铝合金热加工处理工艺及原理科普

铝合金热加工处理工艺及原理科普
铝合金在高温下塑性高、抗力小、原子扩散过程加剧，热变形过程中伴随着回复再结晶，有利于改善合金组织。

热变形主要对材料有如下影响：热变形过程中，金属内部的晶粒、杂质和第二相及各种缺陷将沿最大延伸主变形方向被拉长，组织拉长方向的强度一般高于其它方向的强度，材料表现出不同程度的各向异性。

此外，热变形时也可能同时产生变形织构及再结晶结构，它们也会使材料出现方向性及不均匀性。

热变形过程中硬化和软化过程是同时发生的。

变形破碎了粗大的柱状晶粒，使材料的组织成为较为细小的变形晶粒，加工硬化与动态回复再结晶机制同时起作用。

由于原子在高温作用下热运动加强，在应力作用下，由于原子发生自由扩散和互扩散，使铸锭化学成分的不均匀性相对减少，还能使某些微小的裂纹得以愈合。

铝合金在高温变形时，加工硬化特征与变形温度及变形速度有关，加工温度越高，变形速度越慢，则加工硬化值越小。

铝及铝合金具有较高的堆垛层错能，扩展位错较窄，极易发生动态回复形成亚晶组织，变形温度高且变形速度快时，所形成的亚晶粒尺寸较小。

若变形后快冷，再结晶过程可能被抑制，高温变形时形成的亚晶会保留下来，合金的强度与亚晶粒尺寸有关，这种强化称为亚结构强化或亚晶强化。

可能的动态回复机制主要有：1）刃型位错攀移；2）螺型位错的交滑移；3）钉扎位错脱钉及三维位错网络的脱缠；4）滑动螺型位错上刃型割阶的非守恒运动。

宏观上，动态回复材料的应力一应变曲线表现为流变应力达到一稳态值。

亚结构主要产生于铝合金热变形过程中的动态回复阶段，随着变形程度的增大，晶粒被拉长，但亚结构仍为等轴的亚晶粒。

铝合金热加工过程是一个极其复杂的高温、动态、瞬时过程，在高温变形中会经历加工硬化、动态回复或动态再结晶等过程，各种变形机制共同作用决定着铝合金的高温变形特点，实际生产中工艺参数的优化非常复杂。

铝合金热变形工艺——铝合金板带材热轧。

一般工业用高强铝合金轧制板、带材（厚度为600mm的板材）,不适用于深冲等极端冷成形方式，因为自身的延展性的限制，故热轧是一种相对优良的工艺方法。

铝合金板带材热轧是指在所轧制合金的再结晶温度以上的轧制。

热轧充分利用合金的高温塑性，在一定高的温度范围内，将轧件轧到所需厚度，并获得适当的力学性能。

在热轧过程中，硬化和软化现象同时存在，由于变形速度的影响，当回复和再结晶软化过程来不及进行时，随着变形程度的增加合金发生加工硬化。

通常在热轧时软化过程起主导的作用，当轧制温度降低时，金属加工硬化才逐渐增大。

热轧变形能够显著降低生产中的能量消耗；改善合金的加工性能，并且提高了生产效率。

其缺点也比较明显：1）热轧的产品尺寸难以控制，精度较差；2）热轧的产品性能波动较大；3）铝合金热轧板带材产品表面质量较差，因为易产生金属氧化、粘铝等问题。

热轧前的对于铸锭的准备也非常重要，大概包括以下几点：
均匀化处理：由于半连续铸造的冷却速度高，固相中的扩散过程发生困难，易引起不均匀结晶。

其结果会形成铸锭中成分和组织的不均匀，即晶内偏析，使铸锭塑性大大降低，因此在
轧制前必须对铸锭进行均匀化处理；
铸锭铣面：目的是为了除去铝合金铸锭表面的析出瘤、夹渣、结疤和表面裂纹等缺陷，减少板片的金属及非金属压入缺陷，提高板材表面品质，增强包铝板的焊合性及抗蚀性能。

实验时应用粗砂纸对样品进行打磨，去除氧化物之后再进行轧制；
蚀洗：工业生产中用此化学方法除去铸锭上的脏物及油污。

除高镁、高锌的铝合金铸锭外其他铸锭均需蚀洗；
铸锭加热：由于铝合金高温下较低的变形抗力和良好的塑性，因此在轧制前对铸锭加热可以消除一部分铸锭产生的残余应力，使合金具有良好的加工性能。

以上的处理就是最大可能消除加工中应力效果，保持位错的顺利移动，宏观上就是金属的流动性得到保证，提高产品的可加工性。

而对于热轧工艺最重要的还是工艺制度的设计，我们将在后面说明各工艺参数的影响和一些相对成熟的设计安排。

对于5000系合金，一种低Mg（Mg含量在2.2%～2.8%之间）、热处理不可强化型合金，具有中等强度、良好的焊接性和耐蚀性等特点。

除了基于微合金化机理以及组织均匀性机理上，进行的优化合金成分以外，对该系铝合金加工工艺、变形机理、热处理、塑性等方面的探索与优化才是最主要最重要的进步方向。

例如热轧技术在5000系合金上的优化，5052铝合金是5000系合金中的应用较广泛的合金之一，经过450℃预热，四道次均匀下压轧制，外加轧制每道次间隙对坯料保温处理，保持热轧温度均匀性，成品力学性能较传统轧制技术，力学性能提高20%。

那么热轧时应注意制定哪些工艺参数呢？热轧工艺参数主要包括开轧温度、终轧温度、轧制速度、总加工率、道次加工率等。

轧制温度：热轧终轧温度应保证产品所要求的性能和晶粒度，温度过高会导致晶粒过于粗大，无法满足性能要求，温度过低则会引起加工硬化，使能耗增加，导致晶粒尺寸不均匀，合金性能恶化；
热轧速度：轧制速度是影响金属塑性的一个重要因素，因此轧制速度的确定不仅需要考虑生产效率，还应考虑到对合金塑性的改善；
总加工率的确定：大多数铝及铝合金的热轧总加工率可达90%以上。

其确定原则是：高温塑性范围较宽、热脆性小的铝材总加工率大；供冷轧用的坯料，确定热轧总加工率时应为冷轧留有足够的冷变形量，以便通过冷轧控制产品性能及表面品质；对热轧产品，应使铸造组织转变为加工组织；在轧机能力大及设备条件允许时，若铸锭质量好、加热均匀，可相应增加热轧的总加工率；
道次加工率的确定：开始轧制阶段，道次加工率比较小；中间轧制阶段，随着加工性能的改善，应尽量增大道次加工率；在轧制终了阶段，一般道次加工率减小，热轧最后两道次温度较低，变形抗力较大，其压下量应控制在能保证良好的板型条件和厚度偏差的范围内。

道次加工率由道次压下量决定，压下量是轧制过程的一个重要指标，它同轧制温度和轧制速度共同决定产品的质量和轧机的生产率。

大多数铝合金的铸造组织，尤其是变形组织都能允许施加大的压下量。

压下量增大可以改善合金变形的不均匀性，使热轧板带组织均匀性能稳定，铸锭开裂的可能性大大减少，大大提高生产效率。

轧制厚板时，为获得良好的质量，在每个轧制道次中都必须使高度方向变形能渗透到轧件的整个厚度。