化学成分对罐盖用5182合金烘烤性能影响的研究

杨鹏彦

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

0 前言

随着人们环保意识的不断提高，同时为了降低成本，客户对罐盖料薄型化的需求已是必然的发展趋势。目前国内啤酒、可乐汽水饮料市场如青岛、百威、雪津、百事可乐等厂商为了降低成本已经开始大批量使用薄型易开盖。制罐行业如皇冠、联合、波尔、宝钢、中粮等五大集团公司的5182罐盖铝材厚度已从0.24～0.27 mm过渡到0.208～0.224 mm。据不完全测算，目前国内铝罐需求量已经达到80 kt/a。在未来几年，如果现有的5182罐盖将全部由0.27 mm过渡到0.208～0.224 mm，预计市场需求量将在180 kt/a以上，到2022年需求量将达到120 kt[1]。但薄型的罐盖料绝大部分仍只能依赖进口。

与0.24～0.27 mm厚的5182罐盖料相比，0.208～0.224 mm厚的薄型罐盖料对材料的性能要求更高。如0.24～0.27 mm厚的5182罐盖料烘烤后的屈服强度要求达到295～340 MPa，延伸率要求6%，而0.208～0.224 mm厚的5182罐盖料烘烤后的屈服强度则要求为330～360 MPa，同时，延伸率要求提高至7%。性能的提高对5182罐盖料的微观组织如基体固溶量、金属间化合物、晶粒、织构分布、组织均匀性等也提出了更高的要求。根据国内外相关研究，提高薄型5182铝合金罐盖料强度的目的主要还是依靠增加Mg、Mn、Cu等强化元素的含量同时控制一定的冷轧变形率来实现[2-3]。为了研究罐盖用5182铝合金中主要合金成分对罐盖料性能的影响，本文设计了不同合金成分的铸锭，再将铸锭按照现行生产工艺进行了均匀化处理、热轧和冷轧，通过对冷轧板微观组织分析、力学性能测试确定各化学成分对材料性能的影响。同时，通过分析实验数据获得了合金元素对性能影响的回归方程，并计算出Cr、Cu、Mn、Mg元素成分波动导致性能的变化。

1 试验方案

设计了7组合金成分，按照设计的合金成分进行了200公斤级DC铸造，实际铸锭成分如表1所示。

表1 DC铸造的5182合金成分（质量分数/%）

将这7种铸锭进行均匀化、热轧、冷轧、中间退火和成品冷轧处理，并进行205℃/20 min及249℃/20 s烘烤实验，对冷轧板进行了微观组织分析，并对烘烤前后板材进行力学性能测试。

以Cu、Mn、Mg、Cr为自变量、冷轧和烘烤态后的屈服、抗拉和延伸率为因变量进行多元线性回归分析，获得回归方程，并根据回归方程的结果计算出合金成分波动导致性能的变化。

2 试验结果及分析

2.1 主要元素含量对板材力学性能的影响

2.1.1 Fe、Si元素含量的影响

合金1（低Fe、Si）、合金2（高Fe、Si）烘烤前后板材力学性能如图1所示。由图1可知，Fe、Si含量高的板材强度低、延伸率低。这两种合金的微观组织观察结果如图2所示。由图2可知，高铁硅合金的第二相化合物明显多于低铁硅合金。另外经计算知，高铁硅合金第二相面积分数为2.8%，低铁硅合金第二相面积分数为1.7%。

图1 不同Fe、Si含量板材烘烤前后力学性能变化

图2 不同Fe、Si含量冷轧板纵截面微观组织

对以上力学性能和微观组织实验结果进行分析，结果表明：由于Fe、Si可以吸收Mg、Mn等固溶元素，使固溶强化作用降低，因此导致高Fe、Si合金板材强度低。另外Fe、Si元素还容易导致（Fe，Mn）Al6和Mg2Si粗大化合物的形成，从而使延伸率降低[4]。

2.1.2 Mg元素含量的影响

由图3知，随着Mg含量升高，固溶强度作用增强，无论是冷轧态还是烘烤态，板材的强度均有所升高[5]；249℃/20 s烘烤后，延伸率随着Mg含量升高而提高，而205℃/20 min烘烤后，延伸率随Mg含量升高而先升高后降低。2.1.3 Mn元素含量的影响

图3 不同Mg含量板材烘烤前后力学性能变化

图4 示出了板材力学性能随Mn含量的变化关系。可以看出，无论是冷轧态还是烘烤态，随着Mn含量升高，板材的强度也升高了；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元素含量的影响

图4 不同Mn含量板材烘烤前后力学性能变化

图5 示出了板材力学性能随Cu含量的变化关系。从图中可以看出，无论对于冷轧态还是烘烤态，随着Cu含量的升高，强度均有所升高；249℃/20 s烘烤后，延伸率随Cu含量升高而降低；205℃/20 min烘烤后，随着Cu含量的升高，延伸率略微升高。

图5 不同Cu含量材力烘烤前后板学性能变化

2.1.5 Cr元素含量的影响

图6 示出了板材力学性能随Cr含量的变化关系。可以看出，无论对于冷轧态还是烘烤态，强度均随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。

图6 不同Cr含量烘烤前后板材力学性能变化关系

2.2 不同化学成分波动对烘烤性能的影响程度

以Cu、Mn、Mg、Cr为自变量、冷轧和烘烤态后的屈服、抗拉和延伸率为因变量进行多元线性回归分析，获得表2所示回归方程[7]。

表2 合金元素对性能影响的回归方程

烘烤导致Mn、Cr对强度的影响因子降低，原因推测：烘烤导致元素析出，致使固溶强化效果降低[8]。而烘烤对Cu的影响因子的变化因烘烤制度不同而不同，249℃/20 s烘烤导致影响因子降低，205℃/20 min则导致影响因子升高，这可能是因含Cu相在不同烘烤制度的析出行为不同引起的，具体机制还有待进一步研究[9]。

根据回归方程的结果，可以计算出合金成分波动导致性能的变化。由表3可以看出，实际生产中Mg和Cr元素的成分波动对性能影响显著[10]，应缩小Mg的成分控制范围，严格控制Cr的含量。

表3 成分波动导致的性能变化

3 结论

从试验结果及合金元素对性能影响的回归方程可以得出以下结论：

（1）对于冷轧态、烘烤态样品，强度随合金元素含量增加而增加，Cr影响最明显，其次为Mn、Cu、Mg。

（2）对于冷轧态样品，延伸率随合金元素含量增加而降低，其中Cr影响最明显，其次为Cu、Mn、Mg。

（3）对于249℃/20 s烘烤态样品，延伸率随Cr、Cu、Mn合金元素含量增加而降低，其中Cr影响最明显，其次为Cu、Mn。推测Mg元素导致延伸率升高的原因是由于Mg元素起到了细化晶粒的作用，在提高材料加工硬化能力的同时也提高了材料的延伸率。