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Al0.2Mn0.3Fe翅片铝箔的组织和性能研究

蒋显全  
【摘要】: 空调技术进步向着省能源、大功率和小型化方向发展,要求热交换器的高性能化、小型化和低成本,这就促使空调热交换器用铝箔厚度更薄、综合性能更高。本文作者采用铸轧工艺开发了新型薄壁高性能Al0.2Mn0.3Fe-H26铝箔来替代传统的纯铝系列翅片铝箔,其综合力学性能优于传统纯铝系列翅片铝箔,可满足变薄拉伸和ECO高速冲制等新技术要求,并以每月500吨的产量向市场供货。但生产过程中常出现力学性能波动、晶粒粗大等问题。为此,本文借助TEM、SEM、XRD、ODF、OM、DSC、杯突试验、室温和高低温环境力学性能测试等手段,针对铸轧工艺制备Al0.2Mn0.3Fe合金铝箔的关键工序:铸轧板坯均匀化处理、铝箔最终退火过程和高低温环境中的力学性能、组织的变化规律和机理进行了深入研究。揭示了这些工艺方法对翅片铝箔力学性能和组织影响的规律并从理论上进行了深入的探讨。取得了若干对工程应用有直接指导意义的研究成果,发现了诸如Al0.2Mn0.3Fe铝箔在退火过程中存在“临界再结晶温度现象”、H19、H26和0状态铝箔高低温性能变形规律区别较大、铝箔纤维晶粒在极低温度下转变为细小等轴晶粒等新现象,并对上述现象进行了解释。主要研究成果如下: 1、通过对Al0.2Mn0.3Fe-H19状态最终退火过程中的性能、织构、组织和各向异性变化规律研究表明: (1)、Al0.2Mn0.3Fe-H26铝箔的最佳退火工艺为:退火温度为255℃×7~22h。可获得抗拉强度为140~145MPa、伸长率为13~15.1%、杯突值≥5.8mm,可满足拉深减薄和EGO等高速冲制翅片铝箔的要求。 (2)、发现Al0.2Mn0.3Fe铝箔退火过程中存在“临界再结晶温度现象”:Al0.2Mn0.3Fe铝箔在低于并靠近再结晶温度退火时,出现综合力学性能过低,其再结晶晶粒呈现出异常粗大现象,该现象被本文命名为“临界再结晶温度现象”。这种现象是回复和再结晶竞争的结果,回复时间过长,用于再结晶的残余储存能少,单位体积内再结晶形核数过少。再结晶晶粒长大过程中,纤维晶粒中的残余储存能驱使再结晶晶粒持续长大到再结晶晶粒相互接触时停止长大。其效应类似于临界冷变形量下出现的粗大晶粒和较低综合力学性能现象;临界再结晶温度略低于并靠近传统意义上的再结晶温度。 “临界再结晶温度现象”是造成工业生产中最终退火过程中出现综合力学性能过低,晶粒粗大的主要原因。 (3)、发现铝箔退火过程中存在很强的“薄板尺寸效应”:Al0.2Mn0.3Fe铝箔在再结晶温度以上退火时,较高温度退火比较低温退火后的晶粒更细小,综合力学性能更优良。其原因是:退火温度越高单位体积中再结晶形核数越多;晶粒长大过程中由于铝箔厚度再结晶晶粒直径,再结晶晶粒由球状变为圆柱状,晶粒晶界露出铝箔上下两表面而成为沟槽状,这种沟槽晶界阻碍再结晶晶粒长大,再结晶晶粒之间的相互吞噬不能进行。 (4)、翅片铝箔的各向异性对退火温度比较敏感。当退火温度为225~260℃时强度和伸长率的各向异性最小,有利于提高翅片铝箔的深冲性能并减少冲制过程中的裂纹倾向。 2、通过对Al0.2Mn0.3Fe铝箔高低温性能和组织的研究表明: (1)、发现铝箔同一种合金不同热处理状态的高低温性能变化趋势有较大区别:三种状态的屈服强度和断裂强度都是随拉伸试验温度的不断升高而逐渐降低,区别在于B19和H26状态在-66℃以下的低温拉伸试验时,断裂强度大于屈服强度,在70℃以上的高温拉伸试验时,屈服强度高于断裂强度。而0状态无论温度高低断裂强度始终高于屈服强度。三种状态的伸长率变化趋势在室温以上随温度的升高而增加;但室温以下有较大区别,H19在室温以下伸长率随温度下降略有下降,在-70℃附近开始上升,-175℃回升到室温的1.4倍;0状态在室温以下随温度的降低基本不变;H26状态在室温以下的伸长率随试验温度的逐渐下降而快速提高,在-170℃的伸长率达到室温的2.4倍,出现了低温异常优良塑性。 (2)、发现在≤-170℃低温下,铝箔纤维晶粒转变成许多细小等轴晶粒,冷变形过程中产生的位错大量消失,并对其转变行为进行了描述和解释: 本文认为在低温下原子间距收缩促使晶粒收缩,引起位错向晶界、相界和稠密位错墙(DDW)滑移。低温下异号位错难以对消,滑移到晶界或相界的位错加宽晶界界面,在晶界形成明显沟槽、台阶并使晶界宽化。而聚集到DDW的位错,加大DDW两侧晶粒的取向差,促使DDW转变成晶界。晶粒内众多的DDW转化为晶界后,纤维晶粒转化为许多细小等轴晶粒,温度越低上述趋势越明显。晶界的明显沟槽、台阶和微裂纹降低铝箔的伸长率,细小等轴晶粒提高铝箔的强度和伸长率,并抵消了由于宽化晶界和尖锐边角对伸长率降低的影响部分。 (3)、H26状态在室温以下随温度下降伸长率升高的原因:经过退火充分回复后的H26铝箔,晶粒内异号位错全部对消,同号位错聚集成位错墙形成多边化形貌并伴随少量细小亚晶。在低温下,晶粒收缩导致退火过程中形成的多边化形貌转化为细小等轴晶粒,温度越低这种趋势越明显。当温度降低至-170℃时,纤维晶粒转变为细小等轴晶粒。这些细小等轴晶粒无尖锐边角,晶界没有沟槽、台阶和微裂纹存在,晶粒之间平滑过渡,这是低温拉伸时H26状态伸长率升高的主要原因。 (4)、研究Al0.2Mn0.3FeH26翅片铝箔高低温性能具有广泛的应用价值。第一,为铝箔在不同环境下使用提供力学性能参考指标,指导人们正确使用铝箔。同时为铝箔加工工艺的制定提供力学性能参考。第二,H19和H26状态在70℃以上拉伸时,断裂应力只有屈服应力的55~95%。H26状态翅片铝箔在亲水处理过程中应控制张应力不超过24MPa,过大张力引起箔带的塑性变形,可能造成生产过程中翅片铝箔的力学性能改变,严重时甚至引起箔带断裂。第三,H26状态翅片铝箔在-45℃和50℃两温度点的抗拉强度相差21MPa,已超过标准许可波动范围,说明同一铝材在不同环境温度下测试的力学性能结果有较大差别,这种差别足以造成商业纠纷和经济损失。为此,建议国家有关部门立项研究铝材在不同温度下的力学性能,按温度分段(如每隔30~40℃)制定力学性能标准值。 3、对铸轧坯料均匀化过程的组织变化规律研究表明: Al0.2Mn0.3Fe铸轧板带均匀化前的第二相呈粗大枝晶状、针状、网状和骨骼状,其边角较尖锐。铸轧板坯经430℃×4h均匀化处理后,枝晶状、针状、网状和骨骼状第二相大量减少,增加了大量球状细小弥散的第二相。经EPMA、XRD和单晶电子衍射分析,均匀化前的枝晶和骨骼状等粗大第二相主要是Al_6(Fe Mn),均匀处理后的细小球状第二相主要是Al9Fe_(0.84)Mn_(2.16)Si和Al_6Fe。在220~390℃均匀化处理,Al_6(Fe Mn)相溶解和球化不充分,Al_9Fe_(0.84)Mn_(2.16)Si相析出较少;在470~610℃均匀化,大量Al_6(Fe Mn)相都溶于基体中,Al_9Fe_(0.84)Mn_(2.16)Si等细小第二相析出量减少,均匀化温度越高,这种趋势越明显。 均匀化温度为420℃时,保温时间即使长达40h,均匀化后的铸轧板坯晶粒尺寸与均匀化前接近。当均匀化温度达到450℃时,均匀化后铸轧板坯有个别粗大晶粒,≥550℃均匀化后全部为粗大晶粒。综合考虑:Al0.2Mn0.3Fe合金铸轧板坯的最佳均匀化工艺为420~430℃×4h。


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