龐富偉

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

3004鋁合金的主要合金元素是Mn和Mg，屬熱處理不可強(qiáng)化的鋁合金，是具有較好成型性能的中等強(qiáng)度合金[1]。同時(shí)具有耐腐蝕、美觀、重量輕、強(qiáng)度大、容易加工成型、環(huán)?？苫厥绽玫戎T多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)航站樓、飛機(jī)維修庫(kù)、車(chē)站、會(huì)議及展覽中心、體育場(chǎng)館、展示廳、公共服務(wù)建筑、大型購(gòu)物中心、商業(yè)設(shè)施、民用住宅等建筑。早期多用5052 合金鋁帶生產(chǎn)，為了降低建筑成本和提高防腐效果，近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)始采用3004 合金鋁帶替代[2]。

隨著市場(chǎng)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)急需一種要求高強(qiáng)度、折彎性能好的3004鋁合金工程材料，經(jīng)分析，產(chǎn)品狀態(tài)為特殊的H26狀態(tài)?，F(xiàn)實(shí)情況是如果對(duì)于3004鋁合金材料來(lái)說(shuō)，提高材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，延伸率會(huì)有一定的下降，導(dǎo)致折彎性能出現(xiàn)問(wèn)題，這就要求必須尋找到一條合適的工藝路線，在保證材料強(qiáng)度的同時(shí)，保證材料的折彎性能。

本次試驗(yàn)坯料采用單機(jī)架雙卷取熱軋卷生產(chǎn)，通過(guò)對(duì)材料化學(xué)成分、組織、性能等試驗(yàn)指標(biāo)分析，確定成品退火制度，生產(chǎn)出性能穩(wěn)定的工程用3004H26鋁合金帶材，實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，并滿(mǎn)足用戶(hù)的使用要求。

1 材料要求

3004化學(xué)成分見(jiàn)表1；產(chǎn)品成品規(guī)格為1.0mm×1200mm×L。3004H26鋁合金材料目標(biāo)力學(xué)性能要求為，厚度1.0mm，抗拉強(qiáng)度Rm為250MPa～265MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2≥190MPa，延伸率A50≥3%；取垂直軋制方向樣片90°彎曲性能(R=1.5t)，彎曲處無(wú)裂紋。

表1 3004鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 工藝路線

熔鑄鑄造→鋸銑機(jī)鋸頭、銑面→加熱爐均熱→熱軋機(jī)軋至7.0mm→冷軋開(kāi)坯軋至1.7mm→切邊機(jī)切邊→冷軋軋至成品厚度1.0mm→清洗機(jī)清洗切邊→成品退火→拉矯矯直→檢驗(yàn)包裝。

為了保證試驗(yàn)不受熔鑄、熱軋工序的干擾，本試驗(yàn)采用同一爐次的鑄錠生產(chǎn)，采取相同的均熱工藝，熱軋至7.0mm，終軋溫度控制在320℃以上。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 成分選取

試驗(yàn)材料合金成分的選取見(jiàn)表2。由于3004合金中主要合金元素為Mn、Mg，本次試驗(yàn)成份的設(shè)計(jì)主要從改變Mn、Mg含量進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3.2 精整退火工藝試驗(yàn)

由于產(chǎn)品為工程用3004H26，熱軋卷下機(jī)冷卻后，經(jīng)冷軋精整工序直接生產(chǎn)至成品規(guī)格，經(jīng)退火，性能合格后才能出成品。

3.2.1 本文研究的難點(diǎn)

難點(diǎn)一,性能極為特殊?？估瓘?qiáng)度要求250MPa～265MPa，屈服強(qiáng)度≥190MPa，延伸率≥2%，但同時(shí)要保證垂直軋制方向樣片90°彎曲折彎(R=1.5t)無(wú)裂紋。通常來(lái)講，要提高材料的強(qiáng)度，材料的延伸性能會(huì)降低，進(jìn)而導(dǎo)致彎曲性能不好，因此如何找到一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)(既保證材料的力學(xué)性能，又要兼顧材料的彎曲性能)很關(guān)鍵。

難點(diǎn)二,性能可控范圍非常窄。正常情況下，通過(guò)退火工藝來(lái)控制產(chǎn)品性能，抗拉強(qiáng)度的區(qū)間在20MPa～30MPa比較容易控制，但本文要求的產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度只有15MPa的控制區(qū)間，難度很大，控制需要非常精確。

3.2.2 軟化試驗(yàn)

為了掌握材料力學(xué)性能隨溫度而變化的特性，制定出合理的成品退火工藝，在冷軋至1.0mm厚度時(shí)，取樣，進(jìn)行馬弗爐退火試驗(yàn)，選取試驗(yàn)溫度180℃～310℃，每隔10℃進(jìn)行一次試驗(yàn)，保溫1h。出爐后檢測(cè)材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率，從而得到材料的軟化曲線。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 兩種成份試驗(yàn)結(jié)果

按照相同的工藝路線，生產(chǎn)至成品，力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)結(jié)果可以看出，隨著Mn、Mg含量相應(yīng)增加，材料的強(qiáng)度略有上升，但延伸率下降的較厲害，主要原因取決于Mn、Mg元素在3004合金中的作用。

表3 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

(1)Mn是3004鋁合金中非常重要的元素，也是對(duì)整個(gè)合金影響較為復(fù)雜的元素。Mn在合金中主要以固溶體的形式存在，因而具有固溶強(qiáng)化的作用。在半連續(xù)鑄造的鑄錠中，約有1/3的Mn可與Al、Fe形成MnAl6或(FeMn)Al6化合物，當(dāng)Si含量較高時(shí)，也會(huì)形成部分(FeMnSi)Al6四元化合物，這些化合物在凝固過(guò)程中通常沿枝晶邊界析出。另外，在快速凝固過(guò)程中，大量Mn以過(guò)飽和固溶體的形式存在，在均勻化熱處理過(guò)程中，形成了(FeMn)Al6或(FeMnSi)Al6析出相，由于析出相釘扎晶界，阻礙晶界遷移，使得合金的再結(jié)晶溫度得到一定程度的提高。在3004鋁合金中當(dāng)Mn和Fe元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.7Fe%+1.07Mn%=1.77%時(shí)，在烙融態(tài)鋁液完全凝固時(shí)便會(huì)產(chǎn)生十分巨大的初生相(Al，F(xiàn)e，Mn)化合物。然而當(dāng)Fe+Si含量大于0.9%時(shí)，初晶化合物便會(huì)在鋁液凝固產(chǎn)生，使3004鋁合金板材的綜合力學(xué)性能降低。因此，為了不形成粗大的金屬化合物，在鑄造過(guò)程中Fe、Mn、Mg需滿(mǎn)足[4]：Fewt.%+(Mnwt.%×1.07)+(Mgwt.%×0.27)<3.0%。

(2)少量的Mg能顯著細(xì)化該系合金退火后的晶粒，并稍許提高其抗拉強(qiáng)度，但同時(shí)也損害了退火材料的表面光澤；添加0.3%～1.3%Mg，合金強(qiáng)度提高，但延伸率會(huì)降低。

4.2 材料軟化曲線

材料的軟化試驗(yàn)結(jié)果顯示，金屬溫度在210℃～230℃，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率均能滿(mǎn)足目標(biāo)值，但溫度小于215℃后，材料在彎曲試驗(yàn)后彎曲處出現(xiàn)細(xì)裂紋，不能滿(mǎn)足用戶(hù)要求。因此實(shí)際生產(chǎn)控制中，金屬溫度必須控制在215℃～230℃。3004鋁合金的軟化曲線如圖1所示。3004鋁合金帶材軟化退火時(shí)的顯微組織見(jiàn)圖2。

圖1 3004鋁合金軟化曲線圖Fig.1 Softening curve of 3004 aluminum alloy

圖2 3004鋁合金帶材軟化退火時(shí)的顯微組織Fig.2 Microstructure of 3004 aluminum alloy strip during softening and annealing

通過(guò)軟化曲線及顯微組織可以看出，隨著退火溫度的升高，材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸減小，延伸率逐漸變大。此過(guò)程可以分為三個(gè)階段，第一階段為回復(fù)階段(180℃～220℃)，內(nèi)部為細(xì)長(zhǎng)的纖維狀冷軋變形組織，晶內(nèi)位錯(cuò)逐漸遷移，但其內(nèi)部還存在大量位錯(cuò)，此時(shí)強(qiáng)度略有下降，延伸率變化不大，晶內(nèi)位錯(cuò)不斷遷移、調(diào)整和排布，有序排列完成后形成亞晶織構(gòu)，為形核創(chuàng)造了有利條件。第二階段為再結(jié)晶組織和纖維組織共存階段(220℃～290℃)，基體內(nèi)晶核慢慢形成，原細(xì)長(zhǎng)的纖維狀冷軋變形織構(gòu)晶粒正逐漸被新的等軸晶粒替代，形成均勻細(xì)小的再結(jié)晶組織。第三階段為完全再結(jié)晶階段(大于290℃)，纖維組織完全被再結(jié)晶組織替代。

根據(jù)這一試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，退火工藝制定時(shí)采取打熱電偶監(jiān)控料溫的方式進(jìn)行退火，爐氣定溫230℃，料溫大于220℃時(shí)出爐。

5 實(shí)際生產(chǎn)

按照試驗(yàn)得出的結(jié)果，優(yōu)化固化工藝，共生產(chǎn)59批次359.71t產(chǎn)品，力學(xué)性能和彎曲性能均合格。59批次力學(xué)性能范圍為，抗拉強(qiáng)度Rm為252MPa～264MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2為196MPa～210MPa，延伸率A50為8.0%～11.5%；取垂直軋制方向樣片90°彎曲性能(R=1.5t)，彎曲處無(wú)裂紋。

6 結(jié)論

本文在理論研究的基礎(chǔ)上， 確定了需要制備特殊性能工程用3004鋁合金材料的成份，經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)得到驗(yàn)證。金屬溫度控制在215℃～230℃，可以生產(chǎn)出特殊性能要求的工程用3004H26產(chǎn)品。