目前,常用的铝合金百叶窗带材,主要采用5052H19、5182H19和5083H19铝合金状态带材生产,其坯料多为热轧坯料^{[1, 2]}.采用铸轧-冷轧法生产板带材是一种短流程、节能、高效的生产工艺,以其替代传统的热轧-冷轧法生产板带材,对企业提高生产效率、节能降耗、降低生产成本及提高市场竞争力具有重要意义.

本文从降本增效、提质降耗角度出发,采用铸轧坯料进行生产工艺研究,对比分析经均匀化退火^[3]后压延轧制生产和不经均匀化退火直接压延轧制生产两种加工方式,对5010H19铝合金薄板带材力学性能的影响,以及稳定化处理对5010H19铝合金百叶窗带材成品力学性能及剪切质量的影响,从而确定合理的生产工艺,生产出符合标准、满足用户使用要求的百叶窗带材产品^{[3, 4]}.

本试验主要研究内容为:均匀化退火对5010H19铝合金薄板带材力学性能的影响;稳定化处理对5010H19铝合金百叶窗带材成品力学性能及剪切质量的影响.

选择连续铸轧生产的5010铝合金铸轧坯料,规格为7.0 mm×1 240 mm,化学成分见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 5010铝合金化学成分 Tab. 1 Chemical composition of 5010 aluminum alloy 元素 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti 其他 Al 单个 合计 质量分数(标准值)/% ≤0.40 ≤0.70 ≤0.25 0.10～0.30 0.20～0.60 ≤0.15 ≤0.30 ≤0.10 ≤0.05 ≤0.15 余量 质量分数(实际值)/% 0.13 0.32 0.04 0.26 0.48 0.03 0.04 0.02 0.005 0.01 98.53

表 1 5010铝合金化学成分 Tab. 1 Chemical composition of 5010 aluminum alloy

工艺1:铸轧7.0±0.20 mm冷轧至5.0 mm均匀化退火(小于100℃装炉,升温2 h至530℃,保温15 h,降温1.5 h至340℃出炉空冷)冷轧4个道次至0.65 mm重卷切边(切边宽度:1 150 mm)冷轧2个道次至0.32 mm转箔轧箔轧3个道次至0.118±0.002 mm力学性能检查.

工艺2:铸轧7.0±0.20 mm冷轧至4.8 mm冷轧5个道次至0.65 mm重卷切边(切边宽度:1 150 mm)冷轧2个道次至0.32 mm转箔轧箔轧3个道次至0.118±0.002 mm力学性能检查拉弯矫清洗稳定化退火(退火温度120,150和180℃,保温时间1,3和5 h)厚剪分切检查包装.

力学性能指标见表 2,尺寸偏差见表 3,其他指标符合YS/T 621―2007标准规定.

表 2(Table 2)

表 2 铝合金百叶窗带材的力学性能指标 Tab. 2 Mechanical property index of strip for aluminum alloy persian blinds 状态 厚度/mm 抗拉强度/MPa 伸长率/% H19 0.12 370～380 3～4

表 2 铝合金百叶窗带材的力学性能指标 Tab. 2 Mechanical property index of strip for aluminum alloy persian blinds

表 3(Table 3)

表 3 铝合金百叶窗带材的厚度和宽度 Tab. 3 Thickness and width of strip for aluminum alloy persian blinds 厚度/mm 厚度允许偏差/mm 宽度/mm 宽度允许偏差/mm 0.12 -0.004 15～50 ±0.05

表 3 铝合金百叶窗带材的厚度和宽度 Tab. 3 Thickness and width of strip for aluminum alloy persian blinds

不同加工工艺下力学性能的测试结果见表 4,不同稳定化退火工艺下成品力学性能及剪切质量的测试结果见表 5.

表 4(Table 4)

表 4 不同加工工艺下的力学性能 Tab. 4 Mechanical properties under different processing technologies 工艺 抗拉强度/MPa 伸长率/％ 力学性能 1 293.98 4.84 不满足 293.33 4.92 295.07 4.68 2 391.25 1.84 强度满足 388.61 2.08 385.72 2.34

表 4 不同加工工艺下的力学性能 Tab. 4 Mechanical properties under different processing technologies

表 5(Table 5)

表 5 工艺2中稳定化退火成品性能及剪切质量 Tab. 5 Properties and shearing effect of finished products after stabilizing annealing with technology 2 稳定化退火工艺 抗拉强度/MPa 伸长率/％ 剪切质量 测试结果 120℃/1 h 387.38 1.72 无光撕裂面毛刺严重 不满足 120℃/3 h 386.33 1.82 无光撕裂面毛刺严重 不满足 120℃/5 h 385.73 2.18 无光撕裂面有毛刺 不满足 150℃/1 h 383.85 2.36 无光撕裂面有毛刺 不满足 150℃/3 h 379.07 3.04 分裂面参差不齐 基本满足 150℃/5 h 375.25 3.58 分裂面光滑平直 满足 180℃/1 h 362.61 4.28 分裂面参差不齐 不满足 180℃/3 h 359.31 4.42 剪切平面有毛刺 不满足 180℃/5 h 351.72 4.96 剪切平面毛刺严重 不满足

表 5 工艺2中稳定化退火成品性能及剪切质量 Tab. 5 Properties and shearing effect of finished products after stabilizing annealing with technology 2

不同工艺下成品的微观组织形貌见图 1.从图 1中可以看出,经过5.0 mm厚度均匀化退火再轧制到成品厚度0.118 mm时,变形纤维组织沿轧制方向分布细小、弥散;不经过5.0 mm厚度均匀化退火而直接轧制到成品厚度0.118 mm时,变性纤维组织沿轧制方向排列分布明显;不经5.0 mm厚度均匀化退火,经压延轧制到0.118 mm厚度,再经清洗、稳定化退火后,变形纤维组织沿轧制方向排列分布不明显.

图 1

图 1 不同工艺下成品组织形貌 Fig.1 Structural morphologies of the finished product with different processing technologies

不同稳定化退火工艺下成品的剪切断面示意图和实拍图分别见图 2和图 3.从图 3中可以看出,150℃×1 h稳定化退火工艺下成品剪切断面,无光撕裂面有毛刺;150℃×3 h稳定化退火工艺下成品剪切断面,分裂面参差不齐;150℃×5 h稳定化退火工艺下成品剪切断面,分裂面光滑平直.

图 2

图 2 不同稳定化退火工艺下成品剪切断面示意图 Fig.2 Sketch of shearing section of the finished product with different stabilizing annealing technologies

图 3

图 3 150℃不同保温时间下成品剪切断面照片 Fig.3 Images of shearing section of the finished product at 150℃ in different holding time

5010合金是一种Al-Mg系合金,Mg的质量分数为0.20%～0.60%,300 K时,Mg在Al中的固溶度为1.9%^[5].因此,室温下,Mg在5010合金中主要以固溶状态存在,Mg在Al基体当中有一定的固溶强化作用.该合金的另一种主要合金元素是Mn,其质量分数为0.10%～0.30%,700 k时,Mn在Al中的固溶度为0.2%.因此,室温下,Mn在5010合金中主要以MnAl₆相存在于Al基体中,有一定的第二相硬化作用,能提高Al基体的再结晶温度,阻止晶粒粗化,并使合金强度略有提高,尤其对屈服强度更为明显^[6].

Fe与Mn能形成难容的MnFeAl₆化合物,从而降低Mn在合金中的作用.当在铸轧组织中形成较多硬而脆的FeAl₃化合物时,容易产生加工裂纹^[6].此外,Fe还降低该系合金的耐腐蚀性能,因此Fe的质量分数一般应控制在0.4%以下.

Si是有害杂质,Si与Mg形成Mg₂Si相,由于Mg质量分数过剩,降低了Mg₂Si相在基体中的溶解度,所以不但强化作用不大,而且还降低了合金的塑性.轧制时,Si比Fe的副作用更大些,因此Si的质量分数应控制在0.2%以下.

从Al-Mg合金相图^[7]分析,铝镁合金的共晶温度为723 K,因此选择小于100℃装炉,升温2 h至530℃,保温15 h,降温1.5 h至340℃出炉空冷的均匀化退火工艺.当温度达到430℃左右时,已接近Al-Mg合金相图共晶温度,长时间保温后缓慢冷却到室温,有利于消除或减低晶内化学成分和组织的不均匀性,改善合金组织,提高合金塑性,便于加工变形.均匀化退火消除了铸轧组织非平衡状态,同时也消除了这种状态的遗传影响,提高合金在冷变形工序中的塑性,因而可提高总的冷加工率.由于消除了化学成分的不均匀性,合金的耐蚀性也相应提高^[8].

表 4中,5.0 mm厚度冷轧坏料经均匀化退火再轧制到成品厚度0.118 mm时的抗拉强度,比不经过均匀化退火而直接轧制到成品厚度的抗拉强度低100 MPa.这说明经均匀化退火处理后的冷轧坯料,减少或消除了Mg、Mn等元素的晶内偏析;随着温度降低,只有少量过饱和的Mn合金元素在基体中以MnAl₆相弥散析出.形成细微的弥散析出相,其后续压延轧制过程中,加工硬化作用对力学性能的影响效果起主导作用,而基体的弥散强化作用很小;未经均匀化处理的冷轧坯料直接轧制成薄板,除了加工硬化作用对力学性能的影响效果起主导作用外,Mg在铝中的固溶强化作用和MnAl₆第二相硬化作用,对合金强度的提高也有显著的影响.

连续铸轧生产过程中,由于非平衡状态下的亚急冷凝固,会产生Mg₅Al₈相的晶内偏析.因此,当Mg质量分数＜5%时,再结晶温度随Mg质量分数的增加而降低,易发生时效软化现象.为了保证最终产品能够经受继续加工过程中的受热作用而不发生变形,需要对最终产品进行稳定化退火,致使其力学性能达到稳定.

表 5中,未经均匀化处理的5.0 mm厚度冷轧坯料,再经冷轧、箔轧轧制到成品厚度0.118 mm,经清洗、150℃×5 h稳定化退火后,最终产品的抗拉强度可达到370～380 MPa,伸长率可达到3%～4%,力学性能稳定,经剪切分裂面光滑平直,剪切质量较为理想.说明,在剪切时,材料的抗拉强度越高,材料剪切过程延续时间就越短,剪切区就越小,无光撕裂面越容易发生二次剪切,分裂面越容易参差不齐;材料的伸长率越高,材料剪切过程延续时间就越长,剪切区就越大,剪切平面越容易受到剪切力轧制而产生毛刺,分裂面也容易参差不齐.所以,在剪切刀片材质强度不变的前提下,被剪切材料材质的抗拉强度和伸长率均要控制在一定范围内,带材的剪切断面才能达到分裂面光滑平直的质量效果.

(1) 采用铸轧坯料不经均匀化退火直接轧制生产工艺生产的5010合金H19状态,成品公称0.12 mm厚度百叶窗带材,完全可以替代热轧坯料生产的5052H19、5182H19和5083H19铝合金百叶窗带材,达到降本增效、提质降耗的目的.

(2) 该生产工艺中,稳定化退火工艺参数150℃×5 h为最佳,所生产的0.12 mm×25 mm的百叶窗带材,可获得力学性能和剪切质量稳定的、抗拉强度在370～380 MPa、断后伸长率在3%～4%范围的符合用户使用要求的合格产品.