3XXX鋁合金帶材退火后力學(xué)性能控制

張飛飛，楊 川

（鄒平 中國）

鋁合金裝飾帶材的狀態(tài)和力學(xué)性能的控制主要由退火決定。將冷變形鋁及鋁合金加熱，會(huì)發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶過程。其驅(qū)動(dòng)力是冷變形儲(chǔ)能，即冷變形后金屬的自由能增量。冷變形儲(chǔ)能的結(jié)構(gòu)形式是晶格畸變和各種晶格缺陷，如點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、亞晶界等。加熱時(shí)晶格畸變將恢復(fù)，各種晶格缺陷將發(fā)生一定的變化（減少、組合），金屬向平均狀態(tài)轉(zhuǎn)化。使冷變形金屬向平均狀態(tài)轉(zhuǎn)變的熱處理稱為退火?！巴嘶稹本褪菍⒐ぜ訜岬侥骋幌鄳?yīng)溫度后，保溫一定時(shí)間，并以緩慢速度冷卻的一種工藝。

根據(jù)具體目的的不同，退火分為去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火和均勻退火等。在退火溫度低、退火時(shí)間短時(shí)，冷變形金屬發(fā)生的主要過程為回復(fù)。回復(fù)過程的本質(zhì)是點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制重新組織，在精細(xì)結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為多變化過程，形成亞晶組織。退火溫度升高或退火時(shí)間延長(zhǎng)，亞晶尺寸逐漸增大，位錯(cuò)纏結(jié)逐漸消除，呈現(xiàn)鮮明的亞晶晶界。在一定條件下，亞晶可以長(zhǎng)大到很大尺寸(約10um)，這種情況稱為原位再結(jié)晶。

1 典型合金狀態(tài)的退火工藝制度

見表1所示。

表1 典型合金狀態(tài)力學(xué)性能

2 箱式退火爐設(shè)備組成及性能

2.1 箱式退火爐結(jié)構(gòu)

退火爐分為箱式退火爐，鹽浴爐，臺(tái)車式退火爐，氣墊式連續(xù)熱處理線等，鋁板帶箔廣泛使用的退火爐為箱式退火爐，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠、配置靈活、投資少等特點(diǎn)。帶材退火爐為焊接結(jié)構(gòu)，在內(nèi)外爐殼之間填充絕緣材料，在爐頂或側(cè)面安裝3臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制爐內(nèi)熱風(fēng)循環(huán)，從而提高爐內(nèi)氣體溫度的均勻性。

2.2 退火爐工作原理

其核心原理在于變頻器和精度電流控制及熱風(fēng)強(qiáng)制循環(huán)的均勻控溫，爐頂與兩側(cè)爐壁連接處平均分布有36根卡口式加熱器，爐頂分三區(qū)控溫，循環(huán)風(fēng)機(jī)每臺(tái)一區(qū)，通過強(qiáng)制循環(huán)及分布均勻的風(fēng)道、噴吹口、導(dǎo)流風(fēng)板實(shí)現(xiàn)了爐溫的均勻分布，負(fù)壓風(fēng)機(jī)的功用可利用風(fēng)機(jī)造成的內(nèi)外環(huán)境的壓力差實(shí)現(xiàn)有效排氣的效果。吹洗風(fēng)機(jī)加深了負(fù)壓風(fēng)機(jī)的作用，可額外實(shí)現(xiàn)爐氣的更換排放，達(dá)到洗氣的目的。

2.3 操作系統(tǒng)

系統(tǒng)畫面主要有操作畫面、總覽畫面、數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警畫面等?？傆[畫面可監(jiān)視四臺(tái)爐子的重要工藝數(shù)據(jù)，也可分選項(xiàng)進(jìn)入各爐，查看詳細(xì)數(shù)據(jù)并支持相應(yīng)的設(shè)定改動(dòng)。操作畫面可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。參數(shù)設(shè)置畫面：設(shè)定溫度、爐氣溫度、料卷溫度、循環(huán)風(fēng)轉(zhuǎn)速、吹洗風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、旁冷風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)工藝參數(shù)，也可在運(yùn)行過程中更改所設(shè)置的參數(shù)，用以控制整個(gè)運(yùn)行過程;報(bào)警信息：用于記錄設(shè)備在工作過程中所發(fā)生的故障，并自動(dòng)做好記錄，方便過后查找事故原因。

3 不同退火工藝參數(shù)對(duì)不同3系合金狀態(tài)的力學(xué)性能的影響

按退火時(shí)的組織變化，可將其分為回復(fù)退火及再結(jié)晶退火。前者一般作為半成品或制品的最終處理，以消除應(yīng)力或保證材料的強(qiáng)度與塑性有較好的結(jié)合。再結(jié)晶退火又可分為完全退火、不完全退火及織構(gòu)退火。不完全再結(jié)晶退火一般用作最終退火以得到特硬（H19）與O狀態(tài)之間的各種半硬制品，主要用于熱處理不可強(qiáng)化的合金。

退火主要控制工藝參數(shù)爐氣溫度、升溫速度、金屬溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度及出爐溫度，在開始階段采用全功率進(jìn)行升溫以獲得細(xì)小均勻的晶粒，并持續(xù)排氣將油煙排除爐外。并在一定溫度下進(jìn)行保溫使整個(gè)料卷都均勻獲得需要的產(chǎn)品性能，出爐溫度主要考慮對(duì)安全和爐子壽命的影響，一般在200℃多保溫結(jié)束后直接出爐。

3.1 升溫速度

帶材退火升溫速度采用爐氣溫度和循環(huán)分機(jī)速度來控制，爐氣溫度一般比所要達(dá)到的金屬溫度高50℃～150℃，循環(huán)風(fēng)機(jī)以最高速度運(yùn)行，快速升溫以保證晶粒的均勻和退火速度。

3.2 金屬溫度

根據(jù)所要達(dá)到的合金狀態(tài)，先在工藝箱式試驗(yàn)爐中進(jìn)行模擬退火試驗(yàn)，然后再在退火爐中進(jìn)行生產(chǎn)。金屬溫度高溫點(diǎn)達(dá)到保溫溫度后進(jìn)行時(shí)讓低溫點(diǎn)也達(dá)到金屬溫度后計(jì)保溫時(shí)間，金屬溫度對(duì)于性能區(qū)間較窄的材料嚴(yán)格控制在±5℃以內(nèi)，并且在制定工藝時(shí)盡量取材料性能中線的位置的溫度，這樣有可以排除不同的熱電偶和不同操作手帶來的誤差。

3.3 保溫時(shí)間

保溫時(shí)間一是保證整卷的力學(xué)性能均勻，二是充分開發(fā)材料的潛能；保溫時(shí)間和保溫溫度合理配合既要保證材料性能合格也要節(jié)約成本，保溫時(shí)間根據(jù)不同料卷的寬度提高保溫時(shí)間，適當(dāng)提高保溫時(shí)間對(duì)材料的延伸率有提高，改善材料的彎折性能。

3.4 冷卻速度

當(dāng)帶材溫度過高時(shí)，需要先降到一定溫度再進(jìn)行出爐，通過旁冷降溫或者通過降低循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和加大吹洗風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來對(duì)爐氣進(jìn)行降溫。

4 退火過程質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)

退火過程需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）裝爐料卷的規(guī)格及卷徑、卷重的差值要小，寬度和卷徑相差＜100mm。

（2）熱電偶的準(zhǔn)確性，及一爐中熱電偶所插的位置、深度及固定。

（3）循環(huán)風(fēng)機(jī)、吹洗風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)置。

（4）退火爐加熱器以及其他固件的巡檢及維護(hù)。

（5）定期對(duì)退火爐爐氣均勻性的進(jìn)行測(cè)定。

5 其他影響退火后性能的因素

影響退火后材料性能的除了退火工藝外，還有成分、軋制工藝的影響。

5.1 化學(xué)成分

3系合金以Mn元素為主要合金元素，為了獲得細(xì)小晶粒組織，合金中的錳除溶于固溶體外還必須有一定的過剩量，以便形成更多的含錳相質(zhì)點(diǎn)抑制再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大；加入鐵和硅也能細(xì)化晶粒，一方面，鐵和硅能極大地降低錳在固溶體中的溶解度，減少了錳的枝晶偏析，這種偏析是高純度Al-Mn合金形成粗大晶粒的主要原因；另一方面，在400℃～500℃熱軋溫度下，這兩種元素能加速Al-Mn合金固溶體的分解。

5.2 軋制的影響

熱軋的均勻化制度、熱軋中間坯厚度及卷取溫度，冷軋的道次分配、卷取溫度和道次間隔時(shí)間的影響。這些都需要各家根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行總結(jié)。

6 結(jié)論

（1）對(duì)材料彎折性能影響需要添加一定量的Fe和Si元素，并將鐵硅比控制在1/4～1/6左右。

（2）嚴(yán)格控制金屬溫度范圍，適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間可以提高斷后伸長(zhǎng)率。

（3）對(duì)熱軋均勻化處理和控制熱軋帶材厚度也可提高成品力學(xué)性能。

（4）退火爐熱電偶和打孔位置需要統(tǒng)一，生產(chǎn)過程嚴(yán)格控制，保證金屬溫度在很小區(qū)間。

（5）成品退火工藝和前面同樣生產(chǎn)工藝對(duì)應(yīng)，保證同批次料卷力學(xué)性能一致。