釩含量對3102鋁合金組織及性能的影響

胡展奎，柯珊珊

（乳源東陽光優(yōu)艾希杰精箔有限公司，廣東 韶關(guān) 512721）

釩含量對3102鋁合金組織及性能的影響

胡展奎，柯珊珊

（乳源東陽光優(yōu)艾希杰精箔有限公司，廣東 韶關(guān) 512721）

對不同釩含量的3102合金經(jīng)過鑄軋、冷軋和退火后的組織及性能進行了觀察和測試。結(jié)果表明，V元素的微量增加會使再結(jié)晶溫度降低，降低材料的延伸率，但是對抗拉強度的影響則不明顯。

V元素；3102鋁合金；再結(jié)晶溫度；延伸率

0 前言

3102鋁合金主要用于空調(diào)散熱器用鋁箔，隨著空調(diào)行業(yè)的快速發(fā)展，空調(diào)散熱器用鋁箔從90年代初的幾千噸到目前的300kt/a以上。而3102合金是空調(diào)散熱器鋁箔用量最大的鋁合金產(chǎn)品，遠遠超過8011、1100等鋁合金的使用量。

目前行業(yè)中普遍采用低成本的鑄軋法生產(chǎn)3102鋁合金，由于3102鋁合金的脆性小，冷軋軋制時不易裂變而斷帶，而且使用性能完全可以滿足散熱片的沖制，使得3102鋁合金受到空調(diào)器生產(chǎn)廠的青睞。而空調(diào)器生產(chǎn)廠不斷追求降低原材料的成本及制造成本，鋁箔的厚度逐漸減薄，從開始的0.15～0.20mm，到目前最常用的0.09～0.10mm，技術(shù)實力強的空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)（如松下空調(diào)）已經(jīng)實現(xiàn)了0.08～0.09mm的散熱片研發(fā)及推廣生產(chǎn)。在厚度減薄的同時，加工過程對于鋁箔的力學(xué)性能要求也在不斷的提高，主要體現(xiàn)在抗拉強度與延伸率的增加，強度提高主要為了保證后續(xù)使用過程中不產(chǎn)生塌陷，延伸率提高則為了保證散熱片沖制過程中不開裂。

由于空調(diào)器廠家對性能的要求不斷提高，需要鋁箔生產(chǎn)廠不斷提高生產(chǎn)技術(shù)及工藝管理水平，縮窄參數(shù)控制范圍，盡可能地將性能波動范圍縮小，保證產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，以滿足客戶的使用要求。其中，化學(xué)成分的控制就是最基本的要求，但由于各產(chǎn)地各公司生產(chǎn)的國內(nèi)重熔用鋁錠化學(xué)成分不盡相同，主要區(qū)別在Fe、Si等雜質(zhì)元素及Zr、Ga、V等微量元素上，不同的元素含量導(dǎo)致普鋁錠的價格也不盡相同。Fe、Si等常規(guī)雜質(zhì)對于3102合金的性能影響已經(jīng)有了較多研究，但V對于產(chǎn)品性能的影響目前研究較少。為了更好地降低采購成本及控制好產(chǎn)品的最終性能，本試驗研究了微量元素V所產(chǎn)生的性能結(jié)果，并對此進行了分析研究。

1 試驗材料及方案

采用連續(xù)鑄軋法生產(chǎn)3卷鑄軋坯料，合金成分如表1所示。

表1 三種試驗鋁合金最終化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

熔煉時控制爐內(nèi)外熔體除氣和除渣效果，熔體氫含量≤0.15mL/（100gAl），鑄軋時嚴格控制工藝參數(shù)，鑄軋卷坯厚度6.0～7.0mm，晶粒度等級二級以內(nèi)。

鑄軋卷坯料不經(jīng)過任何的中間退火，從6.0～7.0mm厚度通過冷軋、箔軋軋至0.10mm厚度，取樣做以下檢測：（1）不同溫度下的H2X狀態(tài)退火并檢測力學(xué)性能；（2）再結(jié)晶開始的溫度及其性能組織檢測；（3）V元素及其它主要元素的分布EDS檢測。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 H2X狀態(tài)退火分析

3102合金空調(diào)箔的交付狀態(tài)為H2X，即經(jīng)過冷、箔軋軋制后需要進行一次半軟態(tài)退火，這也是3102合金空調(diào)箔能否滿足最終使用要求的重要工序。設(shè)計了表2所示退火工藝，驗證3種V元素含量對H2X抗拉強度及延伸率的影響：

試樣在萬能拉伸機上進行檢測，最終性能結(jié)果見圖1。

表2 熱處理制度

圖1 試樣抗拉強度和延伸率隨退火溫度變化曲線

從圖1可以看出，3種不同V含量的試樣抗拉強度隨退火溫度變化的趨勢整體一致，在各個溫度段，3種試樣的抗拉強度也沒有明顯的區(qū)別，說明V元素的微量變化沒有對3102合金退火后的抗拉強度產(chǎn)生明顯的影響。

從圖1中3種試樣的延伸率變化曲線來看，溫度對延伸率的變化趨勢不如抗拉強度那樣有規(guī)律，在275℃至280℃達到延伸率最高值，同時，3種V含量的試樣的變化趨勢是一致的。唯一最大的區(qū)別在于無論在哪個退火溫度段，1#試樣的延伸率都最高，3#試樣的延伸率最低，這充分說明了V元素的微量增加會降低材料的延伸率，并且無法通過退火溫度的工藝調(diào)整進行改善。

在3102鋁合金空調(diào)散熱片的沖制過程中，延伸率是一個非常重要的參考指標，延伸率越高，沖制過程中材料越不容易開裂，故V元素的增加會降低材料的應(yīng)用范圍。

2.2 V元素對再結(jié)晶的影響

為了進一步了解V元素對3102合金的影響，對試驗樣進行320℃×1.5h的再結(jié)晶退火，檢測3種試樣的力學(xué)性能并進行偏光顯微組織觀察。

試樣在萬能拉伸機上檢測力學(xué)性能，最終性能結(jié)果如表3所示。

表3 3種試樣在再結(jié)晶退火后的力學(xué)性能

在同樣的再結(jié)晶溫度退火工藝后，3種試驗材料的抗拉強度及延伸率有明顯區(qū)別，隨著V元素的增加，抗拉強度降低，延伸率提高。

對經(jīng)過320℃×1.5h退火后的試樣進行電解拋光、覆膜，在蔡司金相顯微鏡上觀察其顯微偏光組織，觀察結(jié)果如圖2所示。

圖2 3種試樣再結(jié)晶退火后的偏光組織

從3種試樣的偏光組織可以看出，V含量最低的1#試樣只出現(xiàn)了少量的再結(jié)晶晶粒，晶粒周圍依然是軋制組織，V含量最高的3#試樣則出現(xiàn)大量的再結(jié)晶晶粒。這3種試樣的再結(jié)晶組織區(qū)別明顯，說明V元素含量影響了3102鋁合金的再結(jié)晶開始溫度。

根據(jù)性能和組織結(jié)果，可以分析出，V元素使得3102鋁合金的再結(jié)晶溫度降低，使得材料在較低的溫度下開始再結(jié)晶，強度下降明顯。

2.3 樣品的EDS元素分布分析

3102鋁合金中的主合金元素為Mn，也是對3102鋁合金組織及性能影響最大的合金元素，同時Fe、Si為主要雜質(zhì)元素，為了進一步確認V元素在合金中所起的作用，對3種試樣用掃描電鏡檢測Mn、V 、Fe、Si元素的分布，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 3種試樣的元素分布

3×××系鋁合金中，Mn溶于Al形成固溶體，但是溶解度很小，在共晶溫度658℃時，Mn最大的溶解度為1.82%。試驗3102鋁合金在鑄軋過程中，由于強烈的過冷度，Mn在Al中的溶解度更低，過快的冷卻速度形成強烈過飽和固溶體。在凝固冷卻時析出的Mn和Al形成分散的第二相MnAl6。由于3102鋁合金中Fe的存在，F(xiàn)e會融入（Fe Mn）Al6，若Fe與Si同時存在，則會形成α-Al12（Fe Mn）Si化合物。試樣中的Fe元素含量比Mn元素含量要高，而Fe在655℃時能溶解0.052%，在室溫下僅能溶解0.002%，F(xiàn)e與Al可形成金屬間化合物FeAl3[1]。V元素在鋁中的溶解度0.4%，共晶溫度661℃，與Al形成VAl11化合物。

綜上所述，3102鋁合金試樣中的第二相化合物有（Fe Mn）Al6、α-Al12（Fe Mn）Si、FeAl3及VAl11。而決定3102鋁合金再結(jié)晶溫度高低的主要因素是Mn、Fe元素在Al基體中的固溶度，因為Mn、Fe等元素固溶到基體中，會明顯提高鋁合金的再結(jié)晶溫度[2]，故只要3102鋁合金中的Mn、Fe元素溶解的越多，再結(jié)晶溫度越高。

圖3中1#試樣的Mn、Fe、Si元素分布最彌散，2#試樣Mn、Fe、Si元素分布開始趨向集中，3#試樣的Mn、Fe、Si元素分布最集中，同時每種試樣的V元素都與其Mn、Fe、Si這三種元素的分布趨于一致，說明這3個試樣第二相化合物的量存在差異：1#試樣的第二相化合物量相對較少，3#試樣的第二相化合物量相對最多，隨著V元素的增加，第二相化合物增加，Mn、Fe元素固溶在基體中的量減少，從而使得3種試樣的再結(jié)晶溫度出現(xiàn)區(qū)別。

筆者認為，在鑄軋過程中，隨著V元素的增加，Mn元素更難固溶到Al基體中，Mn元素的析出量也隨之增加，進而增加了第二相化合物的量，使鋁基體中Mn元素以大量的第二相形式存在，最終導(dǎo)致Mn元素無法使3102鋁合金的再結(jié)晶溫度提高。同時由于第二相的增加，最終導(dǎo)致了半軟態(tài)退火后延伸率的降低。

3 結(jié)論

（1）3102鋁合金半軟態(tài)H2X退火時，隨著V元素的微量增加，同一退火溫度下，材料的強度差異不大，但是材料的延伸率會出現(xiàn)降低，從而使材料在沖制散熱片過程中存在開裂風險。

（2）V元素含量的增加，在鑄軋過程中，促使Mn元素的析出增加，從而降低了Mn在鋁基體中的固溶度，降低了3102鋁合金的再結(jié)晶溫度。

（3）考慮到鋁錠廠家制造成本以及最終產(chǎn)品的使用性，結(jié)合本文的試驗分析，V含量控制在0.02%以下較為適宜，超過這個指標會導(dǎo)致性能的惡化，過低的指標會無形中增加鋁錠廠家的生產(chǎn)成本。

[1] 王祝堂，田榮璋.鋁合金及其加工手冊[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2000

[2] 候波，李永春，等．鋁合金連續(xù)鑄軋和連鑄連軋技術(shù)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2010：225

Influence of V Content on Microstructure and Properties of 3102 Aluminum Alloy

HU Zhan-kui, KE Shan-shan
(Ruyuan Dongyangguang UACJ Fine Aluminum Foil Co.,Ltd, Shaoguan 512721, China)

Microstructure and properties of 3102 alloy with different V contents after continuous cast-rolling, cold-rolling and annealing are observed and tested. The results show that, the recrystallization temperature will decrease with the tiny increasing of V element, the elongation of material will decrease, however, the effect of the V element contents on tensile strength is not obvious.

V element; 3102 aluminum alloy; recrystallization temperature; elongation

TG146.21，TG339

A

1005-4898（2017）01-0004-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.01.01

廣東省鋁板帶箔加工研究院資助項目（2014B090903012）；關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)應(yīng)用資助項目（2015B090926007）。

胡展奎（1985-），男，廣東梅州人，工程師。

2016-10-08