化學成分對罐蓋用5182合金烘烤性能影響的研究

楊鵬彥

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

隨著人們環保意識的不斷提高，同時為了降低成本，客戶對罐蓋料薄型化的需求已是必然的發展趨勢。目前國內啤酒、可樂汽水飲料市場如青島、百威、雪津、百事可樂等廠商為了降低成本已經開始大批量使用薄型易開蓋。制罐行業如皇冠、聯合、波爾、寶鋼、中糧等五大集團公司的5182罐蓋鋁材厚度已從0.24～0.27 mm過渡到0.208～0.224 mm。據不完全測算，目前國內鋁罐需求量已經達到80 kt/a。在未來幾年，如果現有的5182罐蓋將全部由0.27 mm過渡到0.208～0.224 mm，預計市場需求量將在180 kt/a以上，到2022年需求量將達到120 kt[1]。但薄型的罐蓋料絕大部分仍只能依賴進口。

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度要求達到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度則要求為330～360 MPa，同時，延伸率要求提高至7%。性能的提高對5182罐蓋料的微觀組織如基體固溶量、金屬間化合物、晶粒、織構分布、組織均勻性等也提出了更高的要求。根據國內外相關研究，提高薄型5182鋁合金罐蓋料強度的目的主要還是依靠增加Mg、Mn、Cu等強化元素的含量同時控制一定的冷軋變形率來實現[2-3]。為了研究罐蓋用5182鋁合金中主要合金成分對罐蓋料性能的影響，本文設計了不同合金成分的鑄錠，再將鑄錠按照現行生產工藝進行了均勻化處理、熱軋和冷軋，通過對冷軋板微觀組織分析、力學性能測試確定各化學成分對材料性能的影響。同時，通過分析實驗數據獲得了合金元素對性能影響的回歸方程，并計算出Cr、Cu、Mn、Mg元素成分波動導致性能的變化。

1 試驗方案

設計了7組合金成分，按照設計的合金成分進行了200公斤級DC鑄造，實際鑄錠成分如表1所示。

表1 DC鑄造的5182合金成分（質量分數/%）

將這7種鑄錠進行均勻化、熱軋、冷軋、中間退火和成品冷軋處理，并進行205℃/20 min及249℃/20 s烘烤實驗，對冷軋板進行了微觀組織分析，并對烘烤前后板材進行力學性能測試。

以Cu、Mn、Mg、Cr為自變量、冷軋和烘烤態后的屈服、抗拉和延伸率為因變量進行多元線性回歸分析，獲得回歸方程，并根據回歸方程的結果計算出合金成分波動導致性能的變化。

2 試驗結果及分析

2.1 主要元素含量對板材力學性能的影響

2.1.1 Fe、Si元素含量的影響

合金1（低Fe、Si）、合金2（高Fe、Si）烘烤前后板材力學性能如圖1所示。由圖1可知，Fe、Si含量高的板材強度低、延伸率低。這兩種合金的微觀組織觀察結果如圖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。另外經計算知，高鐵硅合金第二相面積分數為2.8%，低鐵硅合金第二相面積分數為1.7%。

圖1 不同Fe、Si含量板材烘烤前后力學性能變化

圖2 不同Fe、Si含量冷軋板縱截面微觀組織

對以上力學性能和微觀組織實驗結果進行分析，結果表明：由于Fe、Si可以吸收Mg、Mn等固溶元素，使固溶強化作用降低，因此導致高Fe、Si合金板材強度低。另外Fe、Si元素還容易導致（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，固溶強度作用增強，無論是冷軋態還是烘烤態，板材的強度均有所升高[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性能變化

圖4 示出了板材力學性能隨Mn含量的變化關系。可以看出，無論是冷軋態還是烘烤態，隨著Mn含量升高，板材的強度也升高了；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性能變化

圖5 示出了板材力學性能隨Cu含量的變化關系。從圖中可以看出，無論對于冷軋態還是烘烤態，隨著Cu含量的升高，強度均有所升高；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性能變化

2.1.5 Cr元素含量的影響

圖6 示出了板材力學性能隨Cr含量的變化關系。可以看出，無論對于冷軋態還是烘烤態，強度均隨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性能變化關系

2.2 不同化學成分波動對烘烤性能的影響程度

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

表2 合金元素對性能影響的回歸方程

烘烤導致Mn、Cr對強度的影響因子降低，原因推測：烘烤導致元素析出，致使固溶強化效果降低[8]。而烘烤對Cu的影響因子的變化因烘烤制度不同而不同，249℃/20 s烘烤導致影響因子降低，205℃/20 min則導致影響因子升高，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，具體機制還有待進一步研究[9]。

根據回歸方程的結果，可以計算出合金成分波動導致性能的變化。由表3可以看出，實際生產中Mg和Cr元素的成分波動對性能影響顯著[10]，應縮小Mg的成分控制范圍，嚴格控制Cr的含量。

表3 成分波動導致的性能變化

3 結論

從試驗結果及合金元素對性能影響的回歸方程可以得出以下結論：

（1）對于冷軋態、烘烤態樣品，強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）對于冷軋態樣品，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）對于249℃/20 s烘烤態樣品，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Mg元素導致延伸率升高的原因是由于Mg元素起到了細化晶粒的作用，在提高材料加工硬化能力的同時也提高了材料的延伸率。