Effects of Mn content and cooling conditions in a rolled AA 3005A alloy

Abstract

Sekundærproduksjon av aluminium innebærer omsmelting av aluminiumsskrap i tillegg til tilsetninger av primæraluminium og legeringselementer. Ettersom den kjemiske sammensetningen i skrapet varierer vil dette også føre til variasjoner i kjemien til den ferdige legeringen, noe som kan påvirke egenskapene til materialet. Materialegenskaper påvirkes selvsagt også i stor grad av prosesseringsparametre. For valsede produkter kan slike parametre være valsetemperatur, tøyning eller tøyningsrate, for å nevne noen. Både prosessparametre og kjemisk sammensetning kan ha store effekter på materialkarakteristikker som mikrostruktur, tekstur og mikrokjemi, som igjen kan påvirke egenskapene til materialet. En omfattende forståelse av effektene av variasjoner i prosessparametre og kjemisk sammensetning er derfor nødvendig for å kontrollere materialegenskaper i valsede aluminiumslegeringer. Denne studien har undersøkt effekten av forskjellige avkjølingforhold etter varmvalsing i to valsede AA 3005A legeringer, som inneholdt henholdsvis 1,11 wt.% og 1,33 wt.% Mangan. To paralleller for hver av disse legeringene ble studert: Én avkjølt i luft, og én avkjølt ved hjelp av en vifte, som gir langt raskere avkjøling. Materialene har blitt undersøkt etter varmvalsing, kaldvalsing, og under tilbakegløding av det kalddeformerte materialet gjennom et isotermt glødeeksperiment ved 315 ℃. Mulige effekter på materialenes mekaniske egenskaper, tekstur, mikrostruktur og mikrokjemi er blitt studert. Mekaniske egenskaper har blitt undersøkt ved hjelp av strekkprøving og hardhetstester. Mikrostrukturen og teksturen til material har blitt karakterisert ved hjelp av diffraksjon av tilbakespredte elektroner (EBSD), etterfulgt av analyse ved bruk av MATLAB verktøykassen MTEX. Mikrokjemi har blitt analysert ved bruk av billeddannelse gjennom atomnummerkontrast ved hjelp av tilbakespredte elektroner og målinger av elektrisk ledningsevne. Resultatene viste at effektene av avkjølingsforholdene og manganinnholdet undersøkt i denne studien, generelt var små. Ikke desto mindre viste legeringen som inneholdt 1,33 wt.% Mn signifikant tregere rekrystallisasjonskinetikk ved viftekjøling sammenlignet med luftkjøling, noe som antakelig stammer fra økt samtidig presipitering i det viftekjølte materialet, muligens på grunn av mer Mn i fast løsning etter varmvalsing. For begge manganinnhold resulterte viftekjøling i mindre innlemmelse av mangan i konstituente partikler. Tekstur og teksturutvikling viste seg å hovedsaklig være upåvirket av manganinnholdet og avkjølingsforholdene som ble undersøkt i denne studien. Kartleggingen av effektene av avkjølingsforhold etter varmvalsing ved ulike manganinnhold, bidrar til en mer helhetlig forståelse av effektene av variasjoner i kjemi og prosessparametre i 3xxx-legeringer. Videre kan denne kunnskapen tillate Hydro mer frihet i prosesseringen av denne bestemte legeringen, med hensyn til kjemisk sammensetning og avkjøling etter varmvalsing.

Secondary aluminium production involves remelting of aluminium scrap along with additions of primary aluminium and alloying elements. As the chemical compositions of the scrap are not the same every time, the produced alloy will also have some chemical variations from time to time, which may influence the material properties. Material properties are, of course, also highly affected by process parameters. For rolled products, these could be e.g. rolling temperature, strain, strain rate etc. Both processing parameters and the chemistry of the alloy may significantly affect features in the material like microstructure, texture and microchemistry, which in turn may affect the material properties. A comprehensive understanding of the effects of processing conditions and chemical variations is therefore necessary in order to control the material properties of rolled aluminium sheets. The present study has investigated the effect of cooling conditions following hot rolling for two rolled AA3005 alloys containing 1.11 wt.% and 1.33 wt.% Mn. Two parallels of each alloy were investigated: One cooled by air, and one cooled by a fan, i.e. ’slow’ vs ’fast’ cooling. The materials have been examined in the hot rolled and cold rolled state, and during back-annealing by an isothermal annealing experiment at 315 ℃. The effects have been evaluated in terms of mechanical properties, texture, microstructure and microchemistry. Mechanical properties have been measured by tensile- and hardness testing. The microstructure and texture of the materials have been characterized by the electron backscatter diffraction (EBSD) technique, followed by subsequent analysis using the MTEX MATLAB toolbox. Microchemistry has been analyzed using backscatter electron imaging (BSE), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and electrical conductivity measurements. The results revealed that the effect of cooling conditions and Mn content on mechanical properties generally were small. However, the alloy containing 1.33 wt.% Mn showed significantly slower recrystallization kinetics when cooled by a fan, compared to air, which is believed to be attributed to increased concurrent precipitation following possibly more Mn in solid solution after hot rolling and cooling. For both alloys, fan cooling resulted in the precipitation of a higher number of dispersoids compared to air, following hot rolling. The fan cooling also resulted in a lower amount of Mn incorporated into constituent particles. Texture and texture evolution was shown to be mainly unaffected by the Mn content and cooling conditions studied in this work. The assessment of the effects of cooling conditions following hot deformation at different Mn contents contributes to a more comprehensive understanding of the effects of variations in chemistry and processing conditions in 3xxx alloys. Further, this knowledge may allow Hydro more freedom in process design for this particular alloy with respect to variations in chemical composition and cooling conditions after hot rolling.