冷轧对纯铝的组织性能的影响

冷轧对纯铝的组织性能的影响前言铝是一种年轻的金属，从发现到现在也不过200年历史。由于它具有一系列无可比拟的优点，且在地壳中资源丰富，因而获得了十分迅猛的发展。铝加工产业包括铝合金的制各及其熔炼与铸造、铝及铝合金板、带、条、箔材、管、棒、型、线材，锻件与模锻件，粉材以及深加工产品的生产与经营，是一个涉及面很广，对国防军工现代化、国民经济发展和人民生活水平提高有重大影响的行业，是一个技术含量和附加值很高的产业。由于轧制加工方法，具有生产率高、品种多、生产过程连续性强、易于实现机械化和自动化等优点，约90％上的铝加工产品都须经过轧制成材。一、铝板带箔材轧制生产概述铝产品的平板轧制生产所谓轧制，是指轧件依靠摩擦力被拉进旋转的轧辊问，借助轧辊施加的压力，使其横断面减少，形状改变，厚度变薄而长度增加的一种塑性变形过程。板带箔材轧制属于平轧产品(FRPS)生产。根据轧辊旋转方向的不同，轧制又可分为纵轧、横轧和斜轧。铝及铝合金加工材中以压延材(板、带、条、箔材)应用最广，产量最大，其产量约占世界铝材总年产量的58％。铝产品的平板轧制生产主要分3个阶段：热轧、冷轧、薄带及箔材轧制。(1)热轧：使金属在再结晶温度以上的轧制过程。金属在该过程中无加工硬化，具有较高的塑性和较低的变形抗力，可以用较少的能量得到较大的变形。为了保证产品的组织性能，应严格控制加热温度、变形速度、变形终了温度、变形程度和加工后轧材的冷却速度。(2)冷轧：金属在不产生回复和再结晶的温度以下的轧制过程。热轧带材需通过冷轧加工成更薄的带材。虽然这一变形过程叫做“冷”轧，但每道次轧制中带材的温度也会上升100℃左右，因此需要喷射大量的轧辊冷却液，以维持轧辊和带材的热平衡；冷轧后可得到表面光洁、尺寸精确、组织性能良好的产品。(3)薄带和箔材轧制：用冷轧的方法迸一步对板材进行减薄，一般把厚度为0.2～4mm的板材称为薄板，其中厚度0.2～1.2mm又称为超薄板带，厚度小于0.2mm的板材称为极薄板带材，也称箔材。二、冷轧生产1、冷轧薄板带生产特点(1)冷轧由于不存在热轧温降与温度不均匀的弊病，可以得到厚度更薄、精度更高的冷轧带钢和冷轧薄板。如现代可逆冷轧机可以生产厚度为0.15～3.5mm，板厚精度为±5微米，平直度为5～20I的薄板。(2)冷轧板表面清洁光亮，并可根据不同用途制造不同表面粗糙度。(3)性能好、品种多、用途广。2、冷轧机的种类及发展趋势世界各国研制开发的冷轧机类型很多，应用较广泛的现代冷轧机有：四辊可逆式轧机、HC轧机、PC轧机、MKW(偏八辊)轧机、森吉米尔轧机等。大量不规范设计的轧机已被开发：行星轧机、异步轧机、静压一弯曲一拉伸轧机、往复式轧机等。近期内，由于铝带箔轧机的设计已相当完善，可以满足各种合金产品和自动化生产的需要，在轧机设计方面只会有许多小的进步，如增加系统的可靠性、提高生产能力和产品质量、设备的灵活性更强。将来，发展倾向于将不同领域的独立观念有机地结合到一起，从而开发出更现代化的轧机。第一，综合问题处理模块，由过程自动化的各单元(厚度控制、板形控制、机械装置及传动系统等)连接起来构成：第二，改进带卷(或带材)输送流程(如自动喂料等)，减少卷材处理时间，提高自动化程度和生产效率；第三，采用低磨损、高性能新机械材料。3、影响冷轧产品质量的因素近年来，用户对冷轧板带的要求日益严格。现在用户既要求整个板卷又要求板卷和板卷之间的厚度和性能均匀一致。为保证冷轧板质量，需对其质量影响因素进行控制，这主要包括：原材料的质量、熔炼、铸坯、熟轧、冷轧、退火等方面。三、冷轧工艺制度轧制工艺制度的确定是冷轧带钢生产中最重要的工艺问题，合理的轧制工艺制度是保证轧制过程实现优质、高产、低耗的重要条件。1、冷轧压下制度冷轧压下制度包括两部分：总压下量的确定和道次压下量的分配。（1)、冷轧总压下量是指两次退火间的压缩率即在一个轧程内的压缩率。视冷轧的目的不同，总压下量确定也不同的。必须考虑到金属的塑性限制、设备条件的限制、最小可轧厚度的限制。成品冷轧总压缩率主要由产品的组织性能和表面质量所决定，应根据不同制品来确定冷轧压缩率。如软制品一般要求成品冷轧总压缩率在50％以上，而需抛光轧制的制品一般要在1.5~3.0％之问。（2）、道次压下量的分配与金属塑性、咬入、轧辊强度和主电机能力等条件有关。一般，重有色金属道次压缩率一般在45％以下，铝合金在55％以下。2、冷轧时的轧制速度冷轧速度是冷轧的一个重要工艺参数，它直接决定了轧机的生产率。如蒂森克虏伯的尼洛斯塔公司的一套20辊轧机可以轧制的带钢最大宽度为1350mm，带钢厚度为0.2～2.5mm。最大轧制速度为800m／min，钢卷单重最大30t。提高冷轧速度的条件是：带材应有足够的长度、轧机有较强的冷却与润滑系统、有准确的厚度和板形检测装置、有高性能的压下系统、要相应地增大主电动机的功率等。同时还要协调好这些条件，才能得到合理的高轧制速度。3、冷轧时的张力在带材冷轧过程中，几乎都采用张力，尤其对薄带材和极薄带材，若不采用张力，甚至不可能轧出成品来。因为张力在轧制过程中有以下作用：能够降低单位压力、减少轧辊的弹性压扁和轧辊弹跳值、能够用张力来控制辊型、保证轧制的稳定、为实现轧制过程的机械自动化创造条件。只有采用合适的张力才能很好地控制产品质量和稳定轧制过程。张力的大小要视不同的金属和轧制条件而定。在实际生产中，单位张力应远远小于金属的屈服极限，最合适的单位张力范围在：(0.2～0.4)σ0.2。轧制张力是冷连轧带钢生产过程中必需严格控制的重要参数，它不仅影响轧制工艺条件，影响产品尺寸精度与板形质量，甚至能使整个轧制过程变得不稳定。4、冷轧时的工艺润滑与冷却铝材冷轧工艺润滑剂由轻质矿物油和添加剂组成，其中基础油的成分类型、添加剂的种类与含量不但对其相关的理化性能而且更重要的是对其轧制润滑效果以及轧后及退火后铝板表面质量产生重要影响删。它的主要作用是㈣：润滑板带与轧辊，降低摩擦力；冷却板带与轧辊；冲洗板带与轧辊，以得到较好的板带表面质量；提高板带在中间过程的防锈能力。加工硬化使金属的变形抗力增大，金属的变形热与摩擦热使轧件和轧辊的温度升高，辊系阃的热量流动使轧辊轴向温升不均匀，产生热凸度。对于现代高速、大轧制力的轧机，这一点更为突出。所以选择合适的冷却润滑剂，对控制板形十分重要。其中轧制油的工作温度、工作压力、流量和分布是主要影响因素。四、实验材料1、实验材料的选择工业纯铝具有塑性高、耐蚀、导电性和导热性能好的特点，但强度低，不能通过热处理强化，切削性不好。多利用其优点制造一些具有特定性能的结构件，如铝箔制成垫片及电容器等。本实验选用的工业纯铝为1060(L2)、厚度为3mm、厚度偏差为士o.23(GBT/3194-1998)、宽度为20mm、供货状态为完全退火态(O)。L2中铁和硅是主要杂质，从A1-Fe和Al-Si系二元平衡相图可知，在共晶温度时铁、硅在铝中最大溶解度分别为0.052％和1.65％，在室温分别约为0.002％和0.05％。实验用纯铝L2内的铁和硅的含量分别为0.4％、0.25％，则室温生成的组织是a(Al)及a(Al)+FeAl3共晶和极少Si。其化学成分和主要性能指标分别如表3-1和表3-2所示：表3-I实验材料的化学成分(wt％)Table3-1Chemicalcompositionsofthematerialforexperiment(wt％)牌号SiFeCuMnMgZn其他AlL20.250.400.050.030.030.05余量99.6表3-2实验用铝的室温性能Table3-2Room-temperatureproperlyofthematerialforexperiment牌号品种状态密度抗拉强度规定非比例伸长应伸长率(50mm)L2带材O2.7155-95---≥352、实验材料的预备热处理工业生产中铝、镁合金材料常采用的退火制度有：坯料退火、中间退火和成品退火。成品退火可分为高温退火(生产软制品)和低温退火(生产不同状态的半硬制品)两种。为了使供货状态为H12的LF21与供货状态为O的L2带材进行对比性实验，需保证它们具有相同初始状态。因此需对铝合金进行成品高温退火，退火温度不宜过高，保温时间不宜过长。将实验铝合金材料在空气电阻炉中进行完全退火，退火的工艺为：金属温度390℃～410℃、保温1.5小时、出炉后空气冷却。五、实验方案及工艺流程1、实验方案本文选用工业纯铝L2为原料，将其轧制成不同厚度的薄带，用金相显微组织分析结合显微硬度分析，研究各个工艺参数对冷轧铝显微组织的影响，最后对板形中的弯曲情况进行研究。轧制规程如表3.3所示；表3-3轧制规程Table3-3MillCondition轧制道次轧前高度H/mm轧后高度h/mm绝对压下量Δh/mm总压下率ε/%道次压下率ε/%压下系数η13232、工艺流程为保证能得到理想的试样，需要在轧制前后做好充分的准备工作和后处理工作，制定一套合理的制样工艺流程，如图3-2所示。(1)原料：综合考虑本次实验目的和轧机能力限制，实验材料选择工业纯铝L2，在日常生产生活中应用十分普遍，并且塑性好有利于顺利轧制。(2)改善咬入：根据轧制咬入条件：f=tanα或者β≥α在轧制前对轧件进行预处理，使其能在轧制过程中顺利咬人。式中：f—轧件与轧辊间的摩擦系数；β—摩擦角；α—咬入角，它是轧件法向力与轧辊中心连线的夹角；在刚开始咬入时，其数值等于接触角为α：当α=β时，为咬入的临界条件，把此时的咬入角称为最大咬入角，它取决于轧件和轧辊的材质、接触表面状态和接触条件等。如纯铝的最大咬入角为20°～22°、摩擦系数为0.36～0.40。根据实验方案和轧辊尺寸参数，利用以上公式计算发现当轧制第二道次时将无法咬入即摩擦角β小于咬入角α，应想办法给予解决。改善咬入的方法有：1．将轧件的小头或楔形端先送入轧制。2．用外力将轧件强制推入轧辊中。3．改善轧件或轧辊的表面状态以增大摩擦角。4．合理地调节轧制速度，因为系数随轧制速度的提高而减少。综合考虑，本文选择第一种方法，把原料头部用铝板锉锉成楔形，以能顺利咬入为准，用800#砂纸打磨毛刺，以免在咬入时损伤轧辊。(3)清洗：轧制前要对轧件和轧辊进行清洗，去除表面上的油污、颗粒、杂质等。先用干净的抹布擦去轧件和轧辊的硬颗粒和杂质，再在碱液为轧件和轧辊除油污，最后用脂棉蘸取无水乙醇擦拭和吹风机吹干待用。(4)涂油：为轧件和轧辊涂冷轧油。本文轧制油来自广西南南铝业公司提供的铝带箔材轧制专用冷轧油，冷轧油的具体主要性能如表3-4所示。经实验发现，该冷轧油效果很好、油膜强度大、轧后轧件表面十分光亮、脱脂性能好并有利于咬入。(5)试轧：本实验轧机采用手动压下螺杆和轴承座间的平衡弹簧来调节辊缝，但由于轧辊连接齿轮的传动误差和轧辊辊跳的影响，将使得辊缝的调节不能单单依靠压下螺杆上的刻度值。因此，在每次轧制前取一小段轧件进行试轧，试轧后检查轧件中部两端尺寸是否达到要求尺寸，直到轧件两端尺寸相同并达到实验要求尺寸时既可停止试轧，进行下一步冷轧。(6)冷轧：本轧机没有有导位装置，在轧制时一定要保证进科平直，以免出现轧偏变形的现象。(7)除油：轧制后试样用四氯化碳或苛性钠和碳酸钠混合碱液进行清洗，以去除轧制油和其它污物。(8)制样、分析；用电火花线切割来取样，经镶样、打磨、抛光、腐蚀等，为实验观察分析提供试样。六、金相显徽组织观察在进行金相试样的观察、检测中，金相试样的制各是一个很关键的步骤，试样制备的质量直接关系到试样检测的成功与否。整个金相检测过程如图3-7：→→↓←←↓图3-7金相检测过程图Fig3-7Theprocessofmetallographicalmeasuring(1)金相试样切割与镶嵌对于不同性质的材料，试样截取的方法各有所异，但应遵循一个共同的原则，即应保证被观察的截面不产生组织变化。本次实验轧制后试样的最小厚度为1.2mm，出现一定程度的弯曲，同时由于加工硬化作用较原始试样硬度有大幅提高。采用手锯取样，易产生附加变形，对以后的