（材料加工工程专业论文）铸轧铝板坯织构分析及再加工薄板表层晶粒异常生长机理研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 利用1 2 3 5 铸轧铝板坯冷轧生产出的薄板表面产生了超常大晶粒，本论文针对异常生 长的大晶粒进行研究。为探寻晶粒异常生长为超常大晶粒的机理，本课题通过e b s d 、 s e m 等分析手段，对晶体的取向差及晶界进行分析，并对原始的铸轧板坯的织构进行分 析。 研究表明：铸轧板坯在表层具有明显的 0 0 1 、 0 0 1 ) 、 l l l 织构， 铸轧板坯内部的取向逐渐演变成其它取向且逐渐增多，其晶粒尺寸从表层往中心层逐渐 增太：冷轧后的薄板坯形成了典型的 0 0 1 ) 织构；在冷轧薄板表面形成的异常生长 的术晶粒长条形取向( 3 1 4 ) 1 。1 1 】、等轴生长形取向 0 1 4 ) ，两种异常晶粒和其 相邻的晶粒具有较大的取向差，角度在4 5 。以上；经过c s l 分析表明，在大晶粒和周 围晶粒形成的晶界处不满足重合位置点阵条件，是原子随机排布的大角度晶界；在异常 生长大晶粒晶界处有f e 相析出。 关键词：铸轧铝合金：异常生长：织构；晶界；取向差 a b s t r a c t a b n o r m a l l a r g eg m i l l s 、v e r eo b s e r v e dma l u l n i 硼mp l a t ew m c hi sp r o d u c e db yt w i n - r 0 1 1 c a s t i n gs l a b t h em e c h a n i s mf o ra b n o r m a lg r a i ng r o w m ( a b g g ) o f l a r g e 蓼a i l l s 吼s i n v e s t i g a t e d g r a i nb o u n ( 1 a r ym o 印h o l o g y ，m i s o r i e i 妇t i o no f a b g ga n dt h et e ) ( c u r eo f m e t w i i l _ r o l lc a s t i n gs l a bw h i c hc o r 姚i n sa b n o r m a l l a 玛e 铲a i n sa r es t u d i e d b ye b s da n ds e m t h er e s u l t ss h o w ：t t l et 澌n r o l lc a s t i n gs l a bs 1 _ l r 矗l c el 琊e 0 0 1 ) ， 0 0 1 ， 1 11 ) t e ) ( t l l r e ，t h ei n t e r m l t e 舭o ft h e 一r o nc a s t i n gs l a b 鼬a l l y e v o l v e di n t o o t h e ro r i e i n a t i o n sa n dt h en u m b e ro fo r i e 吡l t i o n sg r a d u a l 】yi n c r e a s e d 丘o mt h es u r 斑c e t o c e n 锄jt h eg r a i l ls i z e 丘o mt h es u r f a c et ot h ec e n t e ri n c r e a s e dg r a d u a l l y ； 0 0 l t e x t u r e w e r eo b s e e di nt h e p l a t ea n di t 吼st h e 咖i c a lt e x t u r eo f t h ef c cf e c 巧s 伽i z a t i o na f t e rc 0 1 d r 0 1 l i i l g ；t l l eo r i e n t a t i o no f 也e1 0 n g 口a i l lw a s ( 3 1 4 ) 1 1 1 ，a 1 1 dt 1 1 eo r i e n ：t a t i o n o f e q u i a x e d g r a 洫啪s 0 1 4 ，b o t ho f t l l em i s o r i e n 切t i o na n g l e sb e t w e e n a b g ga n dn e i g h b o r 蓼a m sw e r ea b o v e4 5 。；t h ec s la n a l y s i ss h o w e dt h a tt h eg r a h lb o u n d a r yb e t w e e nm e a b g gg r a i l la 1 1 ds u r r o u l l d i n gg r a i nd o e sn o tm e e tt h ec o i n c i d e n c eo f 廿l ec o i l l c i d e n c es i t e l a t t i c e ，a t o m sr a n d o m l y 撇n g e di nk 曲a n 9 1 eg r a i nb o 吼d a 巧；f ep r e c i p 妇t e sa tt h eg r a m b o u n d a r i e sb c t 、v e e na b g g g r a i na n ds u r r o u n d i n g 酉a i n k e y m r d s ：t 谢n o l lc a s t 洫g ；a b n o r m a lg r a i l l 铲。晰h ；t e x t u r e ；黟a i nb o u n d a 巧；m i s o r i e n t a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 工业纯铝 第一章文献综述 1 1 阻铝的特性 纯铝是面心立方晶体的结构，其配位数是1 2 ，单个晶胞有四个原子，正常压力下是 没有同素异形变化过程。铝的晶格常数在室温下大约是4 0 4 9 a 。铝的原子直径为2 8 6 3 a 。 多数的添加元素对铝的晶格影响不大【l 】，其固溶度低，通常只能改变小数第三位或最多 第二位的数量。 弹性形变时，晶格沿着受张力的方向伸长，沿与其垂直的方向收缩，每m n m 2 的负 荷产生1 的变化，负荷解除时，晶格常数变化就会消失。塑性变形时，晶格在所用方 向上都产生永久性膨胀。在整块材料中，晶格常数在塑形压缩变形量为2 0 3 0 时达到 最大值，约为4 0 5 1 a ，在冷加工度达到8 0 时，又减小到约4 0 5 0 a 。在室温放置1 0 0 小时或更长时间后，歪扭的晶格有所恢复，增大的晶格常数值向平衡值减小一半。冷加 工使铝的密度降低，多晶体材料当变形率达9 9 时，约降低o 1 o 3 ，单晶铝的降低值 要小些，当变形量3 0 4 0 时为1 0 4 。 铁对工业纯铝晶格常数没用明显的影响，只有溶解的硅和铜才会使它略有减小，其 它杂质的含量都达不到足以产生可察觉的影响。工业纯铝的密度很大程度上取决于铁和 硅元素的含量。铁使密度增加，而硅使它减小，但减小的量比增加的量小的多。 。 t 0 p t a c t i v e 磁1 r 豳 图1 1 面心立方晶格 铝的熔点为6 6 0 ，沸点温度为2 3 2 7 。铝元素是地壳中含量最多的金属元素，仅 次哥氧和硅的含量。铝及其合金的独特性质使；| 导其具有很广泛的应用价值，这就大大有 利于这种新金属铝的生产和应用。因而铝产品在很多行业都得到了很大程度的应用。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 1 2 工业纯铝的生产 现代工业生产铝的方法通常是采用熔盐电解法【2 j 。首先在矿物中提炼出氧化铝，再 通过熔融态的物质冰晶石( n a 3 灿f 6 ) 作为溶剂，氧化铝为溶质，铝液作阴极通入一定大 小的直流电，在电解槽内的两极进行电化学反应，其电解时候温度在9 5 0 0 c 9 7 0 0 c 左右， 在阴极产生铝液，通过真空抬包把铝液从电解槽内抽出，然后在保温炉内对铝液进行净 化，随后可以把铝液浇铸成铝锭或者生产其他产品。 废 1 z 铸轧技术 图1 2 铝电解生产工艺流程示意图 1 2 1 铸轧原理 铸轧，是将液态的材料导入通有循环着的冷却水的两个铸轧辊的辊缝间，以铸轧辊 直接作为结晶器，在很短的时间内完成边凝固边轧制，直接生产出带坯的一种工艺，也 称无锭轧制。铸轧是将液态的金属直接“铸造及轧制”成为板带坯或者直接成材的新工 艺。 连续铸轧是将铸造方法和轧制方法的同步结合的成形方法。铝的连续铸轧和钢的连 铸也有明显不同，连续铸轧不需要专门的结晶器。连续铸轧工艺最大的特点是铸轧时的 结晶器为两个有水冷系统铸轧辊，铸轧辊在旋转过程中完成对液态金属的冷却结晶和成 型过程，熔体凝固和热轧两个过程在其辊缝间完成，而且在2 3 s 内完成，该过程时间 很短。铸轧减少了半连续铸造热轧带坯生产工艺中的开锭、铣面和热处理均匀化等一些 中间工序，很大程度的降低了工业生产成本。不可以利用热处理强化的铝合金大部分均 可采用这种铸轧法生产。铸轧法生产这种独特的生产方式决定了其产品具有传统产品不 具有的一些性能特征【3 j 。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 图1 3 铸轧板带成型的基本原理 1 2 2 铝合金的连续铸轧工艺 连续铸轧是将液态金属凝固及变形成为所需板带材过程。根据合金成分进行配料后 在熔炼炉中将备好的铝锭、中间合金或金属添加剂融化后，铝熔体还需进行扒渣、搅拌、 分析成分是否合格，把成分合格的熔体导入静置炉，再导入铸轧机进行铸轧，最后卷取 带坯。 其工艺主要流程如下图1 4 ： 回唪曰冷回碜囫冷回 团审团翱回镛固 图1 4 连续铸轧工艺流程 铸轧工艺流程的特征大致相同。首先在熔炼炉熔炼成铝或铝合金的液态的熔体，温 度范围在7 3 0 7 5 0 ，进行精炼、扒渣、然后导入静置炉，扒渣，经流口和流槽流入精 炼装置，在线精炼之后在熔体中加入相应的晶粒细化剂，通过过滤装置进行过滤，流入 前箱内，前箱可以自动控制液面高度。前箱底侧有横浇道，熔体通过浇道流入到供料嘴 中。i 供料嘴在处于转动的两个铸轧辊之间，在铸轧辊内部通着的有循环着的冷却水。当 熔体通过供料嘴流入到轧辊之间时，很快与铸轧辊接触，熔体的表层立即凝固成了固体 硬壳，伴随着铸轧辊的旋转，和铸轧辊接触的表层固态硬壳不断的增厚。当铸轧辊的两 辊面与逐渐凝固并不断增厚的固态硬壳接触时，硬壳便受到轧制，成为了带坯，经牵引 机进入后续的剪切机，切掉头部，经过矫直，至卷取机。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 5 连续铸轧工艺流程图 在铸轧生产工艺线中，最关键的工序就是铸轧阶段。在这道凝固并成型的工序中， 从熔体到铸轧金属带坯的过程一般是在4 0 7 0 m m 范围内完成的。 根据铸轧轧辊和金属流向，可将连续铸轧分为三类：垂直式、倾斜式、水平式。 甜 图1 6 双棍式铸轧设备三种方案 ( a ) 垂直式( b ) 倾斜式( c ) 水平式 1 流槽；2 浮标：3 前箱；4 供料嘴 三种铸轧形式铸轧机的特点比较如下表1 1 表1 1 三种铸轧机的特点 铸轧区的主要的工艺参数有：铸轧区长度、铸轧速度、冷却强度、浇注温度及凝固 瞬间的铝或铝合金熔体供给所需的静压力等。 图1 7 二辊铸轧金属铸轧区示意 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 1 2 $ 国外铸轧技术发展概况 铝合金的板带铸轧技术的发展已经一百多年【4 1 。从1 8 4 6 年英国人提出的从两个旋转 的轧辊上方往下浇注熔体，并通过一对内部设计了循环冷却系统的铸轧辊缝间，在该轧 辊转动过程中结晶、凝固、变形后把铸轧带坯从下方引出。由于当时的技术能力和工艺 条件，该想法未能取得成功。直至2 0 世纪5 0 年代，美国的亨特、道格拉斯两家公司在 总结前人研究的基础上，将上注式该为下注式，成功的铸轧出宽型的铝薄带坯，设计制 造出了首个能实际应用的双辊铸轧机。 传统的双辊式铸轧机及其生产技术在经过半个多世纪的发展后也取得了很长足的进 步，如j u m b 03 c 铸轧机、原英国戴维公司制造的铸轧机、法塔亨特公司的亨特式铸 轧机等，在铸轧机结构、操作性能及自动化程度等方面均得到了很大的改进，既改善了 劳动条件、提高了生产率，又提高了铸轧产品的质量。 1 ) j u r 】曲o3 c m 铸轧机 普基铝业1 9 9 1 年开始双辊高速减薄铸轧研究计划，用于工业生产的j u m b 03 c m 2 0 2 d 蚴薄带坯铸轧机的设计开始于1 9 9 4 年。不久之后该铸轧机就投入了运行。 液压压下与辊缝调节技术在3 c m 铸轧机中得到使用，该铸轧机通过双辊传动，利用 计算机技术和自动化技术控制液面高度和整个生产线的各项工艺参数，辊套材质有很大 的改善，使用寿命得到较大的延长，轧辊表面的涂料也有很大改进，供料嘴材料也得到 了改善，采用了新型的耐火材料。该铸轧机能够自动在最优条件下进行生产，同时，又 可以使生产处于最佳状态，此时，铸轧机既可以保证最佳质量，避免产生产品缺陷，又 能以最大的速度生产。 2 ) s p e c d c a s t e r 铸轧机 亨特公司于上世纪9 0 年代初开始研究高速薄带坯铸轧技术。1 9 9 1 年亨特公司改造了 一台宽6 1 0 m m 的铸轧机，增加了铸嘴的自动定位并增大其最大速度、增加了辊缝控制 技术、利用了高速剪切和助卷器等一些功能，并试轧出了厚度1 n u n 左右薄带坯。另外， 还研究了薄带坯后续加工工艺以及薄带坯铸轧工艺的最佳化。该公司还设计制造出了 2 1 8 棒衄高速薄带坯铸轧机。 亨特公司开发设计制造的新型的超薄高速辊式的铸轧机可以生产的板带产品厚可以 达到1 m m 至1 5 衄、其铸轧速度在可以控制在7 6 州血n 至2 3 m m i n 之间，比较适合用 于铝箔毛料或铝散热片。该型铸轧机铸轧辊缝采用电动控制，铸嘴采用电动定位方法。 利用与计算机控制系统联网，实现控制系统及测厚仪与铸轧主传动机三个部分自动化协 调丑作，完成整个过程自动化控制，以保证高速铸轧出的产品的组织结构和尺寸精度， 可蚪使铸轧铝板坯的厚度减小，晶粒更加的细化和铸轧板坯内部组织更趋于合理，提高 产品了质量，还能降耗、节能、提高生产效率从而降低成本。亨特公司为土耳其的某铝 业公司设计制造的2 台高速铸轧机，可生产宽度为2 4 0 0 n u n 、厚度为2 i n m 8 m m 带坯， 可供轧制铝箔用。这是现在世界上可以生产的最宽铸轧带坯铸轧机，其铸轧机铸轧辊的 辊身宽度至少为2 6 0 0 m m 。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 3 ) f a s t c a s t ( d y m 血cs 仃i p c a s t e r ) 铸轧机 早起戴维公司和u n i v e r s 埘o f o x f o r d 共同研究了高速薄带坯铸轧实验，该实验是在 实验室小型的试验机上实施。在研究高速薄带坯铸轧时，通过数学模型和过程模拟进行 研究改进。l9 9 2 年在双辊铸轧机上完成了中间试验，后来又建造一台高速薄带坯铸轧机， 该铸轧机利用四重结构，于1 9 9 5 年投入运行。 该铸轧机驱动方式采用支承辊驱动完成，同时安装有液压的铸轧辊正、负弯辊装置 及动态倾斜装置来控制板型。铸轧机还装配了先进的动态板型辊( d s r ) 、d 哪2 l 系统、 非接触式的激光液面高度控制系统等。整个辅助装置均采用p l c 进行自动化控制。 目前的电磁铸轧技术已经在亨特式铸轧机和3 c 式铸轧机获得工业上的应用。 此外，美国也已经研制出可生产厚为2 o m m 、宽度2 2 0 0 m m 铸轧带材、速度1 5 d s 以上的连续铸轧及连轧生产线，可减少或省去冷轧过程，为铝箔轧机直接供应坯料或直 接做易拉罐的毛坯料。 1 2 4 国内铸轧技术发展 中国2 0 世纪6 0 年代初期开始对铝带坯双辊式连续铸轧技术进行研发。在东北轻合 金加工厂生产出了1 0 m m 厚的铸轧带坯，产出带坯宽度为7 0 0 m m 。经过近半个世纪的发 展，铝带板双棍铸轧技术在我国得到了迅速的推广普及。 铸轧机在我国的发展历程可以分为三代1 5 j ： 第一代( 标准型铸轧机) ，辊径为6 5 0 i m ，生产能力l t ( h m ) 左右。 第二代( 超型铸轧机) ，该型铸轧机增加了辊径，增加到9 8 0 m m 左右，辊径加大也 相应的增加了铸轧辊的刚度和凝固区的长度，使产品宽度也得到了增加，提高了生产能 力。 第三代( 超薄快速型铸轧机) ，该型铸轧机的产品生产出的薄带坯不但冶金组织比常 规带坯的好，而且力学性能也更高，减少了箔材后续加工的冷轧道次，降低了制造成本， 为节能减排提供了很好的技术支持，其核心技术达到了国际先进水平。目前，除了传统 的双棍铸轧机，还出现了四辊式铸轧机，生产能力得到了进一步提高。 图1 8 标准型铸轧机组成示意图 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 图1 9 超型铸轧机组成示意图 虽然铸轧技术已经在我国得到了广泛的应用，但是生产产品质量并不高，大约7 0 左 右的优质铝板材还要靠进口。能生产超薄产品且快速的连续铸轧技术还在进一步研究中， 其成果尚未推广应用。就目前研究的程度来说，对铸轧机各个参数耦合的潜在机理还并 不清楚，在铸轧技术上依然需要进一步加快研究的步伐。 1 2 ：5 铸轧技术发展前景展望 连续铸轧技术目前正在向薄型化、高速和高精度方向发展。全球铝带坯铸轧工业也 对生产铸轧产品时提出了更高的技术要求，要求铸轧速度更快、带坯宽度更宽、铸轧产 品更薄、自动化程度和产品的精度更高。电磁铸轧等改善产品质量的新技术有待进一步 开发，如何使之更成熟的应用到实际生产中有待进一步研究。 1 3 铸轧铝板产品 1 3 皿铸轧铝板的结晶特点 铸轧时铸轧区的内熔体的热量通过铸轧辊传导给辊芯内循环的冷却水，铸轧带坯与 轧辊之间没有间隙，具有很好的导热状态，因而熔体在铸轧区内的冷却速度很快，可达 1 0 0 - _ 1 0 0 0 s ，冷却速度比常规的水冷半连续铸锭的提高大约两个数量级。其冷却凝固 为快速定向导热结晶，因此铸轧条件下的凝固实际是在有成分过冷的条件下所产生的， 必定带有这种凝固条件下的某些特点【5 】，铸轧组织呈树枝状，并有一定的偏析。快速成 长的一次轴朝着与导热方向相反的方向的方向迅速生长，形成柱状晶。 图l 。1 0 铸轧带坯截面微观组织【6 】 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 在刚开始凝固时，柱状晶轴和导热方向一致，粗大的一次枝晶朝着热流动的反方向 定向长大，纵断面形成了的“人字形”特点【5 j 。带坯的晶粒的 方向大致与带坯中心 线呈6 0 。一7 0 。角，具有较明显的择优取向。铸轧辊转动到变形区当发生轧制压力变形 时，柱状晶轴和带坯中心线呈4 5 。角【6 j ，变形区的中心部分有一种挤压力方向是向后的， 该压力向两侧的已凝固的硬壳内扩展，柱状晶在此时发生转动，当被轧制区域辊缝分开 时，柱状晶和带坯中心线的夹角呈1 6 。2 0 。，这些纤维组织在铸轧区大或铸轧速度低 时，相对于铸轧方向会发生更大的倾斜。 ，影一 鱼缓缓蠹鏊爹驴4 孳爹 羹饕蘩粪瓢 l 图1 1 1 柱状晶与带坯中心夹角变化示意图 结晶时铸轧带坯纵截面的上下层的结晶组织呈略有差异的对称形状。原因分析如下 【5 】：倾斜式或者水平式的铸轧工艺的产品在铸轧时带坯上、下表面的液体静压力不同， 因而上、下表面结晶条件也有差异。上、下嘴子片和铸轧辊间隙处熔体氧化膜曲率不同， 因而熔体和铸轧辊接触的早晚不同时，造成结晶条件不同。见下图。 图1 1 2 铸轧时上下表面结晶的示意图 上嘴唇铝氧化膜曲率半径r 为： r = 嚣 下嘴唇铝氧化膜的曲率半径r 为： 2 d 一一 ( h + h ) d 式子中俨表面张力； 公式( 1 1 ) 公式( 1 2 ) 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 h 上表面液体静压头； 从上、下表面液体静压头差； p 铝熔体密度。 可以通过适当改变嘴子结构较小上下表面组织的差异，见图1 1 3 。 3 、5 m m 口 6 图1 1 3 铸轧上下嘴皮的长度对比示意图 a 铸轧上下嘴皮长度相同；滞轧上嘴皮比下嘴皮短 另外，铸轧带坯上、下表面的成分、晶粒度都有差别 5 ，7 1 。表1 2 分析了不同式样成 分的平均值。 表1 2 锝乳带坯上、下表囱晶粒度及成分对比【5 】 式#! 编号表面 晶粒度 f ev v t s i 砒t i 叭 1 上五级 0 2 90 1 2o 0 1 6 下二级 0 3 0 5o 1 2o 0 2 3 2 上五级 o 4 40 1 1 o 0 1 4 下五级 o 4 50 1 1o 0 1 5 5 3上 二级 0 2 9 5o 1 3o 0 0 7 下二级 0 3 00 1 3o 0 0 8 从上表数据可以说明，同一个式样，下表面的f e 、t i 含量总是比上表面高，下惹 的禹，粒度总是比上表面细，即使是同样一级细晶粒，上下表面的晶粒也比上表面细。_ 上 下基：面晶粒不同级且下表面的晶粒比上表面晶粒细比较常见。 1 3 2 铸轧铝板的组织特点 铸轧带坯的显微组织中有铸造晶粒、变形晶粒和再结晶晶粒，其显微组织既不是完 整的铸态组织，也非完全的变形组织，而是铸态组织和经少量变形并部分发生动态回复 和必量再结晶的组织。显微组织的外观像铸造组织，但铸造晶粒内部的亚晶块则是在热 变形中发生动态回复和再结晶的组织【s 】。所以，铸轧铝带坯的显微组织由铸造晶粒、变 形晶粒和再结晶晶粒组成。 与热轧带坯相比，铸轧带坯组织具有如下特点【5 ，7 ，8 】 1 ) 具有很细的显微组织；铸轧结晶时冷却速度非常快，凝固时间很短，凝固速度快， 因此铸轧板具有很细的显微组织。对于不同铸造方法、冷却速度、液穴中温度梯度、枝 第1 0 页武汉稠技大学硕士学位论文 晶尺寸的比较表如下。 表1 3 不同铸造方法、冷却速度、枝晶尺寸的比较 半连续铸造 薄板连续铸 轧 d c 铸造 无膜d c 铸造 亨特铸轧机 3 c 铸轧机 o 2 2 o 2 5 1 0 2 0 5 2 0 0 1 5 0 2 2 0 5 0 5 0 0 2 0 4 0 0 3 0 一1 0 0 2 0 6 0 5 1 0 5 2 0 2 ) 具有过饱和的固溶体。极高的凝固速度使得铝中的一些合金元素或杂质元素被强 制固溶在铝的固溶体中，形成过饱和固溶体，工业纯铝中的铁、硅元素即是这样。很高 的凝固速度还会使固溶在铝中的元素在晶粒内部很不均匀，形成晶内偏析。对铸轧板坯 进行均匀化退火，可以使过饱和的固溶体分解，减少或消除晶内偏析，优化加工性能。 3 ) 铸轧带坯织构强、择优取向明显。铸轧时定向导热使晶体的成长具有非常明显的 方向性，从结晶体看，立方晶体的树枝状主轴朝 方向生长，因此， 方向和一 次柱状晶的方向相同，铸轧带坯的人字形柱状晶定向排列，和中心线形成6 0 。7 0 。角， 形成了择优取向 5 1 。虽然通过变形区的轧制，取向有所变化，但是仍保留有某种程度的 强织构。 1 3 3 铸轧铝板的质量控制 1 3 3 1 铸轧铝产品中的偏析缺陷 工业纯铝的主要成分是趾，其百分比达9 9 以上。f e 、s i 是其中含量相对比较多的 杂质元素，因为在冶炼过程中这两种元素是很难做到完全除去。在1 2 3 5 铸轧铝合金中， f e 、s i 是形成偏析的主要元素【9 1 ，甜_ f e 相及灿f e s i 相是主要的夹杂存在形式。中心层 偏析缺陷是铸轧铝合金中较为突出的问题，该偏析为宏观偏析。中心层偏析是影响后续 轧制质量的很重要的影响因素，特别是生产铝箔材的铸轧坯料，很难通过均匀化退火来 改善中心层偏析。 有文献【8 - l o 】指出了产生并影响中心层偏析因素。在轧辊压力作用下，富集合金元素的 液态的铝沿着枝晶间隙，从较冷区被挤到中部较热区( 孔道效应) ，在全部凝固后在中心 部形成共晶，还会在局部出现过共晶成分。铁硅等元素在铝中的固溶度不高，中心层的 偏析量随着合金元素的添加量和随铸轧辊扎转动的速度的加快而增加。其偏析程度也随 着液穴的深度或凝固区域的长度的增加而加剧，而液穴的深度是和合金凝固区问、铸轧 辊转动的速度、辊缝的接触区域热传导系数以及熔体铝合金入口的温度都相关。随着熔 体过热的程度和铸轧速度的增加中心层的偏析程度会加大，并随着轧辊和板坯接触界面 之问的热传导率的增加而偏析度减小。另外，还与添加的细化元素的量有关。细化剂可 以作为形核的质点，在铸轧成型过程中形核成为质点，并快速结晶，可非常有效的阻止 合金元素向铸轧板坯的中心区域扩散，减轻中心层偏析。铸轧时的工艺参数：铸轧区长 武汉剥妓大学硕士学位论文第1 1 页 度、铸轧速度、冷却强度、细化剂量等改变都会影响中心层偏析程度。 1 3 _ 3 2 铝板铸轧的晶粒度控制【5 ，1 1 】 铸轧时应尽量避免粗大晶粒的产生，晶粒度通常用晶粒的平均直径表示。铸轧带坯 的晶粒度分为五级。 金属结晶时晶粒的大小是体积形核率和晶体表面长大线速度的相对大小的函数，形 核率与长大线速度的大小主要取决于液相过冷度，如果过冷度越大的话，形核率与长大 线速度之比n g 越大，那么晶粒越细小。铸轧的过程中可以通过冷却方法增大铸轧区 铝合金熔体的过冷度，并向合金熔体内部添加一些合适的晶粒细化剂以避免产生比较粗 大的晶粒，从而起到细化产品晶粒的目的。 晶粒细化可采取的具体措施有如下几种方法： 1 ) 通过降低熔炼的温度，并加强炉内部熔体的搅拌； 2 ) 降低在轧辊内部循环的冷却水的温度、同时增加水的流量，并加大水压，增加冷 却的强度 3 ) 在保证正常生产前提下，适当提高前箱液面的高度，并降低前箱熔体温度，降 低铸轧的速度； 4 ) 添加变质剂的影响，这是影响晶粒度的最主要的因素，通常添加a 1 t i 或甜n _ b 等作为晶粒细化剂 1 2 】，添加变质剂前后晶粒度比较如下图1 1 4 ； 5 ) 改变其它铸轧条件，如在降低铸轧速度和增加铸轧区长度的同时增加冷却强度。 未加晶粒细化剂铸轧带坯板添加晶粒细化剂的铸轧卷组织 a 带坯板面组织；b 带坯纵断面组织a - 卷板面组织；b 带坯纵断面组织 图1 。1 4 添加晶粒细化剂的影响比较 1 4 铸轧铝板冷轧工艺及产品组织性能 铸轧板带坯的组织性能与热轧坯料的组织性能不同，两种坯料轧制的带材在再结晶 特性、力学性能、工艺性能及化学性能方面都有区别。 铸轧带坯冷轧板的再结晶温度会随着变形量的增加其再结晶温度会逐渐降低。 有文献【1 9 】指出，面心立方金属( 工业纯铝) 冷轧变形过程中，随着冷轧变形量的增 第1 2 页武汉嗣技大学硕士学位论文 加，b 取向线上取向密度不断增加，并主要形成 1 1 2 ) 、 1 1 0 和 1 2 3 ) 织构。在变形过程中，b 线的右端与取向线。 另外，铸轧铝带坯在随后的加工工程中，其一些缺陷和组织特点会遗传到后期产品 中。如过前期的原材料、辅助材料、熔炼及铸轧过程中的污染等过程都会引起在铸轧坯 料中形成夹杂，在后期冷轧过程中，这种缺陷便会破碎并散布的更弥散。 对应用较为广泛的铝箔的制造坯料，其坯料的质量对轧制产品的质量有很重要的影 响。铝箔坯料的质量指标主要有表面质量、厚差、板型、冶金质量( 夹杂物含量) 组织 性能等，组织性能则主要是由工艺决定，板型等因素主要由生产设备及工艺决定，表面 质量会受到设备和工作人员操作水平的影响。 1 5 本项目研究内容及意义 1 5 1 课题的研究背景 本课课题为国家自然科学基金项目( n 0 5 0 1 7 4 1 1 7 ) 。某厂工业纯铝铸轧板坯的再加工成 为薄板坯的过程中，在板坯的表面形成了尺寸为厘米级的异常大晶粒。异常生长的晶粒 分为两种，一种是长条形( 长度1 5 3 0 m m ) ，另外一种为等轴的( 5 1 2 m m ) 。 铸轧产品由于其凝固结晶和轧制成型的特殊性，铸轧区内冷却速度快，成型过程短， 会形成晶粒择优取向和织构现象。在铸轧板坯纵向截面上形成人字形柱状晶。其织构特 点会影响到铸轧板坯的再加过性能。其再加工产品也会形成一些典型的织构，铝的冷轧 织构一般如 1 l o 、 1 1 2 ) 等织构，冷轧后，经过再结晶退火后的典型织构有 1 0 0 等【1 3 】。 完全再结晶的金属在足够高的温度下退火，可以观察到晶粒长大现象，晶粒长大的 驱动力是靠减小总的晶界面积提供的。晶粒生长分为两种，晶粒连续生长或正常生长一 n o m a lg m i n 印w 吐l 烈g g ) 和晶粒不连续或反常生长一a b n o r m a l 伊a i ng r o 叭h ( a b g g ) 。 在发生n g g 时，晶粒的大小随退火时间的增加逐渐增大，平均晶粒尺寸不断增加。随着 晶粒的长大，晶粒数目减少，晶界的面积减小，因而，总的晶界能朝着减小的趋势发生 变化。 当n g g 被夹杂或者是强织构抑制时，a b g g 就可能发生。在发生异常大晶粒长大时， a b g g 吞噬相邻的基体小晶粒。 有文献【1 4 】曾经对再结晶织构对异常长大的晶粒进行过研究，利用一种具有 0 0 1 ) 织构铝合金板材，另外一种是晶粒取向近似于随机分布的板材，在一定的温度下退火， 发现，反常晶粒会在具有明显择优取向明显的组织中出现，没有择优取向的晶粒则转变 成大角度晶界。 武汉弄 妓大学硕士学位论文第1 3 页 ab 鬻翳蒸 黪熹鬻鹾。鬻爹；。攀j j 然鬻：裘蜜i7 茎 第1 4 页武汉嗣教大学硕士学位论文 1 5 3 课题的研究意义 该缺陷对铝板的性能具有很大影响，通过上述实验分析，研究铸轧板冷轧加工前后 的晶粒取向变化，探索冷轧铸轧坯工业纯铝生产的薄板坯表层异常生长的晶粒产生原因， 为后期提出改善产品质量避免该种缺陷发生的方法提供理论依据。 武汉剥技大学硕士学位论文第1 5 页 第二章材料制备与试验方法 2 1 实验材料的准备 实验材料为某铝厂厚度为7 3 m m 的铸轧铝产品。其特点为中心层具有严重偏析。将 样品切割成2 0 m m 2 0 n u n 的试样。铝板成分如下表2 1 所示： 表2 1 成分表 化学成分( 重量百分比) c h e i i c a ic a h 9 0 s i t i o n ( 1 r r 菇) 具它 崩i 锚锰锌镁硅+ 铁铽钒镍铜 备注 ( a 1 )( 鼍n )( z n )( 1 【g )( s i + f e )( t i )( v )n i )( c u ) 单个舍计 1 2 ：i 嘲9 9 3 50 0 50 1 00 0 50 6 50 0 60 0 5|0 0 50 0 3| 经过冷变形结合退火的最终厚度为0 6 1 m m 的产品，该产品在表面形成了具有两种 表层异常大晶粒。两种异常大晶粒中，一种是长条形，长度为2 0 m m 左右，宽度为5 m m 左右，另一种为等轴晶，直径约为1 0 m m 。这两种异常晶粒在表层的厚度均小于0 1 咖， 当使用电解抛光约为6 0 s 时，便会把表层晶粒全部溶解掉。 2 2 实验方案 通过对铸轧板坯的厚度方向不同深度处进行晶体学取向分析，研究铸轧板坯厚度方 向的织构特点。并对通过冷变形和热处理，把样品轧制到0 6 l m m ， 实验通过三个实验来完成： 1 ) 铸轧板坯的厚度方向上不同深度层对晶粒的取向规律进行观察； 2 ) 分析铸轧坯经过冷变形结合热处理出现异常大晶粒的板面进行晶粒取向，分析出 大晶粒和周围晶粒的取向关系。对晶粒取向关系对大晶粒异常长大的影响进行评估； 3 ) 通过扫描电镜的能谱分析，对其表层的成分分布进行分析，看其是否有其他相存 在，寻找边界处是否有成分分布不均匀的第二相成分。 2 3 检测方法 2 3 【扫描电镜及能谱分析 扫描电镜( s e m ) 作为一种电子光学仪器具有制样简单、放大倍数可调范围宽、景 深大、图像的分辨率高等特点。 其工作原理如图2 1 所示，通过扫描电镜安装在上部的电子枪的作用发射出的电 子束，经聚焦后，在安装了电压加速装置的加速电压的作用下，经过二个或三个电磁 透镜组合成的一个电子光学系统，电子束则形成很细的电子束聚焦在被观察样品的表 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 面。在最终一级的透镜的上部装有一个扫描线圈，通过线圈作用使电子束在表面逐点 的扫描。在高能量的电子速和表面物质作用下，产生出了各种信号：x 射线、背反射 电子、二次电子、俄歇电子以及透射电子等等。相应接收器捕捉这些信号，经过放大 后送至显像管栅极上，并调节接收显像管的亮度。通过扫描线圈上的电流大小和显像 管上面显示相应的亮度是一一相对应的，当极细的电子束被激到样品表面的某一点时， 在接收的显像管荧光屏上面就会有一个相应的亮点出现。扫描电镜即是采用这种逐点 成像方法，把所观察样品表面上各种特征，成比例按顺序的转换成为视频信号，便完 成一帧图像，从而使样品表面的各种特征图像得以用电子图像观察。 本课题中，利用扫描电镜进行了能谱分析。该技术是一种电子探针显微分析技术 ( e i e e t r o np r o b em i e r o a n a l y s i s ) 。电子探针显微分析是用一束聚焦得很细的加速的电 子，轰击显微镜选定的需要分析试样上某个点，根据试样受轰击时发射出的x 射线的 波长及强度，确定被分析区域中材料的化学组成的一种仪器分析技术。能谱仪( e n e r g y d i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ，简称e d s ) 是用来对材料选定微区成分元素种类与含量分析 的分析仪器，需要配合扫描电子显微镜或者透射电子显微镜使用。自然界中的各种元 素具有自己特有的x 射线特征波长，特征波长的大小则取决于受激发后能级跃迁过 程中所释放出的特征能量e ，e d s 就是利用不同元素x 射线特征能量不同这一特点 来进行成分分析的。 图2 1 扫描电镜原理示意图 2 3 2 电子背散射衍射分析 上世纪九十年代以来，在s e m 基础上的的电子背散射衍射分析( e l e c t r o n b a c k s c a t t e r e d d i 缶a c t i o n ，e b s d ) 晶体微区取向和晶体结构的分析技术取得了很大的发展， 在材料微观组织结构和微织构表征中得到比较广泛的应用。为快速而高效定量统计及研 究材料的微观组织结构以及织构研究奠定了基础，也成为材料科学研究中非常重要的一 种分析手段。 e b s d 有以下几点技术特点： ( 1 ) 可以同时展现晶体材料结构、微观形貌和取向分布等信息。 武汉稠技大学硕士学位论文第1 7 页 ( 2 ) 具有比较高的分辨率( 可达纳米级) ，特别是配合使用场发射枪扫描电镜 ( f e g s e m ) 时。 ( 3 ) 和透射电子显微镜( t e m ) 相比，样品制备比较简单，可以直接分析比较大块 的样品。 ( 4 ) 可利用计算机不断加快的运算速度来弥补统计性差的不足，现在可达到3 0 0 个 s 的取向测定速度。 电子背散射衍射( e b s d ) 保留了扫描电子显微镜的常规特点，其空间衍射分辨率可 达到亚微米级，测定出样品的晶体学数据。电子背散射衍射分析方法改变了以往对织构 的分析方法，并形成了一种全新的科学研究领域，其被称为“显微织构”，将晶体学分析 和显微组织相结合。利用电子背散射衍射获得界面参数、进行相分析和检测塑性应变。 e b s d 系统设备的基本硬件要求是一台扫描电镜和以其为基础的一套e b s d 系统。 e b s d 信息采集的硬件部分通常包括一台灵敏的c c d 摄像仪和一套图象处理系统，该图 像处理系统用于花样平均化和扣除背底。 娃张# 图2 2 e b s d 系统的基本组成 e b s d 的结果我们通常用菊池线、极图、反极图、c s l 来描述金属学中的晶体学信 息。 1 ) 极图( p o i ef i g u r e ，简称p f ) ：结晶取向分布的图解的表示方法。由相同取向 的等值线对取向角的图形曲线组成。假如多晶体内没有织构，那么极密度分布在整 个球面的分布是非常均匀的：反之，极密度分布在极图上分布不均匀，部分位置的 极密度值比较高。利用极密度值的变化范围区域画出等密度线，就可以制作成通常 所用来分析织构的极图。晶体取向具有三个自由度，所以在表达多晶体材料的晶体 取向分布情况的时候，需要利用三维空间，极图或者反极图是二维的平面图形表达 织构的，极图上的一点不能完全表示三维空间的取向情况，因而在极图上只有用两 个或以上的点表示一个取向。极图的局限性是不能进行定量分析，只能定性分析。 第1 8 页武汉嗣技大学硕士学位论文 图2 3 立方晶系极射投影视图的投影过程示意图 2 ) 反极图( i n v e r s ep o l e 丘g u r e ，简称i p f ) ：针对织构，我们进行实际分析的过程 中，不只是要分析在试样参考坐标系中晶体的取向分布情况，并且还要分析晶体坐标系 中，某试样参考坐标轴的分布情况。该分布情况可在球面三角区内通过绘制密度分布图 的形式来反映，这种图，我们称之为反极图。反极图可以表示出织构材料的轧向、横向、 以及轧面法向等三维方向在晶体学空间中的分布情况。 每张反极图分别表明相应外观方向的极点分布用来表达晶体学空间分布情况。一般 来说，其一是轧向i m 方向的反极图，表达各个晶粒平行于r d 方向的晶向的极点分布 情况；其二是轧面法向( n d ) 方向反极图，表达各个晶粒平行于n d 方向的晶向的极点 分布情况；第三张则是横向( t d ) 反极图，表达各晶粒平行于t d 晶向的极点分布情况。 针对各个不同的晶系，其针对的反极图形状都有所不同。晶体具有对称性，所以标准投 影图可以划分为几个晶向等效区。例如工业纯铝，是属于立方晶系，立方晶系的对称性 比较好，在标准投影图中，以 、 和 三族晶向作为顶点，可以将上半球 面的投影划分成为2 4 个等效区。 3 ) 重位点阵( c o i n c i d e n ts i t el 砌c e s ，简称c s l ) ：当晶界两边的晶粒点阵，共享一 定分数的相同阵点位置时，我们称其为重位点阵。即在一些特殊取向差的晶界中，存在 着同属于两边晶粒点阵的阵点。其自身成为超点阵。 武汉嗣技大学硕士学位论文第1 9 页 4 ) o r i e m a t i o n d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n 取向分布函数，简称o d f ，是表示晶体要素三维 空间分布的一种优选方位表示形式。其中晶体或样品要素通常用三个参数表示。以晶体 的暮素为例，以极角( p 1 及极距( p 参数表示晶轴或晶面极点的取向，以( p 2 表示晶体绕晶 体轴的旋转角度。q 1 、中2 均取欧拉角形式，表示晶体坐标系与样品坐标系间相应坐标轴 有次序的旋转关系。取向分布函数虽不能直接测量，它可以通过测量同一种晶体几个不 同萎素的极图进行球谐函数计算而得。取向分布函数可以通过建立三维空间来描述多晶 体取向，并对织构进行定量分析。 2 4 涉及的计算程序及应用软件 1 ) 论文中对织构分析e b s d 结果中的欧拉角转换米勒指数的应用e x c e l 2 0 0 7 、 m a t l a b 7 0 中编程完成计算； 2 ) o d f 图欧拉角的测量通过a - u t o c a d 2 0 0 8 测量： 3 ) 本文中的图表的绘制应用嘶百n 8 0 完成，示意图绘图由a l l t o c a d 2 0 0 8 、 s o l i d w o r k s 2 0 0 8 完成。 2 5 样品的制备 对e b s d 和扫描电镜的样品制备观察要求表面进行抛光。由于工业纯铝与钢材等其 它金属材料不同，其表面特性表现比较软，对普通机械抛光技术要求比较高，电子背散 射衍射分析实验时，表面的残余应力会影响样品的标定率，当残余应力较大时甚至导致 无法标定。因此，在试验中的e b s d 样品及扫描电镜样品均利用电解抛光的方案。 电解抛光使用高氯酸酒精为电解溶液，具体方案如表2 2 。 表2 2 样品电解处理方案 哇b 解溶液 电解电压电解环境清洗方式清洗溶液 局氯酸酒精 1 6 2 0 v 电磁震动搅拌超声波清洗丙酮+ 酒精 第2 0 页武汉嗣妓大学硕士学位论文 3 1 铸轧带坯的织构 第三章铸轧铝板坯织构分析 国内外对铝合金的微观结构进行了很多研究 1 4 _ 2 0 1 ，包括对铸轧板带材以及箔材的组 织性能、晶体学取向、缺陷等。 铸轧铝因其成型过程的特殊性，其织构具有其特点。本章通过电子背散射衍射分析 技术( e l e c 仃o nb a c k s c 甜e r e dd i m a c t i o n ，简称e b s d ) 分析晶体的择优取向关系。扫描 电子显微镜中e b s d 已广泛地应用于金属学、陶瓷学等领域用于分析研究显微组织和织 构。 在多晶的材料中，各个晶粒的晶体取向趋于一致的组织，我们称之为织构。人们通 常用晶体的某晶面晶向在参考系坐标中的排布方式来表达晶体的取向。如在立方晶系中， 用米勒指数( m i l l e ri n d i c e s ) ( h k l ) 【u v w 来表达某个晶粒的取向。这种晶粒的取向则是( k l l l ) 晶面平行于轧面( r d 、t d 所形成的平面) ， u v w 】方向平行于轧向( r d ) 。 z y 啦 孽币， 删 乓 鹫 眨湖4 图3 1 欧拉角的转动过程示意图 从起始取向出发经过绕着三个轴的不同组合转动可以将晶体取向转到坐标系0 x y z 上，所以也可以用不同转动操作的转角角度组合来表达晶体在材料