罐用铝材的冶金质量与变形行为研究

1、罐用铝材的冶金质量与变形行为研究 中南工业大学博士学位论文罐用铝材的冶金质量与变形行为研究姓名:傅高升申请学位级别:博士专业:材料加工工程指导教师:钱匡式20000301中南工业大学博士学位论文罐用铝材的冶金质量与变形行为研究摘 要本文选择具有广阔应用前景的压力罐用铝材简称“铝原块”这一高技术新材料为研究对象,针对国产铝材的冶金质量普遍较国外差以及国产化铝原块研究与应用中急待解决的问题,结合巳有的研究基础,从改善和提高铝材的冶金质量这一关键技术人手,比较深入系统地研究丁冶金缺陷的危害及防止对策,尤其对铝熔体净化的基本原理及净化、变质与晶粒细化等铝熔体处理方法之间的内在联系和规律作了较为深入的研

2、究与分析,获得了一种高效的铝熔体处理的新技术途径:在此基础上,深入系统地研究了经不同熔体处理的压力罐用铝材的微观组织结构与力学行为尤其是塑性变形行为,并采用材料的动态热模拟试验技术.较全面、系统和深入地研究了压力罐用铝材的高温塑性变形行为,获得了一些具有重要理论和实用意义的规律和数学模型。随后优化出该材料的实际热轧、冷轧工艺及再结晶退火工艺规范。由此获得了新一代铝原块生产制造的新技术。并解决了铝原块用料低品化及罐体薄壁化的难题。试验中采用现代的分析与测试手段,如、以及力学性能测试、回归分析、极图和分析等,深入系统地研究了高效铝熔体处理净化、变质及晶粒细化的原理以及罐用铝材高温塑性变形中的流变应

3、力、应变、应变速率和温度相关性,动态回复与动态再结晶行为、退火软化行为,探讨和总结出罐用铝材的冶金质量、微观组织与塑性变形行为及其相互关系的本质和规律,并总结出有效控制铝材冶金质量与变形行为的技术工艺措施,具有重要的理论意义和实际应用价值。/主要研究结果如下:.铝熔体中夹杂物:与气体氢之间存在着相互依存和作用关系,这种相互作用可用“寄生机制”观点加以描述,其作用的结果将直接影响到铝熔体净化效果的改善和提高。铝液净化时应以“排杂为主、除气为辅,排杂是除气的基础”为原则。这是研制开发更为有效的铝液净化技术的关键。.铝熔体的净化、杂质相变质及晶粒细化三种处理方法存在着内在联系和相互作用。净化是铝熔体

4、处理的基础和关键。或者说,净化是变质和细化的基础。据此,研究获得了一种高效的铝熔体处理的新技术途径,即高效熔剂过滤净化与高效的变质和晶粒细化的综合处理技术,显著提高了铝材的冶金质量;同时还相应地开发出高效的净化熔剂一和变质添加剂,优化出高效的晶粒细化剂:此外,还详细分析了高效铝熔体处理的作用机理。.压力罐用铝材中的主要冶金缺陷为夹杂物、气孔及富杂质相;高效熔体处理显著改善了材料的冶金缺陷的存在形态,使含杂量明显减少、夹杂物尺寸变细小且分布均匀。富杂质相变为细小、分布均匀的团球状或短棒状的复杂化合物,同时也明显细化了结晶组织:此外,由于高效熔体处理有效地减少了材料中裂纹萌生源数量,因而改变了材料

5、的塑性变形微观过程及断裂方式,主要以单滑移和交滑移进行塑性变形,断裂方式为穿晶微孔聚集型,韧性断裂前产生了大量的均匀变形。不易出现变形失稳,从而显著提高了罐用铝材的塑变能力和力学性能。这充分表明了高效熔体处理技术的有效性、先进性,也进一步证明了冶金质量的改善对提高铝材力学性能、尤其是塑性变形性能的关键作用。高温拉伸和压缩试验还表明,该材料的合适热加工温度为。.压力罐用铝材高温塑性变形时存在稳态流变特征,稳态流变应力与应变速率之间满足博高升摘要包含热激活参数激活能及温度的项的双曲正弦函数关系。稳态流变应力主要由相应的温度补偿应变速率的?参数值决定。与未处理相比。高效熔体处理后可明显降低罐用铝材的

6、热变形激活能,有利于材料的热加工变形。稳态流变阶段的热形变组织亚结构或动态再结晶组织特征主要取决于值,即平均亚晶尺寸或平均再结晶晶粒尺寸的倒数与值的自然对数之问满足线性关系,从而为热形变组织和性能的预测和控制提供了依据。此外,热压缩变形时的主要软化机理为动态回复和动态再结晶,动态回复受热激活的位错速率机理控制,以下时主要的动态回复机理为螺位错的交滑移,左右时回复软化主要由位错的攀移和位错脱缠钉提供,当温度在以上时,软化机理开始转变为动态再结晶,但动态再结晶的发生还必须满足一定的临界条件。的分析表明,动态再结晶的形核机理主要为亚晶聚合长大,夹杂物或富杂质相等也对形核行为产生明显影响。.压力罐用铝

7、材高温平面应变压缩的热轧模拟试验结果表明,该材料存在着“多机理”的再结晶晶粒累积细化效应。在合适的变形温度下,采用少道次较大变形量。并使变形道次间隔时间缩短,其累积细化效果最好,总压缩变形量以%为宜。这一结果为实际热加工生产提供了更直接、可靠的依据。.经高效熔体处理的压力罐用铝材。其合适的热轧温度为左右、总热轧变形量为%,冷轧变形量为.%,冷轧后板材的最优退火工艺规范为:退火温度保温小时后空冷。在此条件下获得的铝原块材料。其硬度适中,晶粒组织细小、分布均匀,力学性能化等研究目标是可以实现的。同时,结果还表明。铝材内在的冶金质量直接影响到其热轧、冷轧板材的性能、尤其是力学性能的各向异性、以及产生

8、织构的倾向,同时也对其退火软化行为产生重要影响,必须采取有效措施消除各种冶金缺陷的有害作用。分析表明,压力罐用铝材再结晶退火软化时的再结晶形核机理主要为亚晶聚合,与动态再结晶形核机理基本相同。.采用较低品位的工业纯铝.为原材料,并利用以上研究的铝原块生产制造技术而获得的新一代铝原块材料,经过多次制罐生产试验充分证明,该材料完全可以满足高速挤压罐体薄壁化的难题,使得本研究成果直接转化为生产力,提高了国产铝原块的市场竞争力,具有较明显的社会经济效益。研究结果对其它相关的高技术产品的研究开发也具有一定的意义。、/ 、/、/ 、/ 、/关键词压力罐,喷雾罐,罐用铝材,冶金质量,铝熔体处理,铝液净化,变

9、质,晶粒细化,微观组织。力学性能,塑性变形行为,流变应力,动态回复。动态再结晶,退火软化行为,高速挤压福建省自然科学基金资助项基福建省科委资助项目一一中南工业大学博士学位论文罐用铝材的冶金质量与变形行为研究?“”, , . ,.,?., ?,. . , .。 .,? . ?,?口.,。 ?. 。,。,。,.。. 。,.:. ”. .“.,“”., , .。. , . .傅高升摘要 一., . ,.,?, ? ,/ ., ., .?, 。 ,.?。. ?. .。., ? . ?“? ”. ,.,. .?, . ?., . , . . . . 中南工业大学博士学位论文罐用铝材的冶金质量与变形行为研

10、究 “?” , , .%.?.?. %? :.%. .:, ,。., ,.?。,., ., .,. 。.,. . . . ?.; ; ;:;:; ; ;:.罐用铝材的冶金质量与变形行为研究中南工业大学博士学位论文言前铝是一种较年轻的金属材料.世纪初才开始工业性应用。第二次世界大战期间,铝材主要用于制造军用飞机。大战之后,军事工业对铝材的需要量减少。铅工业界着手开发民用铝合金,使其应用范围出航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、电力和电子工业、机械制造和石油化工等国民经济各部门以及人们的日常生活中。随着科技的发展及高技术的开发与应用,铝材的应用更加广泛。其用量之多,范围之广,仅次于钢铁,

11、是第二大金属材料,年世界原铝消费量达万吨【】,尤其是近年来航空、航天、军工用新型铝材及罐料、版基、铝箔、建筑铝型材等民用品的研制与开发,为铝材的应用开拓了十分广阔的市场。在铝材应用发展的同时,对其质量也提出了更高的要求。我国每年需要大量的高质量的铝板带材用于制造飞机、航空发动机、汽车等的各种冲压件、壳体件及民用的易拉罐、喷雾罐、防盗盖等制品。然面,由于我国生产的铝板带材的质量、尤其是内在冶金质量不高,铝材中的夹杂物等、气体氢、杂质元索、等含量普遍较国外高【】。使得我国生产的铝板带材的强度、塑性.尤其是变形能力不高且不稳定。制耳率也偏高:同时对于铝板材的塑性变形特点、变形机理等也缺乏系统的理论研

12、究,使得实际生产中缺乏可靠的理论指导,难以有效地控制铝材的质量和性能。因而每年仅进深冲用铝及其合金板带材就达八亿多美元,其中罐用铝材主要靠进口,年均耗外汇约亿美元”。随着我国经济的发展和人民生活水平的不断提高,对罐用铝材的需求量在不断增加。因此研制和生产优质的国产罐用铝材以取代进口已迫在眉睫。压力罐用铝材简称“铝原块”是近些年国外为适应市场对罐装剂如液体发胶、香水、杀虫剂等的需求而研究开发的一种新材料,是一种适于全自动单体铝质喷雾罐高速挤压成形生产线上使用的坯料,必须具有罐体成型时无缺陷、收颈不皱、卷边不裂等特殊变形性能,且罐体还须承受一定的变形压力和爆破压力】。因而对该材料的组织和性能提出了

13、极严格的要求,其金体割裂程度小:同时还必须具有内在纯净度高即杂、气少、晶粒组织细小均匀、低的平面各向异性无织构及合适的硬度等特点,是一种高技术材料,其制造工艺较复杂。生产难度较大,过国家,如德国、挪威、加拿大、美国、日本、法国等可生产。铝原块的国产化成为我国急待解决的难题。从年月份起。国内已先后有五个省的十多个科研和生产单位进行了国产铝原块试了压力罐用铝原块国产化,创造了较好的社会和经济效益。获年度福建省发明金奖,年度福建省科技进步二等奖。并被原国家科委选人年度国家级科技成果重点推广项目编号工?。现巳投入工业化生产。据最新的文献检索?.目前尚未见到国内其它研究者对该材料的成功研究与应用报道。适

14、应进口高速挤压机生产的国产化铝原块研制成功是一个突破,但如何保持其质量的稳定和性能的进一步提高。加速其推广应用进程,占有更大的市场,仍是一项艰巨的任务,仍有很多问题尚待进一步研究解决。归纳起来主要有以下四个方面:铝原块国产化研制成功的关键之一在于重视对铝熔炼过程中的熔体处理。尤其是净化傅高升前言处理。改善铝材的冶金质量。但对于铝熔体处理净化、杂质相变质及结晶组织细化的有关原理及其处理效果等,还缺乏系统的探讨,使得实际生产控制缺乏理论指导,影响到铝原块性能的稳定和提高。因此如何完善目前的铝熔体处理的有关理论,并由此寻找出更为有效的处理技术,进一步提高铝材冶金质量这一关键,仍需作深入的研究。铝原块

15、生产过程中另一个重要工序就是塑性变形加工轧制等,但对其塑性变形的特点及规律等的研究报道很少,更缺乏系统的研究与分析。使得实际变形加工也缺乏理论指导,尤其在热加工工艺规范的制定中科学蔽据不足、经验性成分较多,直接影响到铝原块的质量及最终产品罐体性能的稳定,急待今后深入研究。由于目前国产化的铝原块生产尚须选择高于特一级铝的工业高纯铝为原材料,既增加了成本,叉限制了选材范围;并且国产原铝锭的冶金质量酱遍较国外差,在一定程度上制约了国产铝原块的生产及推广应用。为了充分利用原材料、拓宽铝原块生产的选材范围,并降低成化。这对于采用较低质铝来生产其它一些高技术产品,也具有普遍的意义和应用价值。为了进一步降低

16、成本。并节省资源,近年来国外制罐厂首先从降低材料的消耗上入手,千方百计减轻罐体的重量,即减薄罐壁厚度。壁厚越薄。制造就越困难。此时如何保证罐体的主要技术指标,如成形合格率、收颈卷边合格率、变形压力和爆破压力的稳定和提高至关重要。要实现铝原块用料低品化及罐体薄壁化等目标,确保生产出高质量的铝原块,其研制的关键之一仍在进一步改善和提高铝材的冶金质量,从而提高材料的强度、塑性,尤其是鳗性变形性能;与此同时。还必须重视研究铝原块的冶金质量与微观组织结构、力学行为之间的联系和规律。尤其应对该材料的塑性变形行为作深入系统的研究,以便为可靠和合理地制定并优化压力罐用铝材的实际冷、热加工工艺制度等提供实验依据

17、和理论指导,以充分发挥液、固态处理的作用.迸一步提高材质的综合力学性能。由此可见,将铝材冶金质量与其塑性变形行为两方面结合起来进行综合研究,可望充分发挥材料的性能潜力、促进以上问题的解决,并可能对其它各种高技术新材料的研制开发有所助益。针对以上情况,本研究将面向经济建设主战场,选择具有广阔应用前景的压力罐用铝材为研究对象。结合前期的研究基础。从改善和提高铝材冶金质量这一关键技术入手,深入研究不性能。解决铝原块甩辩低晶化积罐俸薄壁化难题。加速铝原块的国产化进程。本研究得到了福建省科委重点资助和福建省自然科学基金资助。压力罐生产技术是综合性的技术。涉及到铝原块材料生产。罐体的高速挤压成形以及内部喷

18、涂、表面装饰、印刷等方面。其中铝原块材料的生产尤为重要,必须从材料的化学组成、铝熔体处理、轧制工艺、再结晶退火等多方面进行综合考虑,深入研究各种冶金缺陷的危害和防止对策,尤其应加强铝熔体处理技术及其原理的研究,强化排杂除气的措施,消除主要杂质元素、的危害,细化晶粒组织等.从根本上消除影响材料强度、塑性,尤其是塑性变形性能充分发挥的主要冶金缺陷;进而深入系统地研究铝原块的塑性变形行为特点及进步提高其强度、塑性的工艺措施,使得液态处理与固态处理有机地结合起来,才可保证最终获得较为理想的铝原块材料的组织和性能,满足制罐技术对铝原块材料的高要求。本研究目标的实现,将开发出新一代的铝原块材料。并为铝原块

19、材料质景的稳定化,进一步降低成本、节省资源耗费等作出贡献,提高该产品的市场竞争力,为我国喷雾铝质包装业的用铝材国产化研究以及其它高技术产品的研制开发等也将具有重要的指导作用和应用价值。?中南工业大学博士学位论文罐甩铝材的冶金质量与变形行为研究论第一章概言引铝及其合金的研究与开发包括传统铝合金的“改型”和“挖潜”、粉末冶金铝合金及铝基复合材料三大方面;由于受生产工艺和成本等因索的制约,目前大部分的开发研究仍在传统铝合金方面,尤其是铝合金的“挖潜”。在这方面。长期以来主要是研究固态处理,如合金化、改善热处理制度和状态、形变强化、弥散沉淀强化等,以改变材料的微观组织结构.提高材料的性能,并已取得了明

20、显效果。推动了传统铝合金的开发应用。但是,随着日新月异的高技术的发展,对铝及其台金制品的质量和性能的要求在不断提高,仅靠固态处理已难以满足要求,难以充分挖掘材料的性能潜力。实际上,由于铝锭等原材料不可避免地存在着氧化夹杂物、气体、杂质元素等缺陷,熔炼过程中又极易氧化与吸气.使得铝熔体的冶金质量不高,即先天不足,从而直接影响到产品的最终质量和加工使用性能,同时也将对固态强韧化等处理产生不良影响,湮设了固态处理的作用。因此,铝合金的“挖潜”净化、变质等处理.千方百计降低含杂量、含气量,最大限度地削弱消除杂质元素的有害影响,以便提高铝材的纯净度和连续性。改善铝材的冶金质萤,在此基础上,进一步研究材料

21、的组织结构与力学性能之间的联系与规律,以及提高其性能的途径,充分发掘材料的性能潜力。换句话说,必须将液态与固态处理有机结合起来进行研究。以下将从罐用铝材的研究发展现状及存在的主要问题;提高铝材冶金质量的重要性及主要途径:铝熔体处理技术的研究现状;材料的塑性变形行为研究的重要性及主要研究内容、基础理论等四大方面进行分析讨论。在此基础上提出本论文研究的主要目的意义、研究内容、研究的主要技术工艺路线及其创新性。.罐用铝材的研究现状及存在的问题.县拉罐用铝材.国内外的发展概况由于铝合金具有重量轻、强度高、耐腐蚀、热传导性好、易加工成形、无味、能回收再利用、不污染环境、装璜美观等一系列优点,全铝易拉罐自

22、投放市场以来,深受人们的欢迎。在美国、场上已占据绝对优势地位,用量猛增,并巳进入非碳酸饮料及食品罐头领域。据报道,年全球共消耗铝易拉罐超过亿个,用材万吨左右;预计年将增加到亿个,罐材用量将达万吨口谭。这种发展趋势,为铝罐板材的生产创造了良好的机遇,促进了易拉罐材新技术的研究和开发。易拉罐用铝板材已是工业发达国家铝板带行业的主导产品。罐材的生产又是高精技术,随着制罐技术的进步,罐材厚度正朝着越来越薄的方向变化,质量要求也越来越严格。年代罐板厚度.,年代为.。年代减到.,年代减少到.。将来可能减少到.。国外另一发展方向是研制罐身、罐盖和拉环通用的铝合金,并已开发出和两种台金.。在我国.全铝易拉罐生

23、产始于年代中期,是近十余年来崛起的新兴行业。易拉罐生产傅高升第一章概论线的引进,给我国包装行业及相关部门注入了新的活力。截止年,我国引进的易拉罐生产线已达条,若全部达产,可年产亿只易拉罐,年需铝材.万吨,市场潜力巨大 】。年达万吨,年达万吨,年平均递增率为.%【】。.易拉罐用铝材的生产特点及性能要求铝质易拉罐生产目前采用三种不同的铝合金板材,罐体采用铝合金特薄板带,罐盖用不同厚度的铝合金,拉环用铝合金【。制罐生产技术是综合性的技术,涉及到熔炼铸造、压力加工、热处理、化学氧化处理、表面装饰、内部喷涂等等技术。对罐体铝材,从制罐角度考虑。其最大特点是在冷轧状态下,经拉深、深冲减薄壁厚法成形的,因而

24、对罐材的生产和质量提出了严格的要求,材质必须具有优良的深冲变形性能延伸率%,制耳率%,其理想的组织应具有无织构、晶粒组织细小且等轴均匀、过剩相质点不沿压延方向排列等;若从用罐角度考虑,要求其具有很高的强度如, ,罐身轴向承压强度.,罐底耐压强度;从节约材料、降低成本角度考虑,要求其具有尽可能薄的厚度和很低的制耳率“。但由于强度、深冲性、厚薄等之间是相互矛盾、相互制约的。如何协调以满足制罐、用罐要求,正是问题的关键和难点。要获得理想的组织和性能的配合,就描须从材料的化学成分选择、熔炼过程尤其是熔体处理、铸造组织、铸造方法、铸锭均匀化、板坯热轧及冷轧、中间退火等整个生产过程进行严格的控制。首先应严

25、格控制化学成分。尤其是杂质元素、等含量及相对量/比值,以便提高罐体的抗压强度,并防止割罐中翻口裂痕等缺陷的产生;其次应严格控制熔炼过程,尤其是应进行有效的熔体处理,尽可能降低铝中的夹杂物含量、氢含量等,并细化铸造组织,以利于其加工变形和立方织构的形成,消除这些冶金缺陷的危害;同时应在铸造方法、铸锭均匀化处理、中间退火等方面进行改进,尽可能降低制耳率;在板坯热轧及冷轧等工艺方面也应严格控制。.研究应用中存在的主要问题目前我国在易拉罐材生产中存在两个主要问题:一是轧制设备及工艺较落后,二是材质的纯净度低。内部组织差。近年来研究的注意力在前者,而忽视了系统研究提高铝材内在纯净度、改善铸造组织等;在罐

26、体铝材研究中,主要偏重于在固态下的各种处理包括某些关键性能指标深冲变形性能、剃耳率等难以满足要求,不为厂家所用,制罐棱材主要仍靠进口,市场长期被美、日、法等厂商占领【”。由于易拉罐铝板材在强度、深冲性、厚薄等方面均有很高要求,而它们又相互矛盾、相互制约。所以,生产优质的制罐铝板材的难度很大,目前只有美、日、德、加、澳等发达国家能生产优质的铝合金制罐板材“。能否生产出高性能的特薄铝材常被作为衡量一个国家铝加工水平的重要标志之一。为了适应国内引进的制罐线用铝材的需求,解决其国产化问题,国家曾将生产易拉罐用铝材列入“七?五”重点攻关课题【”拉罐用铝材生产厂家仅有东北轻合金加工厂和西南铝加工厂“?“,

27、且产品仍很少。尽管一些主要性能如强度、罐底耐压等可达到要求,但国产铝材的内在质量。尤其是冶金质量仍有待提高,深冲性延伸率、制耳率等与国外相比还有一定差距。且制罐成品率低,缺乏市场竞争中南工业大学博士学位论文罐用铝材的冶金质量与变形行为研究力【”,尤其是降低制耳率问题仍是目前铝板材生产赶超世界先进水平的困难之一。国产铝材迄今还无法取代进口铝材,其国产化问题迫在眉睫。.压力罐喷雾罐用铝材?铝原块.发展概况喷雾剂或称气雾剂是一种使用简单、品种繁多的日常生活用品,如摩丝、液体发胶、杀虫剂、香水、除臭剂、油漆以及贮气灭火器等等。喷雾剂的设想来自美国,起初用于盛装气雾荆的金属容器材料是马口铁,直至年代。它

28、仍是用于制造气雾剂罐的唯一原材料“。年代中期,遇到了马口铁材料短缺问题,导致包装工业开发了一种新产品一铝质喷雾剂罐,它是由单片铝块一次挤压成形后缩颈卷边成整体气雾剂罐的“”。年代初,随着世界经济的振兴。铝罐作为一种诱人的高质量包装已被市场接受,制罐的自动化程度不断提高。年代制罐速度仅罐/分,年代中期开始,为适应对罐装剂市场需求,国外发展了喷雾罐高速挤压成形新技术,将制罐速度提高到罐/分;到了年代,国外巳出现了罐/分的全自动生产线【,”。随着人们生活水平的提高和生活方式的改变,喷雾剂产量猛增,仅在亚州地区,年就已达到十几亿只的年产量“?。年,欧洲共生产了亿个喷雾罐。其中铝制的罐为.亿个,占%。用

29、铝约.万吨,与年相比,多生产了万个,增长率为%。铝喷雾罐最大的消费国是德国和英国,各占欧洲总消费量的%。其次是法国,为%。随着年欧洲经济的复苏,铝工业界对铝喷雾罐市场充满信心,预计年消费量可能达到亿个【?。从八十年代后期开始。随着我国经济的发展,喷雾制品受到人们的青睐。因此铝罐的生产在我国也获得了很大发展,在中山、汕头、上海、扬州、南京、顺德等地先后引进了十余条具有年代末世界先进水平的铝质喷雾罐高速挤压成形生产线,年的年产量巳达到亿只罐。其产品不仅在国内广泛销售,且还向香港和日本等地区和国家出口,但与世界其它工业国家相比较,我国人均拥有喷雾剂产品的数量仍较低.不及发达国家的几十分之一 .”,表

30、明了喷雾剂罐在我国具有广阔的发展前景,市场潜力巨大。.压力罐的生产特点及对铝原块的质量要求单体铝质压力罐的主要生产过程为:制作铝坯料铝块一将铝块进行反挤压一次成形罐体一切边修整一清洗、脱脂一内部涂漆、底漆一外部涂漆及印刷一拱底、收颈和卷边一检验、包装。为了生产出优质的铝罐。必须要有高质量的铅坯料,即铝原块,以适应高速挤压成形新技术对材料的高要求。在高速自动生产线上制罐,从单个铝原块进入型腔至罐体出口是封闭式的生产。速度相当快.每分钟约挤压罐,金属在挤压过程中的流动速度约达到/。并且要求挤压成形后的罐体无缺陷夹杂、气孔等、在内外涂漆彩印后进行的缩口即收颈不皱、收颈后卷边向外翻边约不裂的特殊变形性

31、能。即材料须经三次加工硬化而不破坏,同时还要求成形后的铝罐应能承受一定的变形压力.和爆破压力.】。因而对制罐用的铝原块质量提出了极严格的要求。材质应具有优异的塑性成形性能,低的平面各向异性、制耳率以及合适的硬度±和细晶粒组织晶粒数/等【“。由此可见,铝质压力罐用原块的生产技术是一项高技术,对其组织和强度、塑性尤其是塑性的要求极高。加工生产的难度较大。. 国内的研究现状及存在的问题傅高升 第一章概论据统计,我国每条生产线年消耗制罐铝块坯料约吨,全部达产,每年共需铝材约三万吨。过去,这种罐用铝材国内还无法生产,为了维持高速挤压生产线的正常生产,只好花费大量外汇折合人民币约亿元/年,从西德

32、、加拿大等国家进口铝原块。同时也制约了国内铝罐装制品的生产,铝原块的国产化已成为我国急待解决的难题。为了解决铝原块国产化问题,国内先后有十余家单位对制罐铝坯料这一新技术产品进行研制开发,但均未获得满意效果】。年底,经原国家科委有关领导介绍。由福州大学康积行教授为首的课题组对此立项,并得到福建省科委的重点资助,于年月成功地研制出国产化的压力罐用铝原块,通过省级技术鉴定、属国内首创,达国际先进水平【”,现已投入工业化生产。结束铝原块全部依赖进口的被动局面,成果获福建省发明金奖和福建省科技进步二等奖,年度中国轻工业优秀新产品一等奖等,并被国家科委选入年度国家级成果重点推广计划工?,已取得了显著的社会

33、和经济效益。适应进口高速挤压机生产的铝原块研制成功是一个突破,但国内生产的铝原块质量尚需进一步稳定和提高,才可占领更大的市场,最终全部取代进口产品。因此。在铝原块转入工业化生产后如何保持质量的稳定和提高,仍是一项艰巨的任务。仍有很多问题需要进一步研究解决,如成品率的提高、铝原块材质的塑性变形行为,尤其是高速率下成型时的塑变行为、塑变机理、铝原块的冶金质量如何进一步改善提高等等。这些问题都直接影响到产品质量的稳定和技术的推广应用,急待深入系统的研究和探索,以便加快国产化的步伐。同时,由于目前国产化的铝原块生产所用的主要原材料须选择高品位的工业高纯铝,成本较高。且我国的原铝锭品位及冶金质量普遍也较

34、国外低,尤其是杂质、含量偏高,从而在一定程度上制约了铝原块的生产应用。因此.为了降低成本及有利于原材料的充分利用,研究采用较低品位铝锭来生产铝原块的技术就显得格外重要。目前。国外已有些制罐厂可使用纯度较低.%的铝锭来生产铝原块【”解决铝原块国产化保证其质量稳定的同时,为了进一步占领市场.并充分利用国产工业纯铝,必须攻克铝质压力罐原块用料低品化这一难关。此外。在当今竞争的时代,为了进一步降低成本。节约资源。人们对如何降低与罐体生产有关的费用进行了许多探索。如提高成品率、减小罐体修整切边量、降低制造罐体所用的原材料的重量等。其中降低罐体自身重量,即减薄壁厚,近年来已引起国外的重视。在罐体壁厚减薄后

35、,不能影响到成品罐的强度性能.也不能影响生产过程中的安全和成形质量。如果壁厚太薄,在进行收颈卷边操作时,容易形成皱纹和开裂等缺陷.因此。在罐体收颈卷边区域的壁厚。不仅要考虑到满足成品罐的内部压力要求,而且还要考虑到收颈加工的可能性;在收颈区域之外的罐壁厚度.则可由变形和爆破压力的要求确定。因此为了顺利实现薄壁化的目标,国外有人提出了制造一种可变化壁厚的罐体的设想【”,据报道。国外已有个别制罐厂研制出变壁厚的罐体【”。这些发展趋势值得我们重视。.铝原缺材料研究中的关键技术分析铝原块要保证经得起在进口的高速挤压机上成型的特殊要求,其关键在于需从多方面提高铝原块材质的变形能力,尤其应从冶金质量上增强

36、铝原块材质的变形能力,提高其成形质量及成品率;同时又要恰当地控制其强度性能,以保证成型后的铝罐具有承受一定的变形压力和爆破压力等强度要求。因此。如何控制好铝原块获得理想的组织结构和性能。使其在成形罐体时既具有高的变形罐用韬材的冶金质量与变形行为研究中南工业大学博士学位论文能力,又具有一定的强度,是该项研究需要解决的关键。影响罐体质量和性能的因素很多,但主要是铝原块本身的质量和挤压工艺两大方面。对于挤压工艺,如坯料温度、模具质量、挤压速度、润滑条件等.这些通常由制罐厂家考虑和确定。但其中有些与铝原块质量也有关,如润滑情况的好坏与铝原块对润滑粉剂的附着能力有关,因此铝原块坯料需经均匀地粗糙化抄毛处

37、理,形成众多的凹坑麻点以保证制罐时能在原块表面形成一层均匀的润滑剂薄膜,使冲出的罐体具有良好的表面,并可延长模具寿命,因此铝原块生产中还需进行表面处理。对于铝原块本身的质量和性能,其影响因索很多,如合金成分、杂质含量、合金纯净度、铸造组织晶粒大小、热轧和冷轧工艺、再结晶退火工艺等。具体地说,要获得合格的铝原块材料,保证其具有好的变形能力,可从以下五个方面进行综合考虑:度和塑韧性;应采取高效的铝液净化技术,尽可能将杂、气减少到最低限度,保证铝材的纯净度;应采取有效的变质处理、晶粒细化处理等技术,保证获得理想的变形组织:应控制好恰当的铸造和轧制加工工艺规范,保证获得合适的加工组织和性能;应采取最佳

38、的再结晶退火工艺,保证成品铝块最终获得理想的细晶粒组织与性能的各向同性无织构。由于铝原块要求具有极好的塑变能力和一定的强度,因此。研究材质的化学成分合金化、轧制工艺、再结晶退火工艺等因索对其塑变行为及强韧化的影响及其规律固然很重要,但已显不足,难以进一步挖掘材质的性能潜力。对于此类高技术产品。其内在的冶金缺陷对强度和塑韧性的影响已显得很突出了。因此必须加强对铝熔体的处理,强化排杂除气措施、变质杂质相、细化晶粒组织,才可从根本上消除影响材料塑变能力及强韧性充分发挥的主要因素。过去,铝原块的国产化问题未能锵决的一个关键制约因素。就在于忽视了有效改善铝材的冶金质量、提高其纯净度,使得材质的变形性能等

39、未能充分发挥,对此已有专门论述【在加强铝熔体净化等处理的同时,对熔体处理净化、变质和细化的机理、以及该材质的塑性变形行为及规律进行深入系统的研究显得更为重要,这样才能为合理地制定冷、热加工工艺制度、有效地控制产品的组织与性能提供可靠的理论依据和实际指导。.小 结以上分析讨论了易拉罐用铝材和压力罐用铝材的发展概况、国内外的研究现状及存在的主要问题。可以看出,制约罐用铝材国产化的关键限制因素在于国产铝材的冶金质量普遍较国外差,直接影响到材质在高速率下的变形性能等的充分发挥。对此过去常为人们所忽视。.提高罐用铝材冶金质量的重要性及主要途径随着铝及其合金制品应用范围的不断扩展,尤其是向高技术领域的扩展

40、,以前认为对质量和性能危害不是很突出的一些冶金缺陷,如夹杂物等、氢、杂质元素等的危害性在新产品中就不断地显露出来,有时哪怕百万分之几的夹杂物也会对材料性能产生决定性影响。因此现在对材料的纯净度要求在不断提高,最大限度地排杂除气已成为铝材冶金质量的主要标志,充分认识铝材中的主要冶金缺陷的存在对其性能、尤其是加工使用性能等的影响,并寻求提高材质冶金质量的有效途径就显得极为重要。.主要冶金缺陷杂、气的危害性分析大量的研究与实践证明,铝中夹杂物、气体、杂质相富相等冶金缺陷的存在,傅高升第一章概论破坏了金属的连续性.常成为材质的断裂源、腐蚀源,对其强度、疲劳抗力、耐蚀性、塑性等均有重大影响,从而直接影响

41、材料的加工成形性和最终使用性能。由于夹杂相常以块状、针片状、汉字状等形态存在,严重割裂基体,且与金属基体有着不同的弹性模量、膨胀系数,在夹杂相的尖角处易出现应力集中.降低了材料的强度和塑性,对疲劳强度和断裂等起着关键作用,尤其是这些杂质相与.基体的硬度差别很大,在加工变形中强烈阻碍了一的正常流动,其自身也易破碎成块,在破碎的夹杂相与间易形成微裂纹和不均匀的变形区。从而显著降低加工制品的塑性和变形能力.在受力状态下首先产生脆断,不但成为材料的断裂源,且加速了材料的破断过程。同时.若、量过多,/比值偏低,铸锭易产生热裂纹和显微缩孔等【?”.且在罐材中会形成?、等脆性相,在挤压、深冲和变薄拉伸、翻边

42、等加工过程中常成为罐体破裂的起点,还】。将明显影响铝材的加工硬化和再结晶软化行为等”.提高罐用铝材冶金质量的重要性以上分析表明,夹杂物、气体和杂质元素等冶金缺陷给罐材加工使用等带来了很大的危害.且难以在随后的处理中消除,使得材料未能充分发挥其固有的性能潜力,湮没了各种固态缺陷对铝材性能的危害性愈显突出,因此寻找有效控制铝熔体冶金质量的途径,对于提高铸锭和轧制件等的质量和性能极为重要,并已逐渐地成为当今各国冶金、铸造及材料工业共同的技术目标。年,中国有色金属加工协会曾召开提高铝铸锭冶金质量的专题讨论会【?,表明了此问题在国内已开始受到重视。.提高罐用铝材冶金质量的主要途径为了有效地控制铝熔体的冶

43、金质量,减少夹杂物等的危害,应对原材料和熔炼过程提出严格的要求,尽可能减少冶金污染源。而更为重要的应是改进传统的熔炼工艺,并研究和应用先进的熔体处理技术。人们知道.熔铸是铝加工材生产的头道工序,若熔铸质量不高,不及时排除各种冶金缺陷,并获得较理想的铸造组织,就可能造成铸锭、板带坯“先天不足”。其后一系列加工工序如轧制、挤压、热处理、表面处理等即使再“精益求精”。也难以消除夹杂、气体等的影响,难以保证铝制品的质量和性能“。因此要充分发挥材质固有的潜力,使其性能达到最佳水平,首先须解决铸锭的生产与质量控制。正如日本早稻田大学年度一项研究报告指出:“所有挤压缺陷绝大部分与铸造的质量有关,特别是挤压材

44、的表面质量等关键取决于铸锭质量,如铸锭质量得不到充分的保证。则其它研究都将毫无意义”。¨由此可见提高铝熔铸技术水平至关重要,它对铝加工材的冶金质量和性能起着决定性的影响作用。可以认为,研究和开发有效的熔体处理技术即净化、变质及晶粒细化等是提高铝熔铸技术水平的关键,是提高铝材冶金质量的重要途径;这已成为冶金材料工作者一个很重要的研究领域。即使是研制新合金,没有合适的熔体处理工艺的保证,也是不能充分发挥新材料应有作用的。因此可以说,研究一种有效的熔体处理技术尤其是净化。与研究一种新材料具有同样重要的意义。液态与固态的处理均是不可忽视的,不可孤立地进行研究。只有加强铝熔体处理技术的研究,才

45、可从根本上消除影响材质性能充分发挥的冶金缺陷,充分发挥各种固态处理应有的作用。.铝熔体处理技术的发展现状目前有关铝及其合金的熔体处理技术的研究已倍受关注。且有较大进展,但也存在一些尚中南工业大学博士学位论文罐用铝材的冶金质量与变形行为研究待解决的问题。铝熔体处理技术,主要包括净化、变质和晶粒细化三大方面,它们各有特点,又相互联系,最终共同影响铝材的冶金质量和性能。.铝熔体净化的理论基础及净化处理技术的发展现状.净化的概念由于许多有色金属及其合金尤其是铝合金在熔炼、浇注过程中均表现出易于吸气、氧化的特性,从而导致液态金属含气和非金属夹杂物。直接影响到材料的内在冶金质量,引起铸坯、锭等产生气孔、夹

46、杂等缺陷,显著降低材料的强度、疲劳抗力、耐腐蚀性、塑性等。甚至会造成产品报废。因此在熔炼、浇注过程中应因地制宜地采取有效的工艺措施,以排除气体和夹杂物,保证产品质量。长期以来,在铝合金等材料的熔炼操作中,向炉内金属熔体通入某种气体氯气、惰性气体等或加入某种氯盐,以去除合金中的气体和夹杂物,这一过程被称为“精炼”.并在生产和教科书中一直沿用至今。由于现代冶金技术的发展,出现了许多新的旨在纯净液态金属的工艺方法,其内容已超出“精炼”一词所包含的意义,为此又引入了“金属净化”的概念?。金属净化,即是指利用一定的物理化学原理和相应的工艺措施,去除液态金属和台金中的气体、夹杂物和有害元素的过程。可见,“

47、净化”比“精炼”包含了更丰富的内容,即不仅包括了传统的炉内精炼过程。也包括了近些年发展起来的炉外在线精炼、过滤过程及在浇注系统中进行的过滤处理等。,.铝熔体被杂气污染的严重性及杂气关系铝及其合金是受杂气污染最为严重的合金之一,这主要由其本身的特性所决定。铝熔体的纯净度主要由溶解的氢和菲金属夹杂所决定。氢是唯一大量溶于铝熔体的气体。氢几乎不溶于固态铝,而在液态铝中的溶解度却很大,并随温度的升高而增大。氢在铝液相及固相中的溶饵度分别为./和./【“,即氢在液固两相的溶解度相差约.倍见图一【”,铝液中正常的氢含量约为./。夹杂一般是指存在于液相线温度以上的任何固相或液相的外生杂质。对于铝合金,常见其

48、是是铝中的主要夹杂物。多年的研究和实践已经确认:铝中的氢主要来源于铝液与水汽的反应。经推算分析得出液中气体分压之比值为:/耳.ד【】,可见即使很微小,平衡的.也可以达到很高值。当时,极微小的.×千空气条件也能与铝液发生反应,说明任何虽经烘干的工具、熔剂等,对铝液均是潮湿的。都会使之吸氢。铝液中的夹杂等除来自炉料外,主要是由于熔化浇注过程中铝与氧反应所形成的。铝表面氧化膜厚约为,接近熔点时增厚到,液面上的氧化膜不仅更厚,而且结构也变了:面向铝液的一侧是致密的,对铝液图?氢在纯铝.%有保护作用。但外侧则是疏松的.内有?的小孔.中的溶解度并被氢、空气、水汽所充满。据测含有%的水

49、汽。如果傅高升第一章概论将液膜搅入铝液内部。不仅使铝液增杂也增气。由此看出。铝受杂气污染是严重的。杂气的存在是不可避免的。自年代以来,人们就发现:铝液中的含氢量受夹杂含量的影响很大。当杂质的含量为.%和.%时,相应的氢含量分别为./和./”。在含氢量相同的条件下。夹杂含量越高,针孔率也越高:同时,即使在低氢浓度时。针孔率仍很高,而且采用一般方法很难除净。相反,当铝液中夹杂含量很低时。含氢也低.即使人为地向铝液通入氢。也会自动脱出,很快恢复到原来的含量。例如在高纯铝中含氢量高达./时,才会出现气孔;而在工业纯铝中含氢仅有./时,就会出现气孔。有人测得:对含.%的铝合金。如果夹杂含量超过.%。铸锭不出现针孔的极限含氢量需降低到./