化學(xué)成分對(duì)罐蓋用5182合金烘烤性能影響的研究

楊鵬彥

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，同時(shí)為了降低成本，客戶對(duì)罐蓋料薄型化的需求已是必然的發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)啤酒、可樂(lè)汽水飲料市場(chǎng)如青島、百威、雪津、百事可樂(lè)等廠商為了降低成本已經(jīng)開始大批量使用薄型易開蓋。制罐行業(yè)如皇冠、聯(lián)合、波爾、寶鋼、中糧等五大集團(tuán)公司的5182罐蓋鋁材厚度已從0.24～0.27 mm過(guò)渡到0.208～0.224 mm。據(jù)不完全測(cè)算，目前國(guó)內(nèi)鋁罐需求量已經(jīng)達(dá)到80 kt/a。在未來(lái)幾年，如果現(xiàn)有的5182罐蓋將全部由0.27 mm過(guò)渡到0.208～0.224 mm，預(yù)計(jì)市場(chǎng)需求量將在180 kt/a以上，到2022年需求量將達(dá)到120 kt[1]。但薄型的罐蓋料絕大部分仍只能依賴進(jìn)口。

與0.24～0.27 mm厚的5182罐蓋料相比，0.208～0.224 mm厚的薄型罐蓋料對(duì)材料的性能要求更高。如0.24～0.27 mm厚的5182罐蓋料烘烤后的屈服強(qiáng)度要求達(dá)到295～340 MPa，延伸率要求6%，而0.208～0.224 mm厚的5182罐蓋料烘烤后的屈服強(qiáng)度則要求為330～360 MPa，同時(shí)，延伸率要求提高至7%。性能的提高對(duì)5182罐蓋料的微觀組織如基體固溶量、金屬間化合物、晶粒、織構(gòu)分布、組織均勻性等也提出了更高的要求。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，提高薄型5182鋁合金罐蓋料強(qiáng)度的目的主要還是依靠增加Mg、Mn、Cu等強(qiáng)化元素的含量同時(shí)控制一定的冷軋變形率來(lái)實(shí)現(xiàn)[2-3]。為了研究罐蓋用5182鋁合金中主要合金成分對(duì)罐蓋料性能的影響，本文設(shè)計(jì)了不同合金成分的鑄錠，再將鑄錠按照現(xiàn)行生產(chǎn)工藝進(jìn)行了均勻化處理、熱軋和冷軋，通過(guò)對(duì)冷軋板微觀組織分析、力學(xué)性能測(cè)試確定各化學(xué)成分對(duì)材料性能的影響。同時(shí)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了合金元素對(duì)性能影響的回歸方程，并計(jì)算出Cr、Cu、Mn、Mg元素成分波動(dòng)導(dǎo)致性能的變化。

1 試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)了7組合金成分，按照設(shè)計(jì)的合金成分進(jìn)行了200公斤級(jí)DC鑄造，實(shí)際鑄錠成分如表1所示。

表1 DC鑄造的5182合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

將這7種鑄錠進(jìn)行均勻化、熱軋、冷軋、中間退火和成品冷軋?zhí)幚?，并進(jìn)行205℃/20 min及249℃/20 s烘烤實(shí)驗(yàn)，對(duì)冷軋板進(jìn)行了微觀組織分析，并對(duì)烘烤前后板材進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

以Cu、Mn、Mg、Cr為自變量、冷軋和烘烤態(tài)后的屈服、抗拉和延伸率為因變量進(jìn)行多元線性回歸分析，獲得回歸方程，并根據(jù)回歸方程的結(jié)果計(jì)算出合金成分波動(dòng)導(dǎo)致性能的變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 主要元素含量對(duì)板材力學(xué)性能的影響

2.1.1 Fe、Si元素含量的影響

合金1（低Fe、Si）、合金2（高Fe、Si）烘烤前后板材力學(xué)性能如圖1所示。由圖1可知，F(xiàn)e、Si含量高的板材強(qiáng)度低、延伸率低。這兩種合金的微觀組織觀察結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，高鐵硅合金的第二相化合物明顯多于低鐵硅合金。另外經(jīng)計(jì)算知，高鐵硅合金第二相面積分?jǐn)?shù)為2.8%，低鐵硅合金第二相面積分?jǐn)?shù)為1.7%。

圖1 不同F(xiàn)e、Si含量板材烘烤前后力學(xué)性能變化

圖2 不同F(xiàn)e、Si含量冷軋板縱截面微觀組織

對(duì)以上力學(xué)性能和微觀組織實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明：由于Fe、Si可以吸收Mg、Mn等固溶元素，使固溶強(qiáng)化作用降低，因此導(dǎo)致高Fe、Si合金板材強(qiáng)度低。另外Fe、Si元素還容易導(dǎo)致（Fe，Mn）Al6和Mg2Si粗大化合物的形成，從而使延伸率降低[4]。

2.1.2 Mg元素含量的影響

由圖3知，隨著Mg含量升高，固溶強(qiáng)度作用增強(qiáng)，無(wú)論是冷軋態(tài)還是烘烤態(tài)，板材的強(qiáng)度均有所升高[5]；249℃/20 s烘烤后，延伸率隨著Mg含量升高而提高，而205℃/20 min烘烤后，延伸率隨Mg含量升高而先升高后降低。2.1.3 Mn元素含量的影響

圖3 不同Mg含量板材烘烤前后力學(xué)性能變化

圖4 示出了板材力學(xué)性能隨Mn含量的變化關(guān)系?？梢钥闯?，無(wú)論是冷軋態(tài)還是烘烤態(tài)，隨著Mn含量升高，板材的強(qiáng)度也升高了；249℃/20 s烘烤后，Mn含量升高，延伸率降低；205℃/20 min烘烤后，Mg含量升高，延伸率略微升高。2.1.4 Cu元素含量的影響

圖4 不同Mn含量板材烘烤前后力學(xué)性能變化

圖5 示出了板材力學(xué)性能隨Cu含量的變化關(guān)系。從圖中可以看出，無(wú)論對(duì)于冷軋態(tài)還是烘烤態(tài)，隨著Cu含量的升高，強(qiáng)度均有所升高；249℃/20 s烘烤后，延伸率隨Cu含量升高而降低；205℃/20 min烘烤后，隨著Cu含量的升高，延伸率略微升高。

圖5 不同Cu含量材力烘烤前后板學(xué)性能變化

2.1.5 Cr元素含量的影響

圖6 示出了板材力學(xué)性能隨Cr含量的變化關(guān)系?？梢钥闯?，無(wú)論對(duì)于冷軋態(tài)還是烘烤態(tài)，強(qiáng)度均隨Cr含量升高而升高[6]；249℃/20 s烘烤后，Cr含量升高，延伸率降低；205℃/20 min烘烤后，Cr含量升高，延伸率略微升高。

圖6 不同Cr含量烘烤前后板材力學(xué)性能變化關(guān)系

2.2 不同化學(xué)成分波動(dòng)對(duì)烘烤性能的影響程度

以Cu、Mn、Mg、Cr為自變量、冷軋和烘烤態(tài)后的屈服、抗拉和延伸率為因變量進(jìn)行多元線性回歸分析，獲得表2所示回歸方程[7]。

表2 合金元素對(duì)性能影響的回歸方程

烘烤導(dǎo)致Mn、Cr對(duì)強(qiáng)度的影響因子降低，原因推測(cè)：烘烤導(dǎo)致元素析出，致使固溶強(qiáng)化效果降低[8]。而烘烤對(duì)Cu的影響因子的變化因烘烤制度不同而不同，249℃/20 s烘烤導(dǎo)致影響因子降低，205℃/20 min則導(dǎo)致影響因子升高，這可能是因含Cu相在不同烘烤制度的析出行為不同引起的，具體機(jī)制還有待進(jìn)一步研究[9]。

根據(jù)回歸方程的結(jié)果，可以計(jì)算出合金成分波動(dòng)導(dǎo)致性能的變化。由表3可以看出，實(shí)際生產(chǎn)中Mg和Cr元素的成分波動(dòng)對(duì)性能影響顯著[10]，應(yīng)縮小Mg的成分控制范圍，嚴(yán)格控制Cr的含量。

表3 成分波動(dòng)導(dǎo)致的性能變化

3 結(jié)論

從試驗(yàn)結(jié)果及合金元素對(duì)性能影響的回歸方程可以得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于冷軋態(tài)、烘烤態(tài)樣品，強(qiáng)度隨合金元素含量增加而增加，Cr影響最明顯，其次為Mn、Cu、Mg。

（2）對(duì)于冷軋態(tài)樣品，延伸率隨合金元素含量增加而降低，其中Cr影響最明顯，其次為Cu、Mn、Mg。

（3）對(duì)于249℃/20 s烘烤態(tài)樣品，延伸率隨Cr、Cu、Mn合金元素含量增加而降低，其中Cr影響最明顯，其次為Cu、Mn。推測(cè)Mg元素導(dǎo)致延伸率升高的原因是由于Mg元素起到了細(xì)化晶粒的作用，在提高材料加工硬化能力的同時(shí)也提高了材料的延伸率。