ЦВЕТНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 669.713
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ДЕФЕКТЫ БЕССЛИТКОВОЙ ФОЛЬГОВОЙ ЗАГОТОВКИ ИЗ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
© Бажин Владимир Юрьевич, д-р техн. наук; Сизяков Виктор Михайлович, д-р техн. наук, проф.; Власов Александр Анатольевич, канд. техн. наук; Фещенко Роман Юрьевич
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». Россия, Санкт-Петербург. E-mail: bazhin-alfoil@mail.ru Статья поступила 04.10.2012 г.
Перед металлургической отраслью стоит задача повышения удельного выпуска конечной продукции с высокой добавленной стоимостью. Производство алюминиевой фольги и тонкого проката составляет не более 5% от валового выпуска алюминия в России. В рамках ОК РУСАЛ работают три фольгопрокатных завода, которые выпускают алюминиевую фольгу по зарубежным технологиям. При переходе на высоколегированные сплавы серий 8006 и 3003 остаются проблемы качества поверхности заготовки, снижающие выход годной продукции.
Ключевые слова: алюминиевая фольга; литейно-прокатный агрегат; поверхностный дефект; оксидная пленка; алюминиевая полоса.
й Iроизводство фольговой заготовки на лиП £тейно-прокатных агрегатах. Листы, ленты, проволока, фольга из алюминиевых сплавов могут быть изготовлены с использованием разных технологических схем. Традиционные схемы производства проката из слитка существуют многие десятилетия, и их улучшение идет, как правило, путем совершенствования машин и оборудования. Экономическая эффективность производства алюминиевых сплавов зависит от многих факторов, таких как технико-экономические характеристики оборудования, объем производства, себестоимость сырья и материалов.
Существуют технологии получения тонколистового проката из алюминиевых сплавов на агрегатах совмещенного литья и прокатки, которые успешно конкурируют с классическими схемами. Учитывая повышение спроса на внутреннем и внешнем рынках на алюминиевую фольгу для производства пищевых контейнеров и техническую фольгу для теплообменников толщиной 50-110 мкм из высоколегированных сплавов 8006 и 3003, необходимы организационные и научно-технические мероприятия для освоения новых видов продукции. Научно-методологические основы получения алюминиевой ленты на агрегатах бесслитковой прокатки из высоколегированных сплавов 8006 и 3003 были заложены на Фольго-прокатном заводе (г. Санкт-Петербург) в 20012003 гг.
На предприятиях алюминиевой промышленности намечается тенденция организации про-
изводства глубокой переработки сплавов с целью получения конечной продукции с высокой добавленной стоимостью. В рамках ОК РУСАЛ три предприятия выпускают алюминиевый тонкий прокат и фольгу (ОАО «Уральская фольга», САЯНАЛ, АРМЕНАЛ) в количестве 80 тыс. т в год, что составляет 5% выпуска всего российского первичного алюминия. Производство рулонной заготовки осуществляется совмещенным методом литья и деформации на агрегатах бесслитковой прокатки (суперкастерах).
К основному преимуществу совмещенного процесса литья и прокатки алюминиевых полос относят возможность получения рулонной заготовки толщиной 5-8 мм для дальнейшего производства фольги необходимого диаметра в соответствии с техническими условиями заказчика. Высокая степень и скорость обжатий во время литья приводят к повышению температуры обрабатываемого металла в очаге деформации. В случае алюминиевых сплавов 8006, 3003 системы Л1-Бе-81-Мп без предварительного подогрева заготовок температура поднимается выше температуры рекристаллизации, в результате которой достигается однородная микроструктура, подобная получаемой после горячей прокатки [1]. £ Управление процессом структурообразования на 7 литейно-прокатных агрегатах (ЛПА) благодаря ^ изменению температурных режимов, скорости литья, величины обжатия создает возможность £
с;
получения алюминиевой полосы с мелкодисперс- 5 ным строением.
К недостаткам совмещенного способа литья и прокатки алюминиевых полос относят низкую производительность, ограниченный диапазон сплавов и неудовлетворительное качество поверхности. По этим причинам в настоящее время при переходе на высоколегированные алюминиевые сплавы серий 8006 и 3003 существуют проблемы выпуска продукции, соответствующей международным стандартам качества ISO 9001:2008. В рамках исследовательской работы проанализированы причины появления поверхностных дефектов на стадии совмещенного процесса литья и даны рекомендации по их устранению.
Факторы повышения качества листовой заготовки. В ходе совмещенного процесса литья и прокатки алюминиевых полос, а также при дальнейшей их обработке до фольги соответствующего размера выявляются дефекты, которые образуются вследствие отклонений технологического режима и технических неисправностей оборудования. Значительное количество дефектов при получении фольги из заготовки, отлитой на ЛПА, связано с неоднородностью микроструктуры и поверхностными дефектами [2]. Появление брака конечного продукта происходит по причинам, возникающим на любой стадии технологического процесса. Процесс производства фольги предусматривает обработку заготовки при многократных обжатиях, когда толщина соизмерима с размером образовавшихся дефектов и отклонение от технологических параметров может привести к появлению брака.
Поверхность алюминиевой заготовки всегда защищена слоем оксидной пленки, которая при дальнейшей пластической обработке препятствует химическому взаимодействию сплава с газами и влагой. На воздухе при комнатной температуре ее толщина составляет 4-7 нм. Во время термообработки толщина пленки на поверхности твердого металла возрастает до 200 нм. Оксид алюминия Al2O3 имеет удельный объем, близкий к удельному объему алюминия, поэтому оксидная пленка плотная и обладает очень хорошим сцеплением с металлом, малопроницаема для всех газов [3]. Экспериментально получена оксидная пленка на поверхности холоднокатаной фольги толщиной 1 нм, и после термической обработки (отжиг при температуре 400-500 °С) она достигает 3 нм. В случае длительного нахождения фольги при высокой температуре в окислительной атмосфере толщина оксидной пленки может увеличиться до 8-10 нм [2]. Чрезмерный рост толщины пленки сопровождается снижени-
Место дефекта
Отставание металла от скорости вращения в^ков
Расплав
Твердая литая полоса
Точка нулевого скольжения
Рис. 1. Схема взаимодействия между поверхностями валков и заготовкой с образованием дефекта
ем прочности ее сцепления с поверхностью алюминия.
Образование поверхностных дефектов в виде разрушений оксидной пленки на фольговой заготовке в ходе совмещенного процесса литья и прокатки может происходить из-за внешних механических повреждений или наличия внутренних дефектов полосы. Следует отметить, что любой дефект на поверхности заготовки связан с разрывом оксидной пленки. Одна из характерных особенностей совмещенного способа литья и прокатки сплава в зазоре подвижных валков-кристаллизаторов связана с так называемым явлением опережения прокатки и возникновением участков отставания металла. В месте контакта «валок - распределительная насадка» в полутвердой фазе возникает турбулентная зона, в которой при высоких скоростях может происходить срыв мениска расплава с разрушением корочки. На поверхности заготовки во время литья возникают крупные строчечные и локальные повреждения поверхности, схематично изображенные на рис. 1.
Одной из причин дефектообразования на отливаемой полосе может быть то, что глубина образовавшегося мениска увеличивается при содержании в расплаве водорода, превышающем допускаемые величины - порядка 0,1 см3/100 г.
Причины образования поверхностных дефектов. При увеличении скорости литья при минимальном содержании водорода в расплаве на поверхности заготовки могут появляться мелкие строчечные полосы. Для выявления причин образования этих полос вырезали темплеты в местах образовавшихся дефектов, проводили металлографический анализ полосы в продольном и поперечном сечениях. Образцы отбирали и после прокатки заготовки до толщины 0,5 и 0,1 мм. В результате изучения состава оксидной пленки с помощью лазерного анализатора НопЬа ЬА-950 (Япония) обнаружены мелкие повреждения поверхности строчечного и точечного вида глубиной около 15 нм. Химическим анализом сплава в
Рис. 2. Поверхностный дефект бесслитковой заготовки из сплава 8006 при превышении скорости разливки:
а - строчечный при толщине 7,1 мм; б - точечный при толщине 7,1 мм; в - строчечный при толщине 0,5 мм; г - точечный после холодной прокатки при толщине 0,5 мм; х500
местах разрыва оксидной пленки не обнаружено отклонений от общего содержания легирующих элементов. Очевидно, такой характер разрушения оксидной пленки можно отнести к механическим повреждениям поверхности заготовки, которые связаны с явлением опережения прокатки из-за повышенной скорости разливки (рис. 2).
В условиях бесслитковой прокатки при различных скоростях охлаждения расплава в зазоре валков-кристаллизаторов оксидная пленка может иметь различный фазовый состав: гидроксид алюминия А1(ОН)3; а-А1203; у-Л1203. Изучение содержания и фазового состава сплава в алюминиевой полосе при различных температурных режимах показало, что любые оксидные пленки полностью или частично подвержены процессу гидратации из-за наличия влаги. Незначительное содержание гидроксида с оксидным слоем из у-Л1203 на литой полосе свидетельствует о меньшей проницаемости таких оксидных пленок. Изучение коррозионной стойкости алюминиевых полос с оксидным слоем различного фазового состава показало, что наименьшими защитными свойствами обладают аморфные пленки. Наибольшую стойкость имеют полосы, оксидные пленки которых состоят из однородной кристаллической фазы у-Л1203. Появление в оксидном слое второй кристаллической фазы (а-А1203) с отличающимися параметрами решетки приводит к разрыхлению пленки и ухудшению ее защитных свойств. Образование второй фазы наблюдается при 200-300 °С, поэтому во время совмещенного процесса литья и прокатки необходимо создать условия для равномерного охлаждения с максимальной скоростью по всей ширине отливаемой полосы. Такие полосы отличаются наибольшей коррозионной стойкостью. В условиях бесслитковой прокатки эт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.