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3004H19或3104H19铝带材由于具有良好的深冲及变薄拉伸性能,广泛应用于易拉罐生产。易拉罐罐体材料的生产是高精技术,其生产工艺堪称当今铝加工中要求最苛求的工艺。罐体板材的制造工艺包括合金铸造,铸锭均匀化退火、热轧、冷轧和再结晶退火,成品板材的各向异性与合金在塑性加工及热处理过程中形成的织构和显微组织密切相关。因此,如何通过合理的工艺设计来控制合金板材再结晶织构与变形织构的配比,进一步降低制耳率,对易拉罐生产至关重要。
本论文选用我国西南铝加工厂提供的热粗轧态3104铝合金板材,对其进行了不同形变量的热轧、冷轧、不同工艺制度的退火、固溶时效及冲杯实验。利用X射线衍射术测定样品宏观织构,借助光学显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜进行显微组织观察,利用电子背散射衍射进行微区织构分析,运用计算机模拟技术,预测了部分样品的制耳系数。结合各部分实验结果,讨论了不同工艺参数对3104铝合金板材织构和显微组织的影响。
不同形变工艺的研究结果表明:在热轧过程中织构主要由{001}〈110〉旋转立方织构组分及少量的{001}〈100〉立方织构组分组成;在50%~90%热轧形变量范围内,随着形变量的增加,旋转立方织构组分强度增强,在90%形变量时达到最大。冷轧时,所有样品的冷轧织构表现为典型的铜式(Copper-type)织构特征,其织构组分为C{112}〈111〉+B{110}〈112〉+S{123}〈634〉,随形变量的增加,织构由弱到强,最后稳定在铜织构C、黄铜织构B和S织构三个织构组分。立方织构在冷轧板中含量较弱,不足以与轧制织构相平衡。TEM形貌像表明,在热轧样品中一些区域中形成了一定的多边化亚晶结构,在亚晶界及晶内可以看到变形后留下的大量位错缠结,即发生了动态回复,甚至动态再结晶;随形变量增大,亚晶粒先形成形变带组织,随后位错密度迅速增加,大量位错集结在亚晶界处,形成了胞状亚结构,高密度的缠结位错主要集中在胞的周围构成了胞壁,而胞内的位错密度很低;SEM能谱分析和TEM衍射花样分析表明第二相粒子主要为MnAl6、(Fe,Mn)Al6和α-AlMnSi,这些第二相粒子起到了粒子促进形核作用(PSN);冷轧样品中纤维状组织内部形成许多位错胞,胞壁上有大量位错,胞内位错密度较低,位错胞随形变量增大,沿变形方向伸长,形成形变带组织。
不同退火工艺的研究结果表明:当冷轧形变量小于90%时,再结晶织构以立方织构为主,且随形变量的增大,立方织构组分强度增大,再继续增大形变量(大于90%)时,再结晶立方织构逐渐减弱,退火R/S织构增强;退火温度和保温时间对3104铝合金再结晶织构有重大影响,其中温度的影响更明显。对一次热轧90%+冷轧90%和二次热轧(70+63)%+冷轧90%样品退火后,随着温度的升高,立方织构增强;随着保温时间的增加,立方织构强度也逐渐增大。热轧81%+冷轧92%样品在低温短时退火时立方织构取向密度较弱,但随温度升高和保温时间的延长,立方织构取向密度逐渐增加,经350℃60min、400℃60min和450℃30min等温退火后,再结晶基本完成,立方织构取向密度达到最大,约为10级,但仍保留有少量冷轧织构。低温预回复促进了立方织构的形成。随退火温度的升高和保温时间的增加,第二相粒子弥散地分布于晶粒内的亚晶界上,在再结晶过程中起到了粒子促进形核作用(PSN)。EBSD分析表明,温度升高,平均晶粒尺寸显著增大,大晶粒(LG)比例增大约41%,小角晶界(θ<15°)比例增大,大角度晶界(θ>15°)比例减小,对CSL晶界的分布特征影响较小;多道热轧时,极小晶粒(TG)比例增大约11%,∑13a取代∑3b成为最高频率的CSL晶界,∑43a晶界的比例提高,小角度晶界比例增大,大角度晶界比例几乎没变化。
固溶及时效处理对其后冷轧织构组分类型及强度均有显著影响,该冷轧样品中存在强度较高的旋转立方织构V{001}〈110〉组分,其可能的原因是经不同温度固溶处理后,溶质原子不同程度的溶入固溶体中,随后随着时效的进行和温度的提高,溶入固溶体中的Mn、Fe、Si原子不断析出,在晶内、晶界可见大量细小弥散的第二相粒子,溶质原子和第二相粒子在变形过程阻碍了位错滑移,使晶粒转动受阻,进而使不稳定取向旋转立方织构被不同程度的保留下来。
深冲实验和模拟计算结果均表明,经81%热轧+92%冷轧变形的样品于350℃等温退火60min后可获得较低的制耳率。