冷軋變形和烘烤處理對(duì)CTP版鋁板基組織和性能的影響

賈廣澤，黃元春，劉宇，肖政兵

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冷軋變形和烘烤處理對(duì)CTP版鋁板基組織和性能的影響

賈廣澤1, 2，黃元春1, 2, 3，劉宇1, 2，肖政兵1, 2

(1. 中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083；2. 中南大學(xué) 輕合金研究院，長(zhǎng)沙 410083；3. 中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

采用不同的軋制制度和220 ℃×10 min與280 ℃×5 min兩種烘烤制度對(duì)1060CTP鋁板基進(jìn)行處理，通過(guò)極化曲線測(cè)試、顯微硬度、室溫拉伸等測(cè)試方法以及掃描電鏡、金相顯微的觀察，研究冷軋變形量與烘烤處理對(duì)CTP鋁板基微觀組織、電解腐蝕性能以及力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨軋制進(jìn)行晶粒在首道次的基礎(chǔ)上細(xì)化，首道次壓下量越大，晶粒細(xì)化量越大，首道次壓下率為58.2%時(shí)得到的鋁板基晶粒細(xì)小均勻，腐蝕性能與力學(xué)性能都較好；鋁板基在烘烤處理過(guò)程中對(duì)溫度比較敏感，溫度高的烘烤處理使鋁板基的強(qiáng)度急劇下降，而伸長(zhǎng)率相應(yīng)增加，采用280 ℃×5 min烘烤處理后，韌窩大小較均勻，深度較深，塑性更好，耐印性也更高。

CTP鋁板基；道次壓下量；1060鋁合金；冷軋；烘烤

CTP是“印前數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化”的具體體現(xiàn)，是一種數(shù)字化印版成像過(guò)程。隨著印刷業(yè)向高檔化、個(gè)性化和高增值化方向發(fā)展，對(duì)高品質(zhì)CTP版材提出了迫切需求。而在CTP版材的生產(chǎn)過(guò)程中，鋁板基作為主要結(jié)構(gòu)支撐材料之一，其質(zhì)量直接影響到CTP版的質(zhì) 量[1?2]。然而，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)只能生產(chǎn)附加值低的中低端用鋁板基，在高端市場(chǎng)僅有為數(shù)不多的企業(yè)具備生產(chǎn)高性能CTP版的能力，產(chǎn)能無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)需求，我國(guó)每年需進(jìn)口高檔CTP版約3萬(wàn)噸[3]。因此，如何高效經(jīng)濟(jì)地提升國(guó)內(nèi)高端印刷用鋁板產(chǎn)品的質(zhì)量及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力是我國(guó)鋁板帶箔企業(yè)急需解決的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)CTP版的主要工藝流程為：坯料—(退火)—冷軋—矯直—(縱切)—版基—除油—電解砂目—陽(yáng)極氧化—感光涂布—烤板—成品。其中冷軋工藝和烤板直接影響著鋁板基的品質(zhì)及印刷的次數(shù)[4]，這兩方面是制約國(guó)產(chǎn)鋁板基品質(zhì)提升的關(guān)鍵技術(shù)。在鋁板冷軋時(shí)，板材沿寬度方向的變形均勻性不僅僅對(duì)板形好壞有重要作用，也對(duì)鋁板微觀組織有重要影響[5]。在印刷時(shí)，企業(yè)常采用烤版機(jī)高溫烘烤的方式使印版上的感光(或感熱)樹脂充分硬化，提高印版的耐印力和耐磨性，但鋁板基烘烤工藝不準(zhǔn)確時(shí)，原有的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，鋁版基本身的耐印力也隨之下降?？梢?，冷軋和烘烤處理是決定印版性能的重要指標(biāo)。MK[6]和DUTTA等[7]研究了材料退火過(guò)程中第二相的析出行為；MARSHALL[8]研究了鋁板基的表面粗糙化和表面凹坑的萌生和擴(kuò)展；李紅英等[9]研究了位錯(cuò)及第二相的交互作用對(duì)PS版電蝕性能影響。但目前還沒(méi)有系統(tǒng)地研究冷軋道次變形量與烘烤處理交互作用對(duì)鋁板基的組織和性能的影響。本文通過(guò)研究不同冷軋道次壓下量和烘烤處理，對(duì)CTP版微觀組織、電化學(xué)性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為我國(guó)制造高性能印刷版基提供理論支撐，提升我國(guó)印刷版基的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為1060鋁合金鑄軋鋁板基，厚度為6.7 mm，初始寬度為70 mm，其化學(xué)成分如表1所列。

表1 1060鋁合金化學(xué)成分

1.2 方法

CTP版基的冷軋?jiān)谥心洗髮W(xué)水平式二輥軋機(jī)上完成，軋機(jī)規(guī)格為400 mm×500 mm，設(shè)定冷軋速度為0.04 m/s，總壓下量為95.97%，為驗(yàn)證道次壓下量對(duì)版基的影響，冷軋壓下制度具體如表2所列。

冷軋后鋁板基根據(jù)CTP版鋁板基的使用標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行a：220 ℃×10 min和b：280 ℃×5 min兩種烘烤處理，設(shè)備為誤差±1 ℃的通風(fēng)干燥時(shí)效爐。(說(shuō)明：板基編號(hào)為#***，其中#號(hào)后第一位字母代表不同壓下制度，#0為初始鑄軋板，第二位數(shù)字代表不同壓下道次，第三位字母代表不同的模擬烘烤工藝。以#B6a為例，代表采用第2種壓下制度冷軋出的終軋板進(jìn)行了220 ℃×10 min的模擬烤板處理)。

金相試樣經(jīng)過(guò)粗磨、精磨、拋光、電解拋光和陽(yáng)極覆膜的順序制成，陽(yáng)極覆膜溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的氟硼酸溶液，覆膜電壓為20 V，時(shí)間為1~2 min。陽(yáng)極覆膜后試樣在光學(xué)顯微鏡OLYMPOS- DSX500上進(jìn)行顯微組織觀察和晶粒分析；硬度測(cè)試的試樣經(jīng)過(guò)磨平拋亮即可，設(shè)備采用華銀HV-1000A顯微硬度計(jì)，施加載荷為100 g，加載時(shí)間為15 s。每個(gè)試樣選取五個(gè)點(diǎn)測(cè)試，最后取平均值；電導(dǎo)率測(cè)試采用7501型渦流電導(dǎo)儀，每個(gè)試樣經(jīng)過(guò)磨平拋亮后選取三個(gè)點(diǎn)測(cè)試，結(jié)果取平均值；電化學(xué)測(cè)試采用CHI600E型電化學(xué)測(cè)量?jī)x，電解液采用體積分?jǐn)?shù)為2.5%的HCl水溶液，參比電極為標(biāo)準(zhǔn)甘汞電極，輔助電極為Pt電極，掃描速率為1 mv/s，得到試樣的電極化曲線。鋁板基拉伸試樣沿軋制方向選取，采用國(guó)際GB/T16865—2013的標(biāo)距為25 mm的定標(biāo)距矩形試樣，拉伸試驗(yàn)方法同樣采用國(guó)際GB/T228.1—2010，單向拉伸速度恒為2 mm/ min，每塊鋁板基取三個(gè)試樣拉伸測(cè)的數(shù)據(jù)后取平均值。SEM掃描分析采用JSM?6490LV型掃描電子顯微鏡，對(duì)試樣拉伸斷裂口進(jìn)行掃描分析。

表2 冷軋各道次工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 冷軋/烘烤處理對(duì)組織的影響

圖1為不同軋制方式下第2、4和6道次的金相照片。橫向?qū)Ρ瓤芍X板晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)，且隨軋制道次增加，晶粒變得更細(xì)更長(zhǎng)。經(jīng)最后一道次軋制后，晶粒破碎，晶界模糊，呈纖維狀，組織大幅細(xì)化。這是由于冷軋后的試樣內(nèi)部產(chǎn)生變形帶和大量的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)邊界分割使晶粒得到細(xì)化?？v向?qū)Ρ瓤芍?，在總壓下量相同，但不同的道次壓下量下，晶粒的?xì)化程度明顯不同。根據(jù)第二道次(圖1(a)、(d)、(g))可以看出#C2的晶粒最小，隨軋制進(jìn)行晶粒不斷細(xì)化，軋制完成后，#C6鋁板基組織比#A6和#B6鋁板基組織明顯細(xì)小得多。這是由于首道次壓下量大，晶粒細(xì)化量大，隨軋制進(jìn)行晶粒在首道次的基礎(chǔ)上繼續(xù)細(xì)化，但隨軋制道次增加，加工硬化程度增大，晶粒細(xì)化效果降低，首道次的壓下量在很大程度上決定了晶粒的最終大小[10]。

圖1 鋁板基表面金相

(a) #A2; (b) #A4; (c) #A6; (d) #B2; (e) #B4; (f) #B6; (g) #C2; (h) #C4; (i) #C

圖2為三種終軋鋁板基經(jīng)不同的烘烤處理后的表面金相組織。對(duì)比(圖1(c)、(f)、(i))可知，烘烤處理后，三種終軋鋁板基的晶粒都存在不同程度的長(zhǎng)大。對(duì)比#A，#B，#C鋁板基組織，可發(fā)現(xiàn)#C長(zhǎng)大最小，說(shuō)明原組織的晶粒大小對(duì)烘烤時(shí)組織晶粒長(zhǎng)大有很大影響。縱向?qū)Ρ?，采?80 ℃×5 min處理的鋁板基組織相對(duì)長(zhǎng)大更明顯，說(shuō)明組織長(zhǎng)大對(duì)溫度比時(shí)間更 敏感。

圖2 烘烤處理后鋁板基表面金相

(a) #A6a; (b) #B6a; (c) #C6a; (d) #A6b; (e) #B6b; (f) #C6b

2.2 冷軋/烘烤處理對(duì)力學(xué)性能影響

表3為室溫下，鋁板基冷軋和烘烤后的力學(xué)性能。冷軋后，#C鋁板基的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度更大，這因?yàn)?C鋁板基的晶粒更加細(xì)小均勻，加工硬化程度較高。烘烤后，鋁板基強(qiáng)度降低，伸長(zhǎng)率不變或增加，這由于鋁板基在烘烤過(guò)程中發(fā)生回復(fù)作用。且采用280 ℃×5 min比220 ℃×10 min處理后力學(xué)性能改變更大，表現(xiàn)為強(qiáng)度顯著下降和伸長(zhǎng)率急劇增加，這證明鋁板基回復(fù)行為對(duì)溫度更敏感。

表3 鋁板基的力學(xué)性能

三種鋁板基塑性相差不大且變化趨勢(shì)相似，因此僅選取#B壓下制度下的冷軋態(tài)和烘烤處理態(tài)鋁板基進(jìn)行分析。圖3為#B鋁板基冷軋態(tài)和烘烤處理態(tài)拉伸斷口形貌。由低倍(圖3(a)、(c)、(e))斷口整體形貌可知，宏觀斷裂面與最大正應(yīng)力約成45°，屬于切斷型斷裂，且斷口兩側(cè)形貌與中間形貌完全不同，兩側(cè)為河流花紋，屬于典型的脆性斷裂，而中間分布有大小不一的韌窩，屬于典型的韌性斷裂，這表明鋁板基兩側(cè)的塑性較中部相差大。因?yàn)樵诶滠堖^(guò)程中，鋁板基兩面變形量比中間大，從而存在位錯(cuò)等缺陷，導(dǎo)致其脆性斷裂，材料中部缺陷較少，存在韌窩，屬于韌性斷裂。因此，鋁板基的塑性主要取決于中間的塑性區(qū)，且塑性區(qū)的韌窩越大越深，則材料的塑性越好。由高倍斷口形貌(圖3(b)、(d)、(f))知，冷軋態(tài)和經(jīng)220 ℃×10 min烘烤的鋁板基韌性斷裂區(qū)較寬，沿晶斷裂，韌窩大小不均勻，深度均較淺，塑性較差，而經(jīng)280 ℃×5 min烘烤的鋁板基雖然韌性斷裂區(qū)窄，但韌窩大小較均勻，深度非常深，因此其塑性最好。

圖4為鑄軋態(tài)、冷軋第2道次、第4道次、終軋板和兩種烘烤處理狀態(tài)下的顯微硬度值和電導(dǎo)率。隨總壓下量增加，鋁板基顯微硬度升高，且隨道次增加硬度值顯著提升；這由于鋁板基在冷軋過(guò)程中，隨道次壓下量增大，加工硬化程度增加[11?12]。在#C工藝下鋁板基經(jīng)2道次軋制后顯微硬度上升幅度最大，且在總壓下量相同時(shí)#C工藝下的終軋板顯微硬度最大。由此可知，隨首道次壓下量增大，最終加工硬化程度增加。在經(jīng)過(guò)烘烤處理后，鋁板基加工硬化作用緩解，硬度不同程度下降，其中采用280 ℃×5 min烘烤處理的鋁板基硬度下降幅度更大，可見對(duì)于加工硬化緩解溫度比時(shí)間更有效。

電導(dǎo)率可用以表征材料導(dǎo)電的能力，其變化可間接反映材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化，電導(dǎo)率的主要影響因素是材料純度與缺陷。在材料相同的情況下，電導(dǎo)率越大說(shuō)明內(nèi)部缺陷越少，空位和位錯(cuò)相對(duì)越少。由圖4可看出，軋制前4道次，鋁板基電導(dǎo)率基本無(wú)變化，而在最后兩道次軋完后，鋁板基的電導(dǎo)率急劇下降。這說(shuō)明前四道次雖然鋁板基發(fā)生加工硬化，但組織缺陷增加較少，所以電導(dǎo)率基本不變，但隨位錯(cuò)的纏結(jié)程度增加，對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng)，導(dǎo)致第4道次后電導(dǎo)率突然下降；在進(jìn)行烘烤處理后，鋁板基的電導(dǎo)率得到輕微上升，這說(shuō)明烘烤處理會(huì)改善內(nèi)部組織缺陷，減輕加工硬化。且采用280 ℃×5 min烘烤處理的鋁板基電導(dǎo)率上升幅度較大，這驗(yàn)證了硬化緩解作用，溫度比時(shí)間更有效。

2.3 冷軋組織對(duì)腐蝕性能的影響

鋁板基的電解腐蝕性能可通過(guò)材料的電化學(xué)極化曲線表征，電化學(xué)極化曲線描述的是電極電勢(shì)與通過(guò)電極的電流密度之間的關(guān)系。當(dāng)用直流電腐蝕金屬電極進(jìn)行大幅度極化時(shí)，極化電流和過(guò)電位存在塔菲爾關(guān)系，如下[13?14]：

式中：a為塔菲爾常數(shù)；bc為陰極塔菲爾斜率。

(a), (b) #B6; (c), (c) #B6a; (e), (f) #B6b

對(duì)于鋁等易鈍化金屬，在出現(xiàn)塔菲爾直線段前就可能發(fā)生鈍化，這時(shí)即可用陰極極化曲線的直線段外推得到金屬腐蝕電流corr和自腐蝕電位corr。圖5所示為三種冷軋鋁板基試樣的電化學(xué)極化曲線。由圖可知，#B6與#C6的陽(yáng)極極化曲線相對(duì)平滑，而#A6的陽(yáng)極極化曲線平滑度較差，有明顯的波動(dòng)段，說(shuō)明采用#B與#C壓下制度的鋁板基腐蝕性能更穩(wěn)定，均勻壓下制度有利于鋁板基腐蝕性能穩(wěn)定性的改善。因?yàn)闃O化曲線的平滑度與材料基體的腐蝕均勻性有直接的關(guān)系，極化曲線的毛刺或者波動(dòng)可能是由于鋁板基發(fā)生晶間腐蝕等局部腐蝕而使腐蝕電流發(fā)生顯著變化導(dǎo)致。

圖4 鋁板基冷軋和烘烤處理過(guò)程的硬度和電導(dǎo)率

(a) #A; (b) #B; (c) #C

表4所列為用CHI600E軟件對(duì)圖5極化曲線進(jìn)行擬合分析得到在2.5%HCl水溶液中的#A6，#B6和#C6試樣的腐蝕電流密度corr和自腐蝕電位corr。由表可知三種鋁板基的自腐蝕電位相差不大，說(shuō)明三者的耐腐蝕性基本一致，但#C6試樣的腐蝕電流密度稍大。根據(jù)腐蝕速率公式[15?18]：

式中：F為法拉第常數(shù)(96500庫(kù)侖)；W為金屬原子量；n為金屬離子的價(jià)數(shù)，N為換算常數(shù)。

(a) #A6; (b) #B6; (c) #C6

可知，腐蝕速率與腐蝕電流密度corr成正比，corr越大，越大?？傻茫?C6樣品的腐蝕速率更大。同時(shí)，對(duì)于在腐蝕中作為陽(yáng)極材料的樣品，其自腐蝕電位越低，則鋁板基電解活化性越高，越容易發(fā)生腐蝕。從表4可知，#C6樣品的自腐蝕電位低于#A6，#B6樣品，說(shuō)明#C6樣品更容易腐蝕。從顯微組織進(jìn)行分析，由圖1(g)、(h)和(i)可知，采用不同軋制制度，#C6最后晶粒更細(xì)小。試樣晶粒尺寸越細(xì)小，則晶界越多。晶界處雜質(zhì)缺陷多，自腐蝕電位比基體低，因此腐蝕優(yōu)先發(fā)生在晶界處，故晶粒尺寸越小，則腐蝕速率越大[19?22]。其次，位錯(cuò)一般為腐蝕萌發(fā)位置，對(duì)板基電解腐蝕起著重要的影響。由于位錯(cuò)線上的原子能量較高，這些具有高能量的原子腐蝕時(shí)將快速地失去電子變成Al3+--，成為優(yōu)先腐蝕區(qū)域促進(jìn)腐蝕，故位錯(cuò)越多，腐蝕速率越大。由圖4(a)、(b)和(c)對(duì)比可得，#C6電導(dǎo)率較小，反映出樣品內(nèi)部的空位和位錯(cuò)密度相對(duì)較大。因此，位錯(cuò)密度大，晶粒細(xì)小彌散分布的#C6試樣腐蝕速率大，腐蝕均勻。

表4 鋁板基在2.5%(體積分?jǐn)?shù))HCl水溶液中的腐蝕電流密度Icorr和自腐蝕電位Ecorr

3 結(jié)論

1) 隨軋制進(jìn)行，終軋板組織得到大幅細(xì)化；由于冷軋過(guò)程產(chǎn)生大量位錯(cuò)等缺陷，鋁板基的硬度呈上升趨勢(shì)，而電導(dǎo)率下降；烘烤處理后，鋁板基組織回復(fù)，加工硬化得到緩解，鋁板基硬度稍有下降，電導(dǎo)率略有提升。

2) 隨首道次壓下量增加，鋁板基的強(qiáng)度得到提升，伸長(zhǎng)率略有下降；鋁板基在烘烤處理過(guò)程中對(duì)溫度比較敏感，溫度高的烘烤處理使鋁板基的強(qiáng)度急劇下降，而伸長(zhǎng)率相應(yīng)增加。本次試驗(yàn)，280 ℃×5 min烘烤處理后，韌窩大小更均勻，深度更深，其塑性 更好。

3) 晶粒尺寸的大小與位錯(cuò)的密度，對(duì)鋁板基腐蝕速率有重要影響。晶粒細(xì)小越均勻，位錯(cuò)密度越大、分布越均勻鋁板基的電蝕性越好。本次試驗(yàn)中，首道次壓下率為58.2%的鋁板基的腐蝕均勻性與力學(xué)性能均較好。

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(編輯 高海燕)

Effects of cold rolling deformation and baking treatment on microstructure and properties of CTP aluminum plate

JIA Guangze1, 2, HUANG Yuanchun1, 2, 3, LIU Yu1, 2, XIAO Zhengbing1, 2

(1. State Key Laboratory of High Performance and Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China; 3. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The 1060CTP aluminum plates were treated by different rolling systems and two different baking treatments of 220 ℃×10 min and 280 ℃×5 min. The effects of cold deformation and baking treatment on the microstructure, electrolytic corrosion properties and mechanical properties of CTP aluminum plates were studiedthrough the polarization curves, microhardness, tensile property test, SEM and metallographic observation. The experimental results show that the grain size is larger than that of the first pass, and the larger the first sub-pressure, the finer the grain size. The aluminum plates have small and uniform crystal grains, and the corrosion and mechanical properties are better when the first reduction rate is 58.2%. The aluminum plate base is sensitive to the temperature during the baking process, and the high temperature baking treatment makes the strength of the aluminum base decrease sharply, while the elongation increase correspondingly. After baking at 280 ℃×5 min, the dimple size is more uniform, the depth is deeper, so the plasticity is better, and the resistance to printing is higher.

CTP aluminum plate; road pressure reduction; 1060 aluminum alloy; cold rolling; baking

TG146.21

A

1673-0224(2018)01-54-09

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014CB046702)

2017?07?27；

2017?10?11

黃元春，教授，博士。電話：13507315123；E-mail: science@csu.edu.cn