退火工艺讲义[1]

1.初级退火工应知内容1.1本工种三大规程《退火炉安全技术规程》见附3，《退火工艺操作规程》和《退火炉使用维护规程》见内部资料。1.2常用合金牌号、状态、合金的分类及其主要化学成分范围铝及铝合金板带材，常见的合金牌号有1060、1100、1145、1235、8011、3A21、HL01等。产品状态主要有H18、H14、H24、O等。1060、1100、1145、1235属于纯铝，8011合金属于Al-Fe-Si系，3A21合金属于Al-Mn系（即防锈铝），HL01是我公司开发的一种新牌号。《GB/T3190-1996变形铝及铝合金化学成分》中规定了变形铝及铝合金的化学成分，并适用于以压力加工方法生产的铝及铝合金加工产品及其所用的铸锭和板坯。为了保证产品质量充分满足国家标准，我公司又相应制定了企业标准和内控标准。《Q/HN104-1998变形铝及铝合金化学成分》中规定的部分牌号的主要化学成分范围，见表1。表1主要化学成分范围合金牌号主要化学成分范围/%1060Fe≤0.25Si≤0.201145(1235)Fe=0.35-0.45Si≤0.151100Fe=0.50-0.60Cu=0.05-0.15Si≤0.153A21Mn=1.05-1.45Fe=0.40-0.60Si≤0.408011Fe=0.70-0.85Si=0.55-0.651.3退火炉的构造、工作原理及主要技术参数铝及铝合金板带材的退火，一般采用箱式退火炉。退火炉主要由炉体、加热系统、供风系统、排烟系统、冷却系统、电气与仪表控制柜及台车等部分组成。常见箱式退火炉的主要技术参数，见表2。该类型退火炉的加热原理如图1所示，由可控硅电加热元件产生热能，通过顶置风机抽风和侧导流板导流，从而对炉内产品形成强制热风循环加热。表2箱式退火炉的主要技术参数型号最大装炉量/T加热功率/Kw最高加热温度/℃加热区数10吨20吨12360535单24720600双退火工技能鉴定教材第1页共16页图1加热方式示意图1.4退火的工艺过程及目的退火是铝及铝合金板带材生产中的一个关键工序，其工艺过程由加热、保温及冷却三个阶段组成，如图2所示。退火的目的主要有：⑴对于成品厚度退火，可以改善和控制产品的组织与性能，满足不同的需求。⑵对于中间厚度退火（简称中退），不仅可以消除加工硬化，有利于进一步轧制，而且还能改善最终制品的组织与性能。⑶燃烧和挥发冷轧时滞留在板面上的轧制油，确保产品表面洁净卫生。温度/℃第2页共页退火工技能鉴定教材时间/h图2简单退火工艺过程示意图1.5退火废品的名称、产生原因及消除办法退火常见的工艺废品有性能不合格、晶粒粗大及板面油斑三种，其产生原因和消除办法见表3。表3退火废品的产生原因和消除办法废品名称产生原因消除办法性能不合格料卡不符；料卡一致，方可装炉退火；未正确执行工艺；严格执行退火工艺；设备过程故障加强巡检，及时发现问题晶粒粗大加热速度慢；对于3A21合金，采用高温、退火温度不理想；快速、短时退火工艺保温时间过长板面油斑退火时板面的轧制退火时追加理想的除油工艺油挥发不充分，在表面产生黄色斑迹1.6退火的一般原理冷变形铝及铝合金加热，会发生回复与再结晶过程，其驱动力是冷变形储能，即冷变形后的自由能增量。加热时，金属的组织结构将向平衡状态转化。使冷变形金属向平衡状态转变的热处理称为退火。在退火温度低、退火时间短时，冷变形金属发生的主要过程为回复。从某一温度开始，冷变形铝及铝合金显微组织发生明显变化，在放大倍数不太大的光学显微镜下也能观察到新生的晶粒，这种现象称为再结晶。再结晶晶粒形成后，若继续延长保温时间或提高加热温度，再结晶晶粒将粗化。1.7热电偶的使用方法退火工技能鉴定教材第3页共16页对于H24状态铝及铝合金板带材，一般采用测温型退火工艺。在装炉退火前，需要在产品上打放弯曲热电偶，以便把实际金属温度理想控制在工艺要求的范围内，从而可获得所需的机械性能。正确使用热电偶非常重要，其使用方法一般如下：⑴检查并确认热电偶合格，并在有效期内使用。⑵收取热电偶时，不可折曲扭压，以免损害热电偶。⑶工件上打放电偶的位置通常为：对于板材，位于下垛底盘30-50mm处，深度大于50mm；对于卷材，位于内园或外园15-20mm处，深度大于20mm1.8产品验收技术标准常用的铝及铝合金板带材国家标准有：《GB/T3880-1997铝及铝合金轧制板材》和《GB/T8544-1997铝及铝合金冷轧带材》。退火状态的产品，需取样做拉伸试验，其力学性能应满足国家标准的规定。国家标准中规定的常见退火状态铝及铝合金板带材的力学性能要求见表4和表5。表4板材室温力学性能合金牌号状态厚度/mm抗拉强度/MPa延伸率/%1060O＞0.2-0.355-95≥15＞0.3-0.5≥20＞0.5-0.8≥25＞0.8-1.3≥30＞1.3-10.0≥35H24＞0.2-0.3≥85≥1＞0.3-0.5≥2＞0.5-0.8≥3＞0.8-1.3≥4＞1.3-2.9≥53A21O＞0.2-0.8100-150≥19＞0.8-4.5≥23第4页共页退火工技能鉴定教材H24＞0.2-0.8≥145≥6＞0.8-1.3≥6＞1.3-4.5≥6表5带材室温力学性能合金牌号状态厚度/mm抗拉强度/MPa延伸率/%1060O＞0.2-0.355-95≥15＞0.3-0.5≥20＞0.5-0.8≥25＞0.8-1.3≥30＞1.3-6.0≥35H24＞0.2-0.3≥85≥1＞0.3-0.5≥2＞0.5-0.8≥3＞0.8-1.3≥4＞1.3-2.9≥53003O＞0.2-0.395-125≥18＞0.3-0.8≥20＞0.8-1.3≥23退火工技能鉴定教材第5页共16页＞1.3-6.0≥25H24＞0.2-0.3≥135≥1＞0.3-0.5≥2＞0.5-0.8≥3＞0.8-1.3≥4＞1.3-2.9≥5第6页共页退火工技能鉴定教材2．中级退火工应知内容2.1常见合金中主要元素的作用及杂质的影响铝是强度不高而塑性很好的金属，在其中添加某些元素进行合金化，首要目的是为了提高强度。作为变形铝合金，在考虑强度的前提下，还应综合考虑加工性能、抗蚀性、以及其他特殊要求的性能。常见合金中主要元素有锰、铜等，其作用如下：⑴锰锰能阻止铝及铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。对抗蚀性没有影响，能明显增加铝的电阻。含量过多时，会损害合金的性能。⑵铜铜是重要的合金化元素，有一定的固溶强化作用。能提高切削性能。在大多数变形铝合金中，铁和硅是常见的杂质，对合金性能有着明显的影响。微量的铁和硅对铝的强度有一定的影响。铁硅比对裂纹倾向性和冲压性能有影响。2.2常见合金的开始再结晶温度发生再结晶的温度称为再结晶温度，再结晶温度不是一个物理常数，在合金成分一定的情况下，它与变形程度和退火时间有关。再结晶既有其开始发生的温度，也有其完成的温度，再结晶终了温度总比开始温度高，而且二者相差很大。通常将变形程度在60-70%以上，退火1-2h的最低再结晶开始温度T再视为金属的一种特性，可用来表示金属的再结晶温度。7.5mm铸轧板经75%以上冷变形，退火时间为2小时时，纯铝的开始再结晶温度一般为280-300℃，3A21合金的开始再结晶温度一般为400-460℃。再结晶温度与很多因素有关。随变形程度增大和保温时间延长，再结晶温度开始降低，而后趋于一定值。变形前的原始晶粒大小及退火时的加热速度都影响再结晶。原始晶粒小，变形储能高，再结晶温度就低。加热速度过慢或过快都有提高再结晶温度的趋势，前者是因为回复过程的影响，后者则与再结晶过程来不及进行有关。2.3本工种生产的各种产品的工艺流程所谓工艺流程，是指产品所经过的工序及顺序，即金属的流向。经退火的铝及铝合金板带材，其生产工艺流程如下：⑴板材：铸轧卷→冷轧→横切→退火→检查→包装⑵带材：铸轧卷→冷轧→纵切→退火→检查→包装⑶卷材：铸轧卷→冷轧→退火→检查→包装退火工技能鉴定教材第7页共16页⑷铝箔毛料：铸轧卷→冷轧→中退→冷轧→检查→发货2.4退火工艺参数对制品组织与性能的影响退火工艺参数主要包括加热速度、退火温度、保温时间及冷却速度。其对制品组织与性能的影响如下：⑴加热速度铝及铝合金退火时，应尽量采用快速加热。这是因为铝及铝合金具有良好的导热性能，具备快速加热的条件。更为重要的原因是快速加热时，一般可得到较细小的晶粒。而缓慢加热时，晶粒容易粗大，晶粒粗大将降低制品的深冲性能及表面质量。⑵退火温度退火温度对组织与性能的影响最为明显。经冷变形而产生了加工硬化的金属，根据加热温度高低不同，其组织和性能的变化过程可分为回复、再结晶及晶粒长大三个阶段，各阶段的性能变化情况如图3、4所示。050100150200200220240260280300320340360380400420温度/℃抗拉强度/MPa0102030405060延伸率/%图30.81mm-1060板材退火曲线（时间2h）(7.5mm铸轧板经89%冷变形，试样横向，标距30mm)(Fe:0.16Si:0.09)第8页共页退火工技能鉴定教材050100150200250300320340360380400420440460480500520温度/℃抗拉强度/MPa051015202530延伸率/%图40.88mm-3A21合金板材退火曲线（时间2h）（8.0mm铸轧板经89.5%冷变形，试样纵向，标距50mm）(Mn:1.25Fe:0.39Si:0.13)①回复阶段：用光学显微镜观察时，看不到内部组织有任何变化。此时，金属的强度稍有降低，塑性略有提高，内应力明显下降。②再结晶阶段：当金属加热到开始再结晶温度时，则在冷变形金属和合金的基体上，开始形成新的晶粒。随着加热温度的升高或保温时间的延长，新晶粒的数量不断增加，直至全部形成了新的再结晶晶粒为止。此阶段，纤维组织（被拉长的晶粒）转变成再结晶组织（等轴的再结晶晶粒）。此时，完全消除了加工硬化现象，金属的强度急剧下降，塑性明显提高。③晶粒长大：冷变形金属在经过完全再结晶后，一般可得到均匀细小的等轴晶粒。但是，如果加热温度过高或加热时间过长时，则再结晶后的新晶粒又会发生合并与长大，使晶粒变得粗大，金属的机械性能也相应变坏。⑶保温时间加热温度不高，即金属处于回复阶段时，保温时间对组织性能影响不明显。但当金属处于再结晶阶段时，若保温时间过长，晶粒变得粗大，机械性能也相应变差。⑷冷却速度退火工技能鉴定教材第9页共16页对于纯铝及3A21热处理不可强化合金而言，冷却速度对组织性能影响不大。因此，退火时可采用随炉冷却或出炉缓冷的方法。2.5变形程度、加热速度、化学成分、原始组织、退火温度与再结晶晶粒度的关系影响再结晶晶粒度的主要因素包括变形程度、加热速度、化学成分、原始组织、退火温度。⑴变形程度冷变形程度对再结晶晶粒大小的影响见图5。冷变形程度/%图5冷变形程度与再结晶晶粒大小的关系当变形程度很小时，晶粒大小基本保持原状。当变形程度增大到一定值，即处于临界变形程度时(一般1-10%左右)，得到特别粗大的晶粒。当变形程度超过临界变形程度以后，随着变形程度的增加，再结晶晶粒不断变细。某些材料在变形程度很大时，如果退火温度很高，少数晶粒会发生不正常的长大，即产生二次再结晶。⑵加热速度提高加热速度，可使再结晶晶粒变小。实践证明，快速加热不但可缩短退火时间，有效细化晶粒，而且对材料的机械性能无任何不良后果。因此，快速加热是一种行之有效的工艺，尤其对于3A21合金。⑶合金成分一般说来，随着合金元素及杂质含量的增加，再结晶后晶粒尺寸减小。但如果固溶体成分不均匀，则某些合金如3A21反而可能出现粗大的晶粒。⑷原始晶粒度所谓原始晶粒度是指冷变形前金属的晶粒尺寸。原始晶粒愈粗，则变形并再结晶后的晶粒也愈粗，随着变形程度的增大，原始晶粒尺寸第10页共页退火工技能鉴定教材晶粒的这种影响减弱。因此，半成品生产中的中间退火对最终质量有一定的遗传影响，中间退火时也应重视晶粒大小的控制。⑸退火温度温度的高低对再结晶起始晶粒大小影