王海宾，王 强，卜小江，刘 超

（邹平县宏程铝业科技有限公司，山东 滨州 256200）

理想中的铝卷组织在整个截面上应具有均匀、细小的等轴晶，这是因为细小的等轴晶各向异性小，加工时变形均匀、塑形好。要得到这种均匀细密组织，通常需对铸锭进行细化处理。凡是能促进形核、抑制晶粒长大的过程都称为细化晶粒。表示晶粒大小的尺度叫晶粒度，常用单位体积（或单位面积）内的晶粒度数目或晶粒度的平均线长度（或直径）表示。金属凝固结晶时，每个晶粒度都是由一个晶核长大而成的，因此，铸坯的晶粒度取决于晶核数量和晶粒长大速度。晶核的数目用形核率标识。形核率越高，单位体积中的晶核数目越多，晶粒越细小。晶粒长大的速度越小，长大过程中形成的晶核越多，晶粒越细小。反之，形核率越小而长大速度越大，则晶粒越大。因此，晶粒度的大小取决于形核率和长大速率之比，比值越大，晶粒度越小。

在常温下细晶粒金属的力学性能比粗晶粒金属高。这主要是由于晶粒越细小，晶界的数量越多，位错移动时的阻力增大，使金属的塑性变形抗力增加。同时，晶粒数量越多，金属的塑性变形可以分散到更多的晶粒内进行，晶界也会阻止裂纹的扩展，使金属的综合力学性能提高。此外，细小均匀的晶粒组织，可以使成品箔获得更好的成形和使用性能。

针对3102 铝合金空调箔铸轧卷在退火后晶粒出现长大现象，无法满足后续加工和使用性能要求，本文开展相应实验，探究铸轧工艺对退火后晶粒度的影响，并通过控制铸轧工艺来改变合金的形核率和长大速率，以降低合金的晶粒度。

1 实验方案

金属凝固过程中的形核率、晶粒长大速度均与过冷度有关，过冷度增加，形核率与长大速度都增加，但两者的增加速度不同，形核率的增长率大于长大速度的增长率。在一般金属结晶时的过冷范围内，过冷度越大，结晶越细小。因此，本文主要通过改变铸造速度、冷却速度、浇注温度等工艺参数，提高熔体过冷度，从而细化铸轧板坯晶粒组织，优化产品性能。

2 工艺试验及结果分析

2.1 降低铸造速度对铸坯晶粒的影响

我公司内部将铝合金铸坯晶粒度分为三个等级：1-1级最好，1-2 级次之，1-3 级最差，如图1 所示。在3102 铝合金空调箔生产初期，铸轧速度为0.95m/min，发现，铸坯多为1-3 级晶粒度。通过降低铸轧速度≦0.90m/min 发现，晶粒度转为1-2 与1-3 各占50%左右。即通过降低铸轧速度，可以适当提高合金的晶粒度等级，但提高效果不明显。但若继续降低铸轧速度，将对生产效率产生较大的影响，因此，试验未进一步降低铸轧速度，而是再从提高过冷度方面进行探究。

图1 铸轧板坯晶粒度等级

2.2 优化冷却系统对铸坯晶粒的影响

我公司连铸机铸轧系统的冷却，采用的是轧辊一进三出水循环模式，一般水压控制在0.4MPa 左右，冷却水温度约为30℃～35℃。为了提高铸轧过程中熔体过冷度，将水压力提高至0.45MPa，冷却水温度降至28℃～30℃。试验结果表明，铸坯晶粒组织得到有效细化，1-3 级晶粒有所减少（剩余40%左右），1-1 级晶粒开始出现（10%左右）。

2.3 降低浇铸温度对铸坯晶粒的影响

试验过程中，将前箱熔体温度由700±2℃降至695±2℃，结果发现，晶粒细化效果不明显；继续降低熔体温度至690±2℃时发现，1-2 级晶粒增多，1-3 级晶粒减少（剩余30%左右），1-1级晶粒明显增多（30%左右），晶粒细化效果良好。

2.4 改变钛丝加入点对铸坯晶粒的影响

通过改变钛丝加入点，至除气箱入口处，使除气箱转子对钛丝进行充分搅拌，增加晶核数量，提高成核率。试验时适当提高除气箱铝水温度（720℃～730℃），使钛丝充分融化；另在钛丝上加上摇摆装置，减少TiB2 相聚集的同时，增加其熔化效果并定期对钛丝加入点进行人工搅拌，最大限度的较少TiB2 相聚集，提高Ti 的利用率。通过上述工艺改进，结果表明，铸轧板坯的晶粒细化效果明显得到改善：1-1 级晶粒稳定达到60%，1-2 级晶粒有所下降，特别是1-3 级晶粒直接减少至20%左右。

2.5 优化合金成分对铸坯及铝箔的影响

试验时适当增加了合金中的Fe、Si 含量（Fe 提高0.05%、Si提高0.05%），调整前后的化学成分如表1 所示。实验结果表明，成分调整后3102 成品箔强度和延伸均有提高，改善了材料的综合性能。这是因为，随Fe 含量的增加，合金中的金属间化合物过剩相也随着增加，不论是过剩相粒子的平均尺寸，还是它们的体积分数都随之增加，细小弥散的含Fe 相不仅对箔材起到一定的弥散强化作用，还能阻止晶粒长大，细化晶粒，提高再结晶温度，有效地减缓回复过程，使箔材获得细小均匀的组织，提高了箔材的综合性能；同时，适当增加Si 含量，可以促进含Mn 相的充分析出，增强弥散强化作用。经充分调整后，3102 铝合金铸轧板内的1-1 级晶粒增加到80%左右，1-3 级晶粒剩余10%左右。

表1 3102 铝合金空调箔化学成分调整前后对比（wt.%）

3 结论

（1）通过对铸轧速度、冷却系统、浇铸温度、钛丝加入点、成分配比等铸轧工艺的调整，提高了凝固结晶形核率，降低了Mn 偏析，有效细化了3102 铝合金铸轧板坯的晶粒组织。

（2）经优化的3102 铝合金板坯的连续铸轧工艺为：铸轧速度为0.9m/min，冷却水温度为28 ℃～30 ℃，浇铸温度为685℃～690℃，Fe 含量控制在0.29wt.%～0.34wt.%、Si 含量控制在0.10wt.%～0.15wt.%。在此工艺下，3102 铝合金铸轧板坯晶粒度达到1-1 级，经冷轧和退火后的成品箔，客户使用后反馈良好，无投诉退火晶粒长大现象，性能也符合客户要求。