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[摘 要]本文积极剖析铸轧板的组织特点，从生产统计中找出了铝合金铸轧板表面偏析出现的规律。通过分析表面偏析的化学成分及组织特点，积极探讨导致表面偏析产生的原因，针对性讨论了铝水冷却强度影响偏析的主要成因，以期实现对偏析现象的控制和改善。
[关键词]铸轧板 表面偏析 规律性
中图分类号：T96 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0374-02
在工业生产中，有时用纯铝铸轧板生产不同规格板材时，总是能够在板材的表面发现几条带状缺陷，这些带状缺陷区域里还有很多分散的点状物排列，带状缺陷纵贯板材全长，外形特征明显。而用酸碱溶液做测试时，能够发现这些缺陷在碱性溶液或者配制浓度较高的混合酸溶液浸泡后，产生不同程度的腐蚀作用，呈现褐色或者黑色。据系统研究能够看出，这些带状缺陷的位置恰好与铸轧板的下表面存在的缺陷位置完全吻合，也就是说所有类似规格的板材都产生了这样的反应，这种缺陷变形就称之为铸轧板的表面偏析。而综合工业生产经验和研究数据结果，表面偏析容易出现在采用8011铝合金铸轧板生产的冷轧板中，且出现位置基本相同。表面偏析频繁出现在铸轧板的下表面，其具体出现的位置和尺寸大小仍是不确定的。对于其偏析规律性的分析把握，主要是考虑表面偏析一旦出现，就会在同一个位置不间断的出现。偏析现象会持续延绵几个板材卷，直到铸嘴卸掉为止。
1 组织特点
铝金属板材的制作工艺上，铸轧板因在铸轧区内产生特殊的结晶过程，随后又经历了不同的热变化，表现出了跟冷轧、热轧板大不相同的组织特点。铸轧板的组织特点在一定程度上影响着下一步的冷轧、退火行为。
1.1 显微组织结构
铸轧板带一般都具有极为细小的内部显微组织，这主要是由于铸轧板在铸轧区内结晶时，其冷却速度特别快，短时间的凝固过程能产生很好的凝固效果。这些细小枝晶网络的形成对中间金属化合物的微小颗粒产生很大的促进功能作用于材料性能的改进上。能够促进铸轧板的强度和硬度进一步提高，同时还保证了材料的塑性不需要降低就能现实。细小弥散的质点有助于得到细小的再结晶晶粒。制作铝箔时，化合物颗粒小，可减少孔隙。
1.2 易形成过饱和固熔体
在铝固熔体中，合金元素在铸轧板结晶时保持极高凝固速度的情况下被强制固溶在铝固熔体中，加速形成猛烈的过饱和固熔体。这些常见的合金元素包括锰、镁、铬、铁、硅等，当然也包括在纯铝中存在的杂质元素。而且由于铸轧板保持的这种极高凝固速率，晶粒中的铝元素因其在固溶前的不规则分子运动而导致分布很不均匀，这时就形成了晶体内偏析。晶内偏析的表现有很多，常见的是水波纹样的线条，或者在合金板材制品退火后产生不均匀的再结晶晶粒，影响板材的使用。
对铸轧板坯进行均匀化处理，可以使过饱和的固熔体分解，同时也可以消除晶体内偏析，将作为一种重要的方法改善铸轧板材制品性能。
1.3 晶体成长方向性
铝金属板材在铸轧时，强烈的定向导热使晶体成长具有明显的方向性。众所周知，立方晶体树枝状主轴沿着<100>方向生长，因此晶体的<100>方向与柱状晶的主轴方向相一致。
1.4 动态回复特性
铸轧板的组织具有特殊性，内部组织既不是一旦成型就不会再改变的完整铸态组织，也不是充分变形后无法再实现可塑的组织。它的组织具有动态回复特性，能够将内部组织中的铸态组织部分在经过小区域或者小热量的作用后发生变形，产生动态回复。借助先进显微镜设备能够看出，一些外观看上去如铸造晶粒未充分破碎的铸造组织，其内部的铸造晶粒体都发生很多因热变形而进行的动态回复作用，导致亚晶体的产生。这种状态下的铸轧板一旦在高温下进行退火，势必有再结晶出现，而且再结晶还会产生颗粒较大的晶粒。
2 表面偏析区的成分分析
用先进光谱仪器对已经产生表面偏析的铸轧板的表面进行成分对比。从分析结果可以看出，铝铸轧板表面的偏析部位，存在铁、硅等金属元素，而且与正常部位相比，含量要分别高出60%到206%，而且分析得知钛金属的元素含量却呈现出规律性的下降状态。应该指出，铸轧板的表面某些部位的成分选用宏观光谱分析时，选择在哪个部位进行测定，与其元素含量大小有直接的关联影响，分析结果只能作为部分参考。从上面的规律可以看出，铁和硅等能同铝生成共晶组织的这些元素在偏析部位的含量明显升高，钛元素作为和铝生成包晶组织的金属在偏析部位的含量明显降低，这样的现象类似于半连续铸锭表面的偏析瘤，从这个成分分析上可将这种现象称为表面偏析。
3 表面偏析的组织分析
铸轧板上的表面偏析部分，多数情况下是不易被发觉的。但经过酸碱溶液浸泡腐蚀后容易出现黑色状斑点，才会明显从视觉上引起关注。当表面偏析区上方有光线掠射或扫射过时，偏析处的反光明显比正常区域的反光效果差，表现为偏析处稍微发暗。通过手感触摸能够发现，偏析区的触感与相邻部位相比是不同的。在深度显微观察后能发现，偏析区比相邻部位的晶粒细小很多。通过铸轧板表面偏析的横断面观察可知，由于偏析区的共晶量增多，表面层枝网络连续且较为厚实，大多数增多的化合物为AlFeSi。
4 表面偏析产生的原因
4.1 热接触不良
铸轧板的表面偏析和连续铸造的铸锭表面的偏析瘤是属于同一类型现象，此现象称之为反偏析。铸造金属内部的空隙影响导热和散热过程，使得热接触不良是反偏析出现在金属表面的充分条件。从铸轧板表面组织能够看出，表面偏析区和周围相邻区域的晶粒种类不同，前者为细晶粒，后者则为粗晶粒。通过对细晶粒区的两侧麦穗装晶粒集合方向判定，结晶先发生在偏析区后开始在粗晶粒区后结晶。这说明能够与铸轧辊面最先接触的是偏析部位的熔体，通过接触形成凝壳后，位于兩侧区域的熔体才不断通过凝壳向外导出热量，而凝壳两边的晶粒也同时在两侧热熔体中成长，两侧的熔体相继与铸轧辊面接触才能算是组织的正常形成。 4.2 铸嘴问题
实际工业生产的铸轧过程中，一旦表面偏析出现在几个铝材卷之间，不发生间断，不改变位置，可能采用拆卸铸嘴的经验方法实现对表面偏析的控制和消除，由此过程能够得出，铸嘴的构造和使用状态是铸轧板表面偏析的产生的一方面原因。
通过观察铸轧板下表面偏析的轻微局部的取样，能够看出凝壳是成半岛状分布的，凝壳中间有横带出现，同时相比较发现铸出辊面上的纵向痕迹并不很清晰，說明凝壳上的横带和辊面之间有气隙，这时横带上开始出现了表面偏析的点状分布。证实了铸嘴的局部脱落会引发局部熔体先和辊面接触，会引起局部表面偏析。
4.3 冷却强度
通过研究，造成铸轧板表面偏析的主要原因来自于合金熔体的冷却强度。冷却强度又被称作冷却速度，其参数的改变对铸锭的组织影响巨大。一旦冷却强度增大，速率明显提升，此时能容易形成细化的晶内组织结构。冷却强度增大后，铸锭的金属补缩条件将得到进一步改善，铸锭的致密度因气孔的消失而提高，有效改善了偏析区域的恶劣程度。由冷却强度导致的表面偏析现象可以实现在线调整，加大冷却强度，对冷却水的压力、流量和水温进行数据上的有效控制。并适当增大铸轧过程的的轧制力，限制降低铸轧速度，提升前箱液位，适当降低铝水温度可减轻或消除偏析缺陷。
5 铸轧板表面偏析对于板材性能的影响
通过选用同样宽度同样材质的板材进行实验比较，一些是中间具有偏析条的，一些则保持正常。两种板材在做拉伸实验时，所有带偏析的试样都没有在出现偏析处折断，强度并未出现过大变化，但是延伸率降低了，同时存在偏析的铝制产品，在冲压过程中表面会产生偏析纹路，及影响产品性能，又影响产品美观.
使用10%的NaOH溶液分别滴于板材偏析部位和正常部位，发现两部位的放出气泡的时间基本相同。但是正常部位的气泡是密细又均匀出现分布的，偏析区在偏析斑点上形成大而密集的气泡，最后形成了黑色的腐蚀斑点。板材经过阳极氧化形成氧化保护膜后，氧化膜无法再偏析斑点区生成，在偏析斑点形成了黑色斑点，视觉上极易分辨。因此存在偏析的板材不能用来做装饰使用。
6 结语
经过上述的铸轧板表面偏析的规律性分析，了解铝合金铸轧板有时会在表面出现的纵贯整卷的带状的表面偏析，此偏析现象属于反偏析。表面偏析对板材强度并不构成影响，但是大大降低了板材塑性及美观，影响板材使用。保持对铸轧板的均匀化处理，加大过饱和的固熔体分解速率，增加冷却强度，研发铸嘴的新构造和新工艺，积极改善铸轧板表面偏析现象。
参考文献
[1] 刘静安，谢水生.镁合金板带铸轧凝固前沿控制及缺陷成形机理研究[D].上海大学，2012.
[2] 翁文凭，邓康，任忠鸣.镁合金铸轧过程中表面点状偏析形成机制[J].稀有金属材料与工程，2013.
[关键词]铸轧板 表面偏析 规律性
中图分类号：T96 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0374-02
在工业生产中，有时用纯铝铸轧板生产不同规格板材时，总是能够在板材的表面发现几条带状缺陷，这些带状缺陷区域里还有很多分散的点状物排列，带状缺陷纵贯板材全长，外形特征明显。而用酸碱溶液做测试时，能够发现这些缺陷在碱性溶液或者配制浓度较高的混合酸溶液浸泡后，产生不同程度的腐蚀作用，呈现褐色或者黑色。据系统研究能够看出，这些带状缺陷的位置恰好与铸轧板的下表面存在的缺陷位置完全吻合，也就是说所有类似规格的板材都产生了这样的反应，这种缺陷变形就称之为铸轧板的表面偏析。而综合工业生产经验和研究数据结果，表面偏析容易出现在采用8011铝合金铸轧板生产的冷轧板中，且出现位置基本相同。表面偏析频繁出现在铸轧板的下表面，其具体出现的位置和尺寸大小仍是不确定的。对于其偏析规律性的分析把握，主要是考虑表面偏析一旦出现，就会在同一个位置不间断的出现。偏析现象会持续延绵几个板材卷，直到铸嘴卸掉为止。
1 组织特点
铝金属板材的制作工艺上，铸轧板因在铸轧区内产生特殊的结晶过程，随后又经历了不同的热变化，表现出了跟冷轧、热轧板大不相同的组织特点。铸轧板的组织特点在一定程度上影响着下一步的冷轧、退火行为。
1.1 显微组织结构
铸轧板带一般都具有极为细小的内部显微组织，这主要是由于铸轧板在铸轧区内结晶时，其冷却速度特别快，短时间的凝固过程能产生很好的凝固效果。这些细小枝晶网络的形成对中间金属化合物的微小颗粒产生很大的促进功能作用于材料性能的改进上。能够促进铸轧板的强度和硬度进一步提高，同时还保证了材料的塑性不需要降低就能现实。细小弥散的质点有助于得到细小的再结晶晶粒。制作铝箔时，化合物颗粒小，可减少孔隙。
1.2 易形成过饱和固熔体
在铝固熔体中，合金元素在铸轧板结晶时保持极高凝固速度的情况下被强制固溶在铝固熔体中，加速形成猛烈的过饱和固熔体。这些常见的合金元素包括锰、镁、铬、铁、硅等，当然也包括在纯铝中存在的杂质元素。而且由于铸轧板保持的这种极高凝固速率，晶粒中的铝元素因其在固溶前的不规则分子运动而导致分布很不均匀，这时就形成了晶体内偏析。晶内偏析的表现有很多，常见的是水波纹样的线条，或者在合金板材制品退火后产生不均匀的再结晶晶粒，影响板材的使用。
对铸轧板坯进行均匀化处理，可以使过饱和的固熔体分解，同时也可以消除晶体内偏析，将作为一种重要的方法改善铸轧板材制品性能。
1.3 晶体成长方向性
铝金属板材在铸轧时，强烈的定向导热使晶体成长具有明显的方向性。众所周知，立方晶体树枝状主轴沿着<100>方向生长，因此晶体的<100>方向与柱状晶的主轴方向相一致。
1.4 动态回复特性
铸轧板的组织具有特殊性，内部组织既不是一旦成型就不会再改变的完整铸态组织，也不是充分变形后无法再实现可塑的组织。它的组织具有动态回复特性，能够将内部组织中的铸态组织部分在经过小区域或者小热量的作用后发生变形，产生动态回复。借助先进显微镜设备能够看出，一些外观看上去如铸造晶粒未充分破碎的铸造组织，其内部的铸造晶粒体都发生很多因热变形而进行的动态回复作用，导致亚晶体的产生。这种状态下的铸轧板一旦在高温下进行退火，势必有再结晶出现，而且再结晶还会产生颗粒较大的晶粒。
2 表面偏析区的成分分析
用先进光谱仪器对已经产生表面偏析的铸轧板的表面进行成分对比。从分析结果可以看出，铝铸轧板表面的偏析部位，存在铁、硅等金属元素，而且与正常部位相比，含量要分别高出60%到206%，而且分析得知钛金属的元素含量却呈现出规律性的下降状态。应该指出，铸轧板的表面某些部位的成分选用宏观光谱分析时，选择在哪个部位进行测定，与其元素含量大小有直接的关联影响，分析结果只能作为部分参考。从上面的规律可以看出，铁和硅等能同铝生成共晶组织的这些元素在偏析部位的含量明显升高，钛元素作为和铝生成包晶组织的金属在偏析部位的含量明显降低，这样的现象类似于半连续铸锭表面的偏析瘤，从这个成分分析上可将这种现象称为表面偏析。
3 表面偏析的组织分析
铸轧板上的表面偏析部分，多数情况下是不易被发觉的。但经过酸碱溶液浸泡腐蚀后容易出现黑色状斑点，才会明显从视觉上引起关注。当表面偏析区上方有光线掠射或扫射过时，偏析处的反光明显比正常区域的反光效果差，表现为偏析处稍微发暗。通过手感触摸能够发现，偏析区的触感与相邻部位相比是不同的。在深度显微观察后能发现，偏析区比相邻部位的晶粒细小很多。通过铸轧板表面偏析的横断面观察可知，由于偏析区的共晶量增多，表面层枝网络连续且较为厚实，大多数增多的化合物为AlFeSi。
4 表面偏析产生的原因
4.1 热接触不良
铸轧板的表面偏析和连续铸造的铸锭表面的偏析瘤是属于同一类型现象，此现象称之为反偏析。铸造金属内部的空隙影响导热和散热过程，使得热接触不良是反偏析出现在金属表面的充分条件。从铸轧板表面组织能够看出，表面偏析区和周围相邻区域的晶粒种类不同，前者为细晶粒，后者则为粗晶粒。通过对细晶粒区的两侧麦穗装晶粒集合方向判定，结晶先发生在偏析区后开始在粗晶粒区后结晶。这说明能够与铸轧辊面最先接触的是偏析部位的熔体，通过接触形成凝壳后，位于兩侧区域的熔体才不断通过凝壳向外导出热量，而凝壳两边的晶粒也同时在两侧热熔体中成长，两侧的熔体相继与铸轧辊面接触才能算是组织的正常形成。 4.2 铸嘴问题
实际工业生产的铸轧过程中，一旦表面偏析出现在几个铝材卷之间，不发生间断，不改变位置，可能采用拆卸铸嘴的经验方法实现对表面偏析的控制和消除，由此过程能够得出，铸嘴的构造和使用状态是铸轧板表面偏析的产生的一方面原因。
通过观察铸轧板下表面偏析的轻微局部的取样，能够看出凝壳是成半岛状分布的，凝壳中间有横带出现，同时相比较发现铸出辊面上的纵向痕迹并不很清晰，說明凝壳上的横带和辊面之间有气隙，这时横带上开始出现了表面偏析的点状分布。证实了铸嘴的局部脱落会引发局部熔体先和辊面接触，会引起局部表面偏析。
4.3 冷却强度
通过研究，造成铸轧板表面偏析的主要原因来自于合金熔体的冷却强度。冷却强度又被称作冷却速度，其参数的改变对铸锭的组织影响巨大。一旦冷却强度增大，速率明显提升，此时能容易形成细化的晶内组织结构。冷却强度增大后，铸锭的金属补缩条件将得到进一步改善，铸锭的致密度因气孔的消失而提高，有效改善了偏析区域的恶劣程度。由冷却强度导致的表面偏析现象可以实现在线调整，加大冷却强度，对冷却水的压力、流量和水温进行数据上的有效控制。并适当增大铸轧过程的的轧制力，限制降低铸轧速度，提升前箱液位，适当降低铝水温度可减轻或消除偏析缺陷。
5 铸轧板表面偏析对于板材性能的影响
通过选用同样宽度同样材质的板材进行实验比较，一些是中间具有偏析条的，一些则保持正常。两种板材在做拉伸实验时，所有带偏析的试样都没有在出现偏析处折断，强度并未出现过大变化，但是延伸率降低了，同时存在偏析的铝制产品，在冲压过程中表面会产生偏析纹路，及影响产品性能，又影响产品美观.
使用10%的NaOH溶液分别滴于板材偏析部位和正常部位，发现两部位的放出气泡的时间基本相同。但是正常部位的气泡是密细又均匀出现分布的，偏析区在偏析斑点上形成大而密集的气泡，最后形成了黑色的腐蚀斑点。板材经过阳极氧化形成氧化保护膜后，氧化膜无法再偏析斑点区生成，在偏析斑点形成了黑色斑点，视觉上极易分辨。因此存在偏析的板材不能用来做装饰使用。
6 结语
经过上述的铸轧板表面偏析的规律性分析，了解铝合金铸轧板有时会在表面出现的纵贯整卷的带状的表面偏析，此偏析现象属于反偏析。表面偏析对板材强度并不构成影响，但是大大降低了板材塑性及美观，影响板材使用。保持对铸轧板的均匀化处理，加大过饱和的固熔体分解速率，增加冷却强度，研发铸嘴的新构造和新工艺，积极改善铸轧板表面偏析现象。
参考文献
[1] 刘静安，谢水生.镁合金板带铸轧凝固前沿控制及缺陷成形机理研究[D].上海大学，2012.
[2] 翁文凭，邓康，任忠鸣.镁合金铸轧过程中表面点状偏析形成机制[J].稀有金属材料与工程，2013.