（材料加工工程专业论文）退火工艺对3003铝合金的组织及力学性能的影响.pdf

硕士学位论文 摘要 由于铝材业自身的优越条件和社会发展的推动，人们对铝合金材料的质量、 性能提出了越来越高的要求。本文研究的3 0 0 3 铝合金多用于加工成形性能好的 零部件，针对其冲压质量不良，关键性指标制耳率和表面晶粒度难以满足深冲的 要求，从改善其退火工艺入手，采用光学金相显微镜、扫描电镜和力学性能测试 等现代分析与观测手段，较系统、深入地研究了退火温度和保温时间对3 0 0 3 合 金铝板的显微组织与力学性能的影响规律。结合铸轧卷坯生产时，中间退火工艺 对成品退火工艺及成品退火后材料力学性能的影响，提出实验条件下的最佳热处 理工艺，为批量生产提供工艺参数。 研究结果表明： ( 1 ) 实验采用的3 0 0 3 铝合金板的再结晶开始温度为3 6 0 左右，在该温度 退火，铝板的力学性能发生显著的变化；完全再结晶温度为4 6 0 左右，退火温 度达到或超过该温度时，材料的力学性能基本稳定。3 0 0 3 合金铝板在同一温度 下退火，随保温时间的延长，晶粒有长大的趋势。 ( 2 ) 本实验3 0 0 3 合金铝板经退火处理后，铝板沿轧制方向的抗拉强度和屈 服强度最高，伸长率最低；垂直轧制方向的抗拉强度、屈服强度和伸长率次之： 与轧制方向成4 5 0 的抗拉强度和屈服强度最低，伸长率最高。 ( 3 ) 采用高温快速退火的中间退火工艺，板材冷轧后经完全再结晶退火， 可以得到比常规退火处理更加细小的再结晶组织，改善冷轧板材织构组态，提高 o 态退火后铝板的综合力学性能，降低板材的各向异性值，降低板材的深冲制耳 率，获得用户要求的力学性能。 关键词：3 0 0 3 合金；冷轧板；工艺：再结晶退火；力学性能；制耳率 a bs t r a c t a l u m i n u mm a t e r i a l sh a v ea ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o nr e s u l t i n gf r o mt h e i rs u p e r p e r f o m a n c e s ，a n dt h er e q u i r e m e n tf o rq u a l i t ya n dp r o p e r t i e so fw h i c ht o m e e tt h e d e m a n d so fs o c i a ld e v e l o p m e n t a l u m i n u ma 1 1 0 y3 0 0 3w h i c hw a ss t u d i e di n t h i s p a p e ri su s u a l l yu s e dt op r o d u c ec o m p o n e n t so fg o o dp r o c e s s a b i l i t y f o ri t ss h o r t a g e o fb a dp r o c e s sq u a l i t yo fs t a n l p i n ga n de a r i n gr a t i oa st h ek e yi n d e x e sw h i c ha r e d i m c u l tt o 如l f i nt h e i rr e q u i r e m e n t so fd e e pd r a w i n g ，t h em i c r o s t r u c t u r e a n d m e c h a n i c a lb e h a v i o ro fa l u m i n u ma l l o y30 0 3a td i f 代r e n ta n n e a l i n gt e m p e r a t u r e s a n di n s u l a t i o nt i m ew e r ee x a m i n e db yo p t i c a l e l e c t r o nm e t a l l o s c o p e ，s c a n n m g e l e c t r o nm i c r o s c o p ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t e r a n dt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so f h e a tt r e a t m e n tp r o c e s sf o rb a t c hp r o d u c t i o nw e r eo b t a i n e d a s s o c i a t e dw i t ht h e i n f l u e n c eo fi n t e m e d i a t ea n n e a l i n go nm e c h a n i c a l b e h a v i o ra f t e rf i n a l _ a n n e a l i n g p i u c c 5 s t h ef o l l o w i n gi st h em a i nc o n c l u s i o n ( 1 ) t h er e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r eo f3 0 0 3a l u m i n u ma l l o ys h e e ti sn e a r l y3 6 0 a n dm e c h a n i c a lb e h a v i o rc h a n g e sg r e a t l y a tt h i st e m p e r a t u r e t h ec o m p l e t e r e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r ei sa b o u t4 6 0 ，a n dw h e nr e a c ho re x c e s s4 6 0 ，t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t yi ss t a b i l i z a t i o n g r a i ng r o w t hi n3 0 0 3a l u m i n u ma l l o ys h e e ti s o b s e r v e da st h eh o l d i n gt i m ei n c r e a s i n g a f t e ra n n e a l i n gt r e a t m e n ta tt h es a m e t e m p e r a t u r e ( 2 ) t h em a x i m u mt e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t h ，m i n i m u me l o n g a t i o nr a t eo f a l u m i n u ma l l o ys h e e ta l o n gt h er o l l i n gd i r e c t i o na r eo b s e r v e da f t e ra n n e a l i n g t r e a t m e n t a n di nt h ev e n i c a lr o l l i n gd i r e c t i o n ，t h ed a t ai st h es e c o n d a r y w h e nt h e r 0 1 l i n g d i r e c t i o n a l a n 9 1 e i s 4 5 。， m i n i m u mt e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t h ， m a x i m u me l o n g a t i o nr a t ea r ef o u n d ( 3 ) w h e nt r e a t e db yh i g hs p e e da n dh i g ht e m p e r a t u r ei n t e m e d i a t ea n n e a l i n g ，t h e n r e c r v s t a l l i z a t i o na n n e a l i n g a f t e rc o l d r o l l i n g ， t h es h e e ts h o w s s t r o n g e r r e c r v s t a l l i z a t i o nt e x t u r et h a nt r e a t i n gb yc o n v e n t i o n a la n n e a l i n g a n d i ti ss u p e r i o rt o r e f i n et h eg r a i ns t r u c t u r eo fa l u m i n u ma l l o y s ，i m p r o v et h et e x t u r ec o n f i g u r a t i o n so f c o l dr o l l e ds h e e ta n dc o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa f t e ro - s t a t ea n n e a l i n g ， d e c r e a s ea n i s o t r o p yv a l u ea n de a r i n gr a t i o ， m em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fa l u m i n u m 、a 1 1 0 ys h e e ta r es a t i s f a c t o r y 1 1 硕士学位论文 k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y3 0 0 3 ；c o l dr 0 1 1 e ds h e e t ；p r o c e s s ；r e c r y s t a l l i z a t i o n a n n e a l i n g ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；e a r i n gr a t i o i h 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：徐铂殊 日期：励扩年石月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： 徐砌珠 痦丝予 日期：硝年乡月，日 日期：友6 0 膨年纩月日 硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 冷冲压是一种先进的金属加工方法，它是建立在金属塑性变形的基础上，利 用模具和冲压设备对板料金属进行加工，以获得所需要的零件形状和尺寸。 冷冲压同切削、铸造等加工方法一样广泛地用于工业生产中。由于冷冲压是 一种生产效率很高、无切削的加工方法，它在国防、航空、汽车、农用机械、电 子、家用电器、精密仪器、仪表等工业占有十分重要的地位【l 】。 据统计，仅汽车制造业6 0 7 5 的零件是采用冷冲压加工工艺制成的。其 中，冷冲压生产所占劳动量为整个汽车工业总劳动量的2 5 3 9 w 2 1 。特别是 近些年来，由于冷挤压、精密冲裁技术的发展，更扩大了冷冲压工艺的使用范围。 此外，电子元件、电容器外壳、笔帽和化妆盒等的金属制品加工中，冷冲压加工 量也占有相当大的比例。因此，研究冷冲压用材料，对发展国民经济具有十分重 要的意义。 冷冲压所用的材料绝大多数是板料、卷料及块料。为了适应各种冲压加工， 冲压材料必须具有以下的冲压性能： ( 1 ) 冲压材料必须便于加工、成形，各向同性好，容易得到高质量和高精 度的冲压件。 ( 2 ) 冲压材料应便于提高生产效率，即一次冲压工序的极限变形程度和总 的极限变形程度要足够大。 ( 3 ) 材料对模具的损耗及磨损要低，并且不易出现废品【3 】。 3 0 0 3 合金作为铝锰系合金中的代表，在现代社会上的应用特别广泛，仅次 于3 0 0 4 合金( 3 0 0 4 合金是目前铝合金产量最大的单一薄板合金) ，主要用于加 工厨具、食物和化工产品处理与贮存装置，运输液体产品的槽、罐，以及薄板加 工的各种压力容器与管道等【4 j 需要有良好的成形性能，高的抗蚀性或可焊性好的 零部件。因此冲压工艺对3 0 0 3 合金的产品有很大影响。 手机电池壳类非对称盒形件是通过冲压加工成型的，其冲制工序多而复杂。 目前手机锂离子电池外壳国外主要采用3 0 0 3 合金，国内为3 a 2 1 合金，成形过 程中废品率很高，且经常由于材料等问题，使产品成批量地成为废品【5 】。 手机电池外壳过去都是塑料p v 或p v c 制成的，也有的电池壳是用钢板深 冲而成的。电池性能除了与电芯性能有影响外，手机电池外壳材料对其也有很大 影响，特别是对手机电池可充放电次数即使用寿命有很大影响。因此，若要提高 退火工艺对3 0 0 3 铝合金的组织及力学性能的影响 电池使用寿命，也需要改善外壳屏蔽性能，防泄露，防水、抗冲击性和好的散热 性。铝合金具有良好的抗腐蚀性、适宜的强度，与其它轻金属材料相比有更高的 散热性能，与塑料p v 或p v c 相比，铝质外壳的优点为，抗拉强度比塑料高2 5 倍，同时重量更轻，还有抗电磁干扰性和很好的回收再生性能，这是塑料和钢铁 不可与之相比的。现在，原装进口电池，国产高级电池已全部采用铝质外壳。据 调查，手机电池外壳用3 0 0 3 合金材料市场需求量迅速增加，现每年用量达3 0 0 0 吨，预计每年将以3 0 的速度增长，市场前景广阔，但目前该产品8 0 以上依 靠进口【6 】。因此，研制满足手机电池企业要求的外壳用3 0 0 3 合金铝材，替代进 口显得尤为重要。该课题的研究成果可降低成本，并有很好的经济效益和社会效 益。 1 2 国内外铝合金材料产业的发展概况 手机电池外壳成形工艺的特殊性要求铝板必须具有优异的成形性能及低的 制耳率和光滑细致的表面质量。为此，本章将从3 0 0 3 合金铝板的国内外发展现 状与趋势入手，对其生产过程中存在的问题及其解决途径进行深入的分析与讨 论，进一步明确热处理技术在降低铝板制耳率、表面质量方面的重要作用，在此 基础上提出本研究的目的、意义及主要内容，并制订出合理的实验技术工艺路线。 铝及其合金材料具有一系列优良特性，发展速度非常快，铝材已广泛用于航 空航天、交通运输、包装容器、建筑装饰、机械电器、电子通讯、石油化工、能 源动力、文化卫生等行业，成为发展国民经济与提高人民物质和文化生活的重要 基础材料。并且在国防军工现代化、交通工具轻量化和国民经济高速持续发展中 占有极为重要的地位，是许多国家和地区的重要支柱产业之一，特别是当今世界 人类的生存和发展正面临着资源、能源、环保、安全等问题的严峻挑战，加速发 展铝工业及铝合金材料加工技术更有着重大的战略意义。 1 2 1 世界铝工业的发展概况 1 9 4 0 年全世界原铝产量不到1 0 0 万吨，1 9 7 0 年达1 0 0 万吨，1 9 8 5 年突破2 0 0 0 万吨，2 0 0 0 年达3 0 0 0 万吨，到2 0 0 4 年世界铝产量( 包括原铝和再生铝) 和消费量 均已超过3 8 0 0 万吨，预计到2 0 10 年可能突破4 5 0 0 万吨大关【。 自1 9 9 0 年以来，全球铝工业进入了一个崭新的发展时期，随着科学技术的 进步和经济的飞速发展，在全球经济一体化与大力提高投资回报率的经营思想推 动下，一方面加大结构调整力度，另一方面开展了一场向科技研发大进军的热潮。 以求更合理更均衡地利用与配置自然资源，不断扩大铝工业的规模，增加铝产品 的品种与规格，提高产品的科技含量并拓展其应用范围，大幅度降低电耗、改善 环保；大幅度降低成本与提高经济效益，不断提高铝材，部分替代钢材成为人民 2 硕士学位论文 生活和经济部门基础材料的地位。 当前，全世界铝工业面临着两大问题的挑战，第一是在环保要求日益严格与 污染排放指标不断调低的情况下，如何尽可能地降低生产成本；第二是在剧烈的 竞争中不断扩大铝的新应用领域。 美国铝工业在近期内通过研究开发要达到以下三个具体目标：铝的生产成 本降低2 5 3 0 ，铝、钢零件成本比小于3 5 ：1 ；铝电解电流的效率大于 9 7 ，使铝及铝加工生产综合能耗大幅度下降；铝在汽车、交通运输及基础设 施市场的用量提高5 0 ，使之部分替代钢材成为国民经济和人民生活中的基础 材料【8 】，这些目标也代表了世界铝及铝加工业的发展方向，如果能实现，将大大 促进铝加工业的发展。 1 2 2 我国铝工业的发展概况 1 9 9 0 年以来，中国电解铝工业开始进入快速发展阶段，电解铝产量年均递 增15 以上，而消费量则年均递增2 0 以上。2 0 0 1 年中国电解铝的产能达4 2 7 万吨年，产量已达3 4 2 7 万吨，超过美国( 3 3 6 万吨) 。2 0 0 5 年超过7 5 0 万吨，稳居 世界榜首，成了名符其实的铝业大国。截止2 0 0 5 年底，中国铝加工企业超过1 1 0 0 家，铝加工材年生产能力达7 0 0 万吨以上，年产量已达5 5 0 万吨以上，位居全球 第二。2 0 0 5 年中国再生铝产量超过2 5 0 万吨大关，铝合金铸造产品超过15 0 万 吨，走到世界前列。此外，由于铝的应用范围不断扩大，铝材深度加工业也有了 很大发展。2 0 0 5 年中国铝( 含再生铝) 消费量达9 0 0 万吨，首次成为全球最大铝消 费国，铝量也由二十世纪8 0 年代的o 8 千克年人，猛增到2 0 0 5 年的6 8 千克 人年左右。 我国拥有发展铝工业的优越条件，只要我们进一步合理配置和使用资源，加 强科学管理，强化科技进步，不断开发新技术、新产品，拓宽铝材应用范围，极 大限度地占领国内外市场，我国的铝加工业就一定会在不久的将来赶上或超过世 界先进水平，步入世界铝业强国之列，成为一个原铝产、销和铝加工材产、销的 世界强国。 1 2 3 铝板带材的发展现状 我国铝板带、箔材的消费水平与世界发达国家相比，还有相当大的差距，与 现在的世界平均消费水平相比还相差1 5 2 5 倍。从近几年的铝材进出口量中也 可以看出，铝板带、箔材消费增长趋势是非常明显的。因此铝板带材有巨大的发 展潜力，将成为今后铝材发展的主要品种。 高性能结构材料是支撑交通运输、能源动力、资源环境、电子信息、农业和 建筑、航天航空以及国家重大工程等领域的重要物质基础，是目前国际上竞争最 激烈的高技术新材料领域之一，高性能结构材料的进步不仅对国家基础产业的发 退火工艺对3 0 0 3 铝合金的组织及力学性能的影响 展和国家安全的保障起着关键性的作用，而且还可影响和带动新材料产业的发 展，推动传统产业的升级改造。 高性能结构材料的主要发展方向之一就是高精度深冲铝合金板材及相关技 术开发。高性能结构材料应以国民经济建设中的重大需求为导向，加强原始科学 创新和技术创新，强调跨越式发展，充分利用我国优势资源和已有技术优势，发 展具有自主知识产权的高性能结构材料及其先进制备、成形与加工技术，为我国 高技术产业的跨越式发展、传统产业的改造升级和可持续发展创造条件【9 h 0 1 。 由于手机电池外壳是经过复杂的深冲过程冲制而成，所用的材料必须具有良 好的综合性能，表面光滑，组织必须均匀细密。国外先进国家的手机电池铝壳较 国内发展早，具有表面质量高，成形性好的优点，但价格昂贵。我国是铝资源大 国，生产成本低，与工业化国家相比，具有无法替代的优势。 随着手机用户的增加，带动了以手机电池为主的手机配件产业的迅猛发展。 现在市场上原装进口品牌电池、国内品牌电池、假冒伪劣手机电池各占三分之一， 而高级电池材料大部分铝化。据不完全统计，手机电池外壳用铝板带材每年已达 3 0 0 0 吨。随着中国进入w t o ，国外企业将电池制造业转移到我国大陆，同时手 机电池企业为改善电池品质，国内手机电池外壳用3 0 0 3 合金铝板带材还有扩大 的趋势。 1 33 0 0 3 铝合金材料 随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，人们对金属材料的质量、性 能提出了越来越高的要求。由于铝材业自身的优越条件和经济与社会发展的推 动，世界各国都投入大量的人力、财力全面深入研究铝合金的成分加工与热处 理工艺一组织与性能之间的关系，以改善各种材料的性能，拓展其用途，使之成 为各种场合的新材料。 1 3 1 手机电池外壳用铝材 据市场调查，截止2 0 0 4 年4 月，中国大陆移动电话用户超过2 6 亿，平均 每月用户新增5 2 5 万户【1 1 】。但目前人均有手机数量仅为发达国家的三分之一， 作为手机的主要配件，手机电池使用寿命低于手机，但是手机电池属于“耗材” 配件，市场要求很大。国内现有手机电池生产线逾千家，有生产许可证的已达 l3 0 多家，其生产能力巨大，国内手机电池市场需求规模已达l0 0 亿元人民币。 手机电池要求有如下性能： 电池外观表面色泽纹理清晰，均匀干净，无划痕及损伤，重量轻安装时， 手感要光滑，无阻塞、松紧适宜、与手机配合良好，无腐蚀、无泄露，对人无害， 不污染环境，最重要的质量指标是其使用寿命。现对使用的电池基本要求是充电 4 硕士学位论文 次数不少于4 0 0 次或4 5 年，充满电后放置2 8 年，额定容量不少于6 0 。 铝合金手机电池外壳见图1 1 ，高档手机电池壳的r 角非常小，本研究以高 档手机电池外壳为例，通过理论研究，解决工业化大生产中的产品质量问题。 。 i。 l 爹一j 。繁_ ： 誊薹1 誊一 毫 0 嚣| | | | | 篱i 一，i | j | ：| 耋| 囊一乏 ? ，。 ： 二i 一? i 誓 ，” 二_ 2 ? ? ? ，? i j 。一i 溪攀i i j 图1 1 铝合金手机电池外壳 f i g 1 1b a t t e r ys h e l lo fm o b i l ep h o n ew i t ha l u m i n u ma l l o y 3 0 0 3 合金。状态铝板是最常见的手机电池外壳用材料，具备电池外壳用材 料要求特点，即成形性好、重量轻、无腐蚀、无泄露等。从加工过程来看，由于 铝板的冲裁落料与冲杯均在同一工位冲机上的同一冲程中完成，要求板材具有良 好的深冲性( 伸长率大于2 5 ，制耳率小于5 ) 及严格的板厚公差。从节约材料、 降低成本和提高生产率角度考虑，也要求其厚度薄、制耳率低和单次拉深率高， 以免在冲杯过程中产生制耳，出现卡、漏而堵塞等问题，从而造成停机。电池外 壳加工过程需要经过4 次冲压，变形量超过6 0 ，这就对铝材的塑性提出较高 的要求。冲压后，顶部易出现制耳，当制耳较大时，将导致送料轨道不畅，影响 生产的连续性，甚至导致设备损坏，另外，制耳较大，切去的废铝增多，影响材 料的使用率，因此，电池外壳用铝材对深冲性能要求较高。同时，在深冲过程中， 材料表面易产生粗糙的桔皮现象，这很影响产品的外观。通过实验数据，制订出 适当的生产工艺，使之能满足电池外壳深冲要求，正是问题的关键与难点所在。 图1 2 手机电池壳成形工艺 f i g 1 2f o r m a t i o nt e c h n o l o g yf o rt h eb a t t e r ys h e l lo fm o b i l ep h o n e 5 退火工艺对3 0 0 3 铝合金的组织及力学性能的影响 1 3 2 手机电池壳成形方式 铝合金手机电池外壳是用3 0 0 3 合金板材经深冲和变薄拉深而制成的，手机 电池外壳成形工艺见图1 2 。 变薄拉深就是在成形中减少冲头与冲模之间的间隙，使容器简体壁厚变薄。 变薄拉深与普通拉深相比，有以下特点： ( 1 ) 变薄拉深时坯料的变形区是处于凹模孔内锥形部分周围的金属，而传 力区则是已从凹模中拉出的侧壁部分和底部。 ( 2 ) 变薄拉深时坯料的应力状态，主要是由凸模拉力而产生的轴向拉应力、 凸模和凹模对材料产生的径向压应力，以及由于材料间的互相挤压而产生的切向 压应力的三向应力状态。而应变状态，则是在轴向产生伸长变形，而在壁厚方向 上产生径向压缩变形。 ( 3 ) 由于材料的变形是处于三向应力状态下，因此材料在变薄拉深过程中， 产生冷作硬化现象，致使金属晶粒变为细长，强度增加。 ( 4 ) 经变薄拉深的工件，表面粗糙度很好，一般可达r a o 2 以上，但由于 拉深过程中产生摩擦，因此要有很好的润滑及粗糙度要求很高的模具。 ( 5 ) 由于变形区材料是受到一向拉伸二向压缩的应力状态，所以拉深力较 小。 ( 6 ) 拉深时可不采用压边圈，并且拉深出的工件也不易起皱。 1 3 3 变形过程分析 铝板材在拉深时，其应力应变状态是不断变化的【1 2 】。深冲时的应力应变状 态见图1 3 。法兰区受径向拉应力和切向( 圆周方向) 压应力，并在径向和切向 图1 3 圆筒件拉深时各区的麻力应变状态 f i g1 3t h es t r e s sa n ds t r a i ns t a t u so fc y l i n d e ri nd i s t r i c ta sd e e pd r a w i n g 6 硕十学位论文 分别产生伸长和压缩变形，板厚稍有增大，在法兰外缘厚度增加最大。在凹模圆 角处，材料除受径向拉深外，同时产生塑性弯曲，使板厚减小。材料离开凹模圆 角后，产生反向弯曲。圆筒侧壁受轴向拉伸，为传力区。圆筒底部处于双向拉伸。 在凸模圆角处，板料产生塑性弯曲和径向拉伸。 1 3 43 0 0 3 合金的企业标准 ( 1 ) 化学成分 化学成分应符合g b t 3 1 9 0 标准的规定。 ( 2 ) 外形尺寸及允许偏差 铝卷厚度允许偏差为( o + 0 0 2 ) m m 宽度允许偏差为( 一o 5 + 0 5 ) m m 若有特殊要求时，由供需双方协商决定。 ( 3 ) 力学性能及制耳率 3 0 0 3 合金室温力学性能及制耳率应符合表1 1 的规定【13 1 。 表1 13 0 0 3 合金的室温力学性能及制耳率 t h b1 1t h em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n de a r i n gr a t i oo f3 0 0 3a l l o ya tr o o mt e m p e r a t u r e ( 4 ) 表面质量 3 0 0 3 合金铝卷表面不允许有严重划伤、腐蚀、油斑、起皮、金属及非金属 压入物、黑条等影响进一步加工的缺陷。 铝卷应卷紧、卷齐，端面无裂边、碰伤、划伤，串层不大于5 m m ( 头、尾5 圈除外) ，塔形不大于l o m m ，不允许有燕窝、塌卷，不允许有接头。 ( 5 ) 实验方法 化学成分的分析按g b t 6 9 8 7 铝及铝合金板化学成分分析方法规定的方 法进行。 外形尺寸测量方法按g b t 3 1 9 4 铝及铝合金板带材尺寸允许偏差规定的 方法进行。 室温力学性能检验方法按g b 2 2 8 金属拉伸实验方法进行。 制耳率测量按照g b 5 1 2 5 8 5 有色金属冲杯实验方法规定进行。 表面质量检查采用目测法检查。 7 退火工艺对3 0 0 3 铝合金的组织及力学性能的影响 ( 6 ) 检验规则 铝卷应由供方技术质量监督部门进行检验，保证产品质量符合本标准的规 定，并填写质量保证书。 需方应对收到的产品按本标准的规定进行复验。复验结果与本标准及订货合 同的规定不符时，应以书面形式向供方提出，由供需双方协商解决。属于表面质 量及尺寸偏差的异议，应在收到产品之日起一个月内提出，属于其他性能的异议， 应在收到产品之日起三个月内提出。如需仲裁，仲裁取样应由供需双方共同进行。 每批产品出厂前应进行化学成分、外形尺寸偏差、力学性能、表面质量、制耳率 的检验。 ( 7 ) 取样规定 板、带材取样应符合表1 2 的规定。 表1 2 取样规定 t a b1 2s a m p l i n gs p e c i 6 c a t i o n 检验项目取样规定 化学成分按g b t1 7 4 3 2 的规定进行。 外形尺寸板材每批不少于3 张，带材逐卷检验。 每批板材( 带材) 抽取张数( 卷数) 的2 ，不少于2 张( 2 卷) ， 力学性能在抽取的每张( 卷) 上切取3 个纵向样坯，在每个样坯上切取1 个 试样，试样应符合g b t 16 8 6 5 中的规定。 每批板材( 带材) 抽取张数( 卷数) 的2 ，不少于2 张( 2 卷) ， 制耳率 在抽取的每张( 卷) 上切取3 个冲杯试样。 外观质量逐张( 卷) 检验。 ( 8 ) 检验结果的判定 化学成份不合格时，判该大卷产品不合格；产品外形尺寸偏差、表面质量不 合格时，判该小卷不合格；力学性能实验及制耳率检查结果中有试样不合格时， 应在该试样所在卷取双倍试样重复实验，重复实验结果全部合格，则该大卷( 状 态为h 1 4 或h l8 ) 或该批次( 状态为o 态) 合格。如仍有一个试样不合格时，则该 大卷或本批次该小卷判废；本批次中，其余逐卷实验，合格者交货，不合格者判 废。 1 3 53 0 0 3 合金铝卷的生产工艺 生产3 0 0 3 合金铝卷可采用两种工艺，分别为： ( 1 ) 熔炼铸造( d c ) 一铸锭均匀化处理一铸锭铣面一铸锭加热热轧( 3 0 0 m m 8 o m m ) 一冷轧( 8 o m m 1 o m m ) 一拉矫一分切剖条一成品退火检查验收一包装。 ( 2 ) 熔炼一连续铸轧( 8 0 m m ) 一冷轧( 8 o m m 1 o m m ) 拉矫一分切剖条一成品 硕七学位论文 退火一检查验收包装。 第( 1 ) 种工艺中，铸锭经大的热轧变形后，铸造组织全部消除，金属内部为 等轴完全再结晶组织，晶粒大小均匀，性能稳定，表面质量优良，但该工艺投资 大，生产流程长，成本高。 第( 2 ) 种工艺，先根据化学成分( 成分按国家标准即可，m n 控制在1 0 5 1 2 5 之间) 的要求配料，点火后往熔炼炉( 2 0 吨燃油加热炉) 中加料，熔化期 间要搅拌、撒覆盖剂( 熔炼温度7 4 0 左右) ，精炼后加入铁剂、锰剂等。充分 搅拌，精炼后放到静置炉( 1o 吨电阻保温炉) 中静置，有时在静置炉内要进行 二次精炼，通过铸轧机( 水平式铸轧机) ，连续铸轧成为铸轧板如图1 4 所示。 图1 4 铸轧生产工艺流程图 f i g1 4t e c h n o l o g yn o wd i a g r a mo fc a s tr o l l i n g l 一除气系统；2 一过滤系统：3 一液面控制；4 一铸嘴； 5 一铸轧机；6 一喷涂系统；7 一剪切机；8 一板卷 铸轧板通过冷轧机( 3 8 0 9 6 0 1 7 0 0 m m 四重不可逆冷轧机) ，经5 道次轧 制到1 o m m 左右，进退火炉退火( 2 5 吨强制热风循环电阻加热退火炉) ，退火温 度为5 0 0 ，保温时间根据卷宽和卷重适当增减，则可得到o 态的3 0 0 3 合金。 直接将液态金属连续“轧制”成半成品或成品的工艺，称为连续铸轧 ( c o n t i n u o u sc a s tr o l l i n g ) 。双辊式连续铸轧与其他连续铸轧方法的根本区别在于 其结晶器是两个带冷却系统的旋转铸轧辊，液态金属要在两个轧辊的辊缝间完成 凝固和热轧两个过程，而且在很短的区域( 铸轧区) 和很短的时间内( 2 3 s ) 完成。 连续铸轧不同于连铸连轧，连铸连轧是液态金属在铸机结晶器凝固成坯后，再在 后续的轧机上进行连续轧制成材，其铸坯和轧制各是两个独立工序，而连续铸轧 的凝固和热轧是在同一辊缝中同时进行的。 连续铸轧有以下特点【1 4 】：液态金属一次成坯( 或成材) ，生产流程短；一台铸 轧机可替代传统的d c 铸造机、加热炉和开坯机，而所需设备费仅为热轧开坯方 式的1 3 ；可省去二次加热和减少轧制道次，能耗仅为传统生产方法的4 0 ；连 续铸轧的冷却速度可达到1 0 0 1 0 0 0 k s ，比d c ( 2 3 刚s ) 高得多，因此铸轧板枝 晶间距仅5 1o m ，溶质元素在固溶体中的过饱和程度大大提高，使铸轧板的 9 退火t 艺对3 0 0 3 铝合金的组织及力学性能的影响 抗拉强度和屈服强度提高l o 2 0 ；连续铸轧过程中铸与轧的结合提高了金属 组织的致密性，消除了缩孔、疏松，减少了偏析等缺陷。 第( 2 ) 种工艺中，铸轧板的织构强，形成纵断面人字形枝晶，晶粒越粗大， 这一特点则越明显。从结晶晶体学来看，铝面心立方晶体 方向和一次柱状 晶轴的方向一致，铸轧板的人字形柱状晶定向排列，则使绝大多数的铸轧板晶粒 的 方向做定向排列，形成较强的结晶织构。铸轧板冷轧时，变形量相对较 小，粗大的一次晶轴定向排列不易充分破碎，故冷轧板的织构相当强【”。9 1 。但 用铸轧法生产的3 0 0 3 合金铝卷只要工艺措施控制得当，其质量能满足使用要求， 且成本低、工序短、竞争力强。 本实验用铝板的生产采用第( 2 ) 种工艺，材料成分选用深冲成形好的3 0 0 3 合 金，晶粒控制上要求一级，铸轧卷直接轧到成品厚度，成品采用快速升温退火。 在冷轧过程中，因轧制时晶粒发生相对转动而产生的轧制织构发展十分强 烈，冲杯时将在与轧制方向呈4 5 0 处形成4 个制耳( 即冲压后，杯子边缘出现“波 形”，同一杯子上各处杯体高度不等的现象) ，轧制织构及4 5 0 制耳的形成是不可 避免的，然而，采取适当的措施却可降低制耳率。根据制耳率的定义，降低制耳 率的关键在于使板材同时形成与轧制方向呈0 0 与9 0 0 方向的织构( 即立方织构， 晶体取向为 l0 0 ) ) ，并使立方织构与轧制织构在数量和强度上形成合理的 配比，在铝板深冲后可得到峰高相对均匀的8 个小制耳，从而达到降低制耳率的 目的，提高铝材的深冲成形性能【2 0 1 。 形成立方织构有多种可能的途径，其理想的方法有两种：一是采用先进的热 轧工艺。在热轧过程中依靠动态再结晶形成立方织构，该工艺稳定性高，但该设 备的投资额也最为巨大；另一种方法是采用铸轧工艺，借助退火形成立方织构， 由于投资相对较少，适用面更广。需要指出的是：后一种工艺主要依赖于轧制与 热处理工艺的制订。 综上所述，从我国现有的装备水平，3 0 0 3 合金铝材生产的主要重点在改善 热处理工艺方面，从而降低铝材制耳率。 1 43 0 0 3 合金铝材性能的研究状况 1 4 1 铝锰系合金特点 根据a l m n 系合金平衡图( 图1 5 ) ，可以看出有以下几个特点1 2 l j ： ( 1 ) 液相线斜率很小，等温结晶间隔甚宽。 ( 2 ) 液相线和固相线垂直结晶间隔很小，仅o 5 1 0 。 ( 3 ) 在共晶温度，锰在铝中的最大溶解度与共晶点成分相差很小，仅0 1 0 13 m n 。 l o 硕士学位论文 ( 4 ) 锰在铝中的固溶度变化很大，随温度的下降则急骤减少。 由于a l m n 系合金有上述的特点，且锰在铝合金中扩散系数又很小，合金 在半连续铸造时产生严重的晶内偏析，表现在一个晶粒和枝晶内锰成分的不均 匀。由晶界或枝晶边界到中心，锰的浓度逐渐下降，显微组织呈水波状【2 2 1 。 c j 馘 嘲 l l 1 2 4 5 。 哆p f - - r 、o ， ll f ；f i一y 汐n 。“为 l r 1 彩 掣h i r 。l m 娲。 厂 ：0 j 。l 多 矿、 一8 f j 。 7m n l 。! 5 ”矬，。! j | 厂i 一一 一 f i 薹 7 l f ， mnal - m 7 ， f ，：；80 。l 一。 ； 上一 l i ，l 。8 等 2 5 。： l： 翻 - 。一 。5 m ，嚣 卜a i ( 芦。i ) 磊巴；z 芒 鬈c i i 羽 盼 ，一一粗 卷笺蔫芝 l 嚣 i 一 l露l 薅 i i ll疆 l l翳l德 - l 精 i l糕lil l i 瓤 i 髓 ：2 i l il 瑚 l i l i i慵- i l ll i i 狂iil” i l 秘l -越 ， i锈i曩li l硝 i l 拍il i髑 ii牲ll ill曲 4 缀翳( mn 图1 5a l m n 合金平衡图 f i g1 5t h ee q u i l i b r i u md i a g r a mo fa l - m na l l o y 1 4 2 化学成分对组织性能的影响 产品化学成分是产品组织性能的基础，合理的成分才有理想的产品性能。 3 0 0 3 合金的主要合金元素是m n ，主要控制的杂质是f e 、s i 、m g 、c u 、z n 。 m n 与a l 可以生成m n a l 6 相，随着m n 含量的增加，合金的再结晶温度相应地 提高。该系合金由于具有很大的过冷能力，因此在快速冷却结晶时，产生很大的 晶内偏析，m n 的浓度在枝晶的中心部位低，而在边缘部位高，当冷加工产品存 在明显的m n 偏析时，退火后易形成粗大晶粒。 f e 能溶于m n a l 6 中形成( f e m n ) a 1 6 化合物【23 1 ，从而降低m n 在a l 中的 溶解度。在合金中加入0 4 0 7 f e ，但f e 与m n 之和要保证不大于1 8 5 ， 可以有效地细化板材退火后的晶粒，否则，形成大量的粗大片状( f e m n ) a 1 6 退火工艺对3 0 0 3 铝合金的组织及力学性能的影响 化合物，会显著降低合金的力学性能和工艺性能。 s i 是有害杂质，s i 与m n 形成复杂三元相t ( a l l 2 m n 3 s i 2 ) ，该相也能溶解f e ， 形成( a l 、f e 、m n 、s i ) 四元相若合金中f e 和s i 同时存在，则先形成 口( a l l 2 f e 3 s i 2 ) 或( a 1 9 f e 2 s i 2 ) 相，破坏了f e 的有利影响，故合金中的s i 应控制在0 6 以下。s i 也能降低m n 在a l 中的溶解度，而且比f e 的影响大。 f e 和s i 可以加速m n 在热变形时从过饱和固溶体中的分解过程，也可以提高一 些力学性能。 少量的m g ( 约为o 3 ) 能显著地细化该系合金退火后的晶粒，并稍许提高 其抗拉强度。但同时也损害了退火材料的表面光泽。 合金中含有o 0 5 o 5 c u ，可以显著提高其抗拉强度。但含有少量的 c u ( o 1 ) ，便能使合金的耐蚀性能降低，故合金中c u 含量应控制在0 2 以下。 z n 含量低于o 5 时，对合金的力学性能和耐蚀性能无明显影响，考虑到合 金的焊接性能，z n 的含量应限制在o 2 以下。 1 4 3 织构的分析 多晶体在形成过程中，由于受到外界的电、热、磁、力等因素的影响，或在 形成后受到不同的加工工艺的影响，多晶体中的各晶粒就会沿着某些晶向排列， 呈现出或多或少的统计不均匀分布，即出现在某些晶向上聚集排列，因而在这些 晶向上取向几率增大的现象，叫做择优取向。这种组织结构及规则聚集排列状态 类似于天然纤维或织物的结构和纹理，故称之为织构( t e x t u r e ) 【2 4 1 。 织构常常产生于多晶材料的生产过程之中，如铸造、轧制、挤压、拉伸、退 火至相变的过程都会引起织构的生成，实际生产中很难找到没有织构的非粉末材 料。研究表明即使是金属粉末，有时在其烧结过程中也会产生某种织构，织构的 存在带有普遍性。在外力作用下，晶体内的位错不断滑移或出现机械孪生，使金 属产生塑性变形，同时晶体的取向也会随之相应的转动。随着变形量的不断增加， 多晶体内各晶粒的取向会逐渐转向某一或某些方向上来，形成不同类型的变形织 构。变形织构的类型主要受变形金属材料的性质及加工方式的影响，变形织构类 型的变化也会对其后的再结晶过程产生影响【2 5 ，2 6 1 。 铝合金中轧制织构是最常见的一种变形织构，板带材在加工生产过程中都要 经过轧制变形。主要有以下几种变形织构组分：黄铜织构f 0 1 1 、s 织构 l2 3 ) 、铜织构 1 1 2 ) ，还可能形成戈斯织构 0 1 1 ) ，表面纤维 织构 0 0 1 ) 。大变形轧制后经过再结晶退火，主要形成再结晶立方织构 0 0 1 ) ，r 织构 1 2 4 ) 以及残留的轧制织构。通常，这几种织构组分 会存在于同一冷轧板内，每种组分的多少与金属的层错能有很大关系。铝合金属 于层错能高的金属，其塑性变形机构主要是位错滑移，其织构的f1 12 ) 组 硕+ 学位论文 分较强， 1 1 0 ) 组分较弱。r 织构 1 2 4 ) 产生于原位再结晶【2 7 。2 9 】。常 见的立方晶系的取向见表1 3 。 表1 3 立方晶系中重要的取向 t a b1 3t h ek e yo r i e n t a t i o ni nc u b i cc r y s t a ls y s t e m 1 4 4 深冲性能的研究 铝合金由于具有较高的堆垛层错能，塑