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铸轧铝的组织、性能及工艺新进展

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・18・ 材料导报 2001年11月弟1 5卷弟11期 铸轧铝的组织、性能及工艺新进展 周科朝林映红黄伯云刘咏 (中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙410083) 摘要 评速 讳轧铝带坯的组织特征与性蝇特点,蚌递 双辊连接蚌轧铝带坯生产工艺的发展历史和现状以 及当今世界的发展动向。分析了我国铝带坯的生产在世界上的地位 厦存在的问题 关键词 铝带坯组织性能积辊式连续铸轧工艺进展 Microstructure,Properties and Progress in Twin Roll Casting Aluminum Zhou Kechao Lin Yinghong Huang Boyun Liu Yong (State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410083) Abstract The characteristics of nlicrostructure and properties of twin roll casting Aluminum are described. The history and some recent advances of this process are reviewed In this papertthe status and the major challenges of our country in this field are presented. Key words Aluminum thin strip properties,continu0us twin roll casting-recent advances 0引言 铸轧是将铝熔体导^内部通有冷却水的旋转两轧辊的辊 缝间.直接以轧辊作结晶器.一边凝固一边轧制,生产出可以 直接替制的铝带坯的一种工艺。铸轧省掉了传统半连续铸造一 在实验中得到了由表层等轴晶层与中间晶粒拉长的变形层组 成的组织。国内在生产中得到的组织是一种沿厚度中心线对 称分布的柱状晶组织,晶粒取向与中心线成16~30。角,成 “人”字形排布 叫]。 这些特点与铸轧的生产方式有关。当铝熔体接触冷辊面 后t直接在辊面上形棱结晶,枝晶沿散热最快的方向垂直于辊 面向熔池内迅速生长,形成一次轴发达的柱状晶。在轧制过程 中柱状晶发生偏转,倒向出口方向.在厚度方向上呈现“人 字 形。而中间层的熔体由于散热慢.加上熔体的流动冲尉引起枝 晶碎断和后凝固熔体的熔质富集等原因,可能大量形棱,因而 在一定条件下,板坯中间会有等轴晶层出现= 铸轧板带坯通常残留有相当于l0 ~25 的冷变形的 加工硬化.硬化程度表层比中间层的大- 。依据不同的工艺参 热轧带坯生产工艺的开锭、镜面、均匀化等许多中间工序,从 而大大降低了生产成本。大部分不可热处理强化的铝合金都 可用铸轧法生产0] 同时,铸轧独特的生产方式决定了其产品 具有许多优于传统产品的性能特征。 铸轧工艺由英国人Henry Bessemer于1846年提出,但 直到1951年,才在美国享特一道格拉斯(Hunter Douglas)公司 首次实现工业化生产。我国紧随其后,于20世纪60年代初期 开始了铝铸轧工艺的研究。各国技术力量的加^使得铝铸轧 技术迅速发展。到1996年.垒世界铸轧铝带坯的生产能力已 占板带坯料总产能的21“,而这个指标在我国达z9.35%。服 投于在线系统的垒世界310台双辊式连续铸轧机中.我国有 50台的占有量,其中自行研制的铸轧机达40台之多.一些自 数.板带坯在铸轧中受到l 5 ~50 的变形.产生加工硬化。 组磬I在形变过程中发生动态回复,产生亚晶,甚至发生再结 晶:但由于铸轧板带坯的出口温度较低(250 ̄350oC).不足以 弓『起完全再结晶的发生,因此加工硬化只能得到部分消除。因 而铸轧是一种既有完整的晶粒外形,又存在若干亚晶块的组 织。它在高温下可发生再结晶,形成完整的粗大晶粒。 行设计制造的铸轧机在某些性能指标上超过国际上同类机 型 ] 也就是说,我国已经成为世界上主要的铸轧机制造国和 铝带坯生产国之一。 1.2微观组织 由于铸轧冷速大,铸轧铝带坯带有快速凝固的特征,固藩 度犬,枝晶细小 ]。铸轧铝板材的枝晶网尺寸比传统材料的 小一个数量级(见表1)。二次枝晶间距在4~6/xm之间.对应 于IO0tlO00K/s的冷速,与冷速间满足如下关系: d—ki [ ] 1铸轧组织特征 1.1宏观组织 铸轧板的宏观组磬{在厚度上分布不均匀;有资料认为铸 轧组织由表层柱状晶与中阀层等轴晶组成.等轴品层厚度与 板厚度无关,但会随熔体过热度的增大而宽化 。Tsuji等 *国家973资助项目 式中:d是二次枝晶间距,k是比倒常数.f是冷建 由于冷却 维普资讯 http://www.cqvip.com

铸轧铝的组织、性能及工艺新进展/周科朝等 速度表层比内部的大,故而二次枝晶间距中间比表层的大。铸 轧铝中间金属间化合物分布于枝晶间,比常规方法生产的材 料细小而且分布均匀.平均粒径减小约8O 。‘ 。生产中发现 熔体温度过高、冷却强度不够、熔体在炉内停留时间过长或金 属纯度过高都容易导致晶粒粗大 = 表1铸轧与半连续铸造法的凝固参数 Table l Solidification parameters of different casting methods ・19・ 此,高Fe和Mn的铝台金如AA8006可 代替AA1XXX或 AA80u台金㈨。 铸轧坯料比热轧坯料在垂直于轧制方向的脆性大一些 Barreno等【 认为这是由于晶粒沿轧制方向拉长的结果,Mn 粒子分布于晶界的A1一Mn舍金尤为如此 S工艺新进展 传统的铸轧铝带坯依据铸轧机列的类型与产品的需求. 带坯厚度通常控制在6 ̄10mm之间,实际生产率远低于理论 铸造方法 生长率温度梯度冷却速度枝晶网尺寸 mm/s K/ram K/s kLm 1.5织构 铸轧板材有较强的织构 铸轧板的柱状晶成“人”字形排 布,使绝大多数晶粒的(i00)方向作定向排列,形成较强的结 晶织构。有资料表明铸轧板坯表层是(100)//RD的剪切织 构,中间层是包括{i00 7(112>、{112}(1l1)和{123}(643>的轧 制织构‘ 同时研究发现表层摩擦力的增大 及铸轧速度的 降低均会促使表面剪切织构增加,反之则在表层形成平面应 变的轧制织构.并发现表面剪切织构的形成与铸轧组织的晶 粒细小有美【”] Bryukhanov1] 的实验结果表明工业纯铝铸轧 板的织构在厚度上分布不均匀,中间层织构是(100)(112)t从 中心到表面织构逐渐转向(112){110>,并且随着铸轧加工率 的增大,这种转变的倾向也更为明显 赵林桦 的研究表明, 增大铸轧加工率可 使铸轧板的丝织构强度减弱,进而使{令 轧退火后的立方织构减少,R织构增强。 2性能特点 铸轧铝带坯晶粒尺寸细小,金属间化合物分布均匀t因而 有较好的成形性与抗蚀性,特别适合于轧制薄板和生产箔材, 生产的箔材针孔小,质量高 双辊铸轧的共晶A1—12 si、A1 13 Mg Si、A1—6 Ni等舍金.由于合金元紊充分固溶,阻碍 再结晶的相减少甚至表现出超塑性 铸轧铝带坯的细小组 织使其特别地适合于用作计算机高密度外存储盘基片。但使 用3004铝合金铸轧坯料生产易拉罐用薄板则会因为没有大 尺寸的金属间化舍物起固体润滑作用而容易产生牯模现 象小” 。同时由于铸轧板织构强,深冲制品有较严重的制耳现 象 与热轧坯料相比,铸轧坯料生产的板、带、箔产品伸长率 并不降低,而抗拉强度和屈服强度普遍提高1o ~20 ,这 AI Mn台金最为显著。 。同时有资料表明,铸轧坯料比热 轧坯料的纵向伸长率降低 另一方面,也有资料表明,铸轧 板纵向伸长率比热轧板的约高l0 ,而抗拉强度低20MPa 左右 总的说来,铸轧铝带坯有较好的强度和延伸率,因 计算水平。8o年代中后期的研究发现t在一定的导热环境条 件下,随着铸轧厚度减至某一临界值,铸轧生产率将产生突 跃[棚,提高约l5倍,使得生产效率大为提高 可生产的合金 范围大大拓宽,从1系、2系、3系、5系到8系的少数几种台 盘拓展到几乎所有能加工的工业铝台金。同时,铸轧带坯的组 织进一步得到细化,性能得到大幅度改善=固此t世界各大铝 业公司于90年代相继开展了被称为“第三代铝加工技术”的 超薄、快速连续铸轧技术的研究 到1999年.世界上已经有9 条高速薄带坯生产线投^商业生产 。 为缩短与发达国家先进铸轧技术的差距.我国将提高铝 材质量的基础研究列^973项目,开展了超薄、快速连续铸轧 技术的研究 到2000年9月,已经实现了板材厚度约2ram的 铝带快速连续铸轧。铸轧速度达到约13m/rain.比传统铸轧 工艺提高l0倍 上 所获得的材料晶粒细小,徽流变取向高 度分散,晶界析出物细小分布均匀。材料强度比传统铸轧板提 高3o ,深冲制耳率降低50 。并初步形成了新制备工艺的 技术原型。 4结语 虽然铸轧已经成为我国铝带坯的主要生产方法之一,但 是产品质量不高,我国70 的优质铝板材依然依靠进口 超 薄、快速连续铸轧技术的研究尚在进行中,其成果尚未全面推 广应用至实际生产线 就研究现状而言,对铸轧组织及各参数 耦合间的潜在机理尚不甚明了.因此,依然需要加快研究的步 伐 参考文献 1 Vanga[a P,SnAth D,Duvvuri R,et a1.The Influence of Casting Gauge on the Hunter Roll Casting Process In: Matthys E F.Syrup Melt—spinning and Strip Casting:Re search and Implementation,TMS Annual Meeting,1992: rIMS.Warrendale PA,l 992.225 2 王祝堂世界有色金属,1997,(7):9 3 Li Ben Q JOM,1995.47(5):29 4 Ts u'】Nobuhko,Nagai Yu ̄hi,Sakai Tetsuo,et a1.Mater Tans,儿M,1998,39(2):252 5 马锡良.铝带坯连续铸轧生产.中南工业大学出版社, l992 维普资讯 http://www.cqvip.com

・20・ 材料旱报 2001年11月第15卷第11期 6 盂庆福,董中伟铝加工,1986,19(4):6 1 6 Ryoji Mishima,Hitosh Miyamoto.Nobuy ̄ki Matsuzoe 7 夏眉承轻舍垒加工技术,1996,f8):9 Journal of Japan Institute of Light Metals,1985,35(8): 8 Wdstenge11 HtNes K Twin Rol Casting ot A|uminum: 455 The Occurrence ot Structure Inhomogelleities and De 17王希维.轻台垒加工技术,1994,22(2):14  ̄ects in As cast Strip.In:Proceedings ot the Technical 18林浩.轻台金加工技术,1995,23(2):8 sessions ol n 3 Annual Meetillg,1984.AIME.Warre11 19夏眉承.轻台金加工技术,1 986,(I1):12 dale,Pennsylvania 1984 1111 20 KarlikM,Siegl J,SlamovaM,et a1.Materials ScienceFo— 9 Wood J V.Mater Sci Techllol,1 988,14(3):189 rum,2000,31I(I):619 10 Clyne T W Metal Technologyt1 984,ll(8)350 21 Barrello J,Garcia Cordovilla C,Louis E Scr Metal1. ¨夏眉承 轻台垒加工技术,1986.(12):10 1985,19(9):1113 12 Shibuya K,Ozawa M ISU,1 991,31(5):661 22 Taraglio Bruuot Romanowski Chris Thin gauge.."High 13 Benum St Engler O—Nes E.Materials Science Forum. speed Roll Casting Technoloy tot Foil Production.Pro 1994,I 57(6):913 ceedings of Session,TMS Anllual Meenting,l 995,TMS. 14 Bryukhanov A A SOy Non—Ferrous Met Re5,1985,13 Warrenda|e PA,l 995.1165 (6):487 23壬祝堂轻金属,1999,(2):50 1 5赵林桦.轻台垒加工技术,I 989,(3):9 (责任蝙辑张汉民) (上接第1 7页) Phys Chem,1995,99(15):5500 3朱自强,李铁津物理实验,1991,11(2):92 13 lJIHtMao G,et a1.Thin Solid Film,2000,358(1,2).62 {Hideki MasodatZhang JiaMan.Nobuyoshi Baba.Chemi 14顾建华,潘志宇,刚,等.化学物理学报,1 996,9(4): stry Letters,1991:201 9 325 5 Hideki Masoda,Nobuyoshi Baba Chemistry Letters, 15 Paolo Facci,Victor Erokhin,Andrei Tronin,et al,J Phys 1993:2007 Chem,1994,98:13323 6 江龙t陈酉燕,李津如.在单分子膜上形成小于10纳米金 1 6 Phanabalan A,Kudrol|i H,Mamr S S.et al Solid State 属原于簇或金属原于二维有序点阵的方法. Communications,1996,99(¨):859 CNl243888A 2000—08—09 17 Tian Y,Wu C,Fendler J H.J Phys Chem,1 994,98(18): 7 Zhao XK,Felldler JH.J Phys Chem,1 990,94(9):3386 4913 8 骆桂蓬,韦钰中国科学(B辑),1994,24(8):816 18 Peng Xiaogang t Wei Q, ̄an t Jiang Yueshun,et a1.nlln 9 张立薄.牟季美.纳米材料和纳米结构北京:科学出版 Solid Film.1 992.2l0/211:401 社,2001 16 19 Yang Jianping.Fendler Janos H.J Phys Chem.1 995.99 10 Zhao XiaokangtXu Shuqian,Fendler Janos H.Langmuir. (1 9):5505 1991,7:520 20 Fur[ollg D N.Urquhart R,Grieser F.et a1.J Chem Sof ii Roy V N.Ingale A,Kkukreja L M.et a1.Apple Phys A: Foraday Trai15.1993.89:203l Mater Sci Process,1999,69(4):385 21 Fendier JH,Me|drum F C.AdvMater.1 995,7(7):607 18 Yang Jangping,Me|drum Flora C.Fend|er Jano=H.J (责任蝙辑张汉民) 

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