铝及铝合金的基础知识

铝加工培训教材第1页共31页第一章铝及铝合金的基础知识第一节铝及铝合金的性质在有色金属中，铝是应用最广泛的一类金属。其产量仅次于钢铁。铝的发现，至目前还只有二百多年的历史。但由于它具有资源丰富，生产成本低，用途广泛等特点，因此铝工业在近百年的时间内得到了迅猛的发展，随着科学技术的发展及人民生产水平的提高，铝箔应用也越来越广泛。它已经渗透到了人们的日常生活中。铝及铝合金的性质，概括起来，主要有以下几个方面：１比重小。含铝量为99.5%的工业纯铝的比重为2.7克/立方厘米,只有铁和铜的三分之一左右。２导电性好。铝箔电阻系数（２０℃）为2.67微欧毫米/米，相当于铜导电能力的６０－６５％。但相同体积铝的重量只有铜的三分之一，因此按体积计算，铝的导电能力优于铜。３良好的导热性。铝箔导热系数（０－１００℃）为0.54卡/厘米·秒·度,比铁的导热率约大三倍。工业上许多热变换器散热材料，如目前很大的空调器散热片，都是铝及铝合金制成。４强度高。铝中加入少量的锰、镁、铜、铁等，具有良好的机械性能。５良好的塑性。适合于各种加工，可压成薄板可箔，拉成细丝，磨成细粉和挤压成复杂开头的型材。６良好的抗腐蚀．性能。纯铝在空气中，其表面会迅速跟氧结合，生成一层致密的氧化铝薄膜（ＡＬ２Ｏ３），此层致密的薄膜可以防止里面的铝继续氧化，对铝的内部起到保护作用。７反射能力很强。铝箔反射率在８５％以上。８铝具有银白色光泽、无毒、保鲜性好、防腐、防温、防干燥、不透气、不透光，因此，铝箔被广泛地用作各种食品、药用、香烟的包装上。９焊接性能较差。第二节铝及铝合金的牌号及状态铝及铝合金的牌号及状态以往都是采用国内统一的表示方法，即汉语拼音加顺序号，自９６年起，这种表示方法已经停止使用，目前采用的是国际四位数字体系的表示方法。１合金牌号合金牌号采用的是四位数字体系表示方法，其中：第一位代表合金的系列，如第一位数字为１，则代表为纯铝系列，第一位数字为２－８，则代表不同系列的铝合金。具体的合金组别按下列主要合金元素划分:纯铝:1××××Cu2××××Mn３××××Ｓi4××××Mg5××××Mg+Si6××××Zn7××××铝加工培训教材第2页共31页其它元素8××××备用组9××××1××××组表示纯铝，其最后两数字表示最低铝百分含量中小数点后面的两位。牌号的第２位数字表示合金元素或杂质极限含量的控制情况，如果第２位为０，则表示其杂质极限含量无特殊控制，如果是１－９，则表示对一项或一项以上的单个杂质或合金元素极限含量有特殊控制。2××××－８××××牌号中的最后两位数字没有特殊意义，仅用来识别同一组中的不同合金，其第２位表示改型情况。如果第２位为０，则表示为原始合金，如果是１－９，则表示是改型合金。表一示出了目前我公司常用的铝合金的化学成份表一我公司常用铝合金品种及化学成份牌化学成份(%,不大于)号SiFeCuMnMgNiZnVTiZr其余Al单个合计1145Si+Fe:0.550.050.050.05-0.050.050.03--0.03--99.451100Si+Fe:0.950.050.05----0.10--------0.050.1599.00-0.201235Si+Fe:0.650.050.050.05--0.100.050.06--0.03--99.3580110.550.70.050.050.05--0.10---0.08--0.050.15余量-0.65–0.85HL010.150.20.050.20.05--------0.10--0.050.1599.00-0.28-0.252铝及铝合金的状态及代号2.1基本原则1.,基础状态代号用一个英文大写字母表示2.细分状态代号采用基础状态代号后跟一位或多位阿拉伯数字表示2.2基础状态代号基础状态代号、名称及说明与应用见表二代号名称说明与应用O退火状态适用于经完全退火获得最低强度的加工产品H加工硬化状态适用于通过加工硬化提高强度的产品，产品在加工硬化后可经过（也可不经过）使强度有所降低的附加热处理。Ｈ后面必须跟两或三位阿拉伯数字2.3细分状态代号1.H的细分状态在字母H后面添加两位阿拉伯数字(H××),或三位阿拉伯数字(H×××)表示铝加工培训教材第3页共31页的细分状态.2.H××状态a.H后面的第1位数字表示该状态的基本处理程序,如:H1未经附加热处理,只经加工硬化即所需强度的状态.H2加工硬化及不完全退火的状态,适用于加工化程度超过成品规定要求后,经不完全退火,使强度降低到规定指标的产品.H2与的H1具有相同的最小极限抗拉强度值,但延伸率比H1稍高.b.H后面的第2位数字表示产品的加工化程度,数字8表示硬状态,对于O(退火)和H×8之间的状态,应在H×代号后分别添加从1到7的数字来表示,在H×后添加数字9表示比H×8加工硬化程度更大的硬化状态。第二章轧制原理轧制过程，是轧辊与轧件相互作用时，轧件被轧辊拉进旋转的轧辊之间，受到压缩发生塑性变形的过程。通过轧制，使金属具有了一定的尺寸和形状。※第一节轧制过程的基本概念１．变形指数在轧制过程中,在工程上常用如下变形指数表示其变形量程度：△ｈε＝×100%(1-1)Ｈ上式上,△h代表压下量，Ｈ代表轧前厚度，ε称为相对压下量，或加工率。加工率分道次加工率与总加工率两种，道次加工率是指某一个轧制道次轧制前后厚度变化计算的值。而总加工率有两种计算方法，一种是计算两次退火间的总加工率，一般说来，它反映了金属的加工性能；一种是计算退火后的产品在逐道次轧制后，至各道次总的加工率。一般工业上将轧后长度与轧前长度之比称为延伸系数，用λ表示根据体积不变法则，且忽略宽展，延伸系数也可以写成如下形式：Ｈ１λ＝＝（１－２）ｈ１－ε2变形区及变形区长度变形区：即处于轧辊之间产生塑性变形的金属所处的区间。而在轧制理论中，变形区一般为轧件的入口端与出口端之间的区间，如图１－１中的ＡＢＣＤ区域变形区○ＡＢＣＤ铝加工培训教材第4页共31页图１－１在变形区中，接触弧ＡＢ的水平投影叫做变形区长度，根据数学方法，我们可以很容易的得出变形区长度的计算公式：ｌ＝√ＲΔｈ（１－３）式中：Ｒ：工作辊的半径Δｈ：绝对压下量（１－３）给出了对称轧制过程中变形区长度的计算公式。3接触角接触弧ＡＢ的长度所对应的圆心角称为接接触角。其计算公式如下：Δｈcosα=1－（１－４）２Ｒ3咬入角咬入角是轧辊作用于轧件之合力与辊心连线所夹的角，在轧辊开始咬入轧件入角等于正常轧制时的接触角，此时，接触角等于零。随着轧件的咬入，咬入角逐渐减小，接触角逐渐增大，当轧制过程建立后，咬入角等于接触角的一半。5前滑和后滑ａ）前滑在轧制过程中，轧件的出口速度高于该处轧辊圆周速度的现象称为前滑。前滑值用轧辊出口断面上轧件与轧辊速度的相对差值来表示：Ｖｈ－ｖＳｈ＝×１００％（１－５）ｖ式中：Ｓｈ：前滑值Ｖｈ：轧辊出口断面轧件的速度ｖ：轧辊的圆周速度b)后滑与前滑相对应，后滑，是指轧件垢入口速度小于入口断面上轧辊水平速度的现象，同样，后滑值用入口断面上的轧辊水平分速度与轧件入口速度差的相对值来表示。Ｖcosα-VHＳＨ＝×100%(１－６)Vcosα铝加工培训教材第5页共31页前滑区后滑区图1-2如图１－２所示，在轧制过程中，由于金属的流动，在变形区中形成了后滑区与前滑区.6中性角前滑区和后滑区，两者的分界面称为中性面，而所谓的中性角，就是指前滑区接触弧所对应的圆心角。通常用γ来表示。＃第二节影响轧制过程因素分析轧制过程金属的变形及变形抗力受许多因素的影响，这些因素的影响在生产条件下又常常表现为不同形式，而且各因素之间又互为影响。使轧制过程复杂化。为研究方便，我们将复杂因素分解为单一因素，以便正确反映各种因素对轧制过程影响的实质。影响轧制过程的因素，可分成两类，一类是影响轧制金属本身性能的一些因素：金属的化学成份，组织结构及热力学条件（轧制温度、轧制速度、变形程度）；一类是影响状态条件的因素：外摩擦、轧辊形状及尺寸、外端及外力等。本节仅对第二类因素进行分析。１外摩擦的影响。外摩擦对轧制过程的影响十分复杂，摩擦条件本身又受许多因素的影响与，如轧辊与轧件的表面状态，轧制温度与速度，润滑剂的性能等等。根据金属压力加工的原理，随着外摩擦力的增大（摩擦系数升高），金属的变形抗力将随之增大。但摩擦力增大，有利于改善金属的咬入。这也说明了摩擦力对轧制过程的影响具有两重性。２轧辊形状和尺寸的影响2.1轧辊的形状的影响轧辊的形状有三种：平辊、凸辊、凹辊，根据轧制理论的分析，凸辊对金属流动与变形有利，而凹辊则相反。在实际生产过程中，由于热胀冷缩及板形控制的需要，工作辊的辊型均设计为凸辊。2.2轧辊尺寸的影响轧辊的尺寸，包括轧辊的辊径及长度。其中对轧制过程影响较大的是辊径。在压下量相同的情况下，轧辊辊径的变化，相当于咬入角的变化。根据压力加工原理，轧辊辊径的减小，使咬入角增加，同时，还使滑移路程缩短而减少了摩擦阻力的影响，从而降低了实际变形的抗力，有利于金属的纵向流动。由此说明，在一定的轧制条件下，辊径的减小有利于金属的变形。另外，轧辊的直径对变形抗力也有显著的影响，这是由于随着直径的增加，由于接触表面增大，使摩擦阻力增加，而造成难变形区增加，引起金属变形困难而压力升高。它充分反铝加工培训教材第6页共31页映了尺寸因素的影响。图１－３示出了辊径对轧制力的影响。11:D=180mm302:D=92mm23:D-45mm20310204060图1-3辊径对轧制压力的影响３外端的影响所谓外端,是指变形过程其瞬间不直接承受轧辊作用而处于变形区以外的部分.外端对纵向变形有强迫“拉齐”的作用，有助于改善纵向变形的不均匀性，另外，外端对变形抗力也有一定的影响。轧件越厚，外端的影响越大，变形越不容易深入。对于铝箔轧制而言，外端的影响已经很小。４张力的影响张力对轧制过程的影响，主要有以下两个特点：１．轧制单位压力随前后张力增加而降低。因为张力的作用使变形区的应力状态发了变化，增大了纵向的拉应力或减小了这个方向的压应力。因而使轧制时抗力减小。２．后张力比前张力影响大，冷轧时，后滑区比前滑区要大得多，压下量也较前滑区大。所以后张力影响比前张力大。张力促使变形均匀。轧制过程中，如果沿横向某处延伸较小时，由于张力作用会使延伸方向上的拉应力加大，或压应力减小，促使延伸变形；延伸较大的地方其作用相反，即拉应力减小，或压应力增大，使延伸变形减小。从而减少了沿横向的不均匀延伸，提高了带材精度。轧制带材，特别是箔材，若不采用张力甚至不可能轧制出成品。张力，是实现稳定轧制及轧制过程自动化的重要条件。张力是轧制生产中一个重要的工艺参数。第三节铝箔轧制的特点生产铝箔的最终目的，是要获得一种致密的、光洁度和平整度好的箔材，且厚度薄，精度要求高，因此，采用一般的板带材轧制的方法是难以达到的。所以，它除具有一般板带轧制的通性外，还有着很多不同的特点：１无辊缝轧制铝箔轧制过程中，由于轧件厚度薄，所以在空转时，两工作辊之间已没有缝隙，工作辊还得加一定的压力，使两辊相互压靠，轧件被咬入后，其轧制时，增大轧制力，轧辊、轴承、牌坊等发生弹性变形，比轧件产生塑性变形更容易些。对中精轧来讲，轧制力对厚度的减薄作用不大，调整铝箔厚度一般是在恒压力条件下进行无辊缝轧制。２厚度调整和板型控制由于铝箔是无辊缝轧制，其厚度调整和板控制不是象板带，主要靠调整压下装置增加轧辊对轧件的压力，而主要是先调整润滑剂、前后张力、轧制速度来实现厚度调整和板型控制。压下装置主要作用在于平衡轧辊两端的压力。３冷加工率大铝加工培训教材第7页共31页由于铝及铝合金的性能以及箔材的厚度很薄，且轧制时，前后张力、润滑剂、轧制速度所起的作用大。因此它的道次加工率很大，每道次加工率可达５０－７０％。两次再结晶退火间的总加工率可达９９％。而板带的道次加工率只有２０－４０％。４双合轧制铝箔是在无辊缝条件下产生塑性变形。由于轧机只是在一定程度上产生弹性变形，即轧机弹性是有限度的，因而，轧件的变形程度也就受到了限制。这种变形程度的大小与轧机的型式以及规格有关，即与轧