冷軋對純鋁的組織性能的影響

1、冷軋對純鋁的組織性能的影響前言鋁是一種年輕的金屬，從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在也不過200年歷史。由于它具有一系列無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，且在地殼中資源豐富，因而獲得了十分迅猛的發(fā)展。鋁加工產(chǎn)業(yè)包括鋁合金的制各及其熔煉與鑄造、鋁及鋁合金板、帶、條、箔材、管、棒、型、線材，鍛件與模鍛件，粉材以及深加工產(chǎn)品的生產(chǎn)與經(jīng)營，是一個涉及面很廣，對國防軍工現(xiàn)代化、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高有重大影響的行業(yè)，是一個技術(shù)含量和附加值很高的產(chǎn)業(yè)。由于軋制加工方法，具有生產(chǎn)率高、品種多、生產(chǎn)過程連續(xù)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化等優(yōu)點(diǎn)，約90上的鋁加工產(chǎn)品都須經(jīng)過軋制成材。一、鋁板帶箔材軋制生產(chǎn)概述鋁產(chǎn)品的平板軋制生產(chǎn)所謂軋制，是指軋

2、件依靠摩擦力被拉進(jìn)旋轉(zhuǎn)的軋輥問，借助軋輥施加的壓力，使其橫斷面減少，形狀改變，厚度變薄而長度增加的一種塑性變形過程。板帶箔材軋制屬于平軋產(chǎn)品(FRPS)生產(chǎn)。根據(jù)軋輥旋轉(zhuǎn)方向的不同，軋制又可分為縱軋、橫軋和斜軋。鋁及鋁合金加工材中以壓延材(板、帶、條、箔材)應(yīng)用最廣，產(chǎn)量最大，其產(chǎn)量約占世界鋁材總年產(chǎn)量的58。鋁產(chǎn)品的平板軋制生產(chǎn)主要分3個階段：熱軋、冷軋、薄帶及箔材軋制。(1)熱軋：使金屬在再結(jié)晶溫度以上的軋制過程。金屬在該過程中無加工硬化，具有較高的塑性和較低的變形抗力，可以用較少的能量得到較大的變形。為了保證產(chǎn)品的組織性能，應(yīng)嚴(yán)格控制加熱溫度、變形速度、變形終了溫度、變形程度和加工后軋材

3、的冷卻速度。(2)冷軋：金屬在不產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶的溫度以下的軋制過程。熱軋帶材需通過冷軋加工成更薄的帶材。雖然這一變形過程叫做“冷”軋，但每道次軋制中帶材的溫度也會上升100左右，因此需要噴射大量的軋輥冷卻液，以維持軋輥和帶材的熱平衡；冷軋后可得到表面光潔、尺寸精確、組織性能良好的產(chǎn)品。(3)薄帶和箔材軋制：用冷軋的方法迸一步對板材進(jìn)行減薄，一般把厚度為0.24mm的板材稱為薄板，其中厚度0.21.2mm又稱為超薄板帶，厚度小于0.2mm的板材稱為極薄板帶材，也稱箔材。二、冷軋生產(chǎn)1、冷軋薄板帶生產(chǎn)特點(diǎn)(1)冷軋由于不存在熱軋溫降與溫度不均勻的弊病，可以得到厚度更薄、精度更高的冷軋帶鋼和冷軋薄

4、板。如現(xiàn)代可逆冷軋機(jī)可以生產(chǎn)厚度為0.153.5mm，板厚精度為5微米，平直度為520I的薄板。(2)冷軋板表面清潔光亮，并可根據(jù)不同用途制造不同表面粗糙度。(3)性能好、品種多、用途廣。2、冷軋機(jī)的種類及發(fā)展趨勢世界各國研制開發(fā)的冷軋機(jī)類型很多，應(yīng)用較廣泛的現(xiàn)代冷軋機(jī)有：四輥可逆式軋機(jī)、HC軋機(jī)、PC軋機(jī)、MKW(偏八輥)軋機(jī)、森吉米爾軋機(jī)等。大量不規(guī)范設(shè)計(jì)的軋機(jī)已被開發(fā)：行星軋機(jī)、異步軋機(jī)、靜壓一彎曲一拉伸軋機(jī)、往復(fù)式軋機(jī)等。近期內(nèi)，由于鋁帶箔軋機(jī)的設(shè)計(jì)已相當(dāng)完善，可以滿足各種合金產(chǎn)品和自動化生產(chǎn)的需要，在軋機(jī)設(shè)計(jì)方面只會有許多小的進(jìn)步，如增加系統(tǒng)的可靠性、提高生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備的靈

5、活性更強(qiáng)。 將來，發(fā)展傾向于將不同領(lǐng)域的獨(dú)立觀念有機(jī)地結(jié)合到一起，從而開發(fā)出更現(xiàn)代化的軋機(jī)。第一，綜合問題處理模塊，由過程自動化的各單元(厚度控制、板形控制、機(jī)械裝置及傳動系統(tǒng)等)連接起來構(gòu)成：第二，改進(jìn)帶卷(或帶材)輸送流程(如自動喂料等)，減少卷材處理時(shí)間，提高自動化程度和生產(chǎn)效率；第三，采用低磨損、高性能新機(jī)械材料。3、影響冷軋產(chǎn)品質(zhì)量的因素近年來，用戶對冷軋板帶的要求日益嚴(yán)格?，F(xiàn)在用戶既要求整個板卷又要求板卷和板卷之間的厚度和性能均勻一致。為保證冷軋板質(zhì)量，需對其質(zhì)量影響因素進(jìn)行控制，這主要包括：原材料的質(zhì)量、熔煉、鑄坯、熟軋、冷軋、退火等方面。三、冷軋工藝制度軋制工藝制度的確定是冷軋

6、帶鋼生產(chǎn)中最重要的工藝問題，合理的軋制工藝制度是保證軋制過程實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的重要條件。1、冷軋壓下制度冷軋壓下制度包括兩部分：總壓下量的確定和道次壓下量的分配。（1)、冷軋總壓下量是指兩次退火間的壓縮率即在一個軋程內(nèi)的壓縮率。視冷軋的目的不同，總壓下量確定也不同的。必須考慮到金屬的塑性限制、設(shè)備條件的限制、最小可軋厚度的限制。成品冷軋總壓縮率主要由產(chǎn)品的組織性能和表面質(zhì)量所決定，應(yīng)根據(jù)不同制品來確定冷軋壓縮率。如軟制品一般要求成品冷軋總壓縮率在50以上，而需拋光軋制的制品一般要在1.53.0之問。（2）、道次壓下量的分配與金屬塑性、咬入、軋輥強(qiáng)度和主電機(jī)能力等條件有關(guān)。一般，重有色金屬道

7、次壓縮率一般在45以下，鋁合金在55以下。2、冷軋時(shí)的軋制速度 冷軋速度是冷軋的一個重要工藝參數(shù)，它直接決定了軋機(jī)的生產(chǎn)率。如蒂森克虜伯的尼洛斯塔公司的一套20輥軋機(jī)可以軋制的帶鋼最大寬度為1350mm，帶鋼厚度為0.22.5mm。最大軋制速度為800mmin，鋼卷單重最大30t。提高冷軋速度的條件是：帶材應(yīng)有足夠的長度、軋機(jī)有較強(qiáng)的冷卻與潤滑系統(tǒng)、有準(zhǔn)確的厚度和板形檢測裝置、有高性能的壓下系統(tǒng)、要相應(yīng)地增大主電動機(jī)的功率等。同時(shí)還要協(xié)調(diào)好這些條件，才能得到合理的高軋制速度。3、冷軋時(shí)的張力在帶材冷軋過程中，幾乎都采用張力，尤其對薄帶材和極薄帶材，若不采用張力，甚至不可能軋出成品來。因?yàn)閺埩υ?/p>

8、軋制過程中有以下作用：能夠降低單位壓力、減少軋輥的彈性壓扁和軋輥彈跳值、能夠用張力來控制輥型、保證軋制的穩(wěn)定、為實(shí)現(xiàn)軋制過程的機(jī)械自動化創(chuàng)造條件。只有采用合適的張力才能很好地控制產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定軋制過程。張力的大小要視不同的金屬和軋制條件而定。在實(shí)際生產(chǎn)中，單位張力應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬的屈服極限，最合適的單位張力范圍在：(0.20.4)0.2。軋制張力是冷連軋帶鋼生產(chǎn)過程中必需嚴(yán)格控制的重要參數(shù)，它不僅影響軋制工藝條件，影響產(chǎn)品尺寸精度與板形質(zhì)量，甚至能使整個軋制過程變得不穩(wěn)定。4、冷軋時(shí)的工藝潤滑與冷卻鋁材冷軋工藝潤滑劑由輕質(zhì)礦物油和添加劑組成，其中基礎(chǔ)油的成分類型、添加劑的種類與含量不但對其相關(guān)的

9、理化性能而且更重要的是對其軋制潤滑效果以及軋后及退火后鋁板表面質(zhì)量產(chǎn)生重要影響刪。它的主要作用是：潤滑板帶與軋輥，降低摩擦力；冷卻板帶與軋輥；沖洗板帶與軋輥，以得到較好的板帶表面質(zhì)量；提高板帶在中間過程的防銹能力。加工硬化使金屬的變形抗力增大，金屬的變形熱與摩擦熱使軋件和軋輥的溫度升高，輥系閫的熱量流動使軋輥軸向溫升不均勻，產(chǎn)生熱凸度。對于現(xiàn)代高速、大軋制力的軋機(jī)，這一點(diǎn)更為突出。所以選擇合適的冷卻潤滑劑，對控制板形十分重要。其中軋制油的工作溫度、工作壓力、流量和分布是主要影響因素。4、 實(shí)驗(yàn)材料1、實(shí)驗(yàn)材料的選擇 工業(yè)純鋁具有塑性高、耐蝕、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能好的特點(diǎn)，但強(qiáng)度低，不能通過熱處理強(qiáng)

10、化，切削性不好。多利用其優(yōu)點(diǎn)制造一些具有特定性能的結(jié)構(gòu)件，如鋁箔制成墊片及電容器等。本實(shí)驗(yàn)選用的工業(yè)純鋁為1060(L2)、厚度為3mm、厚度偏差為士o.23(GBT/3194-1998)、寬度為20mm、供貨狀態(tài)為完全退火態(tài)(O)。L2中鐵和硅是主要雜質(zhì)，從A1-Fe和Al-Si系二元平衡相圖可知，在共晶溫度時(shí)鐵、硅在鋁中最大溶解度分別為0.052和1.65，在室溫分別約為0.002和0.05。實(shí)驗(yàn)用純鋁L2內(nèi)的鐵和硅的含量分別為0.4、0.25，則室溫生成的組織是a(Al)及a(Al)+FeAl3共晶和極少Si。其化學(xué)成分和主要性能指標(biāo)分別如表3-1和表3-2所示：表3-I實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成

11、分(wt)Table3-1 Chemical compositions of the material for experiment(wt)牌號SiFeCuMnMgZn其他AlL20.250.400.050.030.030.05余量99.6表3-2實(shí)驗(yàn)用鋁的室溫性能Table3-2 Room-temperature properly of the material for experiment牌號品種狀態(tài)密度抗拉強(qiáng)度規(guī)定非比例伸長應(yīng)伸長率(50mm)L2帶材O2.7155-95-352、實(shí)驗(yàn)材料的預(yù)備熱處理工業(yè)生產(chǎn)中鋁、鎂合金材料常采用的退火制度有：坯料退火、中間退火和成品退火。成品退火可分為

12、高溫退火(生產(chǎn)軟制品)和低溫退火(生產(chǎn)不同狀態(tài)的半硬制品)兩種。為了使供貨狀態(tài)為H12的LF21與供貨狀態(tài)為O的L2帶材進(jìn)行對比性實(shí)驗(yàn)，需保證它們具有相同初始狀態(tài)。因此需對鋁合金進(jìn)行成品高溫退火，退火溫度不宜過高，保溫時(shí)間不宜過長。將實(shí)驗(yàn)鋁合金材料在空氣電阻爐中進(jìn)行完全退火，退火的工藝為：金屬溫度390410、保溫1.5小時(shí)、出爐后空氣冷卻。5、 實(shí)驗(yàn)方案及工藝流程1、實(shí)驗(yàn)方案本文選用工業(yè)純鋁L2為原料，將其軋制成不同厚度的薄帶，用金相顯微組織分析結(jié)合顯微硬度分析，研究各個工藝參數(shù)對冷軋鋁顯微組織的影響，最后對板形中的彎曲情況進(jìn)行研究。軋制規(guī)程如表3.3所示；表3-3軋制規(guī)程Table 3-3

13、 Mill Condition軋制道次軋前高度H/mm軋后高度h/mm絕對壓下量h/mm總壓下率/%道次壓下率/%壓下系數(shù)13232、 工藝流程為保證能得到理想的試樣，需要在軋制前后做好充分的準(zhǔn)備工作和后處理工作，制定一套合理的制樣工藝流程，如圖3-2所示。(1) 原料：綜合考慮本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛙垯C(jī)能力限制，實(shí)驗(yàn)材料選擇工業(yè)純鋁L2，在日常生產(chǎn)生活中應(yīng)用十分普遍，并且塑性好有利于順利軋制。(2)改善咬入：根據(jù)軋制咬入條件： f=tan 或者在軋制前對軋件進(jìn)行預(yù)處理，使其能在軋制過程中順利咬人。式中：f軋件與軋輥間的摩擦系數(shù)；摩擦角；咬入角，它是軋件法向力與軋輥中心連線的夾角； 在剛開始咬入時(shí)，其

14、數(shù)值等于接觸角為：當(dāng)=時(shí)，為咬入的臨界條件，把此時(shí)的咬入角稱為最大咬入角，它取決于軋件和軋輥的材質(zhì)、接觸表面狀態(tài)和接觸條件等。如純鋁的最大咬入角為2022、摩擦系數(shù)為0.360.40。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案和軋輥尺寸參數(shù)，利用以上公式計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)軋制第二道次時(shí)將無法咬入即摩擦角小于咬入角，應(yīng)想辦法給予解決。 改善咬入的方法有：1將軋件的小頭或楔形端先送入軋制。2用外力將軋件強(qiáng)制推入軋輥中。3改善軋件或軋輥的表面狀態(tài)以增大摩擦角。4合理地調(diào)節(jié)軋制速度，因?yàn)橄禂?shù)隨軋制速度的提高而減少。綜合考慮，本文選擇第一種方法，把原料頭部用鋁板銼銼成楔形，以能順利咬入為準(zhǔn)，用800#砂紙打磨毛刺，以免在咬入時(shí)損傷軋輥。(3

15、)清洗：軋制前要對軋件和軋輥進(jìn)行清洗，去除表面上的油污、顆粒、雜質(zhì)等。先用干凈的抹布擦去軋件和軋輥的硬顆粒和雜質(zhì)，再在堿液為軋件和軋輥除油污，最后用脂棉蘸取無水乙醇擦拭和吹風(fēng)機(jī)吹干待用。(4)涂油：為軋件和軋輥涂冷軋油。本文軋制油來自廣西南南鋁業(yè)公司提供的鋁帶箔材軋制專用冷軋油，冷軋油的具體主要性能如表3-4所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該冷軋油效果很好、油膜強(qiáng)度大、軋后軋件表面十分光亮、脫脂性能好并有利于咬入。(5)試軋：本實(shí)驗(yàn)軋機(jī)采用手動壓下螺桿和軸承座間的平衡彈簧來調(diào)節(jié)輥縫，但由于軋輥連接齒輪的傳動誤差和軋輥輥跳的影響，將使得輥縫的調(diào)節(jié)不能單單依靠壓下螺桿上的刻度值。因此，在每次軋制前取一小段軋件進(jìn)

16、行試軋，試軋后檢查軋件中部兩端尺寸是否達(dá)到要求尺寸，直到軋件兩端尺寸相同并達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求尺寸時(shí)既可停止試軋，進(jìn)行下一步冷軋。(6)冷軋：本軋機(jī)沒有有導(dǎo)位裝置，在軋制時(shí)一定要保證進(jìn)科平直，以免出現(xiàn)軋偏變形的現(xiàn)象。(7)除油：軋制后試樣用四氯化碳或苛性鈉和碳酸鈉混合堿液進(jìn)行清洗，以去除軋制油和其它污物。(8)制樣、分析；用電火花線切割來取樣，經(jīng)鑲樣、打磨、拋光、腐蝕等，為實(shí)驗(yàn)觀察分析提供試樣。六、金相顯徽組織觀察在進(jìn)行金相試樣的觀察、檢測中，金相試樣的制各是一個很關(guān)鍵的步驟，試樣制備的質(zhì)量直接關(guān)系到試樣檢測的成功與否。整個金相檢測過程如圖3-7：金相試樣預(yù)磨(預(yù)磨)金相試樣鑲嵌(鑲嵌)金相試樣切割(

17、取樣） 金相顯微鏡檢測(觀察）金相試樣腐蝕(腐蝕)金相試樣拋光(拋光) 金相圖譜分析(分析) 圖3-7金相檢測過程圖Fig3-7 The process of metallographical measuring(1)金相試樣切割與鑲嵌 對于不同性質(zhì)的材料，試樣截取的方法各有所異，但應(yīng)遵循一個共同的原則，即應(yīng)保證被觀察的截面不產(chǎn)生組織變化。本次實(shí)驗(yàn)軋制后試樣的最小厚度為1.2mm，出現(xiàn)一定程度的彎曲，同時(shí)由于加工硬化作用較原始試樣硬度有大幅提高。采用手鋸取樣，易產(chǎn)生附加變形，對以后的組織觀察不利。因此采用電火花線切割機(jī)來取樣。(2)金相試樣預(yù)磨和拋光 試樣鑲樣完成后，采用碳化硅砂紙依次按400

18、#,800#，1200#，1500#號砂紙進(jìn)行打磨(實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SiC砂紙打磨效果優(yōu)于A1203砂紙)。純鋁質(zhì)地較軟，打磨過程中需不斷用水沖洗，防止硬顆粒和電木粉嵌入其中，并能避免因磨面溫度升高引起組織變化和金屬擾亂層增厚，為后續(xù)的機(jī)械拋光帶來困難。打磨過程中要求用力均勻且時(shí)間不易過長，以防出現(xiàn)多面，影響打磨質(zhì)量。拋光時(shí)壓力不宜過大，拋光時(shí)間也不宜過長，一般情況下拋光35分鐘即可。拋光時(shí)用粒度分別為3.5、2.5、1.5、1.5水溶性金剛石拋光膏進(jìn)行粗拋和精拋，最后一道用清水來拋。在拋光過程中，一定要注意要適量適時(shí)加水，濕度以拋磨的樣品取出后能迅速從樣品表面一端干到另一端為宜，磨料太稀或太濃均易使樣品表面于在磨制過程中氧化，至表面產(chǎn)生一層晶態(tài)灰白的氧化膜。由于氧化膜的作用，試樣一腐蝕，表面立即發(fā)灰，在高倍觀察時(shí)則可見鋁基體上很多小黑點(diǎn)，造成組織假相。(3)金相試樣的腐蝕根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析的需要，在金相分析時(shí)希望能看到較為清晰的晶界。本文采用常規(guī)腐蝕工藝，腐蝕完成后可以觀察到清晰的金相組織。腐蝕劑：4.5HCl+35HF+5.5HN03+86.5H20(體積百分比)腐蝕時(shí)間：90140s。原始試樣選擇腐蝕時(shí)間偏長些，而軋制變形后試樣由于其晶界能量大幅提高而易于被腐蝕，腐蝕時(shí)間選擇偏短些。