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5052-H32合金产品生产工艺研究

2016-08-12 16:32 [专家论文] 来源于:有色技术与设备信息网
导读:简要阐述了5052合金稳定化处理的机理,并从冷加工率、退火温度、退火时间几个方面确定了5052-H32产品的生产工艺制度。初步验证了5052合金拉伸应变硬化指数(n值)。...
 5052-H32合金产品生产工艺研究
 李跃民 刘延纲
万基控股集团有限公司 河南省 洛阳市 新安县471800
 
摘要:  简要阐述了5052合金稳定化处理的机理,并从冷加工率、退火温度、退火时间几个方面确定了5052-H32产品的生产工艺制度。初步验证了5052合金拉伸应变硬化指数(n值)。
关键词:  Al-Mg合金;稳定化;冷加工率;退火温度;退火时间
 
Abstract:This thesis briefly elaborates the principle of alloy 5052 stabilization treatment, defines the production processing of 5052 H32 products in the aspects of cold working rate, annealing temperature and annealing time, and preliminarily verifies the Tensile Strain-Hardening Exponents (n-values) of alloy 5052.
Keywords: Al-Mg Alloy; Stabilization; Cold Working Rate; Annealing Temperature; Annealing Time.
 
        近年来,电子、家电、IT业的迅猛发展,给铝加工产品带来了巨大的市场需求。5052合金以其良好的耐蚀性,可焊性,中等强度和良好的深冲性能,在电子行业得到广泛应用。但是以传统工艺生产的5052H12产品,在长期服役或存放过程中会产生力学性能下降甚至产生应力腐蚀。[1]而5052H22产品的屈服强度又不能满足使用要求。针对Al-Mg合金这一特点,急需研制出一套新的生产工艺,以消除5052合金内在的组织缺陷,获得性能长效稳定的5052产品,满足市场需求。
本次试验以半连续铸造5052扁锭为原料,经“1+4”热轧机热轧至3.0mm,再冷轧至0.8mm成品,经过适当的热处理工艺,最终确定满足使用要求的5052-H32生产工艺制度。  
 
1  试验材料 
1.1  化学成分(表1)
表1   5052合金化学成分要求
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn 其它 Al
单个 合计
0.16 0.35 0.10 0.10 2.5-2.7 0.15-0.25 0.05 0.05 0.15 余量
 
1.2  生产工艺流程

        熔炼→铸造→锯铣→铸锭加热→热轧(3.0mm)→冷轧→(中间退火)→冷轧 (0.8mm)→稳定化处理→精整→包装交货
 
1.3  试样制备
        取不同厚度的冷轧5052卷材,切取适量的条形试样,在试验室条件下按规定的温度和时间进行热处理,在电子拉伸试验机上检测力学性能。

1.4  试验目标值
采用GB/T 3880.2-2012标准:
        Rm:220-240MPa,  Rp0.2 ≥155MPa,  A ≥6%。
        表面光亮洁净。 
 
2  试验方案
2.1   研究应变与变形应力的关系,稳定化退火前冷变形程度的选择
        5052合金具有较高的加工硬化率,通过试验不同的冷加工率对应的强度,可摸索出材料的应变应化指数(n值)[2],进而摸索出适合H32状态的冷变形程度。试验拟定的冷加工率分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%。 
 
2.2   稳定化退火温度的选择 
        冷变形后的5052合金,由于组织中存在大量位错和较高的应变能,使其性能很不稳定。在室温下长期存放,会自发产生与内能下降相适应的组织和性能变化。所以需要对其进行低温稳定化处理,以促使回复阶段的合金组织中较高的自由能得到释放,降低位错密度以及Mg在α(Al)基体中的过饱和度,使合金性能达到稳定。同时又要避免因稳定化程度过高引起的回复程度增加,使强度下降。试验数据表明,Mg含量在2.5%左右的5052合金,在50%变形程度下对应的再结晶温度约为265℃。稳定化温度一般在130-180℃之间选择。本次试验选择的稳定化退火温度为130℃/4h、150℃/4h、180℃/4h。
 
2.3   稳定化退火时间的选择 
        为保证Mg在α(Al)中的过饱和固溶体充分分解,同时为降低位错密度,使组织性能达到长期稳定,需要对材料提供充分的稳定化时间。但考虑大生产条件下的装备能力和可操作性,拟定的稳定化时间是4小时和16小时。由于铝合金在低温回复阶段,延伸率的变化要滞后于强度变化,所以选择延伸率的变化作为评价稳定化时间对稳定化效果影响的依据。
 
3  试验结果及分析
3.1   冷加工率与材料组织性能的关系
        分别经过10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%的冷加工率变形后,材料表现出明显的加工硬化,试验室条件下测得抗拉强度(Rm)、屈服强度(Rp0.2)、延伸率(A%)结果如表2所示。 
 
        表2  5052合金在不同冷加工率条件下的力学性能
冷加工率 Rm/(N·mm-2) Rp0.2(N·mm-2) A/%
10% 218 188 11
20% 246 220 8-9
30% 265 250 6-7
40% 283 268 5-6
50% 297 283 5
60% 312 295 4-5
70% 320 305 4-5
 
依据表2中的性能数据,简要绘制出5052合金的加工硬化曲线,如图1。
图1:5052合金加工硬化曲线
 
        根据曲线可知,当冷加工率在10%-50%时,材料的加工硬化率接近线性,据此可求出10-50%时5052合金的应变硬化指数(n值)。  

        当冷加工率达到60%时,材料的抗拉强度已达到300MPa以上,基本接近完全硬化状态。
试验结果显示,当冷加工率达到60%以上时,材料的变形抗力已达到300MPa以上。

        为实现Rm 220-240MPa的目标强度,稳定化退火前的材料强度应选在235-255MPa,对应的冷加工率应为17-20%。 
 
3.2  稳定化温度与材料力学性能的关系 
        在试验室条件下,经130℃/4h  150℃/4h  180℃/4h稳定化处理的试样力学性能如表3所示。

        表3  材料经稳定化处理(保温4h)后的力学性能
稳定化
工艺制度
Rm/(N·mm-2) Rp0.2/(N·mm-2) A/%
130℃/4h 235 165 10-12
150℃/4h 232 165 11-12
180℃/4h 230 160 12-13
 
        表3数据显示,分别在130℃,150℃,180℃三个温度保温4h,材料的抗拉强度变化程度相差不大,延伸率略有差异,三者均能满足H32的指标要求,但考虑5052合金特点及退火炉的低温稳定性,所以选择150℃作为稳定化温度。

        值得注意的是,由于5052合金中Mg含量相对较高,在较高的回复温度下,已经在晶界上析出的β相会向α(Al)固溶体中反溶解,使α(Al)中的饱和度升高,降低稳定化效果。同时过高的稳定化温度会造成回复程度增加,从而损失材料的强度。 

        根据临界变形理论,材料在较小的冷变形量(5-20%)情况下,变形不均匀性很大,由此造成的畸变能差较大。而这种畸变能差成为晶界迁移和晶粒异常长大的潜在机制。另一方面,由于较小的冷变形量,使局部晶粒形成的位向差很小,晶界迁移的阻力很小,一旦有外界动力诱发,很容易启动晶粒异常长大机制,进而形成粗晶组织,使材料的组织和力学性能恶化。所以适当降低稳定化温度也可有效避免粗晶组织的形成。 

        冷轧产品在退火过程中,极易形成黄油斑缺陷,降低产品的品质。研究表明:铝板表面大多残存轧制油,这些残油在不充分燃烧的情况下会在铝板表面烧结,形成黄油斑,稳定化温度选择在150℃,避开了轧制油的烧结温度(220℃-280℃),在一定程度上抑制了表面黄油斑的形成。
 
3.3   稳定化时间与材料力学性能的关系 
           表4   150℃保温4h和16h条件下的力学性能
稳定化工艺 Rm/(N·mm-2) Rp0.2/(N·mm-2) A/%
150℃/4h 232 165 11-12
150℃/16h 230 160 15-17
 
        数据显示:经过16h保温,材料的抗拉强度变化不大,但A%有较明显提升。说明延长稳定化时间有助于α(Al)过饱和固熔体的充分分解,进而获得更稳定的组织和力学性能,改善稳定化效果。考虑大生产条件下的生产效率,拟定稳定化保温时间为8-12h,并采用差温加热方式以提高生产效率。
 
4  效果验证
        按照上述工艺制度,我们曾经组织生产过二批次约200吨5052-H32产品,力学性能完全达到指标要求,能够满足用户冲压要求。表面无黄油斑。
 
5  结论
        5052-H32产品稳定化退火前的冷加工率需控制在17-20%,稳定化退火制度需控制在150℃/8-12h。低温稳定化的生产工艺可有效避免铝板表面黄油斑的产生。
 
 
参考文献
        [1]王祝堂,田荣璋.铝合金及其加工手册(第二版).中南大学出版社,2000,p158
        [2]王祝堂 田荣璋,铝合金及其加工手册(第二版),中南大学出版社,2000,p70

(编辑:中冶有色技术网)

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