要對影響制耳率的因素進行分析。由于產品力學性能的控制需要，通過中間退火前后道次加工率調節制耳率的空間很小，結合材料軟化曲線及產品力性能的控制要求，本試驗中間退火前后道次加工率按30%設定，可以保證產品力學性能達到目標值。

2.2 試驗方案

（1）為了對比不同化學成分對制耳率的影響，采用本文中的3003A和3003B兩種成分進行投料及對比試驗。在其他條件相同的情況下，按照A工藝路線生產至成品。

（2）為了對比不同終軋溫度對制耳率的影響，采用本文中的3003B成分投料，熱軋時終軋溫度按照290～300 ℃和320～330 ℃控制。在其它條件相同的情況下，按照A工藝路線生產至成品。

（3）為了對比0.43 mm 厚卷材的中間退火前冷軋總加工率對制耳率的影響，采用本文中的3003B 成分投料，分別按照A 工藝路線和B 工藝路線進行生產至成品。B工藝路線除了比A工藝路線在1.5 mm 厚度增加一次中間退火外，其余條件相同。

（4）為了對比不同中間退火溫度對制耳率的影響，采用本文中的3003B成分，按照B工藝路線生產至成品。對0.43 mm厚卷材進行中間退火時，分別選取300 ℃/3h、330 ℃/3h、360 ℃/3h、390 ℃/3h 4種不同退火制度進行對比分析。

3 試驗結果及分析

3.1 成分對制耳率的影響及分析

3003A、3003B按照A工藝路線生產至0.3 mm，其制耳率檢測結果見表2。

表2 不同化學成分生產至0.3 mm時的制耳率

從表2 可以看出，相對于3003A 而言，3003B成分可以降低材料的制耳率，主要是因為3003B中Fe含量的增加以及Mn含量的降低。由于3003屬于Al-Mn系合金，Mn與Al可以形成MnAl6，合金的強度隨Mn 含量的增加而提高，隨著Mn 含量的增加，合金的再結晶溫度相應地提高。但3003 合金因為具有很大的過冷能力，在快速冷卻結晶時，會產生很大的晶內偏析，Mn 的濃度在枝晶的中心部位低，而在邊緣部位高。當冷加工產品存在明顯的Mn偏析時，在退火后易形成粗大晶粒。因此Mn含量的降低能減輕偏析的趨勢，相對來說更易獲得細小的晶粒組織。同時，由于合金中的Fe 含量溶于MnAl6中形成（FeMn）Al6化合物，可以降低Mn 在Al中的溶解度。在合金中加入0.4%～0.7%的Fe，并控制Fe+Mn不大于1.85%，可以有效地細化板材退火后的晶粒，減小材料的各向異性，降低制耳率[3]。因此，適當提高Fe含量，降低Mn含量，有利于降低材料的制耳率。

3.2 熱軋終軋溫度對制耳率的影響及分析

采用3003B成分生產，熱軋時兩卷料終軋溫度分別為292 ℃和326 ℃，按照A 工藝路線生產至0.3 mm，制耳率檢測結果見表3。

表3 不同終軋溫度生產至0.3 mm時的制耳率

從表3可以看出，終軋溫度的提高能降低材料的制耳率。分析如下：熱軋軋至7.0 mm 厚時，內部織構組成為黃銅織構{011}＜211＞、銅織構{112}＜111＞、S 織構{123}＜634＞，戈斯織構{011}＜100＞以及再結晶立方織構{001}＜100＞【4】。熱軋終軋溫度的提高，會促使黃銅織構{011}＜211＞、銅織構{112}＜111＞等織構向再結晶立方織構{001}＜100＞轉變，從而提高3003 材料中再結晶立方織構的比例，降低材料45°方向的制耳率。

3.3 中間退火前冷軋總加工率的影響及分析

為了分析0.43 mm厚卷材中間退火前其冷軋總加工率對制耳率的影響，采用3003B成分，分別按照A工藝路線和B工藝路線生產至0.3 mm厚，并檢測材料制耳率，其結果如表4所示。

表4 中間退火前不同冷軋總加工率時的制耳率

從表4 可以看出，采用3003B 成分投料進行生產時，B 工藝路線生產出的產品和A 工藝路線相比，前者制耳率更低，而且出現8耳，屬于比較理想的情況。冷軋軋制的過程，實際上是織構轉化的一個過程，轉變過程如圖1所示。鑄錠經鋸切、銑面、均勻化熱軋成熱軋卷后，其內部織構有銅織構、黃銅織構、S 織構、立方織構等。經過冷軋后，立方織構逐漸減少，轉變為軋制織構（R 織構），此時材料制耳取向為45°方向。材料經中間退火后，部分軋制織構轉變為立方織構。理想情況下，希望材料此時最好是出現0°/90°方向制耳，制耳率為3%左右。這樣再經過冷軋軋制后，與45°方向的制耳形成平衡，達到8耳甚至無耳的目的。

圖1 3003合金內部織構轉變過程

相對于A工藝路線來說，B工藝路線增加了一次中間退火，減小了成品厚度中間退火前冷軋總加工率，提高了材料內部立方織構的比例，使得最終材料的制耳率在3%以下，同時呈現8耳。

3.4 不同退火溫度對制耳率的影響及分析

采用3003B 成分投料，按照B 工藝路線生產（兩次中間退火）至厚0.3 mm。針對0.43 mm 厚卷材的中間退火，分析料溫300 ℃/3h、330 ℃/3h、360 ℃/3h、390 ℃/3h 4種不同退火溫度對成品制耳率的影響，檢測結果見表5。

從表5中制耳率的檢測結果可以看出，隨著退火料溫的升高，3003 材料內部0°/90°方向的制耳逐漸增強，各向異性越來越大，退火料溫按330～360 ℃控制，3003制耳率能較好地達到目標值。這從織構理論可以很好地解釋這一點：中間退火后，材料內部主要存在立方織構和R織構兩種織構，隨著退火溫度的升高，立方織構的比例逐漸增大，在某一個溫度下，經過成品道次冷軋后，內部立方織構所占的比例剛好和R織構達到平衡，此時材料表現為8耳或者無耳。退火溫度繼續升高，經過成品道次冷軋后，內部立方織構比例超過R織構，導致0°/90°方向制耳逐漸增強。

表5 不同退火溫度時材料的制耳率

4 結論

（1）適當提高Fe 含量，降低Mn 含量，可以降低3003-H14產品的制耳率。

（2）終軋溫度對3003-H14產品的制耳率有影響，隨著終軋溫度的提高，有助于提高材料立方織構的占比，使得材料45°方向的制耳減小。

（3）中間退火前冷軋總加工率越大，材料45°方向的制耳越明顯。

（4）采用本文中的3003B 成分，按B 工藝路線進行生產，終軋溫度按大于320 ℃控制，在厚度為1.5 mm 和0.43 mm 時進行中間退火，退火料溫330～360℃，生產出的3003-H14產品制耳率可以控制在3%以下。