CN114226459A - 一种5系铝合金带材的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种5系铝合金带材的生产方法。该生产方法采用如下技术路线：熔铸→锯铣→加热→热粗轧→热精轧→快速冷却→折弯/冲压；所述热粗轧采用分段轧制，包括13～18道次，前9～14道次轧制速度为3～6m/s，中间坯轧制温度为450～520℃，每道次压下率＞30％；后四道次降低轧制速度至0.1～1.5m/s，中间坯轧制温度为430～480℃。本发明5系铝合金带材的生产方法，采用熔铸→锯铣→加热→热粗轧→热精轧→快速冷却→折弯/冲压工艺，热粗轧过程采用高低速分段轧制，前段采用极大加工率使晶粒充分破碎形成细小晶粒，后段道次以极低的轧制速度保证充分的再结晶。通过细晶强化提高了材料成形性和强度，使得铝合金材料具有更好的材料后续加工性和耐用性。
Description
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种5系铝合金带材的生产方法。
背景技术
5系铝合金因具有中等强度、良好的耐蚀性、焊接性及易于加工成形等特点，被广泛应用于船板、汽车板、运输槽罐、罐盖拉环以及要求有优良加工性能、高耐蚀性、高疲劳强度和高可焊性的产品。以上铝合金的各种用途需要首先保证材料优异的成形性能，确保铝合金材料在冲压和折弯过程中不开裂，目前提高铝合金成形性能的工艺通常有两种：1、通过提高热轧带材终轧温度，提高再结晶程度来提高成形性能，但这一工艺会降低铝合金热轧板带材的强度；2、提高材料厚度来满足结构强度设计要求，但该操作会造成单位面积用料增加，从而导致制造成本增加。
提高铝合金材料强度的方法通常有改善合金成分以及热轧温度两种，通过合金成分来提高强度会显著增加成本，通过降低热轧轧制温度会降低材料的再结晶程度，两种方法都会导致材料的成形性(折弯性能)变差。有些厂家通过冷轧和成品退火做成状态H32或者H22以满足客户对强度和成形性能的要求，这无形中增加了两道工序和成本。
铝合金热轧卷再结晶温度一般在300℃以上，材料的强度较低(接近完全退火状态)，所以铝合金热轧带材状态一般为F态，不对力学性能作要求，但如果能在保证材料成形性能情况下，又能提高材料强度和表面质量，会大大增加材料使用寿命、降低材料单位面积使用量、降低成本和扩展其他使用用途。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种5系铝合金带材的生产方法，制得的铝合金带材成形性、强度和表面光泽度等性能表现良好。
一种5系铝合金带材的生产方法，采用如下技术路线：熔铸→锯铣→加热→热粗轧→热精轧→快速冷却→折弯/冲压；
所述热粗轧采用分段轧制，包括13～18道次，前9～14道次轧制速度为3～6m/s，中间坯轧制温度为450～520℃，每道次压下率＞30％；后四道次降低轧制速度至0.1～1.5m/s，中间坯轧制温度为430～480℃。
热粗轧采用德国西马克四辊热轧机，粗轧采用分段轧制，前段采用大压下率和快的轧制速度，能够充分地破碎晶粒，使晶粒尺寸更均匀同时提高轧制效率；后段采用低轧制速度，使得道次之间有更充分的时间提高动态再结晶的程度，从而进一步获得均匀分布的细小晶粒。
进一步地，所述熔铸后铸锭的化学成分的质量百分数为Si:≤0.08％、Fe：0.1～0.3％、Cu：≤0.1％、Mn：0.1～0.3％、Mg：2.6～3.6％、Cr：0.1～0.3％、Zn：≤0.15％、Sc：0.1～0.5％、Zr：0.05～0.2％，余量为Al。
在5系铝合金中特别添加Sc和Zr两种元素，形成更多结晶形核从而促进铸造组织晶粒细化，同时引入了Al3Sc和Al3Zr的复合粒子分散体颗粒，促进热轧过程中粒子刺激形核(PSN)，并通过钉扎晶界和位错，抑制再结晶晶粒生长，进一步细化了晶粒。
进一步地，所述熔铸过程熔炼温度为720～760℃，精炼温度为730～760℃，铸造温度为700～730℃，铸造速度为50～60mm/min，水温为20～30℃。具体的，铸造采用WagstaffDC铸造，扁锭厚度0.42～0.64m，宽度1.2～2.5m，长度4～10m。
进一步地，所述锯铣过程铸锭浇口锯切50～150mm，引锭头锯切100～300mm，大面铣面10～16mm，侧面铣5～10mm。
进一步地，所述加热过程加热温度为410℃～490℃，保温2～8h。
进一步地，所述热精轧采用四连轧工艺，压下率分配系数依次为0.8～0.95—0.9～1.0—0.78～0.85—0.6～0.75，轧制速度为6～10m/s，终轧温度为340～370℃。
热精轧采用快速轧制速度，保证了晶粒尺寸的均匀性和完全再结晶，有利于获得微米级结构晶粒。
进一步地，所述熔铸过程得到的铸锭的厚度为420～640mm，所述热粗轧过程得到的中间坯的厚度为25～35mm，所述热精轧过程热轧卷最终成品厚度为2～6mm。
进一步地，所述热精轧过程得到的热轧卷在热精轧完成后20min内进入快速冷却工序。
进一步地，所述快速冷却过程为保护气体-旁冷快速冷却，保护气体为氮气或惰性气体，气体出口阀门压力0.4～0.8MPa。
进一步地，所述旁冷为水循环风机冷却，风机转速为600-1500rpm，冷却水压力为0.2～0.5MPa，冷却水温度为0～50℃，金属温度平均每小时降低40～100℃。
热轧卷成品在自然冷却中因温度过高会发生静态再结晶和晶粒长大，导致晶粒尺寸不一，降低材料成形性。本发明人在热轧卷轧制完成后20min内迅速转卷到厢式退火炉内，采用氮气或惰性气体隔离氧气并通过水循环风机冷却抑制热轧板带材冷却过程中的静态再结晶晶粒长大、增加晶内分散颗粒密度和提高表面光泽度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明5系铝合金带材的生产方法，采用熔铸→锯铣→加热→热粗轧→热精轧→快速冷却→折弯/冲压工艺，热粗轧过程采用高低速分段轧制，前段采用极大加工率使晶粒充分破碎形成细小晶粒，后段道次以极低的轧制速度保证充分的再结晶。通过细晶强化提高了材料成形性和强度，使得铝合金材料具有更好的材料后续加工性和耐用性。
2.本发明的铝合金带材，热粗轧过后进入更快的应变速率和更高的轧制温度的热精轧工序，保证晶粒的充分再结晶，获得更细小和尺寸均匀的微米级结构晶粒；热粗轧和热精轧工艺相结合，提高铝合金带材的性能。
3.本发明在合金成分中添加Sc和Zr细化铸造晶粒，同时引入的Al3Sc和Al3Zr的复合粒子分散体颗粒，能够促进热轧过程中粒子刺激形核(PSN)，并通过钉扎晶界和位错，抑制再结晶晶粒生长，进一步细化了晶粒。
4.本发明生产方法增加了保护气体-旁冷快速冷却工艺，采用水循环快速冷却抑制静态再结晶晶粒长大，增加了析出相颗粒；冷却过程在保护气体氛围中进行，有效抑制铝合金表面氧化。该工艺既提高5系铝合金带材强度又提高了表面光泽度，满足高表面性能的产品质量要求。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例所述的合金状态：5754/F，成品厚度：2.5mm，采用如下技术路线：熔铸→锯铣→加热→热粗轧→热精轧→快速冷却→折弯/冲压，其中，具体工艺参数如下：
1)熔铸：所述熔铸后铸锭的化学成分的质量分数为Si:0.06％、Fe：0.21％、Cu：0.06％、Mn：0.22％、Mg：2.8％、Cr：0.25％、Zn：0.109％、Sc：0.2％、Zr：0.1％，余量为Al；熔炼温度750℃、精炼温度745℃，DC铸造速度56mm/min，铸造温度720℃，水温20～30℃；铸锭规格厚480mm×宽1680mm。
2)锯铣：铸锭浇口锯切50mm，引锭头锯切250mm，大面铣面12mm，侧面铣7mm。
3)加热：所述加热过程，加热温度460℃，金属到温保温时间3h。
4)热粗轧：热粗轧15道次，前11道次轧制速度4m/s，后四道次轧制速度0.5m/s，中间坯厚度32mm，中间坯轧制温度445℃，压下率为35％。
5)热精轧：F1～F4机架压下率分配系数：0.8—1—0.78—0.67，轧制速度8m/s，终轧温度350℃，卷取张力20N/mm2，成品厚度2.5mm。
6)快速冷却：10min装进炉内然后充满氮气，气体出口阀门压力0.6MPa，开启旁冷风机，转速1000rpm，冷却水压力0.3MPa，冷却水温度35℃，金属温度平均每小时降温60℃。
实施例2
本实施例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
4)热粗轧：热粗轧15道次，前11道次轧制速度6m/s，后四道次轧制速度0.5m/s，中间坯厚度32mm，中间坯轧制温度445℃，压下率为35％。
实施例3
本实施例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
4)热粗轧：热粗轧15道次，前11道次轧制速度3m/s，后四道次轧制速度0.5m/s，中间坯厚度32mm，中间坯轧制温度445℃，压下率为35％。
实施例4
本实施例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
4)热粗轧：热粗轧13道次，前9道次轧制速度4m/s，后四道次轧制速度0.5m/s，中间坯厚度32mm，中间坯轧制温度445℃，压下率为35％。
实施例5
本实施例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
4)热粗轧：热粗轧18道次，前14道次轧制速度4m/s，后四道次轧制速度0.5m/s，中间坯厚度32mm，中间坯温度445℃，压下率为35％。
实施例6
本实施例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
4)热粗轧：热粗轧15道次，前11道次轧制速度4m/s，后四道次轧制速度0.1m/s，中间坯厚度32mm，中间坯轧制温度445℃，压下率为35％。
实施例7
本实施例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
4)热粗轧：热粗轧15道次，前11道次轧制速度4m/s，后四道次轧制速度1.5m/s，中间坯厚度32mm，中间坯轧制温度445℃，压下率为35％。
对比例1
本对比例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
4)热粗轧：热粗轧15道次，前11道次轧制速度4m/s，后四道次轧制速度2m/s，中间坯厚度32mm，中间坯温轧制度445℃，压下率为35％。
对比例2
本对比例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
4)热粗轧：热粗轧15道次，轧制速度4m/s，中间坯厚度32mm，中间坯轧制温度445℃，压下率为35％。
对比例3
本对比例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
4)热粗轧：热粗轧15道次，前11道次轧制速度4m/s，后四道次轧制速度0.5m/s，中间坯厚度32mm，中间坯轧制温度445℃，压下率为15％。
对上述实施例1-7和对比例1-3得到的铝合金带材进行性能测试，测试结果如表1所示。
表1
如表1所示，由实施例1-7和对比例1-3可看出，控制热粗轧过程的轧制道次以及轧制速度，对热粗轧过程进行分段轧制，前段采用大压下率和快的轧制速度，能够充分地破碎晶粒，使晶粒尺寸更均匀同时提高轧制效率；后段采用低轧制速度，使得道次之间有更充分的时间提高动态再结晶的程度，从而进一步获得均匀分布的细小晶粒。制得的铝合金材料的抗拉强度在262-283MPa，屈服强度在239-256MPa，断后伸长率在25.9-28.8％。保持热粗轧过程速度一致时，制得的铝合金带材的抗拉强度为251MPa，屈服强度为224MPa，材料强度显著降低。通过轧制过程控制能够充分细化晶粒，最终能够在保证铝合金带材成形性的基础上增加铝合金材料的强度，使其满足结构强度设计要求。
实施例8
本实施例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
6)快速冷却：15min装进炉内然后充满氮气，气体出口阀门压力0.5MPa，开启旁冷风机，转速1200rpm，冷却水压力0.4MPa，冷却水温度25℃，金属温度平均每小时降温100℃。
实施例9
本实施例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
6)快速冷却：10min装进炉内然后充满氮气，气体出口阀门压力0.4MPa，开启旁冷风机，转速1500rpm，冷却水压力0.4MPa，冷却水温度30℃，金属温度平均每小时降温40℃。
对比例4
本对比例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
6)快速冷却：10min装进炉内然后充满氮气，气体出口阀门压力0.4MPa，开启旁冷风机，转速600rpm，冷却水压力0.4MPa，冷却水温度30℃，金属温度平均每小时降温10℃。
对比例5
本对比例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
6)自然冷却：暴露在空气中在25℃环境温度下自然冷却。
对比例6
本对比例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
6)快速冷却：10min装进炉内，开启旁冷风机，转速1500rpm，冷却水压力0.5MPa，冷却水温度35℃，金属温度平均每小时降温60℃。
对上述实施例1、8-9和对比例4-6得到的铝合金带材进行性能测试，测试结果如表2所示。
表2
如表2所示，由实施例1、8-9和对比例4-6可看出，控制冷却过程的冷却效率和冷却环境，使铝合金热轧卷通过水冷快速冷却在3-5h降温到100℃以下，能够有效避免热轧卷成品在自然冷却中因温度过高会发生静态再结晶和晶粒长大，导致晶粒尺寸不一、降低材料成形性的问题，制得的铝合金材料的抗拉强度在271-283MPa，屈服强度在244-256MPa，断后伸长率在25.9-26.8％。当冷却不及时时，材料的抗拉强度在253-258MPa，屈服强度在229-233MPa，材料强度显著降低。
同时冷却过程采用氮气或惰性气体隔离氧气，能够有效保护铝合金材料，避免铝合金表面的部分镁与空气反应氧化从而降低材料的表面光泽度，制得的铝合金材料色差值L在67.1-67.8，表面质量良好。而未采用保护气体时，材料色差值L为64.2-64.6，表面光泽度较差。
实施例10
本实施例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
5)热精轧：F1～F4机架压下率分配系数：0.95—0.9—0.82—0.75，轧制速度6m/s，终轧温度340℃，卷取张力20N/mm2，成品厚度2.5mm。
实施例11
本实施例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
5)热精轧：F1～F4机架压下率分配系数：0.9—1.0—0.85—0.70，轧制速度10m/s，终轧温度370℃，卷取张力20N/mm2，成品厚度2.5mm。
对上述实施例1、10-11得到的铝合金带材进行性能测试，测试结果如表3所示。
表3
如表3所示，由实施例1、10-11可看出，控制热精轧过程的轧制速度，热精轧采用快速轧制速度，保证了晶粒尺寸的均匀性和完全再结晶，有利于获得微米级结构晶粒。制得的铝合金材料的抗拉强度在271-281MPa，屈服强度在240-253MPa，断后伸长率在25.8-28.2％。热轧控速进一步改善铝合金晶粒结构，提高铝合金的应用性能。
对比例7
本对比例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
1)熔铸：所述熔铸后铸锭的化学成分的质量分数为Si:0.06％、Fe：0.21％、Cu：0.06％、Mn：0.22％、Mg：2.8％、Cr：0.25％、Zn：0.109％，其余为Al，熔炼温度750℃、精炼温度745℃，DC铸造速度56mm/min，铸造温度720℃，水温20～30℃。铸锭规格：厚480mm×宽1680mm。
对比例8
本对比例包括实施例1的大部分操作步骤，其不同之处在于：
1)熔铸：所述熔铸后铸锭的化学成分的质量分数为Si:0.06％、Fe：0.21％、Cu：0.06％、Mn：0.22％、Mg：2.8％、Cr：0.25％、Zn：0.109％，其余为Al，熔炼温度750℃、精炼温度745，DC铸造速度56mm/min，铸造温度720℃，水温20～30℃。铸锭规格：厚480mm×宽1680mm。
4)热粗轧：粗轧15道次，每道次轧制速度3m/s，中间坯厚度32mm，中间坯轧制温度445℃。
5)热精轧：F1～F4机架压下率分配系数：0.8—1—0.78—0.67，轧制速度4m/s，终轧温度330℃，卷取张力20N/mm2，成品厚度2.5mm。
6)自然冷却：暴露在空气中在25℃环境温度下自然冷却。
对上述实施例1和对比例7-8得到的铝合金带材进行性能测试，测试结果如表4所示。
表4
如表4所示，由实施例1和对比例7-8可看出，在铝合金原料中添加Sc和Zr元素，能够有效细化铸造晶粒，提高铝合金带材的强度。
从上述分析可知，本发明的5系铝合金带材的生产方法，通过分段轧制控制轧制速度、添加Sc和Zr元素、增加保护气体-旁冷快速冷却工艺等方式，能够有效提高铝合金带材的强度、成形性、表面光泽度，具有良好的应用价值。
综上所述，本生产方法制备的铝合金带材各项性能测试结果良好，抗拉强度在262-283MPa，屈服强度在239-256MPa，断后伸长率在25.8-28.8％，色差值L在67.1-67.8，铝合金带材的强度、成形性、表面光泽度等性能表现良好。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
Claims (10)
1.一种5系铝合金带材的生产方法，其特征在于，采用如下技术路线：熔铸→锯铣→加热→热粗轧→热精轧→快速冷却→折弯/冲压；
所述热粗轧采用分段轧制，包括13～18道次，前9～14道次轧制速度为3～6m/s，中间坯轧制温度为450～520℃，每道次压下率＞30％；后四道次降低轧制速度至0.1～1.5m/s，中间坯轧制温度为430～480℃。
2.根据权利要求1所述的5系铝合金带材的生产方法，其特征在于，所述熔铸后铸锭的化学成分的质量百分数为Si:≤0.08％、Fe：0.1～0.3％、Cu：≤0.1％、Mn：0.1～0.3％、Mg：2.6～3.6％、Cr：0.1～0.3％、Zn：≤0.15％、Sc：0.1～0.5％、Zr：0.05～0.2％，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的5系铝合金带材的生产方法，其特征在于，所述熔铸过程熔炼温度为720～760℃，精炼温度为730～760℃，铸造温度为700～730℃，铸造速度为50～60mm/min，水温为20～30℃。
4.根据权利要求1所述的5系铝合金带材的生产方法，其特征在于，所述锯铣过程铸锭浇口锯切50～150mm，引锭头锯切100～300mm，大面铣面10～16mm，侧面铣5～10mm。
5.根据权利要求1所述的5系铝合金带材的生产方法，其特征在于，所述加热过程加热温度为410℃～490℃，保温2～8h。
6.根据权利要求1所述的5系铝合金带材的生产方法，其特征在于，所述热精轧采用四连轧工艺，压下率分配系数依次为0.8～0.95—0.9～1.0—0.78～0.85—0.6～0.75，轧制速度为6～10m/s，终轧温度为340～370℃。
7.根据权利要求1所述的5系铝合金带材的生产方法，其特征在于，所述熔铸过程得到的铸锭的厚度为420～640mm，所述热粗轧过程得到的中间坯的厚度为25～35mm，所述热精轧过程热轧卷最终成品厚度为2～6mm。
8.根据权利要求1所述的5系铝合金带材的生产方法，其特征在于，所述热精轧过程得到的热轧卷在热精轧完成后20min内进入快速冷却工序。
9.根据权利要求1所述的5系铝合金带材的生产方法，其特征在于，所述快速冷却过程为保护气体-旁冷快速冷却，保护气体为氮气或惰性气体，气体出口阀门压力0.4～0.8MPa。
10.根据权利要求9所述的5系铝合金带材的生产方法，其特征在于，所述旁冷为水循环风机冷却，风机转速为600-1500rpm，冷却水压力为0.2～0.5MPa，冷却水温度为0～50℃，金属温度平均每小时降低40～100℃。
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