冷軋對純鋁的組織性能的影響詳解

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，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、易于實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點，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

2、軋制，是指軋件依靠摩擦力被拉進旋轉(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)嚴格控制加熱溫度、變形速度、變形終了溫

3、度、變形程度和加工后軋材的冷卻速度。(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(1)冷軋由于不存在熱軋溫降與溫度不均勻的弊病，

4、可以得到厚度更薄、精度更高的冷軋帶鋼和冷軋薄板。如現(xiàn)代可逆冷軋機可以生產(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、冷軋機的種類及發(fā)展趨勢世界各國研制開發(fā)的冷軋機類型很多，應(yīng)用較廣泛的現(xiàn)代冷軋機有：四輥可逆式軋機、HC軋機、 PC軋機、 MKW(偏八輥 )軋機、森吉米爾軋機等。大量不規(guī)范設(shè)計的軋機已被開發(fā)：行星軋機、異步軋機、靜壓一彎曲一拉伸軋機、往復(fù)式軋機等。近期內(nèi)，由于鋁帶箔軋機的設(shè)計已相當完善，可以滿足各種合金產(chǎn)品和自動化生產(chǎn)的需要， 在軋機設(shè)計

5、方面只會有許多小的進步，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)備的靈活性更強。將來，發(fā)展傾向于將不同領(lǐng)域的獨立觀念有機地結(jié)合到一起， 從而開發(fā)出更現(xiàn)代化的軋機。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、機械裝置及傳動系統(tǒng)等 )連接起來構(gòu)成：第二，改進帶卷 (或帶材 )輸送流程 (如自動喂料等 )，減少卷材處理時間，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)量影響因素進行控制，這主要包括：原

6、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

7、問。（ 2）、道次壓下量的分配與金屬塑性、咬入、軋輥強度和主電機能力等條件有關(guān)。一般，重有色金屬道次壓縮率一般在 45以下，鋁合金在 55以下。2、冷軋時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、軋機有較強的冷卻與潤滑系統(tǒng)、有準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)地增大主電動機的功率等。同時還要協(xié)調(diào)好這些條件， 才能得到合理的高軋制速度。3、冷軋

8、時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。 因為張力在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、 為實現(xiàn)軋制過程的機械自動化創(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。 在實際生產(chǎn)中， 單位張力應(yīng)遠遠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

9、程變得不穩(wěn)定。4、冷軋時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，這一點更為突出。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

10、作壓力、流量和分布是主要影響因素。四、實驗材料1、實驗材料的選擇工業(yè)純鋁具有塑性高、耐蝕、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能好的特點，但強度低，不能通過熱處理強化，切削性不好。多利用其優(yōu)點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。 本實驗選用的工業(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。實驗用純鋁 L2 內(nèi)的

11、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。其化學成分和主要性能指標分別如表3-1 和表 3-2 所示：表 3-I 實驗材料的化學成分 (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 實驗用鋁的室溫性能Table3-2 Room-temperature properly of the material for experime

12、nt牌號品種狀態(tài)密度抗拉強度規(guī)定非比伸長率例伸長應(yīng)(50mm)L2帶材O2.7155-95-352、實驗材料的預(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 帶材進行對比性實驗，需保證它們具有相同初始狀態(tài)。因此需對鋁合金進行成品高溫退火，退火溫度不宜過高，保溫時間不宜過長。將實驗鋁合金材料在空氣電阻爐中進行完全退火，退火的工藝為： 金屬溫度 390 410、保溫 1.5 小時、出爐后空氣冷卻。五、實驗方案及工藝流程

13、1、實驗方案本文選用工業(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 Mill Condition軋制道次軋前高度軋后高度絕對壓下總壓下率道次壓下壓下系數(shù)H/mmh/mm量h/mm /%率 /%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：綜合考慮本次實驗?zāi)康暮蛙垯C能力限制， 實驗材料選擇工業(yè)純鋁 L2，在日常生產(chǎn)生

14、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， 其數(shù)值等于接觸角為：當 =時，為咬入的臨界條件，把此時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20°22°、摩擦系數(shù)為 0.360.40。根據(jù)實驗方案和軋輥尺寸參數(shù)，利用以上公式計算發(fā)現(xiàn)當軋制第二道次時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：

15、1將軋件的小頭或楔形端先送入軋制。 2用外力將軋件強制推入軋輥中。 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，因為系數(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，用 800#砂紙打磨毛刺，以免在咬入時損傷軋輥。(3)清洗：軋制前要對軋件和軋輥進行清洗， 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機吹干待用。(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

16、要性能如表 3-4 所示。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，該冷軋油效果很好、油膜強度大、軋后軋件表面十分光亮、脫脂性能好并有利于咬入。(5)試軋：本實驗軋機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行試軋， 試軋后檢查軋件中部兩端尺寸是否達到要求尺寸，直到軋件兩端尺寸相同并達到實驗要求尺寸時既可停止試軋， 進行下一步冷軋。(6)冷軋：本軋機沒有有導(dǎo)位裝置， 在軋制時一定要保證進科平直，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行清洗，以去除

17、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，為實驗觀察分析提供試樣。六、金相顯徽組織觀察在進行金相試樣的觀察、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：金相試樣切割 (取 樣）金相顯微鏡檢測 (觀察）金相圖譜分析(分析 )金相試樣鑲嵌(鑲嵌 )金相試樣腐蝕(腐蝕 )金相試樣預(yù)磨(預(yù)磨 )金相試樣拋光(拋光 )圖 3-7 金相檢測過程圖Fig3-7The 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

18、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。本次實驗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#,800#，1200#，1500#號砂紙進行打磨 (實驗結(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)的機械拋光帶來困難。 打磨過程

19、中要求用力均勻且時間不易過長，以防出現(xiàn)多面，影響打磨質(zhì)量。拋光時壓力不宜過大，拋光時間也不宜過長，一般情況下拋光35 分鐘即可。拋光時用粒度分別為 3.5、2.5、1.5、1.5 水溶性金剛石拋光膏進行粗拋和精拋，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， 在高倍觀察時則可見鋁基體上很多小黑點，造成組織假相。(3)金相試樣的腐蝕根據(jù)實驗分析的需要，在金相分析時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 )腐蝕時間： 90140s。原始試樣選擇腐蝕時間偏長些，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， 腐蝕時間選擇偏短些。注：常