上方側(cè)注式雙輥鑄軋1 050鋁薄帶的研究
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王 德 周 成 張友亮 付 遠(yuǎn) 程香平 胡 強(qiáng)
（1．江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所；2．北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）
摘要采用上方側(cè)注式雙輥鑄軋工藝制備了1050鋁鑄軋薄帶，并觀察了薄帶金相組織。結(jié)果表明，1050鑄軋薄帶表面質(zhì)量良好；薄帶厚度隨帶坯長(zhǎng)度的增加而先增加后趨于穩(wěn)定。金相組織觀察表明，上方側(cè)注式雙輥鑄軋薄帶上輥側(cè)與下輥側(cè)組織存在明顯差異。上輥側(cè)為等軸生長(zhǎng)的凝固組織，下輥側(cè)為軋制變形組織，且中間存在一條分界線，是由于軋制作用改善冷卻條件所產(chǎn)生的。
鋁合金薄帶連續(xù)鑄軋?jiān)阡X板帶工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。目前普遍應(yīng)用的水平式或傾斜式雙輥鑄軋存在鑄軋速度慢、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)口。上方側(cè)注式雙輥鑄軋是在單輥甩帶法和雙輥薄帶連鑄的基礎(chǔ)上提出來的，旨在提高鋁薄帶鑄軋的生產(chǎn)效率，同時(shí)擴(kuò)大鋁鑄軋適用合金范圍。前期研究中，已經(jīng)對(duì)工業(yè)純鉛、Al-lOCu合金進(jìn)行了試驗(yàn)與分析，結(jié)果表明，上方側(cè)注式雙輥鑄軋能夠以不低于36 m/min的速度制備帶型良好的金屬薄帶。本課題將對(duì)1050工業(yè)純鋁鑄軋薄帶進(jìn)行研究，討論利用上方側(cè)注式雙輥鑄軋制備1050鋁薄帶的宏觀與微觀組織特征，為深入理解上方側(cè)注式雙輥鑄軋機(jī)性能，提高鑄軋薄帶質(zhì)量提供參考。
1 試驗(yàn)方法
采用純度≥99. 5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的工業(yè)純鋁1050作為試驗(yàn)材料，將鋁錠置于熔煉爐中升溫至(680±3)℃，待鋁錠熔化后經(jīng)攪拌、扒渣等操作，保溫20min，待溫度穩(wěn)定后進(jìn)行鑄軋?jiān)囼?yàn)。全程試驗(yàn)中，熔煉爐內(nèi)均采用Ar保護(hù)(流量18 L／min)。澆注時(shí)，布流器中液面高度為20 mm，閘門開口高度為3 mm，輥速為36～48 m／min，輥縫厚度為2 mm，上輥傾斜角度e=45°。上方側(cè)注式雙輥鑄軋過程見圖1。
為研究1050鋁薄帶的組織特征，在軋制方向上取樣，經(jīng)預(yù)磨、拋光后用Keller試劑(95 mL的H2 0+2.5mL的HN03 +1.5 mL的HCl+1.0 mL的HF)腐蝕15～20 s，用酒精擦拭并吹干后，在金相顯微鏡下觀察微觀組織。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 1050鋁薄帶的宏觀特征
圖2a為上方側(cè)注式雙輥鑄軋制備的1050鋁薄帶卷，寬40 mm，厚2 mm。薄帶表面較光滑，僅中間部位存在少量缺陷。觀察薄帶上下表面，發(fā)現(xiàn)上表面比較光亮，主要表現(xiàn)出凝固特征，很少有軋制的痕跡，而下表面則能清晰觀察到軋制痕跡，見圖2b和圖2c。這是因?yàn)橄卤砻娼饘傧饶蹋媳砻嬖诮佑|了上輥后才逐漸凝固。與Al-lOCu合金不同，1050純鋁凝固溫度區(qū)間較窄，且材質(zhì)較軟。在進(jìn)行Al-lOCu合金薄帶鑄軋時(shí)，其糊狀區(qū)較寬，上下輥的擠壓力實(shí)現(xiàn)了上下層凝固殼的焊合，但因強(qiáng)度較大而不能形成明顯的變形組織。對(duì)于1050純鋁而言，由于其強(qiáng)度較低，加之上下表面凝固先后順序不同及凝固潛熱在較窄溫度區(qū)間內(nèi)釋放，使得下表面凝固殼較厚，而上表面可能仍然處于凝固點(diǎn)附近。在經(jīng)過輥縫時(shí)，下表面發(fā)生較明顯的變形，而上表面只經(jīng)受較輕擠壓，變形不明顯。
圖3為鋁薄帶在長(zhǎng)度方向上的厚度分布。從圖3可以看出，隨著薄帶長(zhǎng)度的增加，厚度先增大最后趨于穩(wěn)定。這種現(xiàn)象反映了上方側(cè)注式雙輥鑄軋過程中輥縫的變化規(guī)律。由于經(jīng)過輥縫時(shí)薄帶產(chǎn)生了變形，上輥受到薄帶變形抗力的作用被迫向外移動(dòng)（主要是由于預(yù)緊彈簧的能力有限），輥縫逐漸增大。初期，由于鋁薄帶較薄，對(duì)輥縫的影響較小。隨后由于凝固金屬厚度的增加，變形抗力增大，輥縫逐漸增大。但當(dāng)薄帶變形抗力與預(yù)緊力達(dá)到平衡時(shí)，鑄軋過程達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，輥縫不再增大，薄帶的厚度也逐漸趨于穩(wěn)定。從測(cè)量的結(jié)果看，厚度的偏差在5%以內(nèi)。增加鑄軋機(jī)剛性，可減小帶坯厚度波動(dòng)。但從試驗(yàn)情況來看，增加鑄軋機(jī)剛性對(duì)于帶坯的立板過程有不利影響（易造成“卡輥”），因此需要綜合考慮進(jìn)出口流量、澆注溫度等因素，以獲得連續(xù)的帶型良好的帶坯。
2.2 1050鋁薄帶微觀組織特征
圖4為鑄軋鋁薄帶沿軋制方向的微觀組織。從圖4a中可以看出，上輥面與下輥面的金相組織存在明顯差異，下輥側(cè)組織被拉長(zhǎng)，這是明顯的變形組織；而上輥側(cè)雖有一定的取向，但基本上保持等軸生長(zhǎng)，屬于凝固組織。上下表面都存在一層很薄的細(xì)晶層，是受到輥面急冷而形成的。上方側(cè)注式雙輥鑄軋鋁薄帶并沒有表現(xiàn)出普通鋁鑄軋薄帶的“人”字形晶粒特征，說明它們的凝固與變形過程存在差異。普通鑄軋時(shí)，鋁熔體與上下輥幾乎同時(shí)接觸，由于速度較慢，鋁熔體以層流方式流動(dòng)。在通過輥縫前，上下輥側(cè)的凝固金屬先焊合，隨后經(jīng)過輥縫的軋制作用形成薄帶，鋁薄帶上下晶粒幾乎成鏡像對(duì)稱分布。而對(duì)于上方側(cè)注式雙輥鑄軋，鋁熔體首先與下輥面接觸，熔體上部分還處于流動(dòng)狀態(tài)，由于速度較快，熔體在輥面的拖拽及高度落差影響下，進(jìn)入熔池時(shí)處于強(qiáng)烈的紊流狀態(tài)。與上輥面接觸并冷卻形核的晶粒被攪動(dòng)的流體“刮落”并隨之進(jìn)入熔池中心，隨后等軸生長(zhǎng)。因此上輥側(cè)金相組織呈現(xiàn)出等軸凝固特征。雖然帶坯上表面晶粒變形不大，但是仍然呈現(xiàn)出“扁平狀”趨勢(shì)，說明上輥起到了一定的擠壓作用。而下輥側(cè)金屬由于經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間冷卻已完成凝固，進(jìn)入熔池時(shí)受熔體的攪動(dòng)影響小，在通過輥縫時(shí)發(fā)生軋制作用。因此，下輥側(cè)金相呈現(xiàn)軋制變形特征，見圖4d。
在薄帶的中間部位，發(fā)現(xiàn)一道“分界線”，呈現(xiàn)出“單邊羽毛狀”，見圖4b。其形成過程與鑄軋過程傳熱行為有關(guān)：下輥側(cè)由于凝固收縮，增加了熔體傳熱的熱阻。在軋制力產(chǎn)生時(shí)刻（見圖5a），熔體受壓導(dǎo)致下輥側(cè)金屬與輥面的接觸條件改善，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大(見圖5b)，冷卻速度增大，熔體中的熱量通過已經(jīng)凝固的固體鋁導(dǎo)出，晶粒垂直于固體界面生長(zhǎng)。由于上輥的帶動(dòng)及軋制力作用，晶粒產(chǎn)生一定角度的傾斜。隨著與界面距離的增加，冷卻速度減小，晶粒在紊流作用下表現(xiàn)出等軸生長(zhǎng)特征。該現(xiàn)象驗(yàn)證了前期關(guān)于上方側(cè)注式雙輥鑄軋傳熱行為的研究結(jié)果。
3 結(jié) 語
通過對(duì)1050工業(yè)純鋁進(jìn)行上方側(cè)注式雙輥鑄軋薄帶的試驗(yàn)研究，獲得表面質(zhì)量良好的鑄軋鋁薄帶。薄帶的厚度隨長(zhǎng)度的增加而增大并逐漸趨于穩(wěn)定。薄帶上輥側(cè)的金相組織為等軸生長(zhǎng)的凝固組織，而下輥側(cè)則為軋制變形組織。由于軋制力改善冷卻條件，使得中間分界線呈現(xiàn)“單邊羽毛狀”特征。
