特殊性能工程用3004H26材料研究

龐富偉

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

3004鋁合金的主要合金元素是Mn和Mg，屬熱處理不可強化的鋁合金，是具有較好成型性能的中等強度合金[1]。同時具有耐腐蝕、美觀、重量輕、強度大、容易加工成型、環(huán)保可回收利用等諸多優(yōu)點，廣泛應用于機場航站樓、飛機維修庫、車站、會議及展覽中心、體育場館、展示廳、公共服務建筑、大型購物中心、商業(yè)設施、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，近年來國內(nèi)開始采用3004 合金鋁帶替代[2]。

隨著市場的不斷發(fā)展，市場急需一種要求高強度、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)實情況是如果對于3004鋁合金材料來說，提高材料的抗拉強度和屈服強度，延伸率會有一定的下降，導致折彎性能出現(xiàn)問題，這就要求必須尋找到一條合適的工藝路線，在保證材料強度的同時，保證材料的折彎性能。

本次試驗坯料采用單機架雙卷取熱軋卷生產(chǎn)，通過對材料化學成分、組織、性能等試驗指標分析，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，實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，并滿足用戶的使用要求。

1 材料要求

3004化學成分見表1；產(chǎn)品成品規(guī)格為1.0mm×1200mm×L。3004H26鋁合金材料目標力學性能要求為，厚度1.0mm，抗拉強度Rm為250MPa～265MPa，屈服強度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)，彎曲處無裂紋。

表1 3004鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2 工藝路線

熔鑄鑄造→鋸銑機鋸頭、銑面→加熱爐均熱→熱軋機軋至7.0mm→冷軋開坯軋至1.7mm→切邊機切邊→冷軋軋至成品厚度1.0mm→清洗機清洗切邊→成品退火→拉矯矯直→檢驗包裝。

為了保證試驗不受熔鑄、熱軋工序的干擾，本試驗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 試驗過程

3.1 成分選取

試驗材料合金成分的選取見表2。由于3004合金中主要合金元素為Mn、Mg，本次試驗成份的設計主要從改變Mn、Mg含量進行試驗。

表2 試驗材料化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

3.2 精整退火工藝試驗

由于產(chǎn)品為工程用3004H26，熱軋卷下機冷卻后，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

難點一,性能極為特殊?？估瓘姸纫?50MPa～265MPa，屈服強度≥190MPa，延伸率≥2%，但同時要保證垂直軋制方向樣片90°彎曲折彎(R=1.5t)無裂紋。通常來講，要提高材料的強度，材料的延伸性能會降低，進而導致彎曲性能不好，因此如何找到一個最佳的平衡點(既保證材料的力學性能，又要兼顧材料的彎曲性能)很關鍵。

難點二,性能可控范圍非常窄。正常情況下，通過退火工藝來控制產(chǎn)品性能，抗拉強度的區(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

為了掌握材料力學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，取樣，進行馬弗爐退火試驗，選取試驗溫度180℃～310℃，每隔10℃進行一次試驗，保溫1h。出爐后檢測材料的抗拉強度、屈服強度、延伸率，從而得到材料的軟化曲線。

4 試驗結果及分析

4.1 兩種成份試驗結果

按照相同的工藝路線，生產(chǎn)至成品，力學性能檢測結果見表3。通過結果可以看出，隨著Mn、Mg含量相應增加，材料的強度略有上升，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 力學性能檢測結果

(1)Mn是3004鋁合金中非常重要的元素，也是對整個合金影響較為復雜的元素。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Si含量較高時，也會形成部分(FeMnSi)Al6四元化合物，這些化合物在凝固過程中通常沿枝晶邊界析出。另外，在快速凝固過程中，大量Mn以過飽和固溶體的形式存在，在均勻化熱處理過程中，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，使得合金的再結晶溫度得到一定程度的提高。在3004鋁合金中當Mn和Fe元素的質(zhì)量分數(shù)超過0.7Fe%+1.07Mn%=1.77%時，在烙融態(tài)鋁液完全凝固時便會產(chǎn)生十分巨大的初生相(Al，F(xiàn)e，Mn)化合物。然而當Fe+Si含量大于0.9%時，初晶化合物便會在鋁液凝固產(chǎn)生，使3004鋁合金板材的綜合力學性能降低。因此，為了不形成粗大的金屬化合物，在鑄造過程中Fe、Mn、Mg需滿足[4]：Fewt.%+(Mnwt.%×1.07)+(Mgwt.%×0.27)<3.0%。

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

4.2 材料軟化曲線

材料的軟化試驗結果顯示，金屬溫度在210℃～230℃，抗拉強度、屈服強度、延伸率均能滿足目標值，但溫度小于215℃后，材料在彎曲試驗后彎曲處出現(xiàn)細裂紋，不能滿足用戶要求。因此實際生產(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的顯微組織見圖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的顯微組織Fig.2 Microstructure of 3004 aluminum alloy strip during softening and annealing

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

根據(jù)這一試驗結果，實際生產(chǎn)時，退火工藝制定時采取打熱電偶監(jiān)控料溫的方式進行退火，爐氣定溫230℃，料溫大于220℃時出爐。

5 實際生產(chǎn)

按照試驗得出的結果，優(yōu)化固化工藝，共生產(chǎn)59批次359.71t產(chǎn)品，力學性能和彎曲性能均合格。59批次力學性能范圍為，抗拉強度Rm為252MPa～264MPa，屈服強度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)，彎曲處無裂紋。

6 結論

本文在理論研究的基礎上， 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)過實際生產(chǎn)得到驗證。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。