3XXX鋁合金帶材退火后力學性能控制

張飛飛，楊 川

（鄒平 中國）

鋁合金裝飾帶材的狀態(tài)和力學性能的控制主要由退火決定。將冷變形鋁及鋁合金加熱，會發(fā)生回復與再結(jié)晶過程。其驅(qū)動力是冷變形儲能，即冷變形后金屬的自由能增量。冷變形儲能的結(jié)構(gòu)形式是晶格畸變和各種晶格缺陷，如點缺陷、位錯、亞晶界等。加熱時晶格畸變將恢復，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。“退火”就是將工件加熱到某一相應溫度后，保溫一定時間，并以緩慢速度冷卻的一種工藝。

根據(jù)具體目的的不同，退火分為去應力退火、再結(jié)晶退火和均勻退火等。在退火溫度低、退火時間短時，冷變形金屬發(fā)生的主要過程為回復。回復過程的本質(zhì)是點缺陷運動和位錯運動機制重新組織，在精細結(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間延長，亞晶尺寸逐漸增大，位錯纏結(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)力學性能

2 箱式退火爐設備組成及性能

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)簡單、使用可靠、配置靈活、投資少等特點。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臺循環(huán)風機強制爐內(nèi)熱風循環(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強制循環(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)風機每臺一區(qū)，通過強制循環(huán)及分布均勻的風道、噴吹口、導流風板實現(xiàn)了爐溫的均勻分布，負壓風機的功用可利用風機造成的內(nèi)外環(huán)境的壓力差實現(xiàn)有效排氣的效果。吹洗風機加深了負壓風機的作用，可額外實現(xiàn)爐氣的更換排放，達到洗氣的目的。

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)設置、報警畫面等。總覽畫面可監(jiān)視四臺爐子的重要工藝數(shù)據(jù)，也可分選項進入各爐，查看詳細數(shù)據(jù)并支持相應的設定改動。操作畫面可實現(xiàn)人機交互。參數(shù)設置畫面：設定溫度、爐氣溫度、料卷溫度、循環(huán)風轉(zhuǎn)速、吹洗風機轉(zhuǎn)速、旁冷風機轉(zhuǎn)速相關工藝參數(shù)，也可在運行過程中更改所設置的參數(shù)，用以控制整個運行過程;報警信息：用于記錄設備在工作過程中所發(fā)生的故障，并自動做好記錄，方便過后查找事故原因。

3 不同退火工藝參數(shù)對不同3系合金狀態(tài)的力學性能的影響

按退火時的組織變化，可將其分為回復退火及再結(jié)晶退火。前者一般作為半成品或制品的最終處理，以消除應力或保證材料的強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、保溫時間、冷卻速度及出爐溫度，在開始階段采用全功率進行升溫以獲得細小均勻的晶粒，并持續(xù)排氣將油煙排除爐外。并在一定溫度下進行保溫使整個料卷都均勻獲得需要的產(chǎn)品性能，出爐溫度主要考慮對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)分機速度來控制，爐氣溫度一般比所要達到的金屬溫度高50℃～150℃，循環(huán)風機以最高速度運行，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)所要達到的合金狀態(tài)，先在工藝箱式試驗爐中進行模擬退火試驗，然后再在退火爐中進行生產(chǎn)。金屬溫度高溫點達到保溫溫度后進行時讓低溫點也達到金屬溫度后計保溫時間，金屬溫度對于性能區(qū)間較窄的材料嚴格控制在±5℃以內(nèi)，并且在制定工藝時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 保溫時間

保溫時間一是保證整卷的力學性能均勻，二是充分開發(fā)材料的潛能；保溫時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，保溫時間根據(jù)不同料卷的寬度提高保溫時間，適當提高保溫時間對材料的延伸率有提高，改善材料的彎折性能。

3.4 冷卻速度

當帶材溫度過高時，需要先降到一定溫度再進行出爐，通過旁冷降溫或者通過降低循環(huán)風機轉(zhuǎn)速和加大吹洗風機轉(zhuǎn)速來對爐氣進行降溫。

4 退火過程質(zhì)量關鍵點

退火過程需要注意以下幾點：

（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）熱電偶的準確性，及一爐中熱電偶所插的位置、深度及固定。

（3）循環(huán)風機、吹洗風機轉(zhuǎn)速的設置。

（4）退火爐加熱器以及其他固件的巡檢及維護。

（5）定期對退火爐爐氣均勻性的進行測定。

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 化學成分

3系合金以Mn元素為主要合金元素，為了獲得細小晶粒組織，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)點抑制再結(jié)晶晶粒長大；加入鐵和硅也能細化晶粒，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間的影響。這些都需要各家根據(jù)生產(chǎn)實際進行總結(jié)。

6 結(jié)論

（1）對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）嚴格控制金屬溫度范圍，適當延長保溫時間可以提高斷后伸長率。

（3）對熱軋均勻化處理和控制熱軋帶材厚度也可提高成品力學性能。

（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)工藝對應，保證同批次料卷力學性能一致。