铝塑膜轧制组织控制标准和控制手段

时间：2017-09-12 作者：91再生 来源：91再生网

　　从铝塑膜轧制的重要性分析了废铝塑膜的影响因素，重点阐述了化学成分、合金相控制、热处理工艺时组织的影响，并综述了在组织控制方面的研究成果，提出了组织控制标准和控制手段。

 

　　铝塑膜轧制的特点

 

　　铝塑膜是铝加工生产中工序最多、加工技术难度最大、厚度最薄的铝材产品。它通常是用工业纯铝(>99.0%lA，质量百分数，下同)加工而成。铝塑膜生产涉及了从熔铸、热轧、冷轧到膜轧的所有轧制工艺和热处理工艺。铝箱生产水平代表着铝加工工业的先进程度和发展水平。铝塑膜也是国民经济发展中日用民需非常关键的产品。因而铝塑膜工业已成为当前各国十分关注的工业。

 

　　铝箱轧制是一门特殊的压延技术，由于产品的厚度小，铝塑膜轧制具有与板带材轧制明显不同的特点，同时技术难度也增大。图1是轧件的一组典型的塑性曲线。由图l可以看出，随着轧件厚度h的减小，轧制压力P对压下量△h的影响也减小。当轧件厚度达到最小极限厚度hc时，无论再施加多大的压力也不能进一步获得任何压下量。同时，随着轧件厚度的减小，辊隙传递系数f也减小。

 

　　当轧件厚度减小到一定限值时，必须使轧辊间隙成为负值，才能获得所需要的压下量。此时，上、下轧辊不仅互相接触，而且紧密压靠，使轧辊表面产生压扁变形，轧辊间隙S为负值，这种轧制称为极限轧制或负辊缝轧制。铝箱必须进行负辊缝轧制。在负辊缝轧制条件下，增加轧制压力对压下量已不起作用，此时，调节压下装置只能改变产品的平整度，而不能改变其厚度。而实际使用的轧制压力则是由预加压力和轧辊弧度所决定，并不是像板带材轧制那样，轧制压力是由材料的变形抗力所决定的一个确定数值。

 

　　在铝塑膜轧制中，轧制速度和后张力成为调节压下量的两个主要控制因素。当轧制速度增加时，油膜厚度增加，摩擦系数减小，压下量增加，同时轧制速度的增加使变形区的铝塑膜温度上升，从而使金属的变形抗力减小，压下量增加。但当轧制速度在给定的冷却条件下超过一定限值时，轧区温度的上升将使润滑条件变坏，从而影响铝塑膜的表面质量。增加后张力将使轧辊压力减小，或者当压力不变时使压下量增加。但后张力过大或过小都可能造成铝塑膜断裂，或出现斜角、起泡、折皱等缺陷。因此，轧制速度和后张力只能在有限范围内进行调节。此时，废铝塑膜材质本身的质量就显得尤为重要。

 

　　由于铝塑膜的厚度小，隐藏在坯料内部的各种缺陷，如夹杂、气泡、外来杂质，以及粗大第二相粒子、不均匀的毛料组织等，都将随着产品厚度的减小而逐步暴露出来，对铝塑膜轧制和产品质量产生不良影响，如形成穿孔或裂缝，严重时将使铝箱断裂或轧辊损坏。统计资料表明，铝塑膜中的针孔数随夹杂量、化合物尺寸的增加而增加，并且随铝塑膜厚度的减薄而呈指数函数增加。存在于坯料表面的各种缺陷，如擦伤、起皮、水斑、灰污等，也将以拉长的形式继续存在于铝塑膜表面，当压下量达到一定程度时，也会使铝塑膜穿孔或断裂。材质的性能愈不均匀，硬化率愈大，则愈易产生针孔。因此，用于轧制薄膜的废铝塑膜，必须具有优良的内在质量和表面质量。

 

　　废铝塑膜的组织控制

 

　　要获得高品质、高成品率的薄膜产品，必须严格控制废铝塑膜的质量，包括减少含气量、提高熔铸质量、调整化学成分、完善热处理工艺、改善显微组织和相分布等，尽可能地降低材料的加工硬化率和变形抗力，提高材料的轧制性能。

 

　　化学成分

 

　　化学成分是决定铝塑膜显微组织、力学性能和轧制性能的首要因素。铝塑膜一般用纯度大于99%的工业纯铝制备。由于元素固溶于铝中时将不同程度地降低铝的塑性，因此高纯铝的膜材较易轧制。随着铝塑膜工业的发展，研究工作者在合金成分的影响和改良方面做了大量的尝试和探索。

 

　　Fe、Si是工业纯铝中的主要元素，对工业纯铝制品的组织和性能有很大的影响，因此，工业纯铝又被称为Al-FeSi合金。工业纯铝的力学性能不仅受纯度和Fe、Si含量的影响，还受Fe/Si比的影响，Fe/Si比偏低时，材料呈脆性，不易压下和轧制变形。目前，铝箱用工业纯铝的Fe、Si比一般控制在2.5一3.0之间。控制杂质的相对含量是改进铝塑膜产品质量的重要途径。Fe、Si固溶在iA中将加大材料的加工硬化率，不利于铝塑膜的轧制。Fe在Al中的固溶度很小，当材料中Si含量很低时，较高的铁含量将使Si充分析出，从而使lA基体得到“净化”，因而有可能产生明显的加工软化闭。近年来，日本的专利研究指出，适宜的Fe含量将有利于提高材料的轧制性能。Fe含量小于0.5%~0.1%时，这种作用不能充分发挥，Fe含量高于1.3%~2.5%时，将使AlFe系化合物变得粗大、材料抗蚀性能下降。Si加人AlFe合金中能显著降低Fe在Al中的扩散激活能，有利于含Fe化合物的析出。Si在lA中的固溶度很大，强烈导致加工硬化。Si的含量与原铝锭的纯度有关。Si含量偏高时，易产生Si的晶界偏析，而且难于使Si充分析出，因此，Si含量应小于

 

　　0.3%一0.2.。

 

　　Ti能细化铸造组织，而且在压延时容易产生加工软化阁，提高轧制性能。但Ti含量过高(>。.05%)，易产生粗大化合物，使针孔率增加。另外，如果与Ti同时添加50X10一`的硼，细化晶粒效果更佳，若硼含量超过50X10一“，Ti残粗大金属间化合物粒子将恶化轧制性能。

 

　　在工业纯铝中，Cu、Mn、Mg都是允许存在的杂质元素。有时在合金中添加一定的Cu，使少量Cu溶人a固溶体中以提高材料的强度。郑漩圈认为，在工业纯铝中加人少量的Mh或Mg(<0.03%)，可以消除Si、Fe的有害影响。沟内政文等川则认为，Cu、Mn、Mg固溶于lA基体中，将减少Fe、Si的析出量。目前被普遍接受的观点是这些元素的含量都不应超过一定的限度，在铝塑膜用合金牌号中都规定了它们的最大含量。除以上成分外，iA中还不可避免地存在着一些杂质元素，如V、Ni、Na等，在铝塑膜合金中都规定了其最大含量。

 

　　合金相控制

 

　　如前所述，Fe、Si是工业纯铝中的主要合金元素/杂质元素，它们或者固溶在lA基体中形成a固溶体，或者与川形成金属间化合物从铝溶体或铝固溶体中析出。Fe、Si固溶于铝中不仅增加材料的硬度，而且大大增加材料的加工硬化率，尤其是Si，它强烈地导致加工硬化，从而使变形抗力增加，不利于轧制铝箱产品。Fe、Si元素尽可能地析出将有利于废铝塑膜轧制性能的改善。

 

　　另一方面，由于膜材的厚度很薄，在轧制过程中，当毛料的厚度小于或接近其化合物的尺寸时，便易在粗大化合物处产生针孔，甚至导致断带。长/短轴比较大的化合物相，如针状、棒状以及有尖锐棱角的化合物相，如不规则块状相等，其尖端易引起应力集中，不利于基体的塑性变形。化合物形状以等轴、对称、界面圆滑为好，如粒状、球状等，它们对基体的割裂作用小，有利于基体的均匀塑性变形。控制组织中粗大化合物相颗粒的尺寸和数量是降低针孔率、提高塑性加工性能和铝箱产品质量的重要因素之一。

 

　　因此，合金相的控制应包含两个方面的内容:一方面应尽可能地使Fe、Si元素从铝基体中析出、以第二相化合物的形式存在于铝基体中，另一方面还应通过适当的合金设计和工艺优化，控制第二相的种类、形状、大小、分布和数量。

 

　　从合金相的种类而言，虽然在川一FeSi系AJ角平衡相图上只有。(IAFeSi)、困AIFesi)和AbFe相3种平衡相，而在实际铸造条件下，可能出现的金属间化合物多达10余种巨卜10〕。这些非平衡的亚稳相具有不同的热力学稳定性、不同的化学组成范围和形貌，在一定的工艺条件下，将发生亚稳相向平衡相的转变。

 

　　从合金相的形成方式而言，铝箱毛料中的化合物可以分为初生结晶相颗粒和沉淀析出相粒子。析出相的尺寸通常较小，不会对塑性产生较大的危害。因此废铝塑膜中对合金相的控制重点是对粗大初生化合物相的控制。目前，为了尽可能减小铸锭组织中粗大结晶相颗粒的尺寸和数量，通常采用快速凝固法或采用常规的均匀化处理，以尽量使这些粗大结晶相颗粒重新溶解在铝基体中。采用快速凝固法可以使化合物的尺寸大大减小，目前已得到实际应用的如薄带铸轧法，但是由于薄带铸轧法存在表面质量差等缺点，生产高品质的铝塑膜产品仍需使用传统热轧坯料，而常规的均匀化处理对粗大结晶相的细化效果并不理想。因此如何细化传统热轧坯料中化合物相的尺寸成为提高铝塑膜产品质量的关键因素之一。

 

　　热处理工艺

 

　　热处理工艺与化学成分和合金相控制密切相关。热处理工艺设计应服务于尽可能降低Fe、Si元素固溶度，同时使第二相均匀合理分布这一组织原则。铝箱生产涉及了从熔铸、均匀化、热轧、冷轧、中间退火、膜轧等多个轧制工艺和热处理工艺环节，前一环节的组织特征必将遗传和影响到下一环节，各工艺之间是相互影响和制约的，孤立研究和设计各工艺参数或只考虑其中一两个“主要”环节都是片面、不充分的。要优化设计热处理工艺，必须综合考虑铝塑膜生产的热处理和加工变形全过程的组织变化和规律，制订合理且经济的最优化工艺制度。

 

　　目前在工业纯铝方面的研究工作主要集中在铸造组织及铸锭高温均匀化组织等基础研究方面比，研究工作涉及了铸造组织中相的类型和形成条件(如冷速、化学成分等)，均匀化过程中非平衡相向平衡相的转变，Fe、Si固溶及析出物随冷却条件和化学成分的变化趋势以及相应过程的数学模型的建立等。这些工作是铝箱毛料组织控制所必需的基础研究，但是正如前面所述，各工艺环节之间不是孤立的，因此其研究结果并不能作为铸锭均匀化工艺优化设计的直接依据。

 

　　此外，国外的少数文献少一啊研究了工业纯铝在退火过程中化合物的析出行为，其中仅有日本的专利文献(昭61一119658)给出了降低Fe、Si在铝基体中固溶度的热处理工艺，但该专利仅是从延长析出退火时间的角度来降低Fe、Si的固溶度，不能有效地对废铝塑膜Fe、Si固溶度及处理工艺进行优化调控。

 

　　铝塑膜广泛应用于食品包装、容器、建筑等领域，随着21世纪生物工程、能源、环保等技术的革新，铝塑膜的用途和觅待开发的领域及相关技术的拓展必将越来越广阔。进一步减小铝箱的厚度和提高成品率是铝塑膜工业的重要发展方向。要进一步减小铝箱的厚度、获得高品质的铝塑膜产品，必须通过合理的合金设计和工艺优化，使废铝塑膜具有合理的组织结构，以尽可能地降低材料的变形抗力、减小加工硬化率、提高废铝塑膜的轧制性能。废铝塑膜的组织控制已成为现代化铝箱生产中的首要问题。目前我国生产的废铝塑膜与国际先进水平相比还有一定的差距，还存在着组织结构不合理、质量不稳定等问题。为此对废铝塑膜制订统一的技术标准很有必要。反映毛料组织结构的参数，如化合物相的体积分数、尺寸分布，Fe、Si元素固溶度，晶粒度、晶粒形状因子等，都应该在技术标准中有所体现，以此来规范和稳定废铝塑膜的生产和质量。同时，应开展显微组织参量与生产工艺参数(热处理、变形等)之间定量关系的研究，建立二者之间相互关系的数学模型，实现铝塑膜生产过程中显微组织演变的动态模拟和仿真，从而最终实现组织和工艺的最优化控制，这也是现代化铝箱工业高速、自动化发展的必然趋势和要求。

本文出自：http://jinxian.zz91.com/news37215.htm

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