热力处理对Pb-Ca-Sn-Al合金再结晶软化率的影响

李立新，袁 翔，苏雨萌，皮大光，刘建洋，李 彬

(武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉，430081)

有关Pb基合金材料的耐腐蚀性能目前主要集中于铅合金晶界处腐蚀状况的研究。研究表明，铅合金晶界处腐蚀状况与其晶界能高低有关，而晶界能高低与再结晶程度密切相关，即再结晶程度越高，晶界能越低，抗腐蚀能力越强[1-3]。因此再结晶软化程度即再结晶软化率成为评价Pb基合金材料耐腐蚀性能的重要指标。本文模拟现场工艺铅板出卷时板卷中存在张力的情形，对变形量为30%的冷轧Pb-Ca-Sn-Al合金进行热力实验，对静态再结晶动力学模型Avrami方程系数进行回归，得出Pb-Ca-Sn-Al合金静态再结晶模型，研究保温时间、退火温度和加载力对其静态再结晶软化率的影响。

1 实验

实验所用材料为Pb-Ca-Sn-Al合金，其化学成分如表1所示。将实验材料加工成200 mm×25 mm×0.56 mm的试样，测量试样的初始硬度，用二辊轧机按30%的压下量冷轧，测量轧后样的硬度，对轧后样按正交实验设计的工艺参数在高温箱式电阻炉内进行热力处理(对炉内处于退火过程的轧后样在长度方向加载一定的弹簧拉力)，测量热力处理后的试样硬度，对正交实验数据作极差分析。

表1 Pb-Ca-Sn-Al合金化学成分(wB/%)

2 静态再结晶模型线性方程

碳钢静态再结晶动力学模型Avrami方程为[4-6]

(1)

式中：χ为静态再结晶体积分数；t为静态再结晶时间，s；tF为静态再结晶体积分数为F时所需时间，s；n为Avrami指数；B为常数。

当静态再结晶体积分数F为50%时，式(1)为

(2)

静态再结晶体积分数为50%所需时间

(3)

对于铅合金静态再结晶，变形量和变形速率为定值，如果不考虑轧制过程中的晶粒破碎，则试样在退火前后晶粒大小基本不变。所以变形量、变形速率和原始晶粒尺寸等因素的影响可以计入常量A中；由于加载力F比铅板的屈服强度小，加载力F和变形量ε为线性关系，在式(3)的εp中引入F，可得

(4)

将式(4)代入式(2)，有

(5)

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3

(6)

3 结果与分析

3.1 合金再结晶软化率的影响因素

表2 Pb-Ca-Sn-Al合金工艺参数及实验数据

对表2中的再结晶软化率作极差分析，结果显示，退火温度T、保温时间t、加载力F等因素对Pb-Ca-Sn-Al合金再结晶软化率影响的极差值分别为RT=0.4564，Rt=1.6907，RF=0.1344，可见，影响Pb-Ca-Sn-Al合金再结晶软化率的因素主次顺序为：保温时间t，退火温度T，加载力F。

3.2 再结晶软化率模型分析

根据式(4)，利用ORIGIN软件对513～533 ℃温度区间的实验数据作线性回归，所得线性方程系数回归值如表3所示，回归方程系数显著性检验如表4所示。从表3中可看出，回归后的方程系数相关度较高，r=0.9626。表4结果再次验证了影响Pb-Ca-Sn-Al合金再结晶软化率的因素主次顺序为t，T，F。根据表3中的回归数据，结合式(5)得出Pb-Ca-Sn-Al合金再结晶软化率模型[7-10]为

χ=1+exp[0.693(t/(1×

(7)

对式(7)计算结果进行整理，得出保温时间对Pb-Ca-Sn-Al合金再结晶软化率的影响如图1所示。从图1中可推算，当保温时间为10 s，退火温度分别为513、523、533K时，相应Pb-Ca-Sn-Al合金再结晶软化率分别为0.4996、0.5078、0.5120。可见，相同加载力和保温时间条件下，退火温度越高，再结晶软化率越大。从图1中还可看出，初始阶段再结晶软化率增长速率随保温时间延长而快速增大，当保温时间增至60 s时，再结晶软化率的增长速率渐趋缓慢。根据Pb-Ca-Sn-Al合金静态再结晶模型计算结果，退火温度分别为513、523、533 K时，Pb-Ca-Sn-Al合金完成再结晶(软化率为95%以上)所需保温时间分别为790、820、940 s。

表3 线性方程系数回归值

表4 回归方程系数显著性检验

图1保温时间对Pb-Ca-Sn-Al合金再结晶软化率的影响

Fig.1EffectofsoakingtimeontherecrystallizationsofteningfractionofPb-Ca-Sn-Alalloy

4 结论

(1)影响Pb-Ca-Sn-Al合金再结晶软化率的因素主次顺序为：保温时间，退火温度，加载力。

(2)相同加载力和保温时间条件下，退火温度越高，Pb-Ca-Sn-Al合金再结晶软化率越大。

(3)Pb-Ca-Sn-Al合金再结晶软化率增长速率随保温时间延长而快速增大，当保温时间增至60 s时，再结晶软化率的增长速率渐趋缓慢。

[1] 夏爽,周邦新,陈文觉,等.高温退火过程中铅合金晶界特征分布的演化[J].金属学报,2006,42(2):129-133.

[2] 张坤,王卫国,方晓英,等.不同温度轧制Pb-Ca-Sn-Al合金高温退火后的晶界特征分布[J].金属学报,2008,44(6):652-658.

[3] 王卫国,冯柳,张欣,等.冷轧变形Pb-Ca基合金在回复和再结晶过程中的晶界特征分布(GBCD)[C]//2005年全国计算材料、模拟与图像分析学术会议论文集.北京：中国金属学会材料科学分会，2005:381-382.

[4] Abouhilou F,Azzeddine H,Mehdi B,et al.Deformation and recrystallization texture，microstructure and kinetics of Pb-Ca-Sn alloy[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2011,21(8):1779-1784.

[5] Song K H,Chun Y B,Hwang S K.Direct observation of annealing twin formation in a Pb-base alloy[J].Materials Science and Engineering,2007(2):629-636.

[6] 窦晓峰,鹿守理,赵辉.Q235低碳钢静态再结晶模型的建立[J].北京科技大学学报,1999,21(1):20-22.

[7] 郭文显,李爱菊,舒东.不同成分Pb-Ca-Sn-Al合金显微结构的比较[C]//中国电工技术学会第十届全国铅酸蓄电池学术年会.沈阳：中国电工技术学会铅酸蓄电池专业委员会 ，2006:24-29.

[8] 张坤.Pb-Ca-Sn-Al合金轧制退火晶界特征分布研究[D].淄博:山东理工大学，2008.

[9] 李建平,姜洪锋,毛大恒.轧制变形量对铸轧铅合金板带性能的影响[J].材料工程,2012(4):17-21.

[10]张欣.固溶和预时效Pb合金冷轧退火后的晶界特征分布[D].淄博:山东理工大学，2007.