深冲加工用硬质铝合金带材加工工艺.pdf

本发明涉及一种改变铝合金的物理结构的热处理及热、冷加工的方法。
    国际上自五十年代采用深冲加工制造铝质易拉罐封装啤酒，可乐型饮料和各种碳酸饮料以来，由于其许多的优点，已经在世界各国得到普遍应用，从而导致对制罐原材料的需求量不断增加。世界上罐用铝合金的产量逐年递增，已成为铝材料加工业中的主要产品之一。

    由于加工工艺和使用上的特殊要求，以及与其它材质的饮料罐的成本竞争的需要，形成罐用铝材合金成份和加工工艺的特殊性和复杂性。目前国外采用的加工工艺是把AA3004或类似成份的Al-Mg-Mn系合金铸造成锭后，先进行高温长时间保持，以达到均匀化的目的。然后进行热轧，再对热轧板进行退火处理，最后以80%的总冷轧压下率冷轧至最终状态。如专利号为3851787和3930895的美国专利所描述的。这一工艺在国内显得缺乏经济性和实用性。如在进行均匀化处理时，采用较低的温度，一般需要很长时间，引起后续加工废品率和加工难度的增加。如果采用较高的温度，为了使整个铸锭充分均匀化，保温时间也不可过短，如此很容易引起晶界过烧，导致热轧时材料破裂，产生废品。又如冷轧阶段，随着轧制的进程，加工硬化度不断增加，当由于设备加工能力的限制，而必需采用单道次小压下率的加工方法，因此使工序繁复。这些都会增加生产成本，降低生产效率，使产品缺乏经济性和实用性。

    本发明的目的在于采用新的热处理及热、冷加工方法来提供一种经济的易行的加工罐用铝合金的工艺。

    本发明加工罐用铝合金的工艺包括：

    1.制备含有：Mg0.5-2.0%、Mn0.4-3.0%、Fe不超过0.9%+Ti不超过0.1%，其余基本上是铝的溶化合金，以半连续铸造方式铸锭，铸锭厚度大于180mm;

    2.将上述铸锭在入炉温度低于200℃的温度下装炉，以梯次加温方式进行均匀化处理，最高升温温度不超过620℃，总加热时间低于20小时;

    3.以不低于510℃的初始温度热轧上述均匀化的铸锭，热轧终止温度不低于300℃，单道次压下率为10%至50%，热轧总压下率大于95%，热轧终止厚度为5.6至6.5mm;

    4.将上述热轧带在350℃至480℃的温度下进行1至4小时的退火处理;

    5.冷轧上述退火处理后的热轧带材，单道次压下率为10%至40%，总压下率大于60%，冷轧板厚为1.0-2.0mm;

    6.将上述冷轧带在380℃至500℃的温度下梯次退火处理2至6小时;

    7.对上述退火处理后的冷轧带材进行最终冷轧，单道次压下率为10%至40%，总压下率大于70%，最终轧制厚度为0.32mm至0.42mm;

    8.对上述最终轧制品在110℃至220℃的温度下，进行40分钟至8小时的保温稳定化处理，即得所述的深冲加工用硬质铝合金带材。

    本发明的工艺所体现的特点和效果在于：

    1.在均匀化处理中，由于采用梯次加温方法，避免了因保持温度过高所产生的晶界过烧和表面氧化皮过厚，以及由次分别引起热轧坯碎裂和热轧带断带及边缘出现裂纹的现象。同时也避免了因均匀化温度过低所引起的均匀化不足，或因时间过长而引起能耗过高的问题。这一热处理制度所达到的良好均匀化效果，保证后续热轧工序的顺利实施;

    2.采用单道次大压下率的热轧工艺，有利于保持热轧终止温度在较高的温度范围内，而不必采用常规的等温轧制工艺，或热轧后再温轧的分段轧制工艺，因此提高了加工效率;

    3.以具有两次中间退火和最终稳定化热处理，以及采取单道次大压下率为特征的冷轧工艺，不仅降低加工难度和对轧制设备的要求，而且提高材料强度和生产效率。因此，本工艺尤其适合于国内现有生产条件生产这种罐用铝合金带材。

    本发明的具体工艺流程如下：

    铝锭、中间合金、其它金属→装炉→熔化→精炼→成份调整→铸锭→铸锭铣面→梯次加温处理→非等温热轧→热轧带退火→冷轧→冷轧带退火→最终冷轧→修边精整→稳定化热处理→成品。

    按照上述工艺过程详细说明以下：

    1.熔炼：

    本发明所采用的Al-Mg-Mn系铝合金成分与AA3004类似，典型的AA3004合金的组成：Mg0.8-1.3%，Mn1.0-1.5%，Fe＜0.70%，Si＜0.30%，Cu＜0.25%，Zn＜0.25%，其它成份每种小于0.05%、总量小于0.15%。

    Mg和Mn是为了提高合金强度的目的而加入的，Mg还有细化晶粒的作用。Mn的存在可以防止铝材在冲压成型和拉伸变薄时粘附在模具上，Mg和Mn的联合作用可使铝材强度进一步提高，但Mn含量不易过高，否则将产生粗晶而导致材料的延伸率下降。Si与Mg共存可形成MgSi沉淀相，有利于提高冷轧带的强度，但Si含量不能过高，以免引起加工成形性的恶化。Fe可改善铝合金的强度，并能促进晶粒细化。Cu可提高铝合金强度，当有Mn，Mg，Si共存在时，0.1%地Cu即可起增强作用，但0.4%以上的Cu会使铝合金的热轧加工性下降，故Cu含量应予严格控制。Zn可改善铝合金的强度和加工成型性。另外，Ti、Cr等也都具有促进晶粒细化、改善材料的机械和加工性能的作用。因此，本发明所用的合金，其成份在下述范围之间：0.5-2.0%的镁、0.4-3.0%的锰、0.1-0.9%的铁、0.1-0.5%的硅、0.05-0.4%的铜，其余基本上是铝。

    熔炼基料选用工业纯铝锭。根据熔化难易程度和烧损率高低，Mn和Ti分别以Al-Mn和Al-Ti中间合金加入，Mg和Fe分别以纯金属加入，为了保证熔体化学成份和减少炉料烧损率，选定装炉顺序依次为：基料-铝-锰中间合金-铁屑-纯镁锭-铝-钛中间合金。装料量按合金成份要求和下表所列的损失率计算。

    原料    技术要求    烧损率

    铝锭    L1-L3（GB3190-82）    3%

    Al-Mn中间合金    含锰量＞10%    2%

    镁锭    含镁量＞99.9%    5%

    铁屑    含铁量＞99.7%    /

    Al-Ti中间合金    含钛量＞5%    0.5%

    装炉之后即开始熔化，并采用市售的无毒固体精炼剂和四氯化碳进行精炼，以确保熔体的含气量和非金属杂质含量降至最低限度。熔化过程中铝液温度不大于760℃。

    2.铸锭和铣面

    经过精炼的熔体，在井式半连续铸锭机上进行铸锭，为了使铸锭获得良好的组织结构，铸造速度，铸造温度和冷却水压要配合适当，本工艺所采用的参数为：铸造温度不超过720℃，铸造速度70-80mm/分钟，冷却水压不低于1.0公斤/cm²。按本工艺得到的铸锭，内部组织结构均一，无严重偏折和疏松现象，无纵裂纹和横裂纹。铸锭之后进行铣面。

    3.均匀化处理

    均匀化处理是制造罐用铝合金的关键工序之一，它不仅对最终制品的机械性能和工艺性能应响较大，而且是保证热轧具有高合格率的重要步骤。目前使用的均匀化热处理制度都采用长时间的高温保持的方式。在大尺寸铸锭的情况下，选用较低的均匀化温度，不仅需要相当长的处理时间，降低了产品的经济性，而且可能出现均匀化不足，导致热轧废品和成品废品。如果选用较高的均匀化温度，则容易产生晶界过烧或表皮氧化层过厚，同样导致开坯和热轧废品，即热轧坯碎裂，断带和边缘开裂等现象。本发明根据内部的温度分布规律，采用了梯次加热的均匀化处理制度，很大程度上消除了内部温差，在不增加保温时间的前提下，既避免了铸锭表层及内部的过烧，又获得了良好的均匀化效果，从而为此后的热轧提供了良好的坯料。

    本工艺的入炉温度不超过200℃，从低于再结晶温度的某一温度第一次定温开始，分段升温，升温幅度逐次减少，而保温时间逐次延长，最高定温不超过620℃，总加热时间不超过28小时。

    4.热轧

    为了保证热轧的顺利进行，目前采用的热轧工艺一般是等温轧制或热轧之后再温轧的两步轧制工艺。非等温轧制只在小尺寸铸锭和铸带上进行使用。本发明采用了适合大尺寸铸锭使用的单道次大压下率热轧工艺，不仅简化了加工设备和操作，而且显著提高了加工效率。本热轧工艺的铸锭出炉温度不低于530℃，初轧温度不低于510℃，终轧温度不低于380℃，单道次压下率10-50%，总压下率大于95%，单锭轧制时间不长于5分钟。这样获得的热轧坯，铸造结构得到充分的破坏。退火之后不仅适合于冷轧加工，而且最终产品的性能令人满意。

    5.中间退火和冷轧

    热轧坯料成卷和空冷后，为了满足普通精轧机的进料要求，首先对其进行退火处理。为了与前述热轧工艺和后续冷轧工艺相配合，本工艺选用较强的退火条件，即退火温度高于400℃，时间为2-4小时。退火之后，冷却至80℃以下，然后开始冷轧。冷轧采用单道次大压下率，单道次压下率为10-40%，总压下率超过60%之后再次进行中间退火，采用梯次加热方式，在不超过400℃的温度下定温后，保持1-2小时，然后升温至440℃-500℃，保持2-4小时，冷却后进行最终冷轧，最终冷轧仍然采用单道次10-40%的大压下率（轧至所要求的最终扳厚），以获得足构的加工硬化。冷轧阶段的总压下率大于90%。该整个冷轧工艺不仅降低了加工难度，提高了加工效率，而且通过大压下率加工使最终板材的强度显著提高。

    6.精整和低温稳定化热处理

    上述最终冷轧后的带材，根据使用要求，进行修边和其他精整处理，然后进行最终稳定化处理，以使成品带材的机械性能得到进一步的改善。稳定化热处理温度为120-225℃，处理时间为30分钟至8小时，出炉之后在静止空气中冷却至室温，从而得到本发明所说的深冲加工用质铝合金带材。

    按本工艺所得到的硬质铝合金带材具有如下的机械和工艺性能：抗拉强度29Kg/Cm²以上，屈服强度27Kg/Cm²以上，延伸率不低于3%，硬度HU₅82以上，制耳率低于4%。

    实施例：

    按照下表所列的成份制备熔化的铝合金。

    Mg    Mn    Fe    Si    Cu    Ti    Al

    0.98%    1.09%    0.26%    0.10%    0.22%    0.01%    余量

    以半连铸方式铸锭，锭厚210mm。然后按下表：

    工序    温度    保持时间

    入炉温度    ≯200℃

    定温    200℃    2小时

    第一次改温    380℃    4小时

    第二次改温    480℃    5小时

    第三次改温    580℃    6小时

    第四次改温    600℃    1小时

    所列的规范进行均匀化处理。以不低于530℃的温度出炉后，在510℃的开始温度下热轧至6.0mm，单道次压下率分布如下表：

    道次    轧前厚度（mm）    轧后厚度（mm）    道次压下率（%）

    1    210    185    11.9

    2    185    160    13.5

    3    160    130    18.8

    4    130    105    19.2

    5    105    85    19.0

    6    85    65    23.5

    7    65    .45    33.3

    8    45    30    33.3

    9    30    20    33.3

    10    20    10    50.0

    11    10    6    40.0

    所示，总压下率为97.1%。在420℃下将热轧带退火4小时，空冷后进行冷轧。冷轧至1.9mm。进行第二次退火，退火分两断进行，先在400℃下退火2小时，接着再在480℃下退火2小时，空冷后最终冷轧至0.355mm。两步冷轧的道次压下量分布如表

    道次    轧前厚度（mm）    轧后厚度（mm）    道次压下率（%）

    1    6.0    5.3    11.7

    2    5.3    4.5    15.1

    3    4.5    3.7    17.7

    4    3.7    3.0    18.9

    5    3.0    2.4    20.0

    6    2.4    1.9    20.8

    7    1.9    1.5    21.1

    8    1.5    1.1    26.7

    9    1.1    0.8    27.3

    10    0.8    0.6    25.0

    11    0.6    0.45    25.0

    12    0.45    0.40    11.1

    13    0.40    0.355    11.3

    所示。冷轧的总压下率94.1%。最后将冷轧带在180℃下稳定化处理3.5小时，这样得到的带材的机械性能：σ_b32.8Kg/mm²，σ_0.232.2Kg/mm²，δ38%，制耳率3.84%。