铝板带退火工艺初步研究.doc

康盛股份技术开发研究项目

可行性研究报告

项目名称：铝板带退火工艺初步研究

项目实行日期：_2023年2月1日-2023年12月31日

一、项目概况，国内外同类研究情况
1.退火工艺简介
退火的目的是增长合金成分的均匀性及组织的稳定性，并通过回复及再结晶过程，消除残余应力和加工硬化，以利于随后的加工和使用。重要涉及均匀化退火、完全退火及不完全退火的工艺。
1.1均匀化退火
均匀化退火重要用于铝合金半成品加工厂的铸锭解决。板、棒、型材等半成品由铸锭经轧制、挤压及锻造加工而成。铸锭分扁锭、圆锭和空心锭，大多采用半连续铸造生产。由于结晶速度快，铸锭的晶粒内部化学成分是不均匀的，先结晶的部分即树枝状晶体内通常合金浓度较低，而后结晶的部分即树枝状晶体之间的合金浓度却较高，导致所谓晶内偏析。工业铝合金中的锰、镁、铜、锌等元素都会出这种偏析，而其中以锰偏析最为明显。存在成分偏析的铸锭若直接进行压力加工，很容易发生开裂。此外，铸锭由于冷凝快，内部还存在相称严重的内应力。这也会加剧铸锭在加工过程中的开裂倾向。因此，除纯铝铸锭外，合金铸锭一般都要进行均匀化退火，以消除内应力及晶内偏析，提高铸锭的塑性。此外，均匀化退火对改善加工后的半成品组织和性能，提高塑性与耐蚀性也有益处
均匀化退火温度通常比合金中低熔点共晶温度低20—40℃，是各类铝合金中，退火温度最高的一种。均匀化退火时间一般为12—24小时，退火后的冷却速度则不作规定。
表1列出了几种重要铝合金铸锭的均匀化退火规范，以供生产中参考选用。应当指出，均匀化退火只能消除晶内偏析，而不能消除区域偏析（即晶粒之间或各个部位之间的大范围成分不均匀性）。
表1 变形铝合金铸锭均匀化制度
合金牌号
均匀化退火温度（℃）
保温时间（h）
LY11、LY12
480—495
12—24
LD2
525—540
12
LD10
475—490
12
LC4
450—465
12—24
LF3、LF5
460—475
12—24
LF21
510—520
4—6
1.2 完全退火
完全退火也称再结晶退火，即通过再结晶来消除金属因塑性变形而产生的加工硬化，恢复塑性以有助于下一道工序的进行或最终使用。完全退火是退火工艺中应用最多的一种。为对的选择或拟定退火规范，下面一方面对再结晶基本规律作一简要介绍。
金属经冷变形后，表现为晶粒发生扭曲变形，并沿变形方向拉长。变形量很大时，就形成所谓的纤维状组织。从晶粒内部来说，塑性变形将导致晶粒“破碎”，形成许多亚晶粒，同时晶体点阵也发生畸变，晶体缺陷数量增长，提高金属的位能，使之处在一种不稳定的状态。从机械性能来看，塑性变形后金属的强度、硬度增长、塑性下降，即产生加工硬化。这种不稳定的组织，从能量观点讲，总是力图恢复到本来的晶体比较完整、点阵比较规则的低能状态，退火解决正是促进这一过程的完毕。
经受变形的金属在退火加热时也许发生以下变化：回复-----再结晶-----晶粒长大。回复阶段发生在退火温度较低或时间较短的情况下。此时，金属内部因塑性变形导致内应力下降，晶体畸变度减小，但反映在机械性能上的变化尚不明显，间图1.随着退火温度的提高或时间的延长，金属的强度、硬度迅速下降，而塑性明显增长，这就标志着再结晶过程已开始，这相称于图（1b）中的250℃.当强度下降和塑性提高到某一稳定值，则表达再结晶过程已经结束，对于纯铝，

图1 工业纯铝退火后的性能变化
a)在250℃不同时间退火 b)在不同温度退火5分钟

图2 铝在退火过程中再结晶晶核的形成和长大
此时温度相称于350—400℃.再结晶过程是如何进行的？这可通过图2中的示意图得到直观的结识。图（2a）表达因变形而被拉长的晶粒边界处形成了少数几个无畸变的新晶粒，这就是再结晶晶核。随着退火时间的延长，这些晶核长大。同时又形成许多新的晶核。当所有再结晶晶粒长大到互相接触时，就算完毕了再结晶过程。若再继续进行退火，已形成的细小晶粒将通过互相吞并而长大，使得金属内部总的表面能减少，见图（3a）和（3b）。此时的晶粒长大过程大多是均匀进行的，即得到尺寸比较均一的粗晶。但有时也会发生另一种情况，少数晶粒因某种因素而出现异常长大。四周细晶粒被吞食，最后成为晶粒分布很不均匀的组织，见图(3c).这就是聚集再结晶或称二次再结晶的过程。实用上当然不希望发生这种情况，为此应避免高温长时间的退火。

图3 纯铝冷轧板的再结晶和晶粒长大示意图
a)一次再结晶过程已完毕 b）再结晶后的晶粒长大 c)二次再结晶
1.3不完全退火
低温退火是将加工硬化状态的铝合金半成品或成品在150—300℃范围内退火，使合金发生不同限度的软化。
低温退火涉及消除内应力退火和部分软化退火。消除内应力退火的退火温度低于合金的再结晶温度，退火后组织不发生变化仍然保持本来的加工变形组织。部分软化退火的温度，在合金起始再结晶温度和再结晶终了温度之间选择适当的。退火后，部分组织发生了变化，即在加工变形组织基础上尚有再结晶组织存在。一些常用热解决不强化合金的再结晶温度范围如下：
L2 220~320℃
LF2 220~300℃
LF3 200~270℃
LF6 220~320℃
LF21 400~450℃
2.影响金属再结晶过程的因素
金属的再结晶过程与许多因素有关，如合金成分、纯度、变形量、退火时间及退火加热速度等，均会改变再结晶温度和再结晶后的晶粒尺寸。
2.1纯度
再结晶是一个生核和长大过程，它需要通过原子扩散及晶界迁移来完毕，因此凡对此有影响的因素均会影响再结晶过程。金属中的杂质元素或合金元素一般会减少原子扩散速度或形成某些第二相质点，阻碍晶界迁移，所以纯度越低，再结晶温度越高。例如：
纯度（Al%）
99.7
99.9
99.99
99.9992
T再（℃）
240
200
100
-45
2.2合金元素
高纯铝经40%冷变形后，测得再结晶温度为150℃，若纯铝中加入0.01%的微量元素，再结晶温度将会明显增长：
加入元素（0.01%原子）
Si
Mg
Cu
Mn
Fe
Cr
再结晶温度提高（℃）
50
70
80
180
190
200
这组数据表白，Mn、Fe、Cr等过渡族元素对铝的再结晶温度影响最大，工业上正是运用这一特点，在铝合金中加入少量过渡族元素以控制再结晶组织，细化晶粒。
2.3变形量
再结晶晶核是在金属中畸变最严重处优先生核，因此金属经受的变形量越大，生核越容易，相应的再结晶温度减少，晶粒尺寸也较小。
为保证再结晶得以进行的最低变形量称为临界变形量，铝合金一般为2-6%。此时，再结晶生核数目很少，故形成粗大的再结晶组织，生产上应予避免。
2.4加热速度及时间
再结晶需在一定期间内完毕，退火温度越高，所需时间也越短。例如工业纯铝在280℃退火需几小时，380℃则需几分钟，在500℃则只需几秒钟就可以完毕再结晶过程。同样道理，退火加热速度越快，再结晶温度也会高一些。单科避免或减少加热过程因回复而减少变形金属内部的潜能，促进再结晶生核，故可获得晶粒较小的晶粒。当然，这时需要严格控制温度和保温时间，以避免导致过烧或零件变形。
3.退火工艺国内外发展状况
通过半个世纪的发展，中国的铝合金产业已取得重大的成就。就产量而言，我国已跻身前列，但铝材的质量与国外先进水平相比较，尚有较大差距，我国铝材质量的突出问题是均匀性和稳定性低，不同品种的加工成品率比国外的低5—20%，其中不合理的工艺和落后的设备是其中重要的因素。例如：在工业发达国家，1980年开始对6063合金挤压型材的铸锭进行均匀化解决，现在已经普及，但我国通过均匀化解决的还不到铸锭总量的18%。多数挤压厂为了节省成本，取消了这一步热解决，从而导致我国大部分高级铝型材市场被国外产品所占领，只有少数较大的公司对其铸锭进行均匀化解决，并且均匀化质量检查没有标准。国外许多铝合金厂都已采用的连续均匀化，国内还没有使用。
国内均匀化炉子普遍较小，温度控制不准确，通常采用强制风冷或强制水冷，没有与均匀化炉子配套的专业冷却装置。在工业发达国家的大型铸锭生产公司，铸锭的均匀化解决向着连续化、自动化与阶段式冷却的方向发展，即长圆铸锭的超声探伤、装炉、均匀化解决、阶段式冷却、锯切、称重、打捆与装车连成一线由计算机控制的连续的自动化生产线。如国外的铝锭推动式加热炉，均匀化加热时生产能力35t/h—45t/h，采用强风循环加热，铸锭温度差3℃，炉子热效率大于70%，这样不仅能源花费少，并且保证了产品质量，提高了效率。
该项目的技术领域属于四、新材料技术（一）金属材料1、铝、镁、钛轻合金材料深加工技术：镁、铝、钛合金的线、板、带、薄板（箔）、铸件、锻件、异型材等系列化产品的加工与焊接技术，后加工成形技术和着色、防腐技术以及相关的配套设备。
二、技术（产品）市场需求、经济、社会、生态效益分析
目前我国虽然已成为铝铸轧大国，进行了大量技术攻关，产品质量得到大幅度提高，但仍有一些问题至今没有解决，如表面横向条纹，成为生产装饰用铝带材的瓶颈;特别是用电解铝液直接铸轧的公司，气孔、组织疏松等内部质量一直未得到有效解决;进一步减小边部开裂，生产无裂边铸轧带材是公司的追求目的之一。因此优质铝铸轧带材生产工艺的研究是一个迫切解决的课题。
三、项目重要研究开发内容、技术关键
1铸轧卷的均匀化退火工艺研究
2不同加工率下冷轧卷的中间退火工艺研究
3通过中间退火或不经中间退火获得O态的成品退火工艺
4获得预期铝板带性能的成品退火工艺研究
技术关键：退火工艺参数初步制定及优化
四、预期目的
1通过退火后产品的组织性能分析拟定适合的加热温度及保温时间

2初步建立我司铝板带退火工艺标准
五、项目现有技术基础和条件
浙江康盛股份有限公司是一家专业生产制冷、机械用高压管材及延伸产品和汽车管路的公司。公司2023年成立了研发中心，目前专职研究人员达成了60多人，专业涉及材料学、电化学、机械制造、制冷、自动化控制等专业。研发中心的研发基地约600m2，内设办公室两间、分析室一间、检测室三间、实验室三间，场地宽敞，实验设备和检测设备齐全，研发人员相对集中，为研究人员的研发工作提供了很多便利条件，可以充足调动研发人员的工作热情，提高工作效率。
六、实行方案
本研究重要针对以下合金:1×××, 3×××
1实验方案及技术路线
实验方案:
(1) 铸轧卷的均匀化退火工艺研究,通过退火实验及显微组织观测、力学性能测试拟定铸轧卷的均匀化温度及保温时间。
(2)不同加工率下冷轧卷的中间退火工艺研究，中间退火工艺属于完全退火工艺，通过选取不同厚度的冷轧板做退火实验及显微组织观测、力学性能测试拟定不同加工率下冷轧卷的中间退火工艺。
(3)通过中间退火或不经中间退火获得O态的成品退火工艺研究，对通过中间退火的铝板带成品与不经中间退火的铝板带成品进行完全再结晶退火实验及显微组织观测、力学性能测试拟定各自的成品退火工艺及各自产品性能间的差别。
（4）获得预期铝板带性能的成品退火工艺研究，铝板带成品加工状态涉及H22、H24、H26，即需要对冷轧卷成品进行不完全再结晶退火且每一加工状态相应的再结晶限度不同。因此需要调整退火温度及退火保温时间来保证其再结晶限度从而获得满足客户需求的铝板带。
（5）初步建立我司铝板带退火工艺标准
根据本项目研究成果，订立铝板带退火工艺标准。
技术路线
结果分析
工艺实验
实验方案
现场取样

制定标准
生产验证

2.进度安排
起止年月
项目进度
2023-2-1 ---2023-2-28
铸轧卷的均匀化退火工艺研究
2023-3-1 --- 2023-5-30
不同加工率下中间退火工艺研究
2023-6-1 ---2023-7-31
通过中间退火或不经中间退火获得O态的成品退火工艺
2023-8-1 --- 2023-8-31
获得H22加工状态的成品退火工艺
2023-9-1 ---2023-9-30
获得H24加工状态成品退火工艺
2023-10-1---2023-10-31
获得H26加工状态成品退火工艺
2023-11-1---2023-11-30
改善后铝板带成品组织性能测试
2023-12-1---2023-12-31
初步建立铝板带退火工艺标准
七、项目投资预算
该项目是针对我司江苏康盛铝厂实际情况拟定的基础性研究项目，暂定一年计划，费用如下：

序号
项目内容
预算金额（万元）
备注
1
人员工资
100

2
仪器设备费
50

3
能源、材料费
50

4
实验外协费
50

5
资料印刷费
12

6
会议及调研费
10

7
管理费
8

8
鉴定验收费
8

9
其他费用
12

合 计
300

八、申请单位概况
项目实行单位浙江康盛股份有限公司是一家专业生产冰箱、空调、汽车、机械用高压管材及延伸产品的股份制公司，于1996年成立，是目前国内品种最全、规格最多、生产能力最大、产品延伸最深的制冷管及制冷部件产品制造基地。公司目前在千岛湖本部及北京、徐州、青岛、合肥、新乡等地拥有十多家分子公司，已形成了以千岛湖为管材生产基地，各地分子公司为部件产品加工及产品销售服务网络的生产经营格局。公司占地面积600余亩，建筑面积20余万平方米，总资产近6亿元，目前公司拥有焊管生产线16条，年生产制冷钢管能力近7万吨；铝管挤压生产线9条，年生产制冷铝管能力1万余吨；制冷部件产品生产能力1亿件/年。康盛股份公司的生产规模、产品等级目前在国内排首位，产品制造设备配套齐全，为国内空调、冰箱、冷柜用制冷管路行业的龙头公司。公司牵头制定了行业标准《YB/T4161-2023双层铜焊钢管》和国家标准《GB/T24187-2023精密单层焊接钢管》。近年来，公司取得了飞速发展，2023年6月1日，公司成功在深圳证券交易所挂牌上市，取得历史性突破，营业收入达132677万元，比2023年增长了61.6%，创历史最高。
公司建有独立核算的研发中心和研发基地，由专人负责研发中心的建设、管理，对开发项目立项，制定研发投入核算办法，完善研发中心内部管理制度、绩效考核奖励制度、专利管理制度。目前研发人员60余人，占全体员工的10%以上，2023年被认定为杭州市高新技术公司研究开发中心和杭州市公司技术中心，2023年9月被认定为浙江省高新技术公司研究开发中心。
到目前为止，公司已取得了62项国家专利，其中4项发明专利，2023年12月被认定为浙江省专利示范公司。
2023年9月，公司第一批被认定为国家高新技术公司，2023年3月，被认定为国家火炬计划重点高新技术公司。
九、项目负责人及重要参与人员简历
负责人及参与人员
序号
姓 名
学历
在本项目中所承担的工作内容
1
陈沛
本科
项目负责人
2
程振义
本科
退火工艺研究
3
吴小玉
大专
退火工艺研究
4
方勇
大专
退火工艺研究