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高通量连铸连轧铝合金板带生产用铸嘴研究

高通量连铸连轧铝合金板带生产用铸嘴研究

作者：马宁郑州大学

学位级别：硕士

高通量连铸连轧铝板带工艺是建立在水平连铸基础上的新型高效率、短流程、低能耗的生产工艺。电解的铝熔体经过高通量连铸连轧机和热三连轧,直接成型为2mm-8mm的板坯,在此过程中,铝熔体的流通量可高达50t/h。铸嘴作为直接把铝熔体送入... 详细信息

高通量连铸连轧铝板带工艺是建立在水平连铸基础上的新型高效率、短流程、低能耗的生产工艺。电解的铝熔体经过高通量连铸连轧机和热三连轧,直接成型为2mm-8mm的板坯,在此过程中,铝熔体的流通量可高达50t/h。铸嘴作为直接把铝熔体送入高通量连铸连轧机的关键部件,其选用材质及结构均非常重要。目前,生产线上所使用的铸嘴材料均需进口,其高昂的价格是铝板带成本无法降低的主要原因;此外,铸嘴结构固定,无法根据生产情况进行调控,在生产含镁量较高的铝合金时容易发生铸嘴堵塞,只能停机更换铸嘴继续生产,此过程不仅浪费大量人力物力,还大大降低生产效率。因此,就铸嘴材料及结构的研究,对铸嘴堵塞分析机理以及高通量连铸连轧用铸嘴国产化的推进均有着重要的意义。本文针对生产过程中使用铸嘴的材料及结构进行研究。在材料分析方面,从外观形态、微观形貌及组织和性能对进口高通量连铸连轧所用铸嘴进行系统分析,同时与选取的四种国产供双辊铸轧用铸嘴材料进行对比,通过分析国内外铸嘴材料的差异,探讨高通量连铸连轧用铸嘴国产化的可行性,为高通量连铸连轧用铸嘴国产化提供依据。在铸嘴结构方面,主要分析高通量连铸连轧目前所用两种结构的铸嘴,通过计算机模拟的方法,模拟其铸嘴型腔内熔体的流动情况并分析其规律;最后,结合铸嘴材料与结构两方面因素,对生产高镁含量铝合金时铸嘴的堵塞机理进行了分析验证。通过对铸嘴材料的分析发现,国内外铸嘴材料在外观形态与微观形貌方面差异较小,且铸嘴生产的工艺接近,因此高通量连铸连轧用铸嘴材料国产化可行性较高。国内外铸嘴材料的主要差异表现在使用的纤维基材上：进口铸嘴所使用的硅酸铝纤维为晶态纤维,而国产铸嘴用纤维的为非晶态。晶态纤维在耐火度及使用寿命方面,均明显优于非晶态纤维。因此,进口铸嘴在保温性能和使用寿命方面要优于国产铸嘴。通过建立高通量连铸连轧铸嘴型腔内铝熔体流动模型,通过计算机模拟发现,铸嘴型腔内铝熔体的流动状态为湍流,且各部分的流动状态均不相同,大体可分为三个部位：靠近型腔中心部位,流速快且流动较为平稳;靠近型腔壁面处,流速缓慢且平稳;介于中间的部位,流速中等但流动状态复杂多变。对铸嘴出口处速度曲线研究,其结果表明,铸嘴靠近两端的出口速度要明显高于中间部位的出口速度。铸造速度、铸板宽度以及铸嘴型腔内表面粗糙度对铸嘴型腔内熔体的流动均有显著的影响。随着铸造速度的不断增加型腔内熔体流动的湍流状态也更为复杂;随着铸造宽度的不断增加,铸嘴出口处边部与中间出口速度差距随之增大;随着铸嘴型腔内表面粗糙度的不断增加,近壁面区域平稳的流动情况被打破,取而代之的是复杂的湍流,这更加剧了挂渣现象。通过对铸嘴堵塞的热力学计算、动力学分析和铸嘴渣层SEM和XRD分析并结合铸嘴材料及铸嘴型腔内熔体流动规律,得出高Mg含量铝合金板带在生产中出现铸嘴堵塞的机理为：熔体中的Mg在生产过程中会不断地与铸嘴材料反应,并且熔体中的细小夹杂物会在表面不断沉积,当沉积达到一定程度时会改变型腔内熔体的流场与温度场,使得熔体在中间凝固,造成堵塞。

关键词：高通量连铸连轧铸嘴硅酸铝纤维流场铸嘴堵塞

高通量连铸连轧AlFeSi合金铸板表面偏析调控行为的研究

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高通量连铸连轧AlFeSi合金铸板表面偏析调控行为的研究

作者：曹亚楠郑州大学

学位级别：硕士

高通量连铸连轧工艺是将熔融状态的铝合金液由连铸机铸成厚度约19mm的连铸板坯,然后直接进行三连轧的连续铸造加工工艺,该工艺具有流程短,能耗低,生产效率高等优点。该工艺的铸造过程是在连铸机中由环形钢带和两条可移动矩形链式金属挡... 详细信息

高通量连铸连轧工艺是将熔融状态的铝合金液由连铸机铸成厚度约19mm的连铸板坯,然后直接进行三连轧的连续铸造加工工艺,该工艺具有流程短,能耗低,生产效率高等优点。该工艺的铸造过程是在连铸机中由环形钢带和两条可移动矩形链式金属挡块组成的结晶器内完成。连铸坯的表面质量尤其表面偏析取决于作为支撑面的钢带的刚性、表面的粗糙度、冷却的均匀性及合金的成分,并会遗传至后续的轧制加工过程,影响最终轧制产品的表面质量。研究高通量连铸连轧AlFeSi合金连铸板坯表面偏析的调控行为对改善AlFeSi合金产品的表面质量具有非常重要的意义。本文以高通量连铸连轧AlFeSi合金为研究对象,采用显微金相观察、SEM及EDS分析、XRD分析等分析手段,通过调控Fe/Si比、Fe、Si总含量、铸造冷却速度,利用表面偏析层厚度及表层第二相占比等方法,研究了铸坯表面偏析规律。本文系统研究了Fe、Si含量对连铸连轧AlFeSi合金铸板表面偏析的影响规律,结果表明:当Fe/Si比由0.8增大到2.0时,板坯表面偏析情况先增加后减轻。Fe/Si比为1.25时,表面偏析最严重,表面偏析层厚度在80μm左右,表层第二相占比为36.7%;Fe/Si比为2.0时,表面几乎无偏析层,表层第二相占比为11.1%。随着Fe/Si比增大,表层主要偏析相由针状β-AlFe Si相先向网状α-AlFeSi相转变,然后再向针状、板条状AlFe相转变。当Fe、Si总量由0.45%增大到1.44%时,板坯表面偏析明显增加,表面偏析层厚度从45μm表增加到80μm,表层第二相占比从11.2%增加到36.7%;表层主要偏析相均为α-AlFeSi相,Fe、Si总量为0.45%时,表层占次要位置的偏析相为AlFe相,随着Fe、Si总量增加,表层则有少量β-AlFe Si相。本文通过台阶试块研究了冷却速度对板坯表面偏析的影响,结果表明,当冷速由27.8℃/s增大到248.5℃/s时,表面偏析减轻,当冷速增大到108.2℃/s以后,铝合金铸板表面已无第二相偏析现象。随着冷却速度的增大,AlFeSi合金铸板表层晶粒尺寸减小,晶粒间缝隙减小,主要偏析在晶界间第二相的尺寸随之减小,数量随之减少。基于上述研究结果发现,高通量连铸连轧生产AlFeSi合金,降低合金元素含量,表面偏析趋于减弱;在生产高Fe、Si含量AlFeSi(8011)合金时,适当提高铸造冷却速度,并将Fe/Si比调整到1.7左右,偏析相对较轻,偏析相为网状α-AlFeSi相,有利于后续板坯质量的提高,并在生产中得到了实验和验证。

关键词：高通量连铸连轧 AlFeSi合金 Fe/Si比冷却速度表面偏析

AA8011铝合金高通量连铸连轧铸嘴堵塞的原因

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轻合金加工技术 2017年第7期45卷 32-36,49页

作者：陈自伟吴立鸿卢广玺关绍康吕伟强郑州大学材料科学与工程学院河南郑州450001 郑州大学现代分析与计算中心河南郑州450001

采用OM、SEM、EDS、XRD和辉光放电质谱仪研究了HTCR(高通量连铸连轧)AA8011铝合金铸嘴堵塞的机制。结果表明,经过净化处理后,AA8011铝合金熔体中固体非金属夹杂物含量不是造成铸嘴挂渣堵塞的主要原因。随着铸造时间的增加,铝合金熔体中... 详细信息

采用OM、SEM、EDS、XRD和辉光放电质谱仪研究了HTCR(高通量连铸连轧)AA8011铝合金铸嘴堵塞的机制。结果表明,经过净化处理后,AA8011铝合金熔体中固体非金属夹杂物含量不是造成铸嘴挂渣堵塞的主要原因。随着铸造时间的增加,铝合金熔体中接触到铸嘴表面的液态杂质随温度的降低析出凝固,造成铸嘴表面粗糙度增加,引起铸嘴挂渣。在高温下铝熔体长时间与铸嘴材料中的SiO_2颗粒接触,在铸嘴表面形成Al_2O_3颗粒,加剧了铸嘴堵塞的发生。熔融铝液在铸嘴凹凸不平的表面容易凝固,铸嘴型腔内逐渐变得狭窄,最终导致铸嘴堵塞。在堵塞的铸嘴型腔内形成三层结构分布—反应层、挂渣层与金属层。

关键词：高通量连铸连轧 AA8011铝合金铸嘴堵塞夹杂物挂渣层

热处理工艺对高通量连铸连轧AA5052铝合金板折弯裂纹的影响

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热加工工艺 2018年第18期47卷 239-242页

作者：张占领郑州科技学院机械工程学院

分析了高通量连铸连轧AA5052铝合金板成品折弯裂纹形成的机制,对该生产线下的AA5052冷轧板进行热处理;采用力学拉伸及显微分析等手段,探索了热处理工艺对AA5052合金板折弯裂纹的影响,并制定了针对高通量连铸连轧生产线产品的热处理工艺... 详细信息

分析了高通量连铸连轧AA5052铝合金板成品折弯裂纹形成的机制,对该生产线下的AA5052冷轧板进行热处理;采用力学拉伸及显微分析等手段,探索了热处理工艺对AA5052合金板折弯裂纹的影响,并制定了针对高通量连铸连轧生产线产品的热处理工艺。实践证明：在高通量连铸连轧工艺不变的情况下,采用480℃×8 h中间退火工艺处理,可以很大程度上减少折弯裂纹的产生。

关键词： AA5052铝合金板高通量连铸连轧热处理工艺折弯裂纹

退火对高通量连铸连轧AA5052组织和成形性能的影响

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退火对高通量连铸连轧AA5052组织和成形性能的影响

作者：周崇郑州大学

学位级别：硕士

高通量连铸连轧工艺是一种新型高效的铝合金板带坯料生产工艺,通过将铝熔体直接馈入高速连续铸造机进行铸造,再经过在线三连轧技术热轧至2-8mm的板带坯料,工艺具有高流速、短流程、节能环保等优点。AA5052铝合金含镁量较高,结晶区间大,... 详细信息

高通量连铸连轧工艺是一种新型高效的铝合金板带坯料生产工艺,通过将铝熔体直接馈入高速连续铸造机进行铸造,再经过在线三连轧技术热轧至2-8mm的板带坯料,工艺具有高流速、短流程、节能环保等优点。AA5052铝合金含镁量较高,结晶区间大,流动性差,带坯表面易形成冷隔,表面质量差,冷加工能力低。但采用高通量连铸连轧工艺生产AA5052合金板在我国尚属首例,产品质量及再结晶退火工艺还有待研究;另外,由于高通量连铸连轧生产线采用的是短流程生产工艺,省去了预热均匀化等工序,其最终产品的成形性能尤其是折弯性能还不够理想。因此需对其进行原因分析和机理探讨,制定合理的轧制热处理方案。本文依托洛阳某公司引进的高通量连铸连轧铝板带生产线,采用力学拉伸及显微分析等手段对该生产线下的AA5052合金组织与成形性能进行了分析,并与热轧开坯工艺的进行对比研究;在不同温度下对AA5052冷轧板进行退火处理,探索了该工艺下AA5052合金的再结晶规律,并制定了针对高通量连铸连轧生产线产品的再结晶退火工艺;另外从微观角度就AA5052-H32板材成形性能尤其是折弯性能不稳定的现象进行了原因探讨,采用不同的的轧制和中间退火工艺对其组织和成形性能进行优化,最终形成一套适合高通量连铸连轧工艺下生产AA5052-H32合金的轧制及退火制度。主要结果如下:1.高通量连铸连轧工艺下AA5052铝合金铸板坯上、下表面平均晶粒直径为70.13μm,中心面平均晶粒直径为92.52μm,第二相颗粒沿晶界分布,呈骨架状;热轧板坯近表层部位呈现出再结晶组织,中心部位则为长条状轧延组织类型,近表层部位的第二相沿轧制方向分布。AA5052-H32态成品板表面第二相主要沿轧向破碎分布,总体呈线条状,第二相颗粒数目较多,且占整个取样位置的面积比较大,塑性与热轧开坯的相比较差。***5052铝合金板的纤维组织在退火温度为340℃时开始消散,在退火温度达360℃时完全消失,在此过程中,板材力学性能下降,塑性及成形性能大大提高。相较于冷轧态,再结晶退火态板材的织构强度得到增强,但仍属较低程度。3.高通量连铸连轧工艺的铸造速度较快,且AA5052铝合金固液两相区较长,共同影响了该工艺下AA5052合金的凝固过程,致使铸板坯沿厚度方向上成分不均匀,出现中心层偏析;省去了预热均匀化等工序,不能够消除铸板坯中的成分不均匀及组织偏析情况,中间层偏析物会随着轧制的进行“遗传”到成品板材中,造成成品板材折弯性能不稳定的现象。4.可采用改变后期轧制和中间退火工艺参数的方法来优化成品板材的折弯性能。由于提高了中间退火温度,延长了保温时间,使得板材组织更加均匀,由冷轧引起的加工硬化现象得到进一步改善,从而使得立方织构得到降低,板材塑性得到改善。5.采用轧制方案I加工时,中间退火制度可选为480℃×8h,采用轧制方案II加工时,中间退火制度可选为500℃×8h,此时AA5052-H32成品板呈现出最好的折弯性能,杯突值最大,在整个变形区域上应变分布的均匀性较好且抵抗变薄的能力较强。6.适合高通量连铸连轧AA5052合金冷轧料的再结晶退火工艺为:360℃退火温度下保温2h;优化后的高通量连铸连轧工艺生产AA5052-H32铝合金的加工工艺为:4.5mm-3.0mm-2.0mm-1.3mm-480℃×8h中间退火-1.1mm。参照该工艺加工时不仅成品板性能优良,且可以在较低中间退火温度下达到相同的效果,节省成本。

关键词：退火成形性能高通量连铸连轧 AA5052 再结晶折弯

成分调控对Al-Mg-Mn合金结晶温度区间及性能的影响

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成分调控对Al-Mg-Mn合金结晶温度区间及性能的影响

作者：王秀程郑州大学

学位级别：硕士

5xxx系铝合金因其具有比强度高、比重小、良好的成型性能和耐腐蚀性能等诸多优点,在航天航空、机械制造、汽车制造、军工制造、船舶制造与日常生活等领域中有着广泛的应用。随着国家“双碳目标”国家战略的提出,节能减排与绿色制造是铝... 详细信息

5xxx系铝合金因其具有比强度高、比重小、良好的成型性能和耐腐蚀性能等诸多优点,在航天航空、机械制造、汽车制造、军工制造、船舶制造与日常生活等领域中有着广泛的应用。随着国家“双碳目标”国家战略的提出,节能减排与绿色制造是铝合金板材加工的未来发展方向。高通量连铸连轧工艺由于能耗低、流程短、速度快与成本低等特点,越来越受到研究人员和生产企业的青睐。然而,对于镁含量相对较高的5xxx系铝合金(如AA5052合金),由于其结晶温度区间大,易产生偏析等原因,无法采用高通量连铸连轧工艺生产。本文以AA5052(Al-2.5Mg,质量分数,%,下同)合金为基础合金,采用热力学模拟(Pandat和JMat Pro软件)与实验验证相结合,通过调控Al-Mg-Mn合金中的Mg、Mn元素含量,即降低Mg元素含量,增加Mn元素含量,定制化设计一种适用于高通量连铸连轧工艺的、具有较小结晶温度区间并保障其强韧性的Al-Mg-Mn合金。在此基础上,采用DSC、OM、XRD、SEM、TEM、显微硬度、拉伸测试、电化学测试和失重分析等组织表征和性能测试手段,进一步研究了不同Zr、Er含量对定制化Al-Mg-Mn合金板材组织和性能的影响,探索了成分调控Al-Mg-Mn合金的腐蚀性能。主要研究结果表明:采用Pandat和JMat Pro软件进行模拟,确定了一种与Al-2.5Mg合金强度相当且结晶温度区间降低的Al-1.5Mg-0.8Mn合金,其结晶温度区间比Al-2.5Mg合金的结晶温度区间降低了10.8℃;通过合金连铸连轧模拟制备与力学性能测试等实验验证,Al-1.5Mg-0.8Mn和Al-2.5Mg两种合金板材退火态的抗拉强度和延伸率分别为287.7 MPa、6.96%和285.2 MPa,6.89%,与模拟结果基本一致;DSC分析验证结果表明Al-1.5Mg-0.8Mn合金的结晶温度区间比Al-2.5Mg合金的结晶温度区间降低了12.7℃,基本接近模拟结果。随后研究了不同Zr、Er含量合金化对定制化Al-Mg-Mn合金板材组织和性能的影响规律,结果表明,当Zr含量为0.2 wt.%和Er含量为0.3 wt.%时,Al-1.5Mg-0.8Mn合金板材的抗拉强度达到了320.5 MPa,延伸率为6.75%,比未微合金化Al-1.5Mg-0.8Mn合金板材的极限抗拉强度增加了11.3%,延伸率并无明显下降。这主要是因为合金板材的组织细化与均匀AlZr(Er)纳米相析出。同时,Al-1.5Mg-0.8Mn-0.2Zr-0.3Er合金的结晶温度区间为10.1℃,比Al-1.5Mg-0.8Mn合金增加了0.1℃,结晶温度区间无明显变化。电化学和失重实验结果表明,Al-1.5Mg-0.8Mn、Al-2.5Mg和Al-1.5Mg-0.8Mn-0.2Zr-0.3Er合金的电化学腐蚀电流分别为2.63×10 A·cm、4.44×10 A·cm和2.60×10 A·cm;合金的失重速率分别为1.88 mg·cm·h、6.96 mg·cm·h和2.35 mg·cm·h,定制化合金的耐蚀性优于Al-2.5Mg合金,但三者在同一耐蚀等级。

关键词： Al-Mg-Mn合金高通量连铸连轧热力学模拟结晶温度区间 Zr、Er微合金化力学性能耐蚀性能

中间退火工艺对AA5052铝合金板成形性能的影响

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郑州大学学报（工学版） 2016年第2期37卷 46-49页

作者：卢广玺周崇关绍康辛潇洋郑州大学材料科学与工程学院河南郑州450001

采用组织分析和性能检测手段,研究了不同中间退火工艺对采用高通量连铸连轧技术生产的AA5052-H32成品板折弯及成形性能的影响.结果表明:优化中间退火工艺可有效提升成品板材的成形性能,在经480℃×8 h的中间退火后,成品板材折弯性能最好... 详细信息

采用组织分析和性能检测手段,研究了不同中间退火工艺对采用高通量连铸连轧技术生产的AA5052-H32成品板折弯及成形性能的影响.结果表明:优化中间退火工艺可有效提升成品板材的成形性能,在经480℃×8 h的中间退火后,成品板材折弯性能最好,成形性能得到改善;高温中间退火后,部分第二相颗粒在高温均匀化的作用下回溶,对基体的割裂作用降低,成形性能得以改善.

关键词：高通量连铸连轧 AA5052 中间退火制度成形性能折弯性能

冷轧和退火对HTCR 5052合金板材成形性能的影响

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冷轧和退火对HTCR 5052合金板材成形性能的影响

作者：吕伟强郑州大学

学位级别：硕士

5XXX系铝合金属于不可热处理强化型铝合金,具有比重小,比强度高,良好的耐蚀性、焊接性和易于加工成形等优点,是交通运输工业的重要材料。5052铝合金是5XXX系铝合金中应用范围最广的合金之一。高通量连铸连轧工艺(即HTCR工艺)是一种新型... 详细信息

5XXX系铝合金属于不可热处理强化型铝合金,具有比重小,比强度高,良好的耐蚀性、焊接性和易于加工成形等优点,是交通运输工业的重要材料。5052铝合金是5XXX系铝合金中应用范围最广的合金之一。高通量连铸连轧工艺(即HTCR工艺)是一种新型高效的铝合金板带坯料生产工艺,该工艺具有短流程、生产效率高、节能环保等优点。利用高通量连铸连轧工艺生产的5052铝合金板材,由于连铸过程铝液凝固速度较快,连轧过程板材温度降低过快导致板材内部组织不均匀、性能不稳定。本文以高通量连铸连轧工艺生产的6mm厚5052合金板坯作为试验材料,通过显微组织分析、能谱分析、宏观织构分析、力学性能和成形性能测试等方法研究了中间退火、冷轧加工率、成品退火温度及横轧工艺对2mm厚5052合金成品板材的微观组织、宏观织构、力学性能和成形性能的影响,为工业生产提供理论指导。主要研究结果如下:1.连铸连轧工艺生产的6mm厚5052合金板材内部组织为轧制组织。经过480℃×8h中间退火后板材组织变为为再结晶组织,且晶粒内部析出大量细小的铝铁相粒子。6mm厚5052合金板材中间退火后冷轧至2mm,其完成再结晶过程所需时间较短,计算发现经过中间退火的冷轧板材再结晶激活能为164.3KJ/mol,相比未中间退火冷轧板材降低了18%。2.经过480℃×8h中间退火的5052合金冷轧板材和未中间退火5052合金冷轧板材中均含有黄铜织构、S织构和铜型织构组分,其中中间退火板材轧制织构最大强度为11,较未中间退火板材最大织构强度低35%,另外中间退火冷轧板材中含有最大强度为5的立方织构组分;中间退火5052合金再结晶板材和未中间退火5052合金再结晶板材中均含有立方织构和R织构,中间退火板材再结晶织构最大强度为6.6,较未中间退火再结晶板材最大织构强度高15%。3.经过480℃×8h中间退火的5052合金成品板材n值为0.396,相比未中间退火的成品板材高12.6%;经过中间退火的成品板材r值为0.696,(35)r值为-0.084,相比未中间退火的成品板材r值低10.5%,(35)r值高54.8%;经过中间退火的成品板材杯凸值为9.73,相比未中间退火的成品板材高1.1%。经过中间退火的成品板材与未中间退火的成品板材相比,成形性能明显提高。4.冷轧变形率和成品退火温度对5052合金成品板材力学性能和成形性能均有显著影响。冷轧变形率为66.7%,成品退火温度为400℃保温3h时,成品板材的抗拉强度为190.8Mpa,屈服强度为86.8Mpa,延伸率为26%,力学性能达到最佳;成品板材的n值平均值为0.409,r值平均值为0.695,(35)r值为-0.08,杯凸值为9.9,成形性能也达到最佳。5.横轧轧制板材含有典型的沿?取向线分布的轧制织构组分,直接冷轧轧制板材含有典型的沿β取向线分布的轧制织构组分。横轧A工艺轧制板材最大织构强度为19,比直接冷轧板材高10.5%,横轧B工艺轧制板材最大织构强度为23,比直接冷轧板材高26.1%。横轧成品板材中含有立方织构和黄铜织构,直接冷轧成品板材中含有立方织构和R织构。横轧A工艺成品板材立方织构强度为2.9,比直接冷轧板材低47.3%,横轧B工艺轧制板材立方织构强度为2.6,比直接冷轧板材低52.7%。6.横轧A工艺成品板材n值平均值为0.378,横轧B工艺成品板材n值平均值为0.38,两种横轧成品板材的n值平均值比直接冷轧成品板材提高了8.9%;横轧A工艺成品板材r值平均值为0.77,横轧B工艺成品板材r值平均值为0.764,两种横轧成品板材的r值平均值与直接冷轧板材相比并未发生明显变化;横轧A工艺成品板材(35)r值为-0.156,比直接冷轧成品板材高16.1%,横轧B工艺成品板材(35)r值为-0.09,比直接冷轧成品板材高51.6%;横轧后的两种板材杯凸值分别为9.7和9.67,比直接冷轧板材提高了0.8%。横轧成品板材与直接冷轧成品板材相比,成形性能显著改善。

关键词：高通量连铸连轧中间退火横轧工艺 5052合金织构成形性能

Mg、Cr、Si对5052铝合金结晶区间和性能的影响

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Mg、Cr、Si对5052铝合金结晶区间和性能的影响

作者：康飞祥郑州大学

学位级别：硕士

5xxx系铝合金具有强度高、耐腐蚀性好和易于加工成形等优点而得到广泛应用。其中5052铝合金是5xxx系中应用最广泛的产品之一,它具有中高强度、良好的抗疲劳性能和焊接性能、耐海洋大气腐蚀性好等特点,5052铝合金板材普遍应用于航天、汽... 详细信息

5xxx系铝合金具有强度高、耐腐蚀性好和易于加工成形等优点而得到广泛应用。其中5052铝合金是5xxx系中应用最广泛的产品之一,它具有中高强度、良好的抗疲劳性能和焊接性能、耐海洋大气腐蚀性好等特点,5052铝合金板材普遍应用于航天、汽车、建筑、机械等行业。一般情况下,5052铝合金是通过开坯热轧法生产,该工艺生产线较长、工序复杂、生产成本高。与之对比,高通量连铸连轧工艺是一种新型高效的铝合金板带坯料生产工艺,具有高流速、短流程、成本低、节能环保等优点。目前高通量连铸连轧生产的5052铝合金板材主要存在的问题是5052铝合金结晶区间大,容易产生偏析、疏松等缺陷,这些缺陷具有很强的“遗传性”,会随着后续的轧制和退火遗传到成品板材中,直接影响到最终成品板材的性能,导致成品板材性能不太理想。本文主要从合金源头出发,通过改变5052铝合金成分配比,在保证成品板材性能的条件下降低5052铝合金的结晶区间。首先进行模具设计及铝液凝固过程模拟,在实验室条件下,得到与连铸连轧大工业生产冷却速度、结晶方向一致的浇铸模具;其次调整Mg、Cr、Si的含量获得7 mm厚的5052铝合金铸板,后续进行冷轧及退火得到1 mm厚成品板材。通过显微组织分析、DSC分析、能谱分析、力学性能测试、杯凸实验、耐腐蚀测试等手段研究了Mg、Cr、Si含量对5052铝合金结晶区间和力学性能的影响,并探究了其再结晶规律,为用于高通量连铸连轧大批量生产5052铝合金板材提供一定的理论指导。主要研究结果如下:(1)设计了壁厚为25 mm的浇铸模具,铸板厚度为9 mm;对铝液凝固过程进行数值模拟,铝液冷却速度大小为9.6℃/s左右(连铸连轧生产线7℃/s℃/s),其结晶方向为从模具侧壁向中间结晶,测得铸板的实际晶粒尺寸大小在90μm8μm之间(连铸连轧生产线95μm左右),基本保证了在实验室条件下浇铸铸板与连铸连轧生产条件基本一致。(2)5052铝合金的Mg含量相同时,添加0.15%.35%的Cr,其对结晶区间基本无影响;5052铝合金结晶区间大小与Mg含量有关,结晶区间随着Mg含量的降低而减小,Mg含量从2.8%降到2.0%,结晶区间减少8℃,结晶区间减少,流动性升高,合金偏析程度减少。(3)Cr含量相同时,5052铝合金的力学性能随着Mg含量的增加而增大,Mg含量增加0.3%,抗拉强度增大10 MPa;Mg含量相同时,Cr含量增加0.1%,抗拉强度增大6 MPa,增加相同含量的Mg和Cr,后者的强化效果要高于前者。因此,可以适当降低Mg的含量,增加微量的Cr,保证了合金的力学性能。(4)添加Si元素后,合金中主要相组成为Al-Mg相和Al-Mg-Si相;Si含量从0.15%升至0.35%,其结晶区间减少了5℃。铝合金中Si易与Mg形成Mg2Si相,Si夺去了一定的Mg使镁含量减少,而Mg含量又与结晶区间有直接联系,因此导致结晶区间进一步减小,流动性升高,偏析程度降低。(5)Mg含量不变时,随着Si含量的增加,合金板材的抗拉强度与屈服强度增大,延伸率降低,Mg含量为0.35%时强度达到最大208 MPa。(6)冷轧变形后的组织呈纤维状,在300℃时发生再结晶,340℃时,纤维组织完全消除,呈等轴状晶粒,发生了完全再结晶;在此过程中,合金硬度显著上升;杯凸值明显增大,在340℃时合金的深冲性能最好。因此可以确定合金板的再结晶退火工艺为340℃退火温度下保温2h。(7)当合金中含有2.2%Mg,0.35%Cr,0.35%Si时,其结晶区间最小为27℃,抗拉强度为208 MPa。

关键词：高通量连铸连轧 5052铝合金结晶区间偏析再结晶温度