08-45(修改)半退火工艺对5182带材性能的影响.doc

中间退火工艺对5182铝合金带材性能的影响及其应用高家诚1 陈志强1 明文良2（1.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400030；2.西南铝业集团有限公司，重庆 401326）摘要：针对罐盖拉环5182铝合金烤漆后需有足够高的强度来满足实际需要，探讨了半退火工艺对该合金性能的影响。通过拉伸试验、维氏硬度、显微组织、扫描电镜和耐烘烤、涂层等方法测试分析。结果表明：5182合金2503h退火的带材，比完全退火工艺3503h的带材，涂层前后的抗拉强度和屈服强度提高了10-15MPa，伸长率也有小幅度的升高。并将该工艺应用于国内某品牌罐盖拉环料的生产，取得良好效果。关键词：5182合金；再结晶温度；中间退火；强度；烘烤I重庆大学硕士学位论文2 文献综述中图分类号： 文献标识码：A Effects of semi-anneal processes on properties of 5182 belts and applicationGAO Jia-cheng1, CHEN Zhi-qiang1, MING Wen-liang2(1.College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China; 2.Smelting & Casting Factory, Southwest Aluminum Company, Chongqing 401326,China)Abstract: In order to make the 5182 belts have adequate strength to satisfy practice product demand, it has been researched to change anneal processes in this paper. The tensile experiment, SEM analysis, and baking test and coating test were performed. The results of the research indicate that the tensile and yield strength of belts with 2503h annealing was improved about 10-15MPa than 3503h annealing. Prolongation rate was also improved. The result is satisfied when it has been applied to a domestic brand can cover .Key words: 5182 alloy; recrystallization temperature; semi-annealing; strength; baking收稿日期：2008-02-03；修订日期：2008-05-04作者简介：高家诚（1947.12），男，重庆大学材料学院教授；主要研究金属材料及热处理，获部省级奖励5项，发表论文100余篇，电电子信箱 罐板生产是高精技术，其罐体通常采用较好冲深性能和强度的铝锰系合金3004，而罐盖和拉环要求强度高，因而采用铝镁系合金5081，5082或51821。5182合金的名义成分是A1-4.5Mg-0.35Mn。在制成罐盖之前，5182合金薄板需涂有机涂料高温固化（24010min），使它们的屈服和抗拉强度降低，抗拉强度从420-425MPa下降到350-365MPa，屈服强度从365-385MPa下降到265-280MPa，涂层后强度指标不能满足用户标准（355-414MPa和303-359MPa）。在提高铝合金耐热性方面，目前的研究主要集中在如下方面2-7：在一些低合金化的A1-Cu-Mg合金中添加少量的Fe和Ni，如新开发的2650合金；对铝合金进行微合金化，如在A1-Cu-Mg合金中添加少量的Ag，如美国开发的C415系列合金；采用粉末冶金法、喷射沉积技术制备高温铝合金，如美国的8009，8019合金。我国也自行开发出了可在350下使用的耐热铝合金。本文在不改变5182合金成分的前提下，拟通过改变生产工艺来提高铝合金的耐热性能，具有操作性和经济价值，目前国内外鲜见报道。1 试验材料及方法试验材料为西南铝业生产的5182H19铝合金，成分见表1。其中，元素Mg含量采用化学分析法确定，其余元素采用原子发射光谱分析确定。表1 5182铝合金成分表(wt%)Table1 Composition of 5182 Al alloy (wt%)ElementsSiFeCuMnMgCrZnTiZrInd.SumAlStandard0.200.304.05.000.050.15Bal.Control0.030.030.070.300.384.354.650.030.000.050.15Bal.Measure0.140.27-0.280.060.34-0.354.42-4.500.060.100.10冷轧工艺路线为：坯料冷轧3503h中间退火轧成品拉矫涂层24010min分切包装。热轧坯料原始厚度为2.32.7mm；中间退火的厚度为1.01.4。调整冷轧过程中中间退火的工艺参数，并进行组织性能比较研究。并将热轧态样品按压下量每间隔5%取出相应的试样，随后选择在100400范围内退火采用HV-1000维氏硬度检测仪检测其硬度变化来研究性能变化的规律。实验加热炉为SX-2.5-2箱式实验电阻炉和KSW-4D-11电阻炉温度控制器，拉伸试验机为CMT5105电子万能实验机，硬度检测用HV-1000维氏硬度检测仪（1.92N，20S），金相显微镜用蔡司Axiovert 200 MAT和奥林巴斯BHM；SEM为KYKY-AMRAY 1000B型。文中金相试样经砂纸打磨，电解抛光然后阳极腹膜后获得。本文采用 Origin、Excel 软件进行回归分析运算。2 试验结果及讨论2.1力学性能常温拉伸试验的试样按GB/T 16865-97选取，拉伸试验按GB228-87规定进行，取三个试样测试结果的算术平均值列入表2中。从表2中可以看出，中间不退火工艺生产的冷轧态带材的力学性能已达到国外水平，可以保证带材耐烘烤性能。但是，生产上直接轧制难度较大，规模化生产还不够成熟。采用中间2503h半退火工艺，涂层后板材除抗拉强度低于国外板材20MPa外，屈服强度，伸长率已与国外同种材料相当。表2 板材耐烘烤性能Table 2 Anti-baking properties of 5182 beltsProcessBelts and temperatureTensile strength(MPa)Yield strength(MPa)Percent elongation(%)No-annealingBase Belts at room temperature415-418358-3617.1-7.6Belts coating- including after coating (45m/min，265)380-385(head part)330-3308.5-10.0375-390(tail)330-3358.5-8.5Semi-annealingBase Belts at room temperature417-417365-3725.0-5.7Belts coating- excluding after coating (45m/min，265)362-367310-3128.7-9.0ContrastHYDRO1385-390305-3108.0-8.0ALCOA2385-390303-35910.0-10.0注：1. HYDRO表示该公司同规格产品。挪威海德鲁公司（Norsk Hydro A.S.）：创建于1905年，现为挪最大的工业公司，51的股本为挪威政府所有。主要经营石油天然气、化工、轻金属、化肥、食品、医药等，在近60个国家和地区共有3.3万雇员。2005年营业额为1742亿挪威克朗。总裁斯文斯汀托马森（Svein Steen Thomassen）。2.ALCOA表示该公司同规格产品。美铝公司是世界领先的氧化铝、电解铝和铝加工产品的生产商，服务于航空航天、包装、建筑、商业运输和工业市场，为客户提供设计、工程技术、生产一体方案。除了包括压延产品、硬铝挤压产品和铸件在内的铝产品和零部件外，美铝还营销美铝轮毂、紧固件系统、精密铸件以及结构和建筑系统。目前，美铝在全球44个国家拥有10.7万雇员，并被达沃斯世界经济论坛评选为最具可持续发展性的公司之一。2.2组织和断口形貌图1a.5182原始组织 图1b 5182背散射照片Fig.1a Microstructure of 5182 belts Fig.1b A BSE of 5182图1a是原始金相组织，图1b是5182背散射照片。图1b基体上有细小的暗点和亮点，能谱分析白点为Al-Mg化合物，暗点为Al-Mn-Cr-Cu化合物。图2是室温拉伸变形后的断口。从图2可以看出，拉伸试样断口为穿晶型韧性断口，断裂面上有许多细小的韧窝，有明显的韧窝和韧性脊，韧窝呈拉长的椭圆形或圆形。微坑底部能谱分析只有Al和Mg两种元素，因而韧窝中存在的夹杂物或第二相质点可能是铝镁化合物(Mg5Al8、Mg2Al3)，其量较少。由此可以推断断裂属于微孔聚合型的韧性断裂。 图2 5182合金拉伸试样断口形貌Fig.2 Tensile fracture morphologies of 5182 alloy2.3变形量对性能的影响在轧制工艺中，最好掌握的参数是变形量，因而能建立强度和压下量的数量关系，更好的理解参数和性能之间的关系，显然有利于合理调整工艺。按压下量每间隔5%取出相应的试样，在HV-1000维氏硬度检测仪检测其硬度变化。可得到维氏硬度和变形量的关系图，见图3右图，图3左图为拟合效果图。参考文献8-9，5182板带材的线形回归结果为： 或 热轧态板材随着金属变形程度的增加，晶粒变长，产生加工硬化，并形成带状或纤维状组织。其组织形貌如图4所示。 图3维氏硬度和变形量的关系Fig.3 Diagrams of HV hardness and deformation图4 5182薄板在不同变形量下的组织形貌Fig. 4 Microstructure of deformed 5182 belts(a) 5%；(b) 35%; (c) 65%; (d) 85%图5a分别为变形量75%和65%5182带材保温3小时后硬度随温度变化关系，图5b分别为变形量80%5182带材硬度同时间的关系。从图5可以知道，硬度值在恒温下，先下降后平稳，基本趋于一致。回复引起的硬度下降拟合为：所以，-11.42+0.07729T+0.00055T2图5a 硬度与温度关系图 图5b硬度与时间关系图Fig.5a Relations of micro-hardness Fig.5b Relations of micro-hardness and temperature and time表3 各种工艺下板材涂层的性能Table3 Properties of belts at different process after coatingCoating belts of 5182Tensile strength (MPa)Yield strength (MPa)ProcessBefore coatingAfter coatingBefore coatingAfter coatingAnnealing Process405-410360-360355-355285-290Process without Annealing445380395315Semi-annealing Process415-420365-370370-375310-315综上所述，完全退火工艺中，热轧态板材经过冷轧其最终的性能决定于两个工序，他们是烘烤前的变形量和烘烤的工艺参数，而工艺参数中影响最大的就是温度。因而合金最终的性能是两者的代数和。 为最终板材的强度，为热轧态板材的强度，为比例系数，为变形量，为烘烤中板材的强度下降值。根据变形量，先求出对应的维氏硬度，通过换算， 其中K经查手册10知，铝2.7；硬铝3.6。根据完全退火的材料的实验数据，取K=3.0。抗拉强度计算和测试结果如表4所示。可以看出，其吻合较好。表4 涂层后力学性能对比(含涂层厚度)Table 4 Mechanical property comparision after coatingProcessTheory value of Tensile Strength of cold-rolled belts (HV)Theory value of Tensile Strength of cold-rolled belts (MPa)Theory value of Tensile Strength of belts after coating (MPa)Measure value of Tensile Strength of belts after coating (MPa)Annealing Process143428.73378.70360Process without Annealing137411.43367.11380Semi-annealing Process147440.05370.29370 根据以上结论，供某用户5182H19罐盖产品的生产中，铸造和热轧工艺同前，未作变动。冷轧工艺采用2503h退火工艺，涂层后含涂层的抗拉强度370MPa，屈服强度315MPa，伸长率6.5-7.0%，达到了用户要求。3 应用情况5182合金2503h退火工艺应用于国内某品牌罐盖拉环料的生产，取得良好效果，前该工艺已年产罐盖拉环料数千吨。4 结论1）中间不退火工艺的板材，从耐烘烤性能来说，完全满足用户的要求，力学性能已达到国外水平。但生产上直接轧制难度较大，增加了一道次；2） 5182合金采用2503h半退火工艺的板带材，相对于完全退火工艺下的板材，涂层的强度提高10-15MPa，延伸率有小幅度的升高。目前该工艺已年产罐盖拉环料数千吨；3）工艺对于板材性能的影响，主要有烘烤前的变形量和烘烤的工艺参数，而工艺参数中影响最大的就是温度。参考文献1 曾苏民我国铝加工业发展趋势J中国有色金属学报，2004，14(s1)：179-181Zeng Su-min. Develop Trend of Aluminum Fabrication Industriy2 Liu J，Kolak M. A new paradigm in the design of Al alloys aerospace application J. Mater. Sci. Forum, 2000，331-337：127-140.3 黄兰萍，郑子樵，李世晨等铝锂合金的研究与应用J材料导报，2002，16(5)：20-22.4 唐明军，吉泽