深沖用3004鋁合金帶材工藝研究

林琳， 田野， 葛義勇

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱150060）

深沖用3004鋁合金帶材工藝研究

林琳， 田野， 葛義勇

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱150060）

通過三向力學性能、深沖性能、顯微組織檢測等手段，分析了3004鋁合金回復與再結晶過程，研究了退火溫度對3004鋁合金深沖性能的影響，確定了3004鋁合金開始與終了再結晶溫度，從而獲得滿足性能要求的3004鋁合金帶材的退火溫度。

3004鋁合金；再結晶；各向異性

0 引言

3004鋁合金屬于Al-Mg-Mn系，主要合金化元素是Mn和Mg，它具有較高的強度、耐蝕性和優良的加工成形性，被廣泛應用于包裝、運輸、燈具等行業，其中絕大部分是以深沖帶材供貨。深沖帶材要求較低的各向異性和制耳率，因而需要綜合考慮材料各項性能指標。某用戶長期在我公司訂購燈具用0.22 mm厚3004鋁合金帶材，要求其抗拉強度為180～230 MPa，伸長率不小于6%。

在實際生產過程中，可以通過控制退火溫度對板帶材進行退火處理來達到上述力學性能指標，但在用戶的沖制加工過程中，仍然會發生沖制缺陷，尤其是帶材制耳率偏高，嚴重影響了燈具行業的發展。本文系統研究了退火溫度對3004鋁合金板帶材力學性能及深沖性能的影響，以確定出合理的熱處理工藝，滿足用戶使用要求。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

選擇半連續水冷鑄造的斷面尺寸為300mm×1070mm的3004鋁合金扁鑄錠，化學成分見表1。

表1 3004鋁合金化學成分質量分數 %

1.2 試驗內容

冷軋后成品退火前切取試樣，分別在200℃、220℃、240℃、260℃、280℃、300℃、320℃、340℃、360℃、380℃、400℃、420℃、440℃溫度條件下進行試驗室小樣退火處理，退火后檢測與軋制方向成0°、45°、90°的三個方向（以下簡稱三向）力學性能、制耳率以及各退火溫度條件下的顯微組織。根據三向力學性能、制耳率繪制退火軟化曲線及制耳率與退火溫度變化曲線，綜合顯微組織檢測結果，確定滿足用戶使用要求的3004鋁合金板帶材生產工藝。

1.3 試驗過程

3004鋁合金扁鑄錠經均火、銑面后進行熱軋，熱軋成品厚度為8.0 mm，進行坯料軟化退火，然后進行冷軋至成品厚度（0.22 mm），對冷軋至成品厚度的3004鋁合金取樣進行試驗研究。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

2.1.1 三向力學性能試驗結果

0.22 mm厚3004鋁合金帶材試驗室退火小樣力學性能隨退火溫度變化曲線如圖1所示，三向力學性能偏差隨退火溫度變化曲線如圖2所示。

圖1 0.22 mm厚3004鋁合金帶材在不同退火溫度條件下的三向力學性能

圖2 0.22 mm厚3004鋁合金帶材在不同退火溫度條件下的三向力學性能偏差

2.1.2 深沖性能試驗結果

0.22 mm厚3004鋁合金帶材深沖性能檢測結果如圖3所示，深沖后宏觀形貌如圖4所示。

圖3 0.22 mm厚3004鋁合金帶材在不同退火溫度條件下的制耳率

圖4 0.22 mm厚3004鋁合金帶材深沖后典型溫度下的宏觀形貌

2.1.3 顯微組織檢測結果

0.22 mm厚3004鋁合金帶材不同退火溫度下典型顯微組織如圖5所示。

圖5 0.22 mm厚3004鋁合金帶材典型退火溫度下的顯微組織

2.2 試驗結果分析

從圖1可見，在260℃以下溫度進行退火處理時，3004鋁合金帶材三向力學性能隨退火溫度變化不明顯，抗拉強度與屈服強度略有下降，伸長率略有上升，此時材料處于回復階段；在260～320℃之間進行退火處理時，3004鋁合金帶材三向力學性能中抗拉強度與屈服強度隨著退火溫度的升高急劇下降，而伸長率急劇升高，此時材料處于再結晶階段；在320℃以上溫度進行退火處理時，3004鋁合金三向力學性能中抗拉強度、屈服強度與伸長率均趨于平緩變化不大，此時材料處于完全再結晶及晶粒長大階段。由此三向力學性能軟化曲線，我們可以初步認定260℃為3004鋁合金開始再結晶溫度，320℃為3004鋁合金完全再結晶溫度。同樣由圖1可知，在280～300℃之間溫度下退火，材料的力學性能指標能夠滿足用戶使用要求。

由圖3可知，在200～440℃退火過程中，制耳率隨退火溫度升高呈現先下降后升高的變化趨勢，在300℃、360℃出現了低點，在300℃出現最低點為軋制過程中產生的軋制織構與再結晶過程中產生的再結晶織構相匹配出現的各向異性最小值，而360℃應該為完全再結晶后再結晶織構的內部出現的相對平衡點。由圖2與圖4可以佐證在300℃退火條件下，3004鋁合金本身各向異性達到最小值。圖2表示3004鋁合金帶材三向力學性能三向差值隨退火溫度變化的曲線，由曲線可以看出，在300℃退火條件下，三向力學性能差值相對達到最小值，此時3004鋁合金各向異性最小。圖4表示3個不同退火溫度條件下深沖的宏觀照片，在200℃條件下退火深沖后呈現與軋制方向成45°的4個制耳；在400℃條件下完全再結晶溫度下退火后深沖呈現與軋制方向成0°、90°的4個制耳；在300℃條件下退火后深沖呈現與軋制方向成0°、45°、90°的8個制耳，同時由于此時軋制織構與再結晶織構的平衡，制耳較小，同樣證明了在300℃退火條件下為3004鋁合金各向異性最小值。

如圖5（a）可以看出，在200℃退火后材料內部呈現纖維狀軋制組織，當退火溫度升高到300℃時，材料內部開始呈現均勻細小的再結晶組織，如圖5（b），到320℃時材料內部完全呈現出均勻細小的再結晶組織，如圖5（c），當溫度繼續升高的400℃時，材料內部晶粒組織異常長大，如圖5（d），此時材料各項性能開始惡化。從材料顯微組織檢測結果進一步證明了320℃為3004鋁合金完全再結晶溫度，材料顯微組織檢測結果同樣證明了材料各向異性的檢測結果。

根據資料記載，在回復階段（即260℃以下）溫度退火的材料中，存在大量位錯雜亂排列形成的復雜空間網絡，他們糾集纏結在一起成為胞狀亞結構，此時材料處于加工硬化狀態，具有較高的強度。經過260℃退火后，纏結的位錯逐漸構成形變邊界，此時，強度略有下降，塑性略有升高。隨著退火溫度升高，晶內的位錯不斷向胞壁處遷移，而胞壁處的位錯規則化也進一步發展，位錯不斷地調整和排布，當規則化完成之后，形變胞演變成清晰的亞晶，為晶粒的形核創造了有利條件。在再結晶過程中（即320℃）退火后，晶內是位錯纏結形成的位向差很小的亞晶組織，但同時有許多二次相質點（Mn、Fe）Al6相和Mg2Al3相析出，分布于晶內及晶界上。這些質點對晶界起到一種“釘軋”作用，嚴重阻礙了位錯和晶界的遷移，因此也就阻止了晶粒的長大，從而推遲了再結晶過程，形成了細小的再結晶晶粒，同時也起著“彌散強化”作用，這也是3004鋁合金強度高于相同狀態下3003鋁合金的主要原因［1-4］。

綜合力學性能指標與各向異性分析結果，確定300℃為生產無耳3004鋁合金帶材的退火溫度。

3 結論

對于冷加工率大于75%的0.22 mm厚3004鋁合金帶材而言：1）3004鋁合金帶材開始再結晶溫度為260℃，再結晶終了溫度為320℃；2）在300℃溫度下退火，3004鋁合金帶材各向異性達到最小值；3）在300℃溫度下退火，3004鋁合金帶材各項性能指標滿足用戶要求，此溫度為生產無耳3004鋁合金帶材的退火溫度。

［1］ 范雅銘.退火溫度對3004鋁合金板材組織和性能的影響［J］.輕合金加工技術，2003，31（8）：19-21.

［2］ 伊春芝，劉淑晶；徐奔，等.3004鋁合金H32狀態帶材工藝研究［J］.輕合金加工技術，2004，32（12）：24-26.

（編輯：啟 迪）

TG 316

A

1002－2333（2014）04－0065－03

林琳（1986—），女，助理工程師。

2014-02-08