CN105107843B - 一种轧制高强硬铝合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效轧制高强硬铝合金的新方法，其特征在于，在铝合金的轧制的同时，施加强磁场，利用强磁场降低材料的变形抗力，提高材料的变形性能。本发明通过控制强磁场的磁感应强度和强磁场的作用时间，配合轧制温度、轧制速率和适当的压下量，获取超薄、高性能铝合金。该方法的优点是：可以明显增加单道次压下量，提高高强硬铝合金的轧制效率，降低轧机功耗，节约成本。此外，相比于普通轧制，采用此方法轧制时，材料变形抗力降低，晶粒得到细化，组织发生均匀化，残余应力部分消除，减少轧制缺陷，提高轧制环节的成材率，从而可以获得更薄、更优性能的产品。

Description

一种轧制高强硬铝合金的方法

技术领域

本发明主要涉及高强硬铝合金的轧制方法，在板带材生产过程中，通过施加一定磁场，优化轧制流程，可以同步提高轧制产品的效率和质量。

背景技术

铝板带是我国快速发展的第三个大品种，2001年铝板材、带材产能只有95.2、61万吨，到2009年分别达到523、419万吨；从目前的发展情况看，高精铝板带的发展，发展势头很强劲，特点是设备更加现代化，产能规模一般都在25万吨/年以上，但是，发达铝工业国家，如美国、德国、日本等在铝加工业中，铝轧制材与铝挤压型材的比例为6.5比3.5，而中国正好相反，到2010年也只达到4.4比5.6，铝板带产量规模国内外相差21个百分点，这种差别主要表现在高精板带上；此外，国内先进的铝产品轧制设备大多数来自国外，而国外先进轧制技术也相对保密，严重限制了我国铝产品国际化的发展趋势，这就需要我们自主创新，研发新的轧制方法，生产高质量产品；在高精板带材生产过程中，高强硬铝合金的轧制尤为困难，能耗高，轧制产品质量差，远远达不到铝箔的厚度，限制了高强硬铝合金的应用，开发高强硬铝合金的轧制新方法已经非常重要。

目前，为获取薄板材，常采用双层挤压，但是得到的产品只有一面光滑，获得的薄板并不平整，产品缺陷较多，后续加工过于繁琐。

普通轧制过程中，总变形量达到60%-80%时，就会出现轧制困难，消耗功率很高，难以继续轧制，无法实现超薄产品的轧制，需要多次退火来解决加工硬化问题，工序复杂。

普通轧制过程中，材料内部本身存在由于各种缺陷引起的应力会造成应力局部增高的现象，如果在基体与异质相颗粒周围形成应力集中，会使得界面拉开或者颗粒折断而形成微孔，这些微孔扩大和连接造成了材料的断裂，但在脉冲强磁场作用下，可促进材料内部结构的均匀化，加速应力的释放，避免应力集中引起材料断裂。

磁场作为一种重要的物理场在调控材料组织结构领域得到了日益广泛的应用；将磁场与传统生产方法相结合，可以制备新材料、开发新方法从而得到性能更优的产品，其中，磁场热处理是前沿热点问题之一，具有广阔的创新空间；由于稳恒强磁场设备复杂、维护运行成本高，难以在工业生产中广泛应用，而以目前的技术，要获得脉宽1ms-1s、强度低于50T的脉冲磁场并不困难，同时，脉冲磁场装备简单、能量密度大、运行成本低廉，具有广泛的工业应用前景。

因此，本项发明旨在利用强脉冲磁场来优化高强硬铝合金的轧制方法，从而解决高强硬铝合金轧制过程中无法实现超薄、轧制后期易出现裂纹、轧制产品缺陷多、轧制功耗大的难题。

发明内容

本发明的目的是解决目前高强硬铝合金轧制过程中存在的问题，提出了一种高效轧制高强硬铝合金的新方法，实现本发明的技术方案是：在铝合金轧制的同时，在轧制区域施加脉冲强磁场，利用强磁场降低材料的变形抗力，提高材料的变形性能，同时优化材料的组织和性能，具体为：待轧坯料通过前导卫后，进入强磁场的区域，在强磁场中通过轧制辊进行轧制，轧制辊安置在强磁场的中心区域，轧制后的铝合金材料经后导卫，然后用卷筒卷取，其中，轧制辊安置在强磁场的中心区域，轧制辊为无磁性不锈钢材料。

本发明涉及高强硬铝合金的轧制新方法，即在轧制过程中配合适当的温度、轧制速率和磁感应强度，从而降低轧制能耗，获取更优性能、更薄的产品，简要轧制方法步骤如下：

1、开始轧制前，首先对铝合金进行预热，针对不同成分的铝合金采用不同的加热温度，加热温度要低于铝合金的再结晶温度，一般采用350℃-550℃的高温加热，铝成品加热到恒定温度后，进入带有磁场的轧机中，为了避免粘铝，在轧制过程中，应采用润滑剂和必要的冷却设施。

2、在轧制过程中施加强磁场，根据变形量和变形程度，配合适当的磁感应强度；开始轧制时施加较小的磁感应强度，保证轧制的稳定进行；随着轧制的进行，材料的变形程度增大，磁感应强度应不断增大以加快材料内部结构的调整；稳定轧制后，根据轧制温度和压下量来确定合适的磁感应强度，磁场的强弱应足以破坏具有一定择优取向的形变织构，便于塑性变形的继续进行，同时，由于磁场作用存在一个“后效应”，在磁场关闭后的几十秒内，位错仍在运动，为了充分利用磁场能，节约生产成本，使得位错有足够的时间进行攀移和交滑移，采用脉宽为500ms-1s的脉冲磁场；位错相互抵消和重排进行得更充分，取向差较小的亚晶发生合并，亚晶尺寸增大，逐渐形成完整的再结晶晶粒，加工硬化得到消除或部分消除。

3、轧制过程包括热粗轧阶段和热精轧阶段，在热粗轧阶段，轧制温度为500℃以上时，压下量为7.5%-50%，磁感应强度为8T-20T,轧制速率为1.5m/s-4m/s；轧制温度为350℃-500℃时，压下率为5%-30%，磁感应强度为20T-40T，轧制速率为2.5m/s-4.5m/s；热精轧阶段中，当轧制温度为400℃以上时，压下量为30%-200%，磁感应强度为20T-30T，轧制速率为1m/s-7m/s；当轧制温度为250℃-400℃时，压下量为5%-70%，磁感应强度为30T-40T，轧制速率为2.5m/s-6m/s。

4、轧制得到规定厚度的产品后，将产品进行风冷处理，待温度降低到200℃以下，对板带材进行矫直处理。

本发明的优点包括：

主要涉及高强硬铝合金的轧制新方法，即在普通轧机上添加强磁场发生装置，从而实现轧制过程中应力场和强磁场的共同作用，应力场提供载荷碾压板带材，磁场起到协同作用，便于更高效地进行轧制，实现了一种轧制新方法；采用强磁场下轧制，单道次轧制变形量可达70%以上而不出现微裂纹。

本发明的主要特点是发挥磁场在材料塑性加工中的重要作用，主要体现在以下几点：

第一，加快轧制速度，提高生产效率，在轧制的后续阶段，往往由于材料出现加工硬化而难以轧制，单道次压下量大大减少，轧制速率明显降低；在磁场作用下，由于磁场能的存在，电子并不容易定向流入缺陷（如空位、位错、晶界、异质相颗粒等），缺陷不会发生稳定化而难以改变，这样，加工组织无法维持，滑移面会不断转动，调整与外力轴夹角，保持在45°附近，减缓加工硬化的到来，加快后续阶段的轧制，降低后续阶段轧制功耗。

第二，磁场改善金属及合金的加工工艺性能，磁场能可以把铸造状态的粗大晶粒破碎，显微裂纹压合，减少或消除铸造缺陷，将铸态组织转变为变形组织，提高金属的加工性能，主要表现为以下方面：1、由于轧制是在固相线或共晶点以下温度中进行的，原子不能通过晶界扩散，原子扩散主要是在晶内完成，促进相的溶解和晶内原子的扩散来实现均匀化，有利于减缓织构的形成，改善材料的持续变形能力；2、消除铸锭内部残余应力，避免铸锭翘曲变形甚至开裂；3、位错芯发生膨胀，有利于位错的开动，避免位错移动过程中在位错芯处继续塞积，缓解位错塞积程度，而塑性变形过程中伴随着位错的滑移，增加位错的可移动性，可提高材料的塑性变形能力；4、位错在磁场作用下，向晶界处运动，逐渐形成了晶内低位错密度、晶界处高位错密度的位错胞结构，随着磁场的进一步作用，胞壁中的位错逐渐形成低能态的位错网格，胞壁变得比较明晰而成为亚晶界，接着这些亚晶粒通过亚晶界的迁移而逐渐长大，亚晶粒内的位错密度则进一步下降。亚晶粒在材料内部起到细晶强化的作用，对材料的强韧化十分有益。

附图说明

图1本发明的示意图

1、待轧料；2、前导卫；3、强磁场线圈；4、轧制辊；5、后导卫；6、卷筒。

图2为脉冲磁场下轧制的TEM图

图3为普通轧制的TEM图。

具体实施方式

实施例1：将230mm厚的7055铝合金板材加热到550℃，进入带有磁场的轧机中，稳定咬合后，待轧坯料1通过前导卫2后，进入强磁场3的区域，在强磁场中通过轧制辊4进行轧制，轧制方法如表1所示，得到预定厚度板材后，铝合金材料经后导卫5，然后用卷筒6卷取；另一组7055铝合金轧制过程关闭磁场，采用相同的轧制方法获得的产品；设备电压380V，频率50Hz，轧辊直径为0.5m，润滑条件相同，且均采用油冷；根据轧辊直径、轧机功率设计与轧制温度、压下量、磁感应强度相匹配的轧制速率，整体轧制方法举例如下：

表1 7055铝合金轧制方法举例

施加磁场后轧制产品最终厚度可达0.09mm，而采用普通轧制，产品最终厚度为0.8mm，继续轧制就会出现轧制裂纹；磁场下轧制最终厚度为0.8mm的板材，对比普通轧制，施加磁场轧制能耗降低13.4%。轧制产品进行同样的退火工艺处理后，在透射电子显微镜下观察磁场下轧制得到的产品晶粒明显细化（如图2、3所示），拉伸试验中，普通轧制产品抗拉强度为597MPa，延伸率为8.5%；磁场下轧制产品的抗拉强度为650MPa，延伸率为10.8%，两者对比可知，强磁场下轧制产品抗拉强度提高了8.9%，延伸率提高了27.1%，强磁场下轧制得到的高强铝合金综合性能明显得到提高。

Claims (3)

1.一种轧制高强硬铝合金的方法，其特征在于：在铝合金轧制的同时，在轧制区域施加脉冲强磁场，利用强磁场降低材料的变形抗力，提高材料的变形性能，同时优化材料的组织和性能；所述脉冲强磁场，磁感应强度为5T-40T，脉宽为500ms-1s；开始轧制前，首先对铝合金进行预热，针对不同成分的铝合金采用不同的加热温度，加热温度要低于铝合金的再结晶温度，采用350℃-550℃的高温加热；轧制过程包括热粗轧阶段和热精轧阶段，轧制过程中，施加的磁感应强度取决于材料本身的硬度、轧制温度和压下量，而轧制速率不仅要满足工艺要求，而且要与这些参数相匹配；在热粗轧阶段，轧制温度为500℃以上时，压下率为7.5％-50％，磁感应强度为8T-20T,轧制速率为1.5m/s-4m/s；轧制温度为350℃-500℃时，压下量为5％-30％，磁感应强度为20T-40T，轧制速率为2.5m/s-4.5m/s；在热精轧阶段中，当轧制温度为400℃以上时，压下率为30％-200％，磁感应强度为20T-30T，轧制速率为1m/s-7m/s；当轧制温度为250℃-400℃时，压下量为5％-70％，磁感应强度为30T-40T，轧制速率为2.5m/s-6m/s。

2.如权利要求1所述的一种轧制高强硬铝合金的方法，其特征在于具体步骤为：待轧坯料通过前导卫后，进入脉冲强磁场的区域，在强磁场中通过轧制辊进行轧制，轧制辊安置在强磁场的中心区域，轧制后的铝合金材料经后导卫，然后用卷筒卷取。

3.如权利要求2所述的一种轧制高强硬铝合金的方法，其特征在于：所述轧制辊为无磁性不锈钢材料。