冷軋對(duì)純鋁的組織性能的影響詳解

1、冷軋對(duì)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(guò)200 年歷史。由于它具有一系列無(wú)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(yíng)， 是一個(gè)涉及面很廣，對(duì)國(guó)防軍工現(xiàn)代化、國(guó)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(gè)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(guò)程連續(xù)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，約 90上的鋁加工產(chǎn)品都須經(jīng)過(guò)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(jìn)旋轉(zhuǎn)的軋輥問(wèn)，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(zhǎng)度增加的一種塑性變形過(guò)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(gè)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(guò)程。 金屬在該過(guò)程中無(wú)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

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(guò)程。熱軋帶材需通過(guò)冷軋加工成更薄的帶材。雖然這一變形過(guò)程叫做“冷”軋，但每道次軋制中帶材的溫度也會(huì)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(duì)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，

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(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(shì)世界各國(guó)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(dòng)化生產(chǎn)的需要， 在軋機(jī)設(shè)計(jì)

5、方面只會(huì)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)備的靈活性更強(qiáng)。將來(lái)，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(wèn)題處理模塊，由過(guò)程自動(dòng)化的各單元 (厚度控制、板形控制、機(jī)械裝置及傳動(dòng)系統(tǒng)等 )連接起來(lái)構(gòu)成：第二，改進(jìn)帶卷 (或帶材 )輸送流程 (如自動(dòng)喂料等 )，減少卷材處理時(shí)間，提高自動(dòng)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(lái)，用戶對(duì)冷軋板帶的要求日益嚴(yán)格。現(xiàn)在用戶既要求整個(gè)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(duì)其質(zhì)量影響因素進(jìn)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(wèn)題，合理的軋制工藝制度是保證軋制過(guò)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(gè)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(lái)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(wèn)。（ 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(gè)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(zhǎng)度、軋機(jī)有較強(qiáng)的冷卻與潤(rùn)滑系統(tǒng)、有準(zhǔn)確的厚度和板形檢測(cè)裝置、 有高性能的壓下系統(tǒng)、要相應(yīng)地增大主電動(dòng)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

8、時(shí)的張力在帶材冷軋過(guò)程中， 幾乎都采用張力， 尤其對(duì)薄帶材和極薄帶材，若不采用張力， 甚至不可能軋出成品來(lái)。 因?yàn)閺埩υ谲堉七^(guò)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(lái)控制輥型、 保證軋制的穩(wěn)定、 為實(shí)現(xiàn)軋制過(guò)程的機(jī)械自動(dòng)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(guò)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(guò)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(gè)軋制過(guò)

9、程變得不穩(wěn)定。4、冷軋時(shí)的工藝潤(rùn)滑與冷卻鋁材冷軋工藝潤(rùn)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(duì)其相關(guān)的理化性能而且更重要的是對(duì)其軋制潤(rùn)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(rùn)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(guò)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(dòng)使軋輥軸向溫升不均勻，產(chǎn)生熱凸度。對(duì)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(rùn)滑劑， 對(duì)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(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(guò)熱處理強(qiáng)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

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(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)成分 (wt)Table3-1 Chemical compositions of the material for experiment(wt)牌號(hào)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 experime

12、nt牌號(hào)品種狀態(tài)密度抗拉強(qiáng)度規(guī)定非比伸長(zhǎng)率例伸長(zhǎng)應(yīng)(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(duì)比性實(shí)驗(yàn)，需保證它們具有相同初始狀態(tài)。因此需對(duì)鋁合金進(jìn)行成品高溫退火，退火溫度不宜過(guò)高，保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。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 390 410、保溫 1.5 小時(shí)、出爐后空氣冷卻。五、實(shí)驗(yàn)方案及工藝流程

13、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(gè)工藝參數(shù)對(duì)冷軋鋁顯微組織的影響，最后對(duì)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 Mill Condition軋制道次軋前高度軋后高度絕對(duì)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(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

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(duì)軋件進(jìn)行預(yù)處理，使其能在軋制過(guò)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20°22°、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(wú)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(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)清洗：軋制前要對(duì)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(wú)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(lái)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(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(dòng)壓下螺桿和軸承座間的平衡彈簧來(lái)調(diào)節(jié)輥縫，但由于軋輥連接齒輪的傳動(dòng)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)行試軋， 試軋后檢查軋件中部?jī)啥顺叽缡欠襁_(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(méi)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

17、軋制油和其它污物。(8)制樣、分析；用電火花線切割來(lái)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(cè)中，金相試樣的制各是一個(gè)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(cè)的成功與否。整個(gè)金相檢測(cè)過(guò)程如圖3-7：金相試樣切割 (取 樣）金相顯微鏡檢測(cè) (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(cè)過(guò)程圖Fig3-7The process of metallographical measuring(1)金相試樣切割與鑲嵌對(duì)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(gè)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(duì)以后的組織觀察不利。因此采用電火花線切割機(jī)來(lái)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(hào)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(guò)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(lái)困難。 打磨過(guò)程

19、中要求用力均勻且時(shí)間不易過(guò)長(zhǎng)，以防出現(xiàn)多面，影響打磨質(zhì)量。拋光時(shí)壓力不宜過(guò)大，拋光時(shí)間也不宜過(guò)長(zhǎng)，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(lái)拋。在拋光過(guò)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?gòu)臉悠繁砻嬉欢烁傻搅硪欢藶橐耍?磨料太稀或太濃均易使樣品表面于在磨制過(guò)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(zhǎng)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。注：常