罐体用大规格3104铝合金材料制备、组织与性能研究

论文摘要

本文结合中国铝业公司科技基金项目,以易拉罐罐体用3104铝合金材料为研究对象,从现场生产线上取样,采用显微硬度、拉伸力学试验、金相、X射线衍射、扫描和透射电子显微分析以及JMatPro软件模拟,对大规格铸锭特性及其均匀化处理、热轧、冷轧等全流程关键工艺控制因素进行研究,在此基础上,深入探讨了3104铝合金薄带成分-组织结构和性能之间的关系。获得了以下创新性成果：（1）3104铝合金大规格铸锭横截面上明显的宏观偏析,从铸锭表面到中心,各元素含量差别很大,Ti含量极差达到0.025%,Mg含量的极差达到0.34%,Ti元素的偏析规律与其他元素相反。从铸锭表层到中心,晶粒和初生化合物尺寸逐渐增大。3104铝合金大规格铸锭横截面上不同部位的微观偏析也是不均匀的,铸锭表层晶内Mg分布较均匀,而铸锭中部存在Mg的晶内偏析。大规格铸锭必须均匀化。（2）随均匀化温度的升高和时间的延长,晶粒内部的偏析逐步减少,显微硬度趋于一致；晶内发生（AlMnSi）和（AlMnFeSi）化合物析出,在590℃以下温度均匀化后析出不均匀,晶界和晶粒中心析出少；600℃以上均匀化后,析出相长大,密度减小,在晶内分布更为均匀。与此同时,晶粒边界区域的铝化物逐步溶解、熔断和球化,部分Al6（FeMn）相转变为α-Al12（MnFe）3Si相；大生产条件下3104合金铸锭最佳均匀化处理工艺为600℃/8-12h。（3）热轧过程过程中化合物的破碎效果非常明显,但热粗轧板坯在厚度和宽度方向上的组织还存在不均匀性,表层为完全再结晶组织,中心部位为热轧变形组织,中间过渡层为部分再结晶组织。经过热精轧后,热轧带材整个断面基本上是完全再结晶组织。（4）热精轧终轧温度和冷却速度对热精轧带材的组织有明显影响,终轧温度愈高、冷却速度愈慢,立方织构含量愈高。终轧温度为340℃和冷却速度为1℃/min时,立方织构含量从热粗轧板坯的30%左右提高到热精轧带材的60%以上。（5）冷轧过程中,随冷轧压下量增大,中部的第二相尺寸略有减小,冷轧后铸锭组织的不均匀性无法彻底消除；冷轧变形量、冷却速度等因素影响冷轧卷材织构的种类,终轧温度则无明显的影响。（6）冷轧变形量、终轧温度和薄带冷却速度对成品薄带织构含量和制耳率有很大影响,冷轧变形量越大,终轧温度越低,形变织构的α、β取向密度值越大,即形变织构含量越高,制耳率越大；在相同终轧温度条件下,缓冷比快冷的薄带β取向密度更大,制耳率更高；由于带材边部冷却不均匀,带材边部的取向线分布规律性不如中部,带材边部的制耳率高于中部。（7） Fe/Si比低和Fe含量低的3104罐体料具有更高的立方织构含量,制耳率更小,Al（Fe,Mn,Si）相含量更高,化合物颗粒更小,力学性能更合适,应用性能更好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 铝易拉罐罐体用铝合金的应用及发展
• 1.2 3104合金物相调控技术研究
• 1.2.1 化学成分对化合物相的影响
• 1.2.2 铸造工艺控制初生相和溶质分布
• 1.2.3 均匀化热处理
• 1.2.4 塑性变形改变化合物形态
• 1.3 3104合金织构和制耳的控制
• 1.3.1 织构的定义
• 1.3.2 制耳的形成
• 1.3.3 再结晶织构形成机理
• 1.3.4 3104罐体料织构和制耳率控制研究
• 1.4 3104合金罐体料熔体净化和铸造工艺
• 1.4.1 熔体处理
• 1.4.2 晶粒细化
• 1.4.3 铸造
• 1.5 铸锭均匀化
• 1.6 热轧
• 1.6.1 热轧过程组织和性能的变化
• 1.6.2 3104合金热轧的流变应力曲线
• 1.7 冷轧
• 1.7.1 冷轧硬化曲线
• 1.7.2 冷轧及回复退火过程中组织与性能变化
• 1.7.3 3104合金冷变形过程组织性能的变化
• 1.8 易拉罐的制造过程
• 1.9 本文的研究目的和主要研究内容
• 第二章 材料与试验方法
• 2.1 实验技术路线
• 2.2 材料制备
• 2.2.1 材料制备方法
• 2.2.2 均匀化退火
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 成分分析
• 2.3.2 性能测试
• 2.3.3 微观组织结构观察与分析
• 2.3.4 JMATPRO软件模拟
• 第三章 3104合金大规格铸锭成分和组织的不均匀性
• 3.1 取样和试验方法
• 3.2 铸锭的化学成分偏析
• 3.2.1 铸锭宏观偏析
• 3.2.2 铸锭微观偏析
• 3.3 铸锭横截面上不同部位显微组织分析
• 3.3.1 大规格铸锭横断面的低倍组织
• 3.3.2 大规格铸锭横断面不同部位的晶粒形貌
• 3.3.3 大规格铸锭横断面不同部位高倍组织分析
• 3.4 分析和讨论
• 3.4.1 铸锭凝固温度场对成分和组织分布的影响
• 3.4.2 3104铝合金铸锭中的物相
• 3.4.3 横截面上成分组织不均匀性的原因
• 3.5 本章小结
• 第四章 均匀化对大规格铸锭组织和性能的影响
• 4.1 铸态合金的DSC热分析
• 4.2 不同均匀化处理条件下铸锭组织的变化
• 4.2.1 均匀化处理对铸锭中部组织的影响
• 4.2.2 均匀化处理时铝固溶体中相的析出
• 4.2.3 铸锭均匀化过程中成分偏析和物相变化分析
• 4.3 均匀化处理对铸锭中部硬度的影响
• 4.4 均匀化处理对后续加工材性能和组织的影响
• 4.5 分析与讨论
• 4.5.1 均匀化退火时的组织变化
• 4.5.2 均匀化过程中的枝晶偏析消除
• 4.5.3 均匀化过程中的相转变
• 4.5.4 第二相对再结晶的影响
• 4.5.5 3104合金铸锭最佳均匀化处理工艺的选择
• 4.6 本章小结
• 第五章 大规格铸锭热轧过程中组织性能变化
• 5.1 大规格铸锭热轧过程中的组织变化
• 5.1.1 热粗轧过程中热轧板坯的化合物形态
• 5.1.2 热粗轧板坯不同部位的晶粒
• 5.1.3 热精轧带材的组织
• 5.2 热轧参数对组织的影响
• 5.2.1 不同热轧条件下的织构
• 5.2.2 热精轧过程的织构变化
• 5.2.3 热精轧终轧温度对组织的影响
• 5.2.4 热精轧卷冷却方式对组织的影响
• 5.2.5 化学成分对热轧带材织构的影响
• 5.3 分析与讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 冷轧对合金带材组织结构和性能的影响
• 6.1 实验方案
• 6.2 冷轧过程中组织变化
• 6.2.1 晶粒形貌变化
• 6.2.2 冷轧过程中第二相的变化
• 6.2.3 不同冷轧厚度的微观组织
• 6.3 冷轧过程中力学性能的变化
• 6.3.1 硬化曲线及不同厚度的制耳率
• 6.3.2 不同冷轧厚度、不同取向的力学性能
• 6.3.3 终轧温度和冷却速度对力学性能和制耳率的影响
• 6.4 终轧温度和冷却方式对织构的影响
• 6.4.1 终轧温度和冷却方式对织构影响的实验结果
• 6.4.2 分析与讨论
• 6.4.3 不同终轧温度和冷却方式下的微观组织
• 6.5 冷轧变形量对织构的影响
• 6.5.1 冷轧变形量对织构和制耳率的影响
• 6.5.2 分析与讨论
• 6.6 本章小结
• 第七章 合金成分、组织和性能对罐体应用性能的影响
• 7.1 3104罐体料的性能指标与制罐应用性能
• 7.1.1 3104罐体料的性能指标
• 7.1.2 制罐厂的性能评价指标
• 7.1.3 罐体料的技术指标和成品罐的技术指标
• 7.2 成分、组织结构与性能对应用性能的影响
• 7.2.1 产品的力学性能及制耳率
• 7.2.2 产品的显微组织
• 7.2.3 产品中化合物的XRD分析结果
• 7.2.4 产品的织构分析
• 7.2.5 两种产品的实际生产线冲制结果
• 7.3 分析与讨论
• 7.3.1 织构与制耳率的关系
• 7.3.2 物相的尺寸、分布、种类与使用效果的关系
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 攻读学位期间主要的研究成果
• 附录2 论文研究生产现场