（材料学专业论文）凝固与变形耦合作用下铝的组织演变行为的研究.pdf

摘要 在g 1 e e b l e 1 5 0 0 热模拟机上实现了铝的凝固与变形耦合作用的模拟。借助 光学显微镜的分析手段，结合变形的应力应变曲线，研究了凝固与变形耦合作用 铝的组织演变规律，并分析了冷却强度、变形速率、变形量参数对耦合过程的影 响。 实验表明，在水冷却和液氮冷却的条件下分别形成胞状晶和树枝晶组织。 它们的凝固过程与变形发生耦合作用分别得到铸轧组织和半固态加工组织。变形 速率对该过程有显著的影响，随变形速率的增大，变形所需的压力减小，组织逐 渐细化、等轴化。研究结果表明，增大变形速率有利于外力作用于凝固过程的铝 合金加工工艺的优化。分析了树枝晶在平面应变应力作用下的变形方式。结果表 明，凝固与变形耦合作用过程中，铝的组织的演化是体系的质量与热量的分布状 态发生改变的结果。 关键词：铸轧，半固态， 胞晶生长，树枝晶生长，树枝晶变形 组织细化 a b s t r a c t s i m u l a t i o no fp r o c e s so fi l | 由啦c t i o fs o l i d i 6 础o na n dd e f b 艘撕o o f a l 啊a 】i i l 埘= nw a s 戚泌do ng l e e b l e - 1 5 0 0 氆僦a ls i l n u l 撕o n 嗡c h i n e e v o l l m o no n m i c r o s m n l r eu n d e rm i s 咀d m o nw 蹈a n a l 姗血r o u g ho 蛳o n a lm i c m 曲m c t i l r ea n d s t f c s s s 订吐nr e l a 矗o n e 丘宅c t so fp 撇c t e r ss u c ha sc o o h 4 9f a t e ，d e f o 瑚姻矗o nw d u e 趿d d e 赫m 撕o n 舭o nm i c r o s t r 咖w e r e 姐蜊 r e s u h ss b o w c d 吐胤c e l l l 正a ra n dd 鼬赫6 c 簪o w mf b r m e dw h 丑es 黼啦e sw 钉e c o o l e db yc i r c u l 越n gw a 士e r 趾dl i q 试d 丑i 的g e nf c 坳c t i v e l y a n di n i c r o s m l c 诅mo f 确- r o l lc 础go fa 】瑚：i l j 睫m m 缸l ds e l n i s o l i dp r o c e s s i n gf o r m e dw h e ns 仃e s sw a s i n 拄o d u c c d 虹t o 也e 话s o l i d i 丘c 曲0 np r o c e s s d e 萤嘲瑚i = c i 髓硪龃良耽e d 妇证时a c 血m p r o c e s sg r c a n ys 缸s sn e e d e dd e c r e a s e da n dm i c r o s 虮l c t u r er e ：丘n e da n de q u a x e da s d e f o r m a d o nr a l _ ei n c r e a s e d t h 璐r e s m t sw a si i l ( h | c e d 恤tc 吐a n c e dd e f o n n a t i o nn 她 i sc r n i c a lf o r0 p t i i n i 刃e dp r o c e s s d e f 0 血a 勘nm e c h a n i s mo fd i r c 匝伽i a ls o l i d i 懿a l i o n 出鄹如健o np l 出曲限i ns 仃e s sf i e l dw a sa i l a l y d nw a sc o n c l u d e d 也a te v o l 谢o no f i n i c r o s l n l c l ：u r ed fa 】u 瑚j i m mu n c l e rh 她a 幽no fs o l i m f k a 垃o na n dd e f o r m a ：t i o nw a s 龇i b s u ho f r e a 玎强嘤d 玎1 a s s 盟d1 1 删o f 王i ( 薹u i d s o l i dp ： l a s e k 姆w 。r d s ：n 洒捌c 墩主n g ，s 嘲i s o l i d ，嘲l u l a rg 嗽吐d e 】蜥蛀cg 嘲浊，d e n d r 至t e d e f 0 衄a 矗o n l 锄n e dm i c r o s l l c t 啊譬 i i 串鸯太学颈士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 概述 1 。1 1 铸轧z 艺的发晨历史和现状 铸轧工艺的构想首先于1 8 4 6 年由英国人 i e n r yb e s s e m e r 提出，他认为可以 将铸造与热轧锚合在一道工序中，使镭熔体直接以旋转的轧辊作结晶器，经进一 个道次面生产出厚度相对较薄的铝带坯，但不久就由于材料和控制设备的不足而 不得不中止了试验。一个世纪以后，激烈的市场竞争使得人们又重新着手这一新 工艺的研究。2 0 世纪5 0 年代，第一条铸轧生产线首次在美国nu n _ t e r d o u 掣躺公 司投产成功，此后这项技术得到迅速发展，成为目前铝带坯的主要生产方法之一。 到1 9 9 6 年，全世界铸轧坯料的总产能已缀占铝带坯料总产能的2 l 。我国该项 技术的研究开始于2 0 世纪6 0 年代初期，7 0 年代开始进入大规模生产阶段，蟊 前我国已经成为世界上主要的铸轧机制造国与铝带坯生产囊之一。1 9 9 6 年，我 国铸轧铝带坯产量4 5 7 千吨，占板带坯料总产能的2 9 3 5 ，比世界平均水平高 8 个西分点。 传统铸轧带坯依据铸轧机列的类型与产品的需求，厚度常控制在6 1 0 m m 之间，为了满足产品质鳖的要求，铸轧杌常在远低予理论馕的速度下运行让1 ，2 0 世纪8 0 年代，h u n t e r 公司在计算机高密度外存储盘基片的研究b “1 中发现，当 铸轧板坯的厚度降到5 7 n 趣以下时，可以在秽赢静铸轧速度下生产出没有表面 缺陷的板坯，由此引发了被称为“第三代铝加工技术”的超薄、快速连续铸轧的 热潮。从9 0 年代开始，以美国鞠l n 错、法国p e c h 址e y 、英国d a v y 为代表熬一 些大型铝业公司相继开展了这项新技术的研究，在实验中证明了i 公词的 发现，并且发现当厚度减至大约3 趣n 时，铸辜l 速度将出现突跃，生产率大大提 高”1 。经过几年的试验，带坯厚度被稳定地减小至l 3 m m ，铸轧速度从传统的 1 l l 蛐提裹至1 5 m 妇证左右，生产效率提高了l 2 5 倍鳓。弼一融麓豹数学建 模工作从理论上证明并支持了这项技术”呻1 。到1 9 9 9 年，世界上已经有3 条超 中南犬举硕士学位论文 第一章文献综述 薄、高速铸轧生产线投入生产。 虽然铸乾法在我国的铝带坯生产中占有很大的比例，但是我国的铸轧技术总 体上落后于发达国家。传统的厚度 6 m m 铸轧铝带坯生产过程自动控制程度低， 产品性能不稳定，气道、热带、裂边超标、晶粒粗大等缺陷时有发生，超薄 一快速连续铸轧技术的研究也起步较晚，怠需开展凝固动力学与传统过程相结合 的研究，探索铸轧组织形成的深层机理。自1 9 9 9 年开始，我国将改善铝材质量 的基础研究列为“9 7 3 ”计划，开始对改善铸轧扳质量、摄高铸轧囊产率进行立 项研究，取提了缀大的成果。到2 0 0 0 年9 月，在实验室小型工业援摸生产线上， 已经实现将铸轧板厚度减至1 5 2 衄，铸轧速度提高6 8 倍，铸轧组织也得到 了大蜗度的改善。 1 1 2 铸轧工艺的蒸本介绍 铸轧生产工艺依据结晶嚣的不同胃以分为三类：其一是双辊铸轧法，邵在 两个内部通水冷却的相对旋转的轧辊辊缝间浇入熔融的金属液，使众属凝固并发 生变形；其二轮带式铸轧法，由一旋转的铸辊以及与该铸辊相互包络的钢带维成 结晶器；其三是双带式涟铸法，企属液在两条相互平行的无端带同组成的连续的 结晶腔内凝固成坯。实际生产中应用最多的是第一种，即双辊式铸轧法。 双辊式铸轧机轧辊的不同配置决定了熔体导入方式，由此可将铸轧机列分 为下注式和水平式两大类型，并衍生出倾斜式、上注式等多种生产方式。上注式 双辊铸轧法如图1 1 所示：熔体经除气、除渣、净化处理膝，导入前箱，引向耐 高温的陶瓷唆嘴，并由此导入懂速旋转的两轧辊的辊缝问。熔体在达到两辊啮合 点之前完成凝固，此后经受一定程度的变形，得到几个毫米厚的铸轧铝带坯。这 种产品通常不经过均匀化或退火处理就直接进行冷轧，得到符合厚度、强度要求 的铝板或箔材。 铸轧和传统的半连续铸造( d c ) 一热轧法生产铝带坯的工艺流程与生产资 金投入示于凰1 2 和图1 3 ，双辊铸轧由于省掉了传统生产方法的许多中闻王序， 从而极大地节省了原料，减少了生产成本，提高了生产攀。 同传统的铸轧工絮相比，超薄一快速连续铸毒l 除自费机制引起生产拳的大 幅度提高以外，由于带坯厚度更薄，板材的后续冷轧道次继续减少，生产效率进 一步提高。 2 主妻壅兰塑圭兰童垒塞一墅二兰三笾! 墼 髓载龊 静翟挚 圈1 1 上注式双辊铸轧过程示蠹鬻 2 0 6 2 26 翟1 2 从铝络体到鼯坯妁不随生产工艺漉程( 蘩头掰指数字为板坯厚爱，单位m m ) “” 大部分不霹热处理强纯的镪合金都可戮瘸铸辘法生产，生产的产品广泛地 应用予建筑萼亍业和软包装萼亍业。位是由于铸轧工艺本身的特点，传绞的铸轧法只 适会于生产工业纯铝帮少数会金含量少、结晶濑度区闽窄翡少数舍金，产鼯缺陷 较多。由于结晶的特殊憷，厨铸轧法生产瓣3 0 0 4 镪台金扳不适合于 孛压成铝饮 辩罐n 孔。趣薄快邃连续铸轧法使得搿垒产的铝合金藏围大大扩大，可以生产 a k s i 铸造含金、铝辘承会金鹈食m g 量衰达5 懿锯会金。生产的产品矮量较 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 高，可以应用予某些要求较高的场合，如制罐铝材、印刷用p s 基板、高密度计 算机外存储盘基片、热交换器散热片、氛装铝箔、电解电容器用高压阳极 。： 口嚣喵啾嚣一警 糯，i l - 一耗法删一薅鞋 一铸轧少 一厂 毒彳 盔脚卿翱 多 竺第 箸罗 i1000t p a08 01 ：o1 o：o o：o2 t 0 3 2 口3 o 鬯1 3 不愆铝带坯生产方式的资本投入比较1 铝箔、建筑尉挤压装馋铝型材、汽车用钎焊铝会金复会材料等2 。孙。 1 。2 铸轧工艺的原理及主要工艺参数 1 2 1 铸轧板的凝阉机制 b a g 出柳等人“郫的研究指出，铸轧过程是个“恒定质量流”过程。当铸 轧板从两辊间通过时，热传导系数沿接触弧长度发生变化，存在三个不同的导热 区： 第一区：熔体从喷嘴出来后与铸轧辊紧密接触，热传导系数很高，约为 3 5 3 删2 s - 。 第二区：表层金糯受轧赣的骤冷作用凝霾弗发生体积收缩，凝固层与辊西 脱离接触，使热传导能力大大减小，热传导系数约为o 1 0 5j 跏：小。 第三区：扳坯的凝固过程竞成，强度增大，在被轧辊咬入轧铡的过程中承 受很大的轧制压力，板坯和轧辊间再一次紧密接触，热传导系数大大提高，达 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 2 0 0 5 ，册2 - 5 。 繁二区热传导系数豹骤减，会弓i 起在这一区内板坯表露凝固爆发生重熔， 使凝固壳强度降低，并可能发生氧化，从而破坏了铸轧板坯表面组织的均匀性。 显两易冕，合金元素含最较高匏锯合金铸轧板，甄于凝固滠度区阕大，凝匿嚣圣阕 长，熏熔现象会更为严震，甚至导致板坯出现严熏的质量问题而不能成材，这也 是铸筑生产豹铝合金藏分范嚣受裂限制豹主要原因之一。超薄铸筑的成功之处在 于它有效地增大了第二区的传热系数，使得重熔现象得到掷制，拓宽了合金的生 产范嚣1 2 1 。 1 2 2 主要的工艺参数及其相互关系 1 2 2 1 主要的工艺参数“p 1 7 1 铸轧区 铸轧区是指从供料嘴( r e 舳c t 0 i y 硒dt i p ) 出口：璇到轧辊( c a s t e r 耐1 ) 中心线之 间的距离，长度约为几十个毫米，由铝熔体在其中发生凝固的铸造区和后续的变 形区两部分组成，在稳定的铸轧状态下，铸造区与变形区的长度之比襁1 3 1 4 之 闻。金属液在铸轧区内经过前文所述的三步传热过程，在大约2 3 秒内完成板 坯凝固与轧制的全部过程。通常认为在熔体( l i q u i d ) 与网态板坯( s o l i d ) 之间 存在一个糊状区或称半匿态区( m u s h y n e ) ，如图1 4 所示。虽然这铸轧区段 历时很短，但是却发生了很多多种因素交互作用的复杂过程，如熔体流动、热交 换、轧辊与带坯闻气隙的形成、轧制变形以及伴随的组织圃复与再结晶等。理解 铸轧组织的形成机理主要应该探索这一区段的内在变化过程。 翻l ，4 双辊铸韩妁铸轧嚣示意图 中南大学硬士学位论文 薷一章文献综述 双辊铸轧区长度的建立与铸轧辊的冷却强度、铸轧速度和板坯的厚度等工 艺参数有直接关系。传统的观点认为在一定的范围内，铸轧区长度的增加，可以 使铸轧速度和生产率提高、板坯质量得到改善。但是铸轧区长度受到轧制力和轧 辊直径的限制，生产率达到一是值后不再发生变化6 、1 n 。显然辊径大，铸轧区 的长度长，因此应该优先采用大辊径的铸轧辊。b r o w n e 1 8 1 和b r a d b u r yn 9 1 的观 点与此相反。饿们认为铸轧区交短可以避免金属熔体在半固态区的滠流，抑制虫 此引起的板坯表面缺陷，提高铸轧生产率。并由此推断出超薄铸轧援适合于用小 辊径的轧辊进行生产。 2 喂料装置 供料嘴是向辊缝闻弓l 导稳定滚流的关键装置，有圆形程狭缝形两秘，螽者 有利于获得轧板整个宽度范围内的稳定液流。 供料嘴的耪质要求是保温瞧能好、化学性熊稳定、热膨胀系数小、抗溢变 性能好、加工性能好、有足够的刚度与强度u 5 1 。 由于供料嘴内会菇温熔体，步 部紧获冷辊瑟，熔体焱供睾季嘴窭日处很容易 形成凝固壳，造成堵塞，因此在供料嘴与轧辊之间应留有一道空隙，但这个距离 过大又会造成熔体泄漏。在缝陈宽度适盛镌条件下，轧辊的嚣着力可以阻止淡潺 的发生眨。生产中用陶瓷纤维堵塞缝隙也是一种有效的方法。 3 蘸褡液西离度 前箱的主要作用是保证铸轧区中液态金属的供应量与所需的压力。这个压 力愚蒜蓠箱滚器蔫疫产生的静压力来维掩的。琢刘上在镲诞不破坏供料骧闺隙液 膜表面张力的前提下，前箱液面高度越商越好，因为在液穴中液态金属对结晶面 的压力大，不仅甓保诞金属结最豹连续魏，两且蠢利于获褥致密的缝织。 4 熔体温度 熔体温度是礁保铸轧连续进行和裸证板坯凝量的重鋈参数。温度过高会增 加轧辗的导熟要求，使板坯组织发生变化，是产生铸轧板坯晶粒粗大、增加含气 量、产生裂翻的主要原因。在传统板坯的铸轧生产中，通常使注入前籍的熔体温 度保持在6 9 0 左右n ，而薄板坯的生产中，常使熔体温度高于液相线温度2 0 i 】 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 5 冷却强度 铸轧扳的冷却主要靠铸轧区内熔融铝与辜l 辊的热交换来实现， 面的热流量可以用公式n 5 1 卜1 来表示： 丁 妒2 i 式中：毋_ 通过接触面积的热流量，0 拼2 ) t 谨触表丽上铝与轧辊表面的温度羞， r 接触表露上的热阻，掰2 。s j 通过接触表 从公式1 1 可以蓊出，t 越大，r 越小，冷却强度就越大。t 可以通 过降低冷却水瀑度、减少辊套厚度来提高。热阻与接触表面的状况及筑辊表面对 铝施加的压力等因素有关。故而冷却强度的影响因素决定于辊套的材质与导热性 能、铸轧辊芯豹结掏、辊套浮度、冷却永温度、遂力帮流羹等i 由于铝铸轧过程要求轧辊承受较大的弯矩和卷取机施予的拉力，因此轧辊 应该兼具较高的强度和导热系数。在生产邋程中辊套辛孝料因为反复通永冷却和接 触高温熔体，很容易产生热疲劳，表面产生裂纹，影响铸轧板坯的质量。”。 超薄板坯铸轧机对改善冷却系统做了大量的工作，采用开发新的辊套材 料、保证适宜的辊凸度以改善带，辊接触条件、改进辊芯冷却机制等方法减小热 阻、增大接触表面温度差，使得铸轧辊的冷却能力大大增强n ”。 6 铸轧速度 铸轧速度通常是指铸轧板的出辊速度。它醴：铸轧辊线速度大一个百分之几 的前滑量。为了保证铸轧过程的连续性，铸轧速度应与铸轧区内金属的凝固速度 保持一定的比例关系。如铸轧速度大于凝固速度很多，易使铸轧板凝固不是，出 辊后仍保持凝网状态；反之液态衾属在铸轧区内停留的时间过长，会造成过度冷 却，以至金属凝固在供料嘴内或使所需的轧制压力增大。 影响铸轧速度的因素为：铸轧区长度、合金成分、辊套厚度、车l 辊的表匿 形状、前箱的熔体温度及供给熔体的均匀性。通常采用较低的熔体滠度而允许较 高的铸轧速度。 薄板坯的铸轧由于冷却好，金属凝固得快，因此允许有较大的铸轧速度。 这也是它生产率提高的主要原因之一。 7 ! 堕盔兰堡主兰堡燕塞 墨二兰_ 三壁! ! i 查 7 合金成分 铸轧能生产的舍鑫范重较窄，对含金元素食量有严格的限制，h l 班c c r 公 司在1 9 8 8 年的专利4 1 中对杂质元素的含量做了严格的要求，列如表1 1 ： 表1 1 铸轧铝合金的允许元素含巅及其作用 1 2 2 ，2 主要工艺参数阚的关系 1 铸轧濑度与铸轧速度的关系 生产中发现，一定的铸轧潺度对瘦一定豹稳定铸轧速度范嚣，铸轧湿度高 对，铸轧速度应低些，反之，则较低的铸轧温度应以较高的铸轧速度相配合。 2 铸轧区长度与铸轧速度盼关系 传统相对较厚的板坯铸轧时铸轧区长度与铸轧速度在一个范围内大致成线 性关系，箍铸轧速度的提高，铸轧区长度燮短。铸轧区长度增加时，铸轧速度珂以 加快，反之，铸轧速度应该相应减小。两者的关系与凝固速度与铸轧速度的关系 稠葡m 1 。当然薄板坯的铸轧证骥了相反的观点。 3 铸轧遮度与板坯厚度的关系 传统的掣板坯( 6 l 妇盥) 铸轧生产中，铸轧速度几乎为一常数啦! 。薄板 坯的铸轧生产中，铸轧速度随板坯厚度减小而提高。当板蟋厚度小于5 。7 时， 生产率有些许提高，厚度小于3 m m 时，生产率发生突跃，间接地反映了铸轧速 度随板坯厚度减小丽增加的规律幽。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 3 产品的主要缺陷与产生原因 铸轧生产过程中出于影响因素多，耍求对各工艺参数有较严格的控制，早 期铸轧试验失败便是控铷设备举足的结果。工艺参数的控镧不当禳容易导致铸轧 板中出现诸如热带、裂边、表面裂纹、瘸状偏析、中线偏析、分层、水平波纹、 表面粗大晶粒、秸辊替缺陷，下面仅就其中些主要的缺陷进行讨论。 1 3 。1 微观缺陷 1 3 1 1 热带 热带是镪烙俸在铸乾区内尚未完全凝固就被夹在板坯中心带了出来，在铸 轧区外完成凝潮而形成的一种缺陷。由于凝固机制的不同，热带部分的组织与板 坯正常都分有缀太韵差异，是一种乡 貌粗糙的铸态组织。它一般不穿透带坯，沿 带坯纵向断断续续地分布成带状。 热带的产生暴因可能是由于蓑箱波面过低嚣致熔钵供应不是，或是液态金 属温度偏高、铸轧速度过高，致使熔体来不及完全凝固n 6 、2 4 12 卯。b a g s h a w 警嘶1 认为热豢匏趱瑶与铸轧速度无关，它魍根结蒂是受熔俸溢度分布均匀度和它与轧 辊接触散热条件的影响。对一定的铸轧遥度有一个临界的传热系数，低于这个值， 热带藤可能产生。因诧提高辊套散热能力、在熔体一辊面闻逯入掺性气傣以减小 氧化层厚度、调整供料嘴结构使液流均匀等条件均有利于减少热带的产生。 1 。3 1 2 表罄裂纹 在厚板坯的表面通常有月牙形( 马蹄形) 的横向小裂纹，其间有时充填有 含赢f e 、s i 杂质豹穗。杂质挺程裂纹两侧豹分布不均匀：靠近轧涮方商一侧杂 质相少，晶粒较粗大；裂纹另外一侧则杂质成网络状分布，晶粒较为细小n 6 2 4 、 2 5 】 这种裂纹和填充物的形成原因被认为是：熔体进入辊缝问后，表层与轧辊 接皴发生凝潮，形成嵇着区，辎怼与中心尚未凝强豹液体发生前滑，在固液界面 处形成很大的剪切变形，产生裂纹，后凝固的高杂质低温相沿裂纹处被挤压了出 来。裔杂质辐在挤压流动过程中沣尉先凝固生成豹枝晶，佼箕发生断裂、破碎， 形成厝凝固棚的结晶核，因此，裂纹后方的组织不仅杂质含量高，而且晶粒细小 9 中南丈学硕士学位论文 第一章文献综述 “6 1 m d j 因此，液穴越深，其上下两面的凝困壳就越薄，在威力作用下就越容易破 裂。任何加大液穴深度和提高铸轧速度的因素均容易诱导袭厦裂纹的产生。熔体 湿度商容易使液穴深度加大。浇注温度稳定时，若供料嘴虑部结构不合理，也会 使液穴内熔体温度有波动，造成凝固壳的局部薄弱n 们。 1 3 1 ，3 溶质渗出 溶质渗出是薄板坯连续铸轧中常见的一种缺陷，其形成与b a g s l m w n 4 的三 步传热过程密切檩关。己o c 坶e r 等n 8 铷认为在传热过程的第二步，熔体与辊面 之间形成薄凝固层，与辊面脱离接触，形成一段空隙，半周态区枝品网尚未凝固 的低熔点相在轧辊的挤医作用下很容易砖破凝凰层，填到空隙中来，形成渗出。 在第三步的变形过程中，空隙愈合，渗出物由于硬度高，几乎不发生变形，形成 镶嵌在基体中的粒状意溶质相，它在后续冷加工中也难以变形，经长时闻退火羼 依然存在，严震地影响了板坯的质量2 。 渗出物的形成与凝霾前沿瓣形状鸯关。当轧制受蓑大，铸轧速度审辩，凝 固前沿变短，液穴形状钝化，渗出缺陷不易形成。板坯厚度的增加脊同样的效果， 因此渗出物缺陷在厚板坯翡铸转中报少高现垃9 、3 u 。 1 3 1 4 中线偏析 中线偏柝是高溶庚含量攘在板坯中部形成豹一种德梃缺陷，猩合金含最高、 结晶范围宽的烈一m g 、烈一f e 合金中表现得尤为妊著，而在工业纯铝的铸轧生产 中强l 缀少出瑷3 。 l o c l 【y e r 等跚2 9 3 0 1 在研究中总结出了中线偏析的形态随铸轧板厚度的减小 稻铸筑速度壤加沿无巾线偏折一中线逶道一变形通道一层状结构的变化规律。撞 们认为在厚檄坯一低铸轧速度时没有中线偏析的出现。随板坯厚度的减小和铸轧 速度的：骥加，铸毵板首先出现中线偏柝，其形态怒圃柱形豹线状偏桥物在板坯厚 度的中间面上沿纵向等距分布。随后偏析物的线状分布发生中断，长度变短，过 渡至i 交形的僚拆状态，帮在原先形成中线逶道的部位， 鑫熔点豹偏析物以等轴豹 形状弥散地分布于基体中。最后过渡到分层组织，带坯的表层与中间层有截然不 同扮二次枝晶润距，晶粒形貌巍大不相同。 j i n b 2 1 和m c d o n a l d 哪3 4 1 等人认为中线偏析的原因是：铸轧半固态的液体 1 0 中南太学硕士学位论文 第一章文献综述 在铸辊挤压力的作用下德后洄流时，引起后方先凝固部分的重熔，形成一个高溶 质相的通道。b r o w n e 8 1 和b r a d b 啊! y n 蚰的数值模拟的结果认为铸轧速度的增加、 液穴深度的变大都容易引起这种洄流重熔的发生。l o c h y c r 2 7 、2 9 、3 等的观点与 此类似，并认为当铸轧速度进一步增大懿，整个半固态糊状区一起被向后挤压， 洄流来不及发缴，液体在先凝固的成分中凝固成等轴状。层状结构的形成与半固 态金属的触变性有关。 1 3 1 5 表面粗大晶粒 国内的生产中茏其是在垂囊下注式铸毒l 较厚的铝扳坯对，常在板坯表面发 现5 级粗大晶粒，在表层的片状结构下形成粗大的羽毛状组织。其原因被认为是 熔炼温度过高、冷却强瘦不够等导致了缝晶面裁沿形成过嘉的温度梯度所致。这 种粗大的组织方向性很强，在后续加工中难变形，退火时难发生再结晶，不易做 成i 申压制品际2 4 、狮。 1 3 2 宏观缺陷 1 3 2 1 表面皱缩( 水平渡纹) 表面皱缩( 有的文献称之为水平波纹) 是薄板坯生产中常见的一种缺陷。 它表现为板坯的宽度方翔一边松一边紧，或者率闯松，两边紧，松的部分自然在 板坯表面形成大致平行与宽度方向的水半皱缩。 b c k y 盯等2 9 。认为这辩缺陷起源于带坯宽度方向的前滑量不均匀。在试 验中发现板坯较厚时，强度高，不易发生皱缩现象；当板厚很小，而铸轧速度很 高对，皱缩现象同样得到抑制，但可能发生严重的粘辊现象。 1 3 2 ，2 粘辊 当铸轧板坯厚度极薄时，很容易发生粘辊现象。它的产生与熔体的化学成 分和工艺参数都有关系。在铸轧含m g 元素铝合金时较少发生粘辊，其原因被认 为是m g 在轧辊表面形成了m 9 0 ，避免了轧辊与熔体的宣镶接触翻、3 1 。i r i c i b a r 等b 5 1 对各种铸轧条件下的粘辊情况作出分析，认为粘辊是由于轧辊与凝固壳之 间的摩擦引起它们之闻的接触弧上的应力交化过于急居0 所致。通过添加润滑剂可 以减少粘辊现象的发生。 中南大学礤士学位论文 第一章文献综述 1 4 铸轧板的组织和性能 1 4 1 铸轧板的组织 铸轧凝嚣与热毒l 过程豹同步镬铸毒l 扳豹组织既不同予铸造，有不同予传统 的半连续铸造( d c ) 一热轧板的组织。 铸轧生产孛络体与冷辊面熹接接触，板坯薄，导热挟并具有方囱性，飘丽 铸轧组织带有快速凝固与定向结晶的特征，具体表现为枝晶网尺寸小( 约5u 搬) 、金藩弼纯合物粒经小( 约梵l 塾m ) 、固溶瘦增相和豫稳摆出现等“”1 。在 3 0 0 4 铝合金中m n 元素和f e 元素的过饱和固溶度高达o 9 2 “”。c 1 y n e “”依据 生产数据葱结出各魏生产方式豹凝固与继织参数精于表1 2 ，可良蓑出双辊铸鞋 板坯的枝晶间距约为常规d c 法的l 5 。w e s t e r g e n 等发现铸轧板中的金属间 纯合物不但毙常规方法妁粒径减小8 e ，雨且分布更为均匀弦散。 表1 2 铸乾与铸造发生产的铝合金凝瓣与雏缳参数“ 半连续铸造 水冷半连续铸造( d e )o 5 5o 2 0 20 1 0 53 0 l o o 无模d c 铸造1 o 50 2 0 50 2 0 吨o2 0 6 0 厚板坯连续铸轧+ 亨特一道格拉斯机型( n ) o 1 5 o 5 l oo 5 5 0l o 6 0 黑兹荦j 特机囊o ，l lo 5 5o 2 24 0 6 0 普罗珀齐法o 5 51 o 51 o 1 0 2 0 4 0 薄板坯连续铸轧+ 亨特铸轧机 5 o 3 01 0 2 05 0 5 0 05 1 0 3 c 铸轧机1 o 2 05 2 0 2 0 4 0 05 2 0 + 表中三种主要生产方式与图2 对应 1 2 ! 蔓奎堂堡主兰壁篓兰盔要型堕! i 查 铸轧板的晶粒大小沿厚度方向分布不均匀，从表层到中间二次枝晶间距递 增，如图1 5 所示，既便如此，中闻层的缎织仍然比传统铸造一热轧法生产的细 小。s h i b u y a 等4 2 1 认为铸车l 板中二次枝晶间距d 和冷却速度，闻满足关系式1 2 ： d = 影“ ( 1 2 ) 式中彤使比饲常数。c l y n e 蛳1 认为茁可取3 3 ，露可敬为一言，通常蠢馕在垂耻m 6l lm 间波动，可计算出铸轧的冷却速度慈达1 0 2k s 1 0 憾s ，而在超薄板矮的 铸轧中，二次枝晶间距进一步减小至1 5 砧m ，可阻认为冷却速度高达l o l o 永s 以上。网样的道理，中间层的冷却速度比边上的小，这与v a l l g 出和 w j a t e 聪e n 叫“的试验结果相符，他们得出冷却速度沿厚度的分布量现与二次枝 晶间距抛物线方向相反的援律，边层大，中间层小，并认为这是由于接触情况不 好或辊板间形成气隙的结果”“”。而l o c k y e r 等“7 3 ”认为铸轧投的中间层比 表层的二次枝晶间距更为细小，并认为是由于扳坯的凝固搜它能承受很大的轧制 力，从而大大提高传热系数的结果。 夕 ：夕。i 罗 y 123s 口i s t n c ef 矗o mu p p rs u r f c l l - 一l 图l _ 5 铸轧a l o 5 f e _ o 5 s i 如t ) 的二欢技晶问距鲢厚度的分布圈“” 常规铸造方法褥到铸锭由表层激冷层、过渡的柱状晶层和中间豹等辘晶层组 成。铸轧组织与此不同。在未添加晶粒细化剂的条件下，l i “”认为组织由袭层 的柱状晶层与中间的等轴晶层组成，等轴晶层的厚度随熔体湿度的升高嚣宽化。 t s u j i 等“3 1 在试验中得到的是由表层的等轴晶层与中间的晶粒拉长的变形层组 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 成的组织。国内的生产“椰中得到的是一种沿厚度中心线对称分布的柱状晶组 织，晶粒取向与厚度中心线成1 6 3 0 。的夹角，成“人”字形排布。孟庆福等“” 认为铸轧板坯靠近表层部分为柱状晶，中心部分为细小拉长的等轴晶组织。 上述的研究均表明柱状晶的形成是在凝固前沿成分过冷的条件下，树枝晶的 一次轴沿散热方向迅速生长的结果，这个方向垂直于轧制方向，沿冷辊面笔直指 向熔体中心。并在生产中发现如果向熔体中添加a 卜t i 或a 卜t i - b 晶粒细化剂， 则在熔体内的各部分会发生同时行核，形成细小的近似于等轴状的细晶粒组织， 原先的柱状晶消失。 铸轧是凝固与热变形同步的过程，其组织就变形与再结晶程度而言，同样有 别于热轧组织。通常热轧组织由于变形量大，粗大的化合物颗粒沿轧制方向断断 续续地排成近似于直线的形状，形成热变形纤维组织。铸轧板则是在凝固过程完 成后，再进入变形区承受一定的轧制变形。根据铸轧辊的大小、铸轧区的长短和 液穴的深浅，轧制压下量常定为2 0 3 0 。生产过程中发现，带坯离开轧辊时轧 辊的表面温度为3 2 0 3 6 0 。国内的生产中由此判断铸轧变形是在固相线温度 到3 2 0 3 6 0 的温度范围内进行。因此铸轧带坯在热变形中发生回复和少量的 再结晶，使得变形时产生的晶格畸变能有所降低。但由于出口温度不高，带坯内 仍残留一定的变形能。由此得到的组织从宏观上看是沿变形方晶粒拉长的变形铸 造组织，从微观上看，铸造晶粒内部有动态回复和再结晶形成的亚晶块。并在实 践中发现，晶粒粗大时铸态组织比较明显，晶粒越细，回复和再结晶组织所占的 比例越大“1 。 w e s t e r g e n 和n e s “n 同样认为铸轧板的出口温度不足以产生完全再结晶，并 测定了带坯厚度方向的硬度分布瞳线，将它与该合金的加工硬化曲线作了比较， 确定铸轧带坯内的残余变形能相当于1 0 2 5 的冷变形。 铸轧板有较强的织构。铸轧带坯凝固过程中晶粒的定向生长使得各晶粒的 ( 1 0 0 ) 方向作定向排列成为较强的结晶织构。t s u j i 的实验m 得到的组织表层 有( 1 1 0 ) ，r d 的剪切织构，中间层是包括 1 1 0 ) ( 1 1 2 ) 、 1 1 2 ) ( 1 1 1 和 1 2 3 ) ( 6 3 4 ) 的轧制织构组成的组织。b e n _ u m 等6 1 认为铸轧表层摩擦力的增大以及 轧制速度的降低均会促使表层剪切织构的增加，反之则在表面形成平面应变的轧 制织构。他们还认为，表层剪切织构的形成与铸轧组织的晶粒细小有关。国内的 1 4 串南大学疆学位论文 第一章文献综述 生产6 4 7 1 发现增大铸牟l 加工率时，带坯的 丝织构强度会减弱，从丽使冷 轧扳邋火后的立方织构减少，轧制织构增强。 对超薄快遥铸轧板蕊言，其组织与饴统的铸车l 扳组织类似，雨洋是一季中柱状 晶占优势、沿中心线对称分布的“人”字型组织。所不同的是前者组织更细、残 余变形更太。将薄种板坯继续轧裁加工至箔材对，其显微缀织凡乎宠全相同”1 。 1 4 2 铸轧板的性熊 1 4 2 未搬王铸轧板的性襞 铸轧带坯因晶粒尺寸细小，金属间化合物分布均匀，f e 、s i 等元素过饱和 固溶簿原因，有较强的综合力学性能。除级离延 串率稍低外，其余各方向的强度 和塑性均高于热轧坯料们。双辊铸轧的共晶砧1 2 s i 、刖。1 3 m 啦s i 、a 1 6 n i 等合余由于合愈元素充分固溶，阻碍再缩晶的相减少面甚麓表现出超塑性“驰。 k a r l i l 【等人1 认为高f e 、m n 的铸轧铝含金由于有较高的强度与延伸率，可以 代替1 系或8 0 1 1 合金使用。b 蛳。等强0 1 认袅由予铸车l 板晶粒沿轧雠方向拉长， 铸轧板在垂寅于轧制的方向脆性较大，对m n 粒子分布于晶界的a l 。m n 合愈尤 为如此。 超薄铸轧板由于驻微组织与传统铸轧扳的相似，力学性能也较为相近。如 表1 3 。 表1 3n o o 铝合金铸轧及力学性能参数8 1 铸轧带坯在高温下退火后，由于存在少量的变形能，且变形量小，会生成 粗大的葬结晶缀织。弱对由予中间金属阗纯合物糠径小，分布弦散，倾向于襞再 结晶组织细化，这两种因素相互制约1 6 1 。对3 0 0 4 铝合金而言，由于缺乏大尺寸 的中闻金瘸瓣他食物粒子起润滑彳车用，在深冲生产易拉罐融，容易产生糖模现象 1 1 2 】 中南太学硕士学位论文 第一章文献综述 1 4 2 2 经避后续颜工的铸轧板的性能 由于铸轧带坯中溶质或杂质元素过饱和、存在晶内偏析、以及在后续冷加工 过程中定向辩布的柱状晶倾向于朝平行于轧制方向拉长而不易破碎等原因，相比 于半连续铸造( d c ) 一热轧板坯而言，经过同样的冷轧处理后，板坯的辩结晶 开始温度和终了温度都有所提高，再结最温度区间扩大。随着冷轧加工率的增大， 再结晶开始温度降低，再结晶温度区间缩小“”。 如果冷轧前对铸轧板进行均匀化处理，就熊有效地消除铸轧板的内部缺陷， 降低再结晶开始温度，但是这样会耗费很大的能爨，几乎可以抵消这种生产方式 带来的能源、资金节省b 印，所以在实际生产中铸轧板通常是直接进行冷轧加工。 由予合金固溶度大，冷轧带坯的加工硬化率高，强度指栎增加得快“。 由于铸轧带坯织构强，柱状晶在后续加工中不易破碎，铸轧带坯经冷轧加工 后既便再退火，各向异性也较大，在深冲时容易产生制蛘效应。通常在深冲制品 的表面有较为明显的纤维状条纹，由于加工硬化率高，产品易冲裂n 。 铸轧板由于金属闯化合物粒径小，分布弥散，又很强的抗腐蚀性，适合于加 工成包装铝箔和电容器用铝箔。但由于冷轧过程中晶粒破碎不充分，加工厢的板 材阳极氧化与着色处理后，制品表面窍较明显的纤维状条纹。 1 。s 本实验的研究目的鸟意义 铸轧作为一种先进的生产方式，随着超薄一快速铸轧技术的发展，墨经在 铝板材的生产中发挥簧酲盏重要的作用。虽然我淘双辊铸轧枫的掇有量和铸轧镭 带坯的生产能力居于世界前列，但莸国的该行业仍然存在生产效率低、产品质量 不过关豹翊题，部分产品依然救靠进口，在超薄一快速连续铸轧技术方匿的研究 也尚处于起步阶段，急需加大研究力度，开展系统研究。 铸轧绝织的形成与铝在铸轧区内发生的交形密切相关。铝熔体在两个冷却 的轧辊表面形核生长，凝固壳相向往熔体中推进，同时轧辊施予的应力场对这一 过程发生干扰，使组织的凝固方式发生改变。因此镭豹铸轧组织怒凝固过獠与变 形过程发生耦合作用的结果。 材料的性能归檄结底由其组织决定，二者之间的许多关系在材料学中己形 成较为成熟的理论。围此，从缀织的演化规律w 以推断出材料性能的变化趋势， 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 从中得到获取较高的材料性能的工艺路线。赝以，研究缀织在变形与凝固耦会作 用过程中的演化规律，是研究这一加工工艺的基础。本实验将从组织的研究入手， 采用物理模拟的方法，模拟铸轧的凝嚣与变形方式，研究两者的藕合作瘸下组织 的演化规律，其结果不仅可以作为指导铝合金铸轧生产的一般规律，还可以为其 它变形俸嗣予半凝固状态的工艺，翔半固态加工、喷射沉积等提供一定的参考。 中南大举硕士学位论文 第二章试验方法与可行性分折 第二章实验方案和可行性分析 2 1 实验方法 2 1 1 实验流程图 铝锭重熔 t 垫蕉垫壤趔 广l 丛盘挲垫意厘速氢当堡塑佥廪 l 厂 邀壅挛瑾逮壅敦童挛形量趁变鸾氆蕉奎 审 ，审 蓬盐塑丝璇盛毽遗褒堑塑受塞 图2 1 实验流程鹜 1 8 中南大学硕士学位论文 第二章试验方法与可行性分析 2 1 2 铝锭的制备 工业纯铝中因含有较多的f e 、s i 等杂质，熔点会更低一些。为了便于浇注， 采用6 9 0 的温度熔炼铝锭，熔炼设备采用马弗炉。铝熔体适当保温后，浇入内 孔径为中1 2m m 的石墨模中，再切割成巾1 2 6 m m 的铝锭，打磨光两端面以备 用，尽量保证每个铝锭高度一致，质量相等。 2 1 3 石英坩埚的制备 由于铸轧加工过程开始于金属熔体，在两个夹头水平推进的热模拟机上要 实现这一过程，必须设计一个容器盛装熔体。它应该能耐高温( 高于铝的熔点 6 6 0 4 ) ，容纳铝熔体；导热性要好，使熔体能向夹头上迅速散热：在样品凝固 到能承受一定压力后自动撤消，不影响熔体在应力下的变形。因此本实验采用石 英管两头封以薄紫铜箔，作为容器，称为坩埚。盛装铝熔体的坩埚放入热模拟机 夹头间进行压制，石英管在经历一定的变形后破碎，此时熔体也经历了一定程度 的凝固，在后续压制中完成凝固与变形的铸轧模拟过程。 石英坩埚的制作过程为：取内径中1 2 n 盥、外径巾1 4 m m 的石英管切割成6 m m 高的小段，取厚0 3 m m 的紫铜箔剪成1 2 1 6r r 眦尺寸的小片。实验的时候 将锯切好的铝锭置于石英管中，铝锭端面与石英管两端口平齐。用紫铜箔片封住 石英管两端，外用细金属丝固定，形成一个以石英管为型腔、紫铜箔为端面的内 置铝锭的封闭坩埚。 2 1 4 热模拟夹头的改造和热模拟机的工作过程 为了模拟铸轧过程中的温度场和应力场，本实验重新设计了一套夹头。夹 头端面为矩形，尺寸1 0 3 0 r 衄，在距离端面1 0 m m 处平行于夹头端面开一个内 径为中1 0 m m 的通孔，并焊上进出水嘴以供连通冷却介质用。夹头侧面形状如图 2 2 所示。在本实验中选用流通水与液氮两种冷却介质，以提供中等的和高强的冷 却强度。 1 9 中南大学硕士学位论文 第：章试验方法与可行性分析 热模拟实验是在g l 找南l e - 1 5 0 0 热模拟扭上进行豹。采舞l 热模拟规处理样品 的过程如图2 3 所示，将封闭的石英坩埚鬣于马弗炉中保温。考虑到样品转移过 程中的热量损失却合金中溶质的影响，傈瀣温度设定为6 9 0 ，高于纯铝的熔点 6 6 0 4 。铝锭熔化后迅速连同坩埚提起麓于热模拟机两夹头间，启动热模拟机， 开始爽头双向鹾翱的热摸攮过程。通过热模拟机的控剖系统可以精确地控制匾剿 样品的变形量及变形速率，并瞬时采集数据。 2 2 热模拟机夹头示意图 2 1 5 实验过程与方法 出于凝爨进程懿主要控截参数是冷帮速度，变形的表征参数变彤量郝燮形 速率。因此本实验将讨论这三个参数对凝固和变形耦合过程的影响。 依据实骏条件，采取水和液氮两种冷却介质提供不同的冷却强度。由于在 铸轧铝的工业生产中通常是在2 3 秒的时间内完成凝固与变形过程，经热阋复 和少豢荐结晶詹板材残余o 1 5 o 2 0 的变形，以3 秒的时阅完成o 3 5 的变形量 计，应变速率毒应该为o 1 1 7 s 一。以铸轧工艺为参考，本实验的变蟛参数也以此 为基准设定。为了考察变形速率与交形量参数各窜的影响，在进行变形速率参数 的影响实验时，使变形量恒定保持在o 3 5 ，反之，讨论变形量的影响时，恒定 变形速率为o 1 1 7 s 。 2 0 中南丈学硕士学位论文第二章试验方注与可行性分斩 首先在水冷却的条件下，以恒定的应变量= o 3 5 ，在o 0 5 o 3 s 1 范围内 改变应变速率进行模拟实验，同时与铸轧及冷变形组织做对比。由于铸轧冷变形 组织中反映了变形量的影响，本组实验省略改变变形量的模拟实验。 再在液氮冷却的条件下，通过恒定应变速率i o 1 1 7 、在o 2 o 5 范围内 改变瘦变量，和恒定应交董占= o 3 5 、在0 。0 5 o 2 5 s 。范弱国改变应变速率，进 行两组实验，研究高强冷却条件下的组织演化特征。 实验所得样品的编号分掰为1 2 x 和2 l x 、2 2 x 。编号中第一个数字代表冷却 条件，1 表示水冷却，2 表示液氮冷却 第二个数字代表应力条件，1 为应变速 率恒定不变，改变应变鬟，2 表示应变量慨定不变，改变应变速率；第三个数字 表示每一组实验中样品的序列号。 l 。冷却介震进出口2 石英管3 铭锭4 紫钢箔 5 夹头6 夹具7 热模拟机控制系统 图2 3 角热模嚣【捉模拟铸轧示意图 将热模拟所得的样品沿平行于夹头的长度方向，即垂赢于铝锭变形时金属 流动的方向切开，憋此截莲经过剪l 城瘗光焉，在c r 锡鹃混含酸溶液中翡电解抛 光，再在氟硼酸中进行阳极覆膜处理。电解抛光和阳极覆膜的电压和时间分别约 中南大学硕士学位论文 第二章试验方法与可行性分析 为2 0 v 、3 0 s 和1 7 v 、4 m i n ，由于电解抛光的反应非常剧烈，受温度和材料的影 响非常明显，所以应该根据不同的情况采取合适的抛光电压和时间。制备好的金 相样品在p o l y v e r m e t 型金相显微分析仪上进行金相观察和组织分析。并依据热 模拟机采集的压力与位移数据作样品模拟过程的应力一应变曲线，辅助分析组织 的形成与演化机理。实验中同时取未经熔化的铝锭，分别在2 0 、1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 的条件下恒温压制，取其应力应变曲线作对比 分析。 2 2 实验方案的可行性分析 在双棍铸轧过程中，当铝熔体在两辊间完成凝固以后，进入轧制变形阶段， 板坯发生塑性流动，形成图2 4 所示的向出口侧c d 的前滑和向入口侧a b 的后滑 以及向宽度方向的宽展。受轧辊形状的影响，金属的后滑比前滑容易，在a