特殊性能工程用3004H26材料研究

庞富伟

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

3004铝合金的主要合金元素是Mn和Mg，属热处理不可强化的铝合金，是具有较好成型性能的中等强度合金[1]。同时具有耐腐蚀、美观、重量轻、强度大、容易加工成型、环保可回收利用等诸多优点，广泛应用于机场航站楼、飞机维修库、车站、会议及展览中心、体育场馆、展示厅、公共服务建筑、大型购物中心、商业设施、民用住宅等建筑。早期多用5052 合金铝带生产，为了降低建筑成本和提高防腐效果，近年来国内开始采用3004 合金铝带替代[2]。

随着市场的不断发展，市场急需一种要求高强度、折弯性能好的3004铝合金工程材料，经分析，产品状态为特殊的H26状态。现实情况是如果对于3004铝合金材料来说，提高材料的抗拉强度和屈服强度，延伸率会有一定的下降，导致折弯性能出现问题，这就要求必须寻找到一条合适的工艺路线，在保证材料强度的同时，保证材料的折弯性能。

本次试验坯料采用单机架双卷取热轧卷生产，通过对材料化学成分、组织、性能等试验指标分析，确定成品退火制度，生产出性能稳定的工程用3004H26铝合金带材，实现批量化生产，并满足用户的使用要求。

1 材料要求

3004化学成分见表1；产品成品规格为1.0mm×1200mm×L。3004H26铝合金材料目标力学性能要求为，厚度1.0mm，抗拉强度Rm为250MPa～265MPa，屈服强度Rp0.2≥190MPa，延伸率A50≥3%；取垂直轧制方向样片90°弯曲性能(R=1.5t)，弯曲处无裂纹。

表1 3004铝合金化学成分(质量分数，%)

2 工艺路线

熔铸铸造→锯铣机锯头、铣面→加热炉均热→热轧机轧至7.0mm→冷轧开坯轧至1.7mm→切边机切边→冷轧轧至成品厚度1.0mm→清洗机清洗切边→成品退火→拉矫矫直→检验包装。

为了保证试验不受熔铸、热轧工序的干扰，本试验采用同一炉次的铸锭生产，采取相同的均热工艺，热轧至7.0mm，终轧温度控制在320℃以上。

3 试验过程

3.1 成分选取

试验材料合金成分的选取见表2。由于3004合金中主要合金元素为Mn、Mg，本次试验成份的设计主要从改变Mn、Mg含量进行试验。

表2 试验材料化学成分(质量分数，%)

3.2 精整退火工艺试验

由于产品为工程用3004H26，热轧卷下机冷却后，经冷轧精整工序直接生产至成品规格，经退火，性能合格后才能出成品。

3.2.1 本文研究的难点

难点一,性能极为特殊。抗拉强度要求250MPa～265MPa，屈服强度≥190MPa，延伸率≥2%，但同时要保证垂直轧制方向样片90°弯曲折弯(R=1.5t)无裂纹。通常来讲，要提高材料的强度，材料的延伸性能会降低，进而导致弯曲性能不好，因此如何找到一个最佳的平衡点(既保证材料的力学性能，又要兼顾材料的弯曲性能)很关键。

难点二,性能可控范围非常窄。正常情况下，通过退火工艺来控制产品性能，抗拉强度的区间在20MPa～30MPa比较容易控制，但本文要求的产品抗拉强度只有15MPa的控制区间，难度很大，控制需要非常精确。

3.2.2 软化试验

为了掌握材料力学性能随温度而变化的特性，制定出合理的成品退火工艺，在冷轧至1.0mm厚度时，取样，进行马弗炉退火试验，选取试验温度180℃～310℃，每隔10℃进行一次试验，保温1h。出炉后检测材料的抗拉强度、屈服强度、延伸率，从而得到材料的软化曲线。

4 试验结果及分析

4.1 两种成份试验结果

按照相同的工艺路线，生产至成品，力学性能检测结果见表3。通过结果可以看出，随着Mn、Mg含量相应增加，材料的强度略有上升，但延伸率下降的较厉害，主要原因取决于Mn、Mg元素在3004合金中的作用。

表3 力学性能检测结果

(1)Mn是3004铝合金中非常重要的元素，也是对整个合金影响较为复杂的元素。Mn在合金中主要以固溶体的形式存在，因而具有固溶强化的作用。在半连续铸造的铸锭中，约有1/3的Mn可与Al、Fe形成MnAl6或(FeMn)Al6化合物，当Si含量较高时，也会形成部分(FeMnSi)Al6四元化合物，这些化合物在凝固过程中通常沿枝晶边界析出。另外，在快速凝固过程中，大量Mn以过饱和固溶体的形式存在，在均匀化热处理过程中，形成了(FeMn)Al6或(FeMnSi)Al6析出相，由于析出相钉扎晶界，阻碍晶界迁移，使得合金的再结晶温度得到一定程度的提高。在3004铝合金中当Mn和Fe元素的质量分数超过0.7Fe%+1.07Mn%=1.77%时，在烙融态铝液完全凝固时便会产生十分巨大的初生相(Al，Fe，Mn)化合物。然而当Fe+Si含量大于0.9%时，初晶化合物便会在铝液凝固产生，使3004铝合金板材的综合力学性能降低。因此，为了不形成粗大的金属化合物，在铸造过程中Fe、Mn、Mg需满足[4]：Fewt.%+(Mnwt.%×1.07)+(Mgwt.%×0.27)<3.0%。

(2)少量的Mg能显著细化该系合金退火后的晶粒，并稍许提高其抗拉强度，但同时也损害了退火材料的表面光泽；添加0.3%～1.3%Mg，合金强度提高，但延伸率会降低。

4.2 材料软化曲线

材料的软化试验结果显示，金属温度在210℃～230℃，抗拉强度、屈服强度、延伸率均能满足目标值，但温度小于215℃后，材料在弯曲试验后弯曲处出现细裂纹，不能满足用户要求。因此实际生产控制中，金属温度必须控制在215℃～230℃。3004铝合金的软化曲线如图1所示。3004铝合金带材软化退火时的显微组织见图2。

图1 3004铝合金软化曲线图Fig.1 Softening curve of 3004 aluminum alloy

图2 3004铝合金带材软化退火时的显微组织Fig.2 Microstructure of 3004 aluminum alloy strip during softening and annealing

通过软化曲线及显微组织可以看出，随着退火温度的升高，材料的抗拉强度和屈服强度逐渐减小，延伸率逐渐变大。此过程可以分为三个阶段，第一阶段为回复阶段(180℃～220℃)，内部为细长的纤维状冷轧变形组织，晶内位错逐渐迁移，但其内部还存在大量位错，此时强度略有下降，延伸率变化不大，晶内位错不断迁移、调整和排布，有序排列完成后形成亚晶织构，为形核创造了有利条件。第二阶段为再结晶组织和纤维组织共存阶段(220℃～290℃)，基体内晶核慢慢形成，原细长的纤维状冷轧变形织构晶粒正逐渐被新的等轴晶粒替代，形成均匀细小的再结晶组织。第三阶段为完全再结晶阶段(大于290℃)，纤维组织完全被再结晶组织替代。

根据这一试验结果，实际生产时，退火工艺制定时采取打热电偶监控料温的方式进行退火，炉气定温230℃，料温大于220℃时出炉。

5 实际生产

按照试验得出的结果，优化固化工艺，共生产59批次359.71t产品，力学性能和弯曲性能均合格。59批次力学性能范围为，抗拉强度Rm为252MPa～264MPa，屈服强度Rp0.2为196MPa～210MPa，延伸率A50为8.0%～11.5%；取垂直轧制方向样片90°弯曲性能(R=1.5t)，弯曲处无裂纹。

6 结论

本文在理论研究的基础上， 确定了需要制备特殊性能工程用3004铝合金材料的成份，经过实际生产得到验证。金属温度控制在215℃～230℃，可以生产出特殊性能要求的工程用3004H26产品。