轧制基础理论

一、什么是铝

铝是一种银白色金属，在地壳中含量仅次于氧和硅排在第三位。铝的密度小，仅为铁的34.61%、铜的30.33%，因此又被称作轻金属。拿同样体积的铝跟钢铁、铜比较，钢铁的重量是铝的2.9倍，铜的重量是铝的3.3倍，因此铝又成为各种设施轻量化的首选金属材料。

二、铝的特性及用途

铝具有轻便性、导电性、导热性、可塑性（易拉伸、易延展）、耐腐蚀性（不生锈）\物理和力学性能好等优良特性，所以成为机电、电力、航空、航天、造船、汽车制造、包装、建筑、交通运输、日用百货、房地产等行业的重要原材料。

铝的密度只有2.7103g/cm3，铝的表面具有高度的反射性，辐射能、可见光、辐射热和电波都能有效地被铝反射，而经阳极氧化和深色阳极氧化的表面可以是反射性的，也可以是吸收性的，抛光后的铝在很宽波长范围内反射优良，因而具有多种装饰用途及反射功能性用途。

铝通常显示出优良的电导率，它的导电能率约为铜的三分之二，但由于其密度仅为铜的三分之一，因而，将等质量和等长度的铝线和铜线相比，铝的导电能力约为铜的二倍，且价格较铜低，应用成本低，所以常被电力工业和电子工业选用。目前，具有高电阻率的一些特定铝合金也已经研制成功，这些合金可用于如高转矩的电动机中。

铝的热导率很高，仅次于铜，铝的导热能力比铁大3倍，大约是铜的50%～60%。铜的导热性虽然最佳，可是制造同样大小的工件重量要比铝大很多，价格也比铝贵很多。因此，制造散热器铝仍是首选。铝的性价比对制造热交换器、蒸发器、加热电器、炊事用具，以及汽车的缸盖与散热器都很有利。

铝是非铁磁性的，这对电气工业和电子工业而言是一个极其重要的特性。

铝是不能自燃的，这对涉及装卸或接触易燃易爆材料的行业来说十分重要。铝的毒性非常微小，通常用于制造盛食品和饮料的容器。近年来，铝箔在香烟、药品、食品的包装方面应用越来越广泛，已成为包装业的重要材料。

铝的自然表面状态具有宜人的外观。它柔软、有光泽，而且为了美观，还可着色或染上纹理图案。在现代生活中，铝已经广泛地应用在建筑行业和日用百货中。

铝还具有良好的吸音性能，根据这一特点，－些广播室、现代化大建筑内的天花板等有的采用了铝。

铝的可塑性非常好。纯的铝很软，强度不大，有着良好的延展性，可拉成细丝和轧成箔片，具有良好的可机加工性，大量用于电线、电缆制造业和无线电工业以及包装业。在某些

金属中加入少量铝，便可大大改善其性能。如在铝中加入少量镁、铜，可制得坚韧的铝合金；又如青铜铝（含铝4％～15％）合金，具有高强度的耐蚀性，硬度与低碳钢接近，且有不易变暗的金属光泽，常用于珠宝饰物和建筑业中，用于机器的零件和工具制造，用于酸洗设备和其它与稀硫酸、盐酸和氢氟酸接触的设备，可制作电焊机电刷和夹柄、重型齿轮和蜗轮、金属成型模、机床导轨、不发生火花的工具、无磁性链条、压力容器、热交换器、压缩机叶片、船舶螺旋浆和锚等。在铝中加入镁，便制得铝镁合金，其硬度比纯的镁和铝都大许多，而且保留了其质轻的特点，常用于制造飞机的机身、火箭的箭体、门窗，美化居室环境，制造船舶；在铝里添加其它金属成份，可以变成各种各样的铝合金，一些铝合金在强度上甚至超过结构钢材。

铝的连接也很容易，可用各式各样的方法，包括熔焊、电阻焊、硬焊、软焊、粘结以及诸如铆接和栓接之类的机械方法。

与铁相比，铝不易锈蚀，延长了使用寿命。因此，铝具有极高的回收性,再生铝的特性与原生铝几乎没有区别，这点使铝成为环保人士的宠儿。

三、铝及铝合金

以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。

纯铝的密度小（ρ=2.7g/m3），大约是铁的1/3，熔点低（660℃），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态σb 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb 值分别可达24～60kgf/mm2。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值σb/ρ）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。

铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。2008年北京奥运会火炬“祥云”就是铝。

高强度铝合金指其抗拉强度大于480兆帕的铝合金，主要是压力加工铝合金中防锈

铝合金类、硬铝合金类、超硬铝合金类、锻铝合金类、铝锂合金类。

四、铝及铝合金的分类

1、纯铝----1XXX 系，如1000系合金，铝含量不小于99%

2、AL--Cu系合金—2XXX系，如2024合金，以铜为主。

3、AL--Mn系合金--3XXX 系，如3004合金，以锰为主

4、AL--Si系合金--4XXX系，如4043合金，以硅为主。

5、AL--Mg系合金--5XXX系，如5056合金，以镁为主。

6、AL--Mg--Si系合金--6XXX 系，如6063合金，以Mg和Si为主要合金元素并以Mg和Si相为强化相的铝合金。

7、AL—Zn--Mg--Cu系合金--7XXX系，如7075合金，以 Mg和Si为主要合金元素并以Zn为主要合金元素的铝合金。

8、AL--Li系合金--8XXX系，如8089合金，以 Mg和Si为主要合金元素并以其他合金元素为主要合金元素的铝合金。

铸造铝合金与变形铝合金主要区别：Si含量超过多数变形铝合金Si含量。

在上述分类基础上根据合金性能把AL--Mn、AL--Mg系合金又称作为防锈铝，AL--Cu 系实际上是AL--Cu--Mg系又称作为硬铝，AL--Mg--Si系（包括AL--Mg--Si--Cu系）合金称为锻铝，AL—Zn—Mg 系是中等强度的可焊铝合金，AL—Zn—Mg--（Cu）系合金称为超硬铝。

五、铝合金状态代号（GB/T16475-1996）

1、基本原则：（1）基础状态代号用一个英文大写字母表示，（2）细分状态代号采用基础状态代号后跟一位或多位阿拉伯数字表示。

2、基础状态代号

代号名称说明与应用

F 自由加工状态适用于在成形过程中，对于加工硬化和热处理条件无

特殊要求的产品，对该状态产品的力学性能不作规

定

O 退火状态适用于经完全退火获得最低强度的加工产品

H 加工硬化状态适用于通过加工硬化提高强度的产品，产品在加工

硬化后要经过（也可不经过）使强度有所降低的附

加热处理。H代号后面必须跟有两位或三位何拉伯数

字

W 固溶热处理状态一种不稳定状态，仅适用于经固溶热处理后，室温下

自然时效的合金，该状态代号仅表示产品处于自然

时效阶段

T 热处理状态适用于热处理后，经过（或不经过）加工硬化达到

稳定状态

（不同于F、O、H状态）的产品，T代号后面必须跟有一位或多位阿拉伯数

字。

TO 固溶热处理后，经自然时效再经过冷加工的状态。适用于经冷加工提高强度的产

品

T1 由高温成形冷却，然后自然时效至基本稳定的状态。适用于由高温成形过程冷却后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品

T2 由高温成形冷却，经冷加工后自然时效至基本稳定的状态。适用于由高温成形过程冷却后，进行冷加工或矫直、矫平以提高强度的产品

T3 固溶热处理后进行冷加工，再经自然时效至基本稳定的状态。适用于在固溶热处理后，进行冷加工或矫直、矫平以提高强度的产品

T4 固溶热处理后自然时效至基本稳定的状态。适用于固溶热处理后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品

T5 由高温成形过程冷却，然后进行人工时效的状态。（不经过冷加工可进行矫直、矫平但不影响力学性能极限），予以人工时效的产品

T6 固溶热处理后进行人工时效的状态

T7 固溶热处理后进行过时效的状态。适用于固溶热处理后，为获取某些重要特性，在人工时效时强度在时效曲线上越过了最高峰点的产品

T8 固溶热处理后经冷加工，然后进行人工时效的状态。适用于经冷加工或矫直、矫平以提高强度的产品

T9 固溶热处理后人工时效，然后进行冷加工的状态。适用于经冷加工提高强度产品T10 由高温成形过程冷却后，进行冷加工，然后人工时效的状态

注：某些6XXX系合金，无论是炉内固溶热处理，还是从高温成形过程急冷以保留可溶性组分在固溶体中均能达到相同的固溶的热处理效果，这些合金的T3、T4、T6、

T7、T8和T9状态可采用上述两种处理方法的任一种。

T42 适用于自O或F状态固溶热处理后自然时效到充分稳定状态的产品，也适用于需方对任何状态的加工产品热处理后，力学性能达到了T42状态的产品。

T62 适用于自O或F状态固溶热处理后进行人工时效的产品，也适用于需方对任何状态的加工产品热处理后，力学性能达到了T62状态的产品。

T81 适用于固溶热处理后，经1%左右的冷加工变形提高强度，然后进行人工时效的产品。

T87 适用于固溶热处理后，经7%左右的冷加工变形提高强度，然后进行人工时效的产品。

HXXX状态

1、H后面第1位数字表示获得该状态的基本处理程序

H1----单纯加工便化状态

H2----加工硬化及不完全退火的状态

H3----加工硬化及稳定化处理状态

2、H后面第2位数字表示加工硬化强度，数字8表示硬状态。

六、铝加工方法的分类与特点

按工件在加工过程中的温度特征分类，铝及铝合金加工可分为热加工、冷加工和温加工。

1、热加工：是指铝及铝合金锭坯在再结晶温度以上所完成的塑性成形过程。热加工时，锭坯的塑性较高而变形抗力较低，可以用能力较小的设备生产变形量较大的产品。为了保证产品的组织性能，应严格控制工件的加热温度、变形温度与变形速度、变形程度以及变形终了温度和变形后的冷却速度。常见的铝合金热加工方法有热挤压、热轧制、热锻压、热顶锻、液体模锻、半固态成形、连续铸轧、连铸连轧、连铸连挤等。

2、冷加工：是指在不产生回复和再结晶的温度以下所完成的塑性成形过程。冷加工的实质是冷加工和中间退火的工艺组合过程。冷加工可得到表面光洁、尺寸精确、组织性能良好和能满足不同性能要求的最终产品：最常见的冷加工方法有冷挤压、冷顶锻、管材冷轧、冷拉拔、板带箔冷轧、冷冲压、冷弯、旋压等。

3、包铝：是铝合金板带生产的特有工序，是将包铝板置于铸锭的上下两面，通过热轧结合成一体。包铝的目的：是提高铝合金板带的抗蚀能力、保护基体金属免受铝合金板带生产工艺流程图腐蚀和改善工艺性能。包铝板应具有适合的化学组成和适当的厚度。对硬铝为基体的板材，使用铜、锌含量小于0.05％的纯铝作包铝板。超硬铝为基体时，使用含锌

0.9％～1.3％的Al-Zn合金为包铝板。根据板厚和用途不同，成品板包铝层厚度为板厚的2％、4％和8％。为改善工艺性的包铝称工艺包铝，目的在于防止铸锭开坯时表面开裂，包铝层为成品板厚的1.0％～1.5％。

4、铸锭加热：加热的目的是提高铸锭的塑性和降低变形抗力，以利于热轧的进行。铸锭的加热温度根据合金状态图和塑性图确定。加热温度应尽量使热轧在最高的允许温度下开始。对纯铝和低合金化的铝合金锭，加热温度为500℃或更高；对硬铝合金锭为390～430℃；超硬铝合金为370～410℃。加热时间则以铸锭断面上温度均匀为目标。加热时间过长，铸锭表面氧化层过厚，不利于包铝板与锭坯的结合。铸锭加热在有空气循环的连续式加热炉中进行。

5、热轧前准备主要包括铸锭质量检查、均热、锯切、铣面、包铝和加热等。使用质量优良的铸锭是保证成品质量的前提。

6、热轧工艺制度：包括轧制压下制度、轧制温度、轧制速度以及润滑冷却等。

道次压下率大，有利于变形深入轧件内部，可减少轧件张嘴开裂乃至缠辊现象。然而道次压下量受轧辊咬入条件的限制。此外在开坯阶段，为保证铸锭的铸造组织向变形组织顺利过渡，道次压下率和轧制速度都不宜过大。轧制包铝铸锭时，为使包铝板与锭坯结合良好，第一道次压下率应控制在2％～4％范围内。立辊轧边可改善轧件边部的应力状态，减少裂边。采用铸锭侧面包铝并轧边，可消除铝合金热轧时的裂边。轧制后期，轧件长度增大，轧制速度也应相应地提高。

为获得平直度良好的热轧带卷，必须控制轧制时的辊缝形状，采用液压弯辊、辊身分区冷却和轧辊原始凸度控制(见辊型控制)等手段，配合压下规程和轧制速度进行调控。喷在轧辊上的乳液除润滑外也起冷却作用。乳液在喷嘴处的压力应为0.3～0.5MPa，流量为5～6L／(cm?s)。

轧制时轧件上的张力影响轧件的厚度、平直度以及它们的均匀性。张力应小于轧件的屈服强度，其大小视轧件的塑性和裂边倾向而定。在轧制的加速、恒速和减速各阶段，应尽量减少张力的波动。

七、轧制理论

轧制是锭坯依靠摩擦力被拉进旋转的轧辊间，借助于轧辊施加的压力，使其横断面减小，形状改变，厚度变薄而长度增加的一种塑性变形过程。

1、什么是热轧：热轧一般指在金属再结晶温度以上的轧制。在热轧时，变形金属同时存在硬化和软化过程，因变形速度的影响，只要回复和再结晶过程来不及进行，金属随变形程度的增加会产生一定的加工硬化。但在热轧温度范围内，软化过程起主导作用，因而在热轧终了时，金属的再结晶通常不完全，热轧后的铝合金板带材再结晶和变形组织共存的组织状态。

2、热轧的特点：

a、热轧能显著降低能耗，降低成本。热轧时金属塑性高，变形抗力低，大大减少了金属变形所需的能耗；

b、热轧能改善合金的金属加工工艺性能，即将铸造态的粗大晶粒破碎，显微裂纹愈合，减少或消除铸造缺陷，将铸造组织转变为变形组织，提高金属的加工性能；

c、热轧通常采用大铸锭、大压下量轧制，不仅提高了生产效率，而且为提高轧制速度、实现轧制过程的连续化、自动化创造了条件；

d、热轧不能精确的控制产品所需的力学性能，热轧制品的组织和性能不够均匀，其强度指标低于冷作硬化产品，而高于完全退火制品，塑性指标高于冷作硬化产品，而低于完全退火制品;

e、热轧产品厚度尺寸较难控制，控制精度相对较差；热轧制品的表面较冷轧制品粗糙Ra值一般在0.5~1.5μm之间。因此，热轧产品一般多做为冷轧加工的坯料。

3、热轧制度：轧制压下制度、轧制温度、轧制速度以及润滑冷却等。

a、热轧温度包括：开轧温度、终轧温度。

b、轧制速度：为提高生产效率，保证合理的终轧温度，在设备允许范围内应尽量采取高速轧制。开始轧制阶段：铸锭厚而短，绝对压下量较大，咬入困难，为了便于咬入，一般采用较低的轧制速度；中间轧制阶段：为了控制终轧温度和提高生产效率，只要条件允许采用高速轧制；最后轧制阶段：因带材变的薄而长，轧制过程温降损失大，带材与轧辊接触时间较长，为获得良好的表面质量和板型，应根据实际情况选用合适的轧制速度。

c、

轧辊要求的性能有：耐磨性、抗剥落、高淬硬深度、轧制疲劳寿命、粗糙表面摩擦阻力。另一方面，在铝轧制中，有这么一种现象叫做粘辊，就是有铝粘在轧辊表面。