（材料加工工程专业论文）4004铝合金轧制及退火工艺的研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 4 0 0 4 铝合金轧制及退火工艺的研究 摘要 4 0 0 4 a 1 s i 合金作为钎焊箔广泛应用于空调，汽车等领域。然而， 4 0 0 4 a 1 一s i 合金，由于含s i 量在1 0 左右，塑性差，特别是冷轧性能差，进而 导致轧制过程中易产生断带，成品率低。热轧可以改善铝合金组织和冷轧性 能，研究热轧工艺和冷轧中间退火工艺重点是为了提高轧板材的塑性，以改 善冷轧性能。本文通过对4 0 0 4 a 1 s i 合金热轧工艺和冷轧中间退火工艺的研 究，探讨了热轧道次加工率、热轧温度以及冷轧中间退火温度对4 0 0 4 a 1 - s i 合金组织和性能的影响规律，进而优化热轧工艺和冷轧中间退火工艺，改善 了轧后板材的塑性，以利于后续冷轧，提高冷轧板材的成材率和生产效率。 本文采用对比试验的方法，选取四组不同热轧工艺方案，探讨热轧道次 加工率对4 0 0 4 a 1 s i 合金组织和性能的影响规律，研究发现在铝硅合金热轧 时，采用少道次，大压下量的轧制制度，尤其是压下量在轧制初期阶段变形 道次加工率的集中，有利于增加组织中储存的变形能，保持较高的位错密 度，为再结晶形核提供更多几率，在再结晶过程中，形核具有充足的驱动 力，形核点更多，有利于细化相变组织，因而延伸率得到提高，为后续的冷 轧提供了性能较好的冷轧坯料。 通过3 0 0 4 6 0 范围内五组不同温度下轧制的试验，得到了4 0 0 4 a 1 s i 合 金较为适合的热轧温度范围( 4 2 0 4 6 0 。c ) 。在这个温度范围内进行热轧时， 选择较低温度轧制( 4 2 0 ) ，组织中积累变性能更容易，再结晶过程形核点 更多，组织得到细化，样品的抗拉强度和延伸率高。 对4 0 0 4 a 1 一s i 合金冷轧板进行八组不同温度下退火试验，研究发现实验 采用的4 0 0 4 a i s i 合金3 8 0 左右开始再结晶，在此温度下退火，4 0 0 4 a 1 一s i 合金板材的力学性能变化显著；合金在4 4 0 左右发生完全再结晶，退火温 度到达或高于此温度时，板材的力学性能趋于稳定。4 0 0 4 合金铝板在同一 温度下退火，随保温时问的延长，晶粒有长大的趋势。最终确定4 4 0 ，退 火1 h 的退火工艺最佳，退火后板材得到最好的塑性。 关键词4 0 0 4 铝合金；轧制工艺；再结晶退火；力学性能 - i - 哈尔滨理r 人学t 学顾i ：学化论义 t h er e s e a r c ho nt h e r o l l i n ga n d a n n e a l i n g p r o c e s so f4 0 0 4a l u m i n u m a b s t r a c t 4 0 0 4 a 1 一s i a l l o y a s b r a z i n g f o i li sw i d e l yu s e di na i rc o n d i t i o n e r s ， a u t o m o b i l e sa n do t h e rf i e l d s h o w e v e r ，w h e nt h ec o n t e n to fs ii sa b o u t10 ，i t s p l a s t i c i t yi sp o o r ，p a r t i c u l a r l yi nc o l d - r o l l i n gp r o c e s s t h ep o o rp l a s t i c i t yl e d t o t h es t r i pb r e a k a g ei nr o l l i n gp r o c e s sa n di tr e d u c e dt h er a t eo ff i n i s h e dp r o d u c t s m i e r o s t r u c t u r ea n dc o l dr o l l i n gp r o p e r t i e sc a nb ei m p r o v e db yh o t r o l l i n g t h i s p a p e r r e s e a r c h e so nh o t r o l l i n gt e c h n o l o g y a n d c o l d - r o l l i n g i n t e r m e d i a t e a n n e a l i n g p r o c e s s e s f o r i m p r o v i n g t h e c o l dp r o p e r t i e so f4 0 0 4a l l o ya n d e n h a n c i n gt h ep l a s t i c i t yo fr o l l e da l l o yp l a t e s i tr e v e a l st h a tt h er e g u l a r i t i e so f s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e st h a ta r ee f f e c t e db yh o t r o l l e dw o r dp r o c e s s i n gt i m e s ， h o t r o l l e d t e m p e r a t u r e a n dc o l dr o l l i n gi n t e r m e d i a t ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e a c c o r d i n gt oo p t i m i z i n gh o tr o l l i n gt e c h n o l o g ya n dc o l dr o l l i n g i n t e r m e d i a t e a n n e a l i n gp r o c e s s ，t h ep l a s t i c i t yo fa l l o yp l a t e sw a si m p r o v e d i ti s b e n e f i c i a lt o c o l dr o l l i n gp r o c e s s e s t h er a t eo ff i n i s h e dp r o d u c t sa n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y w i l lb ei n c r e a s e d a c c o r d i n gt oc o n t r a s t i n gw i t hs t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f f o u rd i f f e r e n th o t r o l l i n gp r o c e s sp r o g r a m s ，i ts h o w st h a tf i n em i e r o s t r u c t u r ea n dg o o de l o n g a t i o n o f4 0 0 4a l l o yw a si m p r o v e db yf e w e rp a s s e sw i t hh e a v yr e d u c t i o nr o l l i n g t h e s t u d yr e v e a l si t sc o n c e n t r a t i o ni nt h ep r i m a r ys t a g e so ft h ed e f o r m a t i o np a s s e s ， h e l pt o i n c r e a s et h es t r a i ne n e r g ys t o r e di nt h eo r g a n i z a t i o n ，m a i n t a i nah i g h d i s l o c a t i o nd e n s i t y ，r e d u c et h er e s p o n s et i m eo fd i s l o c a t i o n ，a n dp r o v i d em o r e c h a n c eo ft h en u c l e a rp h a s ed i s t o r t i o n s oi nt h es u b s e q u e n ta n n e a l i n gp r o c e s s ，i t m a k e st h em o r ep r o n et or e c r y s t a l l i z a t i o na n dn u c l e a t i o np o i n t s a n di ta l s om a k e t h er e f i n e m e n to fp h a s et r a n s f o r m a t i o n t h i si m p r o v e st h ee l o n g a t i o no fs h e e t a n dp r o v i d e sb e t t e rp e r f o r m a n c eo ft h ec o l d - r o l l e ds t o c kf o rt h ef o l l o w 。u pc o l d _ r o l l i n g - i i 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 c o n t r a s t i n g w i t hf i v ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e r o l l i n g t e s t si nt h e r a n g e f r o m 3 0 0 t o4 6 0 ，i tf i n d st h a tt h ep e r f e c th o t - r o l l i n gt e m p e r a t u r ei sf r o m 4 2 0 ct o4 6 0 i nt h i s t e m p e r a t u r er a n g ef o r h o t r o l l i n g ，t h eh i g h e s t r e c r y s t a l l i z a t i o no fs a m p l e sa f t e ra n n e a l i n gw a sg a i n e db yc h o o s i n gal o w e r t e m p e r a t u r e ( 4 2 0 ) a tt h es a m et i m e ，i t st e n s i l es t r e n g t hi st h el o w e s ta n d e l o n g a t i o ni st h eh i g h e s t a n a l y s i n g t h et e x to f4 0 0 4 a 1 s i a l l o y a t e i g h t d i f f e r e n t a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e ，i tf i n d st h a tt 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 ft h e4 0 0 4 a 1 一s ia l l o y i sa t38 0 c t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f4 0 0 4 a 1 s ia l l o yt u r n e d s i g n i f i c a n t l y c h a n g e si nt h i sa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a dn om a j o r c h a n g e s ，w h e nt 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 ea c h i e v e do re x c e e d e d4 4 0 t h eg r a i no ft h em a t e r i a l sg e ti n c r e a s i n gw i t ht h ea n n e a l i n gt i m ep r o l o n g i n ga t 4 4 0 c t h et e s tf i n d i n g ss h o wt h a tt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea t4 4 0 ( 2 a n dt h e a n n e a l i n gt i m ef o r1h o u r sa r et h ep e r f e c tt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sf o r4 0 0 4 a 1 s i a l l o yp l a t e s k e y w o r d s4 0 0 4a l u m i n u m ，r r o l l i n gp r o c e s s ，r e c r y s t a l l i z a t i o n ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s i i i 、 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 铝合金是一种较年轻的金属材料，在2 0 世纪初才开始工业应用。现在， 铝材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，成为第二大金属材料。随着科学 技术和工业生产的发展，对铝及铝合金制品的要求越来越高，尤其是对半连续 铸锭及连续铸轧生产的各种板带箔材等产品，不仅要求严格的化学成分，而且 要求有严格的组织性能。 4 0 0 4 高硅铝合金作为散热器的制造材料4 3 4 复合铝带箔的包覆层，有熔点 低，良好的润湿性和流动性，在一定的温度介质条件下，包覆合金熔化可起到 钎焊作用。但因原用4 0 0 4 合金钎焊箔，在生产过程中断带现象非常普遍，质 量差、成品率低、成本高，且不能实现工业化批量生产，随着钎焊技术的进 步、产品质量要求的不断提高，原有的钎焊箔已不能满足用户的使用要求，为 此需要进行高硅合金钎焊箔的质量改进，以满足不断发展的汽车工业需要【2 1 。 为了解决4 0 0 4 铝合金钎焊箔在生产过程中出现的裂边、断带等问题，研 究4 0 0 4 铝合金轧制过程，优化热轧及冷轧中间退火工艺，通过提高热轧板材 的塑性以改善板材的冷轧性能，也为4 0 0 4 高硅铝合金轧制及退火工艺的后续 研究提供理论和试验依据。 1 24 0 0 4 铝合金材料 1 2 14 0 0 4 铝合金的应用现状 4 3 4 复合铝带箔是采用3 0 0 3 合金作为芯材，双面包覆4 系高硅铝合会的双 金属复合材料。4 0 0 4 高硅铝合金作为包覆层，具有熔点低，良好的润湿性和流 动性，在一定的温度介质条件下，包覆合金熔化可起到钎焊作用。该复合铝带 箔被广泛应用于汽车、空调机、制氧机等散热器的制造，产品附加值高，自2 0 世纪9 0 年代中期以来，中国一直是这类厚箔的净进口国，因此发展复合热交 换铝带箔具有广阔的市场前景1 3 4 1 。 随着散热器产品的更新换代，市场对4 3 4 复合铝带箔要求进一步提高，作 哈t j , l 6 ；理- i - 人学t 学硕i ：学化沦文 为4 3 4 复合铝带箔的包覆材料，4 0 0 4 板材的产品要求也随之提高。但是由于 4 0 0 4 铝合金的s i 含量较高，降低了合金的机械性能，尤其是延展性，导致此 类合金轧制时缺陷增多。此外对4 3 4 复合锚带箔的厚度要求也越来越严格，生 产0 5 m m 的4 3 4 复合铝带箔时，4 0 0 4 包覆层的最终厚度仅0 0 4 - - - 0 1 m m 。此时 4 0 0 4 铝合金的含氢量，组织中硅的形貌以及轧制生产工艺将对产品的成品率产 生巨大的影响【5 1 。 1 2 24 0 0 4 铝合金铝卷生产工艺 生产4 0 0 4 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一热轧一冷轧 一拉矫一分切剖条一成品退火一检查验收一包装。 2 熔炼一连续铸轧一冷轧一拉矫一分切割条一成品退火一检查验收一包 装 6 1 。 在熔炼过程中，要对合金进行精炼、变质处理，精炼是为了除氢，因为在 铸造的过程中，氢含量过高会导致铸件气孔的产生，降低铸件质量；变质处理 是为了细化共晶硅组织，改善合金的力学性能。而在冷轧的过程中，往往会出 现裂边和断带的现象，这与坯料质量，共晶硅组织形貌，以及轧制及退火工艺 有关，也是研究人员一直以来研究的方向。 1 3 铝合金板带箔材车l $ 1 j 技术及工艺发展现状 1 3 1 铝合金轧制技术发展现状及趋势 按不同的铝合金轧制坯料的供给方法可将轧制方法分为铸锭轧制法、连续 铸轧法及连铸连轧法【7 】。传统的板带材生产采用铸锭轧制，生产规格和品种可 调性强，容易控制产品的组织及性能。与铸锭轧制法相比热轧工序在连续铸轧 和连铸连轧法中得以省去，有利于能源的节约。但由于板坯连铸速度和板坯连 铸厚度的限制，生产效率较低且也限制了产品规格。目前生产纯铝及不锈铝板 带材主要采用连铸连轧的方式。块式法和带式法则是针对坯料的处理方式而对 轧制方法进行的划分。将热轧和冷粗轧后的板材切割成板坯再进行后续冷轧的 方法称之为块式法；经成卷轧制，最终纵剪分卷或横剪成板材的方法称为带式 法。与块式法相比，带式法具有生产率及成品率高，可实现计算机控制，连续 哈尔演理丁人学t 学硕i ：学f 讧论文 化、自动化程度高等优点。但也存在设备复杂，投资量大，需要长的建设周期 等缺点。 铝及铝合金板、带、条、箔材的应用非常广泛，据统计其产量已占到铝及 铝合金加工材料总产量的6 0 左右，而铝材的轧制技术能否进一步发展，决定 了铝及铝合金板、带、条、箔材今后的发展方向，主要表现为【8 i o 】：( 1 ) 热轧机 的发展趋势为：精密化、大型化、控制自动化。美国的5 5 8 8 m m 热轧机组是目 前世界上最大的热轧机，其生产的热轧板可以达到长3 0 m ，宽度5 0 0 0 m m ，厚 度为2 7 0 m m 。发展热连轧的生产方式也必将成为未来轧制技术的发展趋势。( 2 ) 高速高精薄壁是未来连铸连轧的发展方向，最近美国的高速薄壁连铸轧机组研 制成功，可用其替代冷轧机，可生产厚度为2 m m 、宽度为2 0 0 0 m m 的连铸轧 板材。( 3 ) 冷轧向更快( 最大为4 5 m s ) 、更宽( 2 0 0 0 r a m ) 、更精( 士2 岬) 、自动控 制厚度( a g c ) 趋势发展。( 4 ) 铝箔轧制向宽幅、更薄、更高精度、更高自动化的 趋势发展，使特薄铝箔工业化生产。( 5 ) 深入研究热轧过程中组织的变化对合金 变形能力、合金强度的影响，以及冷轧过程中压下率、温度、速度等对合余变 形能力及强度的影响，进而探索合金加工工艺、合金成分、组织性能三者之间 的变化规律和最佳配合。 1 3 2 铝合金板带材轧制工艺发展现状 轧制是一种塑性变形过程，通过借助转动的轧辊对辊间轧件施加压力的作 用，使其形状发生改变，即厚度、横断面积减小，而长度增加。在铝及铝合金 的加工产品中，应用最为广泛的是压延材，即板、带、条、箔材，因此也具有 最大的产量，在世界铝材年总产量中约占5 8 】。铝及铝合金箔材的轧制生产 主要分三个阶段：首先对材料进行热轧、其次冷轧、最后是薄带及箔材轧制。 热轧：将金属在被加热到再结晶温度以上而进行的轧制过程。金属在热轧 过程中，由于温度较高，金属的塑性较好，变形抗力较低，因此对金属施加较 小的压力便可得到较大的变形。而变形量的大小、变形速率、热轧温度、热轧 终了温度及轧后材料的冷却速度等都是影响产品组织性能的重要因素2 1 。 金属变形的硬化和软化现象同时存在于金属的热轧过程中。随着变形程度 的增加，由于变形速度的影响，只要金属来不及进行回复和再结晶过程，就会 产生一定程度的j j n t 硬化。但对于热轧过程而言，起主导作用的是软化过程， 金属的变形抗力只有在轧制温度较低时才会逐渐增大。 通过热轧金属及合金的加工工艺性能可以得到改善；热轧可以节约能源； 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 较大铸锭可作为热轧的坯料，因而生产效率得到提高。但通过热轧而生产的产 品，尺寸精度不高；热轧性能不稳定；由于金属及合会粘铝、氧化等问题，产 品表面质量不高。 冷轧：金属在再结晶温度以下进行的轧制过程。冷轧可以把热轧板带材加 工成为更薄的板带材产品。虽然所谓“冷轧，但在加工过程中，板带材的温 度都会在每道次轧制后有所升高，因此轧辊冷却液就必不可少，大量的喷射冷 却液可使轧辊和板带材之间保持热平衡；冷轧后的产品尺寸精确、而且具有光 洁的表面，组织性能良好。但由于冷轧的温度低，在z c l 匍j 过程中不会出现动态 再结晶而产生加工硬化，金属的强度和变形抗力提高，同时还伴随着塑性的降 低，容易产生脆裂【1 3 1 。 生产厚度较薄的板带材可以通过冷轧来实现，产品具有较高的尺寸精度， 板型好，表面质量高，而且具有较均匀的组织与性能，通过与热处理的配合可 以生产出各种状态的产品，其具有良好的力学和加工性能。铝及铝合金在冷轧 过程中需要添加中间退火工序，因为加工硬化的产生使变形能耗上升。一般来 说，热轧都与冷轧相配合，尽量减少冷轧道次压下量。 薄带和箔材轧制：继续对板材进行冷轧，使板材的厚度进一步减少。当板 材的厚度减小到0 2 4 m m 时，此厚度下的板材称为薄板，厚度为0 2 i 2 m m 的 板材也可称为超薄板带，所谓的极薄板带材则是指厚度小于0 2 m m 的板材， 也称箔材。美国在铝箔生产方面一直都走在世界各国的前面，在工业化生产 中，可生产厚度为0 0 0 5 8 m m 的铝箔l1 4 5 合金。铝箔的生产方法有很多种， 其中包括：带式轧制法、喷粉法、叠轧法、沉积法等。一般来说，工厂都是在 不可逆单机架轧机上进行薄带和箔材轧制的1 1 4 , 1 5 。 1 4 $ l $ 1 j 生产中铝合金组织和性能变化的研究现状 1 4 1 织构与成形性能的关系 多晶体在形成或已经形成之后，对其采用不同的加工方式会导致晶粒沿着 某些晶向排列，演变为分布的不均匀状态，即晶粒的排列在一些晶向上的集 聚，把这种在晶相上取向几率增大的现象，叫做择优取向。把这种组织结构称 为织构( t e x t u r e ) u 6 。 在生产中，如挤压、铸造、拉伸、轧制、退火的过程中多晶材料都会产生 织构。当外力作用于材料时，位错的滑移或机械孪生会在晶体内部出现，进而 哈尔滨理t 人学丁学硕l j 学位论文 材料发生塑性形变，晶体的取向也会发生转动。若不断增加变形程度，多晶体 内晶粒的取向会进一步朝着某一或某些方向转变，不同类型的变形织构就此形 成。金属材料特性和变形加工方式是影响变形织构类型的主要因素，在材料再 结晶过程中，变形织构类型的转变会对其造成影响i i 0 1 。 合金成分、轧制制度、轧制温度及热处理工艺等都会对材料的成形性能造 成影响。但归根结底，影响材料成形性能的好坏的本质是材料的各向异性，而 晶粒的“择优取向 织构又决定着材料各向异性的情况，因此把织构视为决定 材料成形性能好坏的主要因素。 轧制织构和退火织构两者之间的转化是决定了各向异性材料性能及其变化 趋势。织构通过使晶粒在不同方向上具有不同的弹性模量对材料的各向异性产 生影响。如果材料是各向异性的，那么在屈服时材料的塑性应变比r 值就决定 了其屈服时的应力应变。在多晶体塑性变形过程中，晶体学结构的变化对晶体 的各向异性产生影响。只要金属中有织构的存在，且单在某个或某些力向上存 在滑移系统，那么晶体几何学就必然对材料在塑性变形时的滑移过程起到限制 作用，从而会产生在滑移系统上晶体方向会形成某种优先排列，这便造成了材 料各向异性的现象1 2 1 - 2 5 】。 1 4 2 退火时组织与性能的变化 在铝和铝合金材料中，晶粒的晶体学取向会在塑性变形及再结晶退火热处 理后发生不同程度的偏离，这种偏离会相对于不同样品的轴坐标而产生。随着 轧制变形程度或再结晶程度的增加，这种取向的偏离会趋于稳定。因此也就导 致了在与铝板轧制方向具有不同角度的各个部位上将具有不同的性能各向异 性。这种各向异性严重的影响了板材的使用性能。一直以来，一些材料研究者 们都致力于探求削弱板材可向异性的方、法【2 6 2 7 1 。 影响铝及其合会板材各向异性的方法很多，再结晶退火就是其中主要的方 法之一。在退火工程中立方织构会逐渐形成，当它与轧制过程中形成的形变织 构达到一定的平衡组分时，铝板的各向异性得以削弱。因此一些可以促进形成 立方织构的方法可以有效减小材料的各向异性。采用高温快速退火的方法，可 以使材料的回复过程得到限制或减慢，增大再结晶驱动力，立方织构的形核几 率增多，晶粒得到了强化，再结晶立方织构也因此得以强化。回复和再结晶是 退火时发生的两个过程，金属若再结晶完全，由于形变造成的组织与性能亚稳 定状态得以消除，恢复到平衡状态，材料的塑性也得以恢复或提高【2 ”o 】。 哈尔演理丁人学丁学硕i ：学化论文 织构对铝及其合会板材各向异性的影响随着退火过程的进行变得愈来愈显 著。有研究指出，轧制板材中的晶体倾向于在某个方向上生长，这是由于在热 轧的过程中强烈的定向导热所致，其中形成的人字型柱状晶定向排列，且其主 轴方向即为立方晶体。这说明强烈的结晶织构已在热轧板坯阶段形成。毫无疑 问，有了这些结晶织构作为基础，轧制织构和再结晶织构的形成在后续的冷轧 和再结晶退火热处理阶段变得更加容易。以( 1 1 0 ) 1 1 2 1 8 d ( 1 1 2 ) 【1 1 l 】为主的轧制 织构会随着冷轧变形程度的不断增加而逐步形成，从理论原则来讲，冷轧铝板 中形成了轧制织构，进而应该表现为各向异性。相反的，冷轧态下的铝板却具 有均匀的力学性能，这里便涉及到其他因素对性能的影响。一方面，由于不断 的有很多第二相粒子在热轧的过程中从晶粒内部和晶界上析出；另一方面，由 于冷轧过程中铝板的变形程度很大，组织中积累了相当高的位错密度；它们都 起到了强化的作用，且不具有方向性，与轧制织构对于性能的影响程度的大小 比起来，它们的影响要更巨大，因此，铝板在冷轧状态下具有比较高的强度， 极低的塑性，强化作用的影响掩盖了织构表现出的各向异性，因而呈现出相近 的各向力学性能。由于大量的位错在低温回复退火阶段仍然存在于组织中，因 此铝及铝合金板材在经过低温退火后表现为不明显的各向异性；但位错密度会 在退火温度到达或高于某一温度时急剧下降或消失，此时性能占主导地位的影 响便来自于( 1 0 0 ) 0 0 1 再结晶织构，因此显著的各向异性便显现出来。这些都 说明了退火温度区间的合理选择，对于材料的软化，塑性的提高的重要性 【3 l ，3 2 1 。 1 5 主要研究内容 针对4 0 0 4 铝合金生产中容易出现断带，成品率低等问题，开展了对于4 0 0 4 铝合金轧制和退火工艺的研究。研究热轧工艺的主要目的是为了改善冷轧性 能，重点是提高热轧板材的塑性。而塑性的改善主要是通过板材在轧制及退火 过程中再结晶过程以及晶粒细化程度来实现的。热轧板材的塑性得以提高，从 而有利于提高板材的冷轧性能。冷轧中间退火同样是为了改善板材的塑性，提 高板材的箔轧性能。 具体研究内容包括： 1 热轧道次加工率对4 0 0 4 铝合金板材组织及力学性能的影响规律。 2 热轧温度对4 0 0 4 铝合金板材组织及力学性能的影响规律。 3 冷轧中间退火工艺对4 0 0 4 铝合金板材组织及力学性能的影响规律。 哈尔滨珲- t 人学t 学硕i j 学位论文 2 1 试验材料 第2 章试验材料和试验方法 试验用材料取自东北轻合金有限责任公司熔铸分厂生产的规格为 3 0 0 m m x l l 5 0 m m x 3 5 0 0 m m 的4 0 0 4 铝合金铸锭，材料成分见表2 一l 。 表2 - l 实验样品4 0 0 4 合金实际化学成分( w t ) t a b l e 2 - 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f4 0 0 4a l l o ye x p e r i m e n t a ls a m p l e s ( w t ) 合金元素 s if ec um n m g z n a l 含量 9 o 10 ，50 8o 2 5o 1 0 1 o 2 oo 2 0 余量 2 2 试验方案 热轧、冷轧和中间退火是铝合金轧制过程中的几道重要工序，不仅关系到 最终产品的性能和板形质量，也直接关系到生产节奏的控制，准确控制热轧阶 段道次加工率和温度参数，以及冷轧中间退火工艺，对铝合金的组织与性能的 影响规律，对于优化产品质量具有重要意义。 为了确定试验方案，查阅了一些资料，国内外学者对铝及铝合金的热轧工 艺的一些研究，主要集中在轧制变形程度和轧制温度等方面。由于在企业热轧 这一工艺过程中，样品由铸锭热轧到板材，变形程度都很大，一般在7 0 8 0 ，有的甚至达到9 0 ，因此再研究变形程度对铝合金组织和性能影响已没 有实质性的意义。目前关于铝合金热轧工艺的研究中，对道次加工率的研究报 道还很少见。本文为了解决4 0 0 4 高硅铝合金在生产过程中断带现象非常普 遍，质量差、成本高，且不能实现工业化批量生产的问题，决定从热轧道次加 工率和热轧温度，以及冷轧中间退火工艺入手进行研究，模拟企业的生产流 程，通过实验室轧制试验和相关显微组织观察及其性能测试，研究其对4 0 0 4 高硅铝合金组织与性能的影响规律，通过分析这些规律产生的原因，可得到较 为合理的轧制、退火制度，以期为生产工艺的合理确定提供实验和理论依据， 也可充实高硅铝合金的研究。 2 2 1 热轧道次加工率试验方案 在东北轻合金有限公司提供的试验材料上切取若干尺寸为2 5 0 m m x 7 0 m m x 1 5 m m 的试样，制成轧件作为实验材料。在哈尔滨工业大学轧制中心的试验轧 机上按照预定方案进行轧制实验，最终成品厚度为2 m m 左右。样品标号分别 1 4 号。试验采用的轧制变形方案见表2 2 。 表2 2 轧制方案 t a b l e2 - 2r o l l i n gp l a n 试 厚度m m道次加工 前( 后) 三总压卜 样轧制道次 道总压下率 塞 号h oh 1 h _ m me e e - 乜 11 5 0 0 1 1 5 5 3 4 5 2 3 0 21 1 5 59 0 l2 5 4 2 2 0 5 2 9 39 o l7 0 71 9 4 2 1 5 47 0 75 - 8 51 2 21 7 3 l55 8 54 8 51 0 01 7 18 6 7 64 8 54 0 4o 8 1 1 6 7 74 0 4 3 1 9 0 8 52 1 1 83 1 92 5 40 6 52 0 35 0 2 92 5 42 0 l0 5 32 1 0 11 5 0 01 1 7 03 3 02 2 0 21 1 7 08 9 22 7 82 3 85 4 7 38 9 26 8 02 1 22 3 8 24 6 8 05 1 71 6 32 4 o 8 6 7 55 1 73 8 l1 3 62 6 3 63 8 l2 7 91 0 22 6 76 1 0 72 7 92 0 40 7 52 6 7 l1 5 0 01 1 2 53 7 52 5 0 2 1 1 2 58 4 42 8 12 5 o5 7 5 3 8 4 4 6 3 72 0 72 4 5 346 3 74 8 51 5 22 3 88 6 7 54 8 53 6 61 1 92 4 5 63 6 60 9 42 7 22 5 75 8 1 72 7 22 0 3 o 6 9 2 5 3 l 1 5 o o1 0 8 04 22 8 0 21 0 8 07 7 8 3 0 2 2 8 o6 2 5 3 7 7 8 5 6 22 1 6 2 7 7 4 4 5 6 2 4 2 71 3 5 2 4 18 6 7 5 4 2 73 2 61 0 l2 3 7 63 2 62 5 7 o 6 9 2 1 15 2 5 72 5 72 0 4 o 5 3 2 0 7 哈尔滨婵t 人学i 。学硕f j 学化论文 试验中规定轧制温度为4 4 0 。c ，在总压下率相同的条件下，选择了多道 次、小压下量；少道次、大压下量，并逐渐增加热轧前阶段变形量的4 种轧制 工艺。 对样品进行退火处理，沿平行于轧制方向切取试样，进行组织及力学性能 检测。通过显微组织观察，力学性能分析，研究不同轧制变形制度对4 0 0 4 铝 硅合金组织和性能的影响规律，优化总结最优热轧压下制度。 2 2 2 热轧温度试验方案 4 0 0 4 高硅铝合金的熔点在6 0 0 左右。通常热轧温度的上限应该比熔点低 1 0 0 2 0 0 ，因此本实验选取轧件分别在3 0 0 、3 5 0 、4 2 0 、4 4 0 、 4 6 0 下进行轧制，轧制压下制度选择上述道次加工率实验的最优工艺，将轧 件轧到2 0 m m 厚，样品标号分别5 - - 一9 号。观察样品的裂边倾向，分析4 0 0 4 铝硅合金最佳热轧温度范围。样品经过退火处理后，切取试样进行组织及力学 性能检测。通过显微组织观察，力学性能分析，研究轧制温度对4 0 0 4 铝硅合 金组织和性能的影响规律，从而得到最佳的热轧温度值。 2 2 3 热轧后退火方案 热轧后的板材要进行退火处理，作用主要是消除试样内部由于热轧而产生 的残余应力，提高试样的塑性，减小变形抗力，改善热轧后试样的组织和性 能，为后续的冷轧提供良好的冷轧坯料。 退火时，在保证试样不出现过度变形的情况下，应该尽量提高加热速率， 以减少能耗。另外，保温的时间不应该过长。因为过长的保温时间不仅热处理 的效果不好，还加剧了试样的烧损并增加了能耗。 在实验中，使用的热处理炉与热轧过程中使用的加热电阻炉相同，都是茂 福式加热电阻炉。首先，将电阻炉的温度设定在4 5 0 后放入试样，打开电源 进行加热。在加热过程中，记录电阻炉升高到4 5 0 c 的时间( 2 1 m i n ) 。随后， 将试样在4 5 0 的温度环境下保温1 h 。然后，将电阻炉的温度设定在3 8 0 。c ， 记录温度由4 5 0 降至3 8 0 所需的时间( 3 4 m i n ) 。当温度降至3 8 0 后，将 试样在3 8 0 的温度环境下保温3 h 。最后，关闭电源，使试样随炉冷却至室温 后，将试样取出，退火完成。实验过程中的退火曲线如图2 1 所示。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 p 型 羽 时间m i n 图2 1 热轧后试样的热处理曲线 f i g 2 - 1h e a tt r e a t m e n tc u r v eo fs a m p l e sa f t e rh o t r o l l e d 2 2 4 冷轧板中间退火方案 由于在冷轧过程中，随着冷轧的进行，薄板的冷作硬化状态不断加强，强 度不断升高，伸长率不断降低，不利于下一步的加工变形，因此铝箔分厂在轧 制前要进行中间退火。 本实验的目的是为了考察不同退火工艺对4 0 0 4 铝硅合金薄板组织和性能 的影响规律，找出最优的退火工艺，保证后续箔轧的顺利进行。图2 2 是冷轧 中间退火示意图。 温 度 保温时间l l 图2 - 2 冷轧中间退火示意图 f i g 2 2p r o c e s sd i a g r a mo fi n t e r m e d i a t ea n n e a l i n g 后空冷 o o o 0 o o o o o o o 鲫钙柏弘巧砌b m 5 哈尔滨理t 人学丁学硕f j 学化论j ： = 将上述在最优热轧工艺下轧制到2 m m 厚的轧件进行冷轧，采用4 道次轧 制，最终厚度为0 5 m m 。然后对样品进行退火实验。退火工艺如下： 退火温度：3 4 0 ，3 6 0 ，3 8 0 ，4 0 0 ，4 2 0 ，4 4 0 ，4 6 0 ， 4 8 0 。 退火时间：0 5 h ，l h ，2 h 。 沿与轧制平行方向切取金相试样及拉伸试样，观察8 个不同退火温度点下 铝板的显微组织，进行比较分析。根据8 个退火温度点和3 个时间段组合成2 4 个实验方案。每个实验方案检测其抗拉强度和延伸率。每个检测项目均进行三 次实验后，取其三个试样测试结果的算术平均值作为最终测试结果。 2 3 试验方法 2 3 1 宏观形貌观察 对4 0 0 4 铝硅合金在同样压下制度不同温度下热轧后的板材进行了宏观形 貌的观察和分析。用c a n o n 数码相机，对热轧后同样是2 m m 厚的板材进行照 相，为了更便于观察，对于采用较低温度( 3 0 0 。c ，3 5 0 。c ) 热轧的板材采用较 低倍数照相，而采用较高温度( 4 2 0 。c ，4 4 0 c ，4 6 0 c ) 热轧的板材采用较高 倍数照相，相机和板材的垂直距离相同。 2 3 2 金相观察 试验所用的显微镜由中国上海光学仪器厂制造，其具有极高的分辨率，内 置数码摄像头，并且直接与计算机相连，通过图像采集软件可在计算机上对金 相进行分析。本实验观察热轧板退火前和退火后以及冷轧中问退火后的显微组 织，对组织进行分析比较，得出热轧工艺以及冷轧中间退火工艺对4 0 0 4 合金 组织性能的影响规律。 金相试样的制备及观察过程为：首先，将剪切好的试验所需大小试样在自 动压力试样镶嵌机上用热固性塑料进行镶样，选用1 0 0 # 、2 0 0 # 、4 0 0 # 、6 0 0 # 、8 0 0 # 和1 0 0 0 # 的水砂纸对试样进行粗磨和精磨，然后在抛光机上用高效 金相抛光剂进行抛光，直到试样表面没有划痕，像镜面一样光亮为止。然后用 清水冲洗，酒精擦拭，吹干。最后用腐蚀液( 赫酸、氢氟酸、硝酸和蒸馏水) 腐 蚀3 0 - - 一4 0 s ，清水冲洗，酒精擦拭，吹干，用金相显微镜进行金相分析。 哈尔演理r 人学丁学顾f j 学位沦文 2 3 3 力学性能试验 用线切割机将退火后的4 0 0 4 铝硅合会热轧，冷轧试验板切割成拉伸试片， 在i n s t r o n 1 1 8 6 万能电子拉伸试验机上进行拉伸试验。将片状拉伸试样的上端夹 在试验机的上卡具上，然后旋转按钮使横梁慢慢下降，将试样下端夹在下卡具 上，再次确认固定牢固。最后将试验参数包括试样材料、宽度、厚度、有效长 度、试验拉伸速率等输入到与试验机相连的计算机中，按下开始按钮，对拉伸 试样进行力学性能的分析。拉伸试片尺寸如图2 3 。 图2 3 拉伸试样示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i co ft e n s i l es a m p l e s 本试验通过对与轧制方向平行的拉伸试样进行拉伸试验，得到强度( 主要 是指抗拉强度) 、塑性( 主要是指延伸率) 等性能参数。以便找到材料性能的变化 规律，为理论研究提供试验依据。 试验中测定的主要性能参数如下： 1 抗拉强度嘞， 2 延伸率j 。 设定拉伸速度为0 5 m m m i n ，有效长度为1 5 m m ，对轧后经过退火处理的 拉伸试样进行力学性能的分析，在相同工艺下的三个拉伸试样性能数据的平均 值作为最后的测量结果。 2 1 2 2 抗拉强度的测定将轧后经过退火处理的4 0 0 4 铝硅板材在线切割机上制 成拉伸试片，然后将其夹在力能电子拉伸试验机上开始拉伸试验，直到试片被 拉断，拉伸试验中施加的最大力r ( n ) 可以从拉伸曲线图上得到。抗拉强度 按下式计算： t r b = f j s o ，m p a( 2 - 1 ) 式中：岛为试样平行长度部分的原始横截面积，n 1 】m 2 。 哈尔演理t 人学丁学硕i ? 学位论文 2 1 2 3 断后延伸率的测定原始标距l c i ( m m ) 是在拉伸试样中间部位标记的一段 距离。将拉断后的拉伸试样沿着拉断位置重新对接起来，尽量保证它们保持在 一条直线上，测量标距的长度记作l “( r a m ) ( 若有间隙也将其计入标距内) 。规 定拉伸试验成功与否取决于试样断裂处到最近标距端点的距离否大于1 3 l h 。 计算断后延伸率可用如下公式： 一 一 弘= ( 厶广l o ) l 10 0 ( 2 2 ) 式中：l 为拉伸试样断后标距，i t l l n ；l o 为拉伸试样原始标距，m m 。 2 4 本章小结 本章阐述了实验所需的材料、实验设备及仪器，确定了实验方案，并介绍 了4 0 0 4 铝硅合金热轧工艺、热轧后退火工艺，以及冷轧中问退火工艺，最后 后介绍了4 0 0 4 铝硅合金的金相组织分析、力学性能测试的试验方法。 哈尔滨理工人学工学硕：i ：学位论文 第3 章热轧工艺对4 0 0 4 铝合金组织和性能的影响 3 1 引言 4 0 0 4 铝硅合金主要用于钎焊式换热器中的铝合金焊料，由于含s i 量在1 0 左右，塑性差，特别是冷轧性能差，通过热轧工艺可以改善冷轧性能，重点是 提高热轧板材的塑性。而塑性的改善主要是通过细化晶粒来实现。热轧板材