（材料加工工程专业论文）双级均匀化对3104铝合金组织和再结晶行为的影响.pdf

摘要 3 1 0 4 铝合金由于具有强度高，耐蚀性强和良好的成型性能，主 要用作易拉罐罐体材料。针对罐体料不断减薄的趋势，要求合金具有 更好的深冲性能，即需要化合物粒子细小且均匀分布以减小漏罐率， 同时需要得到更强的立方织构来平衡形变织构以降低制耳率。漏罐率 直接与合金中非平衡结晶第二相相关，而再结晶也与合金中第二相密 切相关。本文拟通过示差扫描量热分析，硬度和电导率测试，金相显 微观察，定量金相分析，扫描电镜及透射电镜分析，研究双级均匀化 热处理制度对该合金的显微组织和再结晶行为及再结晶织构的影响 规律。研究得到如下主要结论： 1 ) 研究了单级均匀化温度对3 1 0 4 铝合金中第二相及固溶m n 含 量的影响。结果表明，在较高温度下( 5 5 0 ) 进行均匀化 处理有利于消除铸锭中已存在的骨骼状和片状的非平衡结晶 相，但固溶的m n 含量偏高，且高于6 1 5 退火时引起过烧； 在较低的温度( 5 0 0 ) 均匀化时，析出大量含m n 第二相， 4 5 0 均匀化时固溶m n 最低，但剩余第二相尺寸没有得到改 盖 口o 2 ) 提出了高温溶解第二相和低温析出的双级均匀化技术，其中 第一级高温均匀化是影响合金第二相组织尺寸的主要因素， 第二级低温均匀化主要作用是以第二相形式析出含m n 化合 物。本文通过正交法优化出6 0 0 1 2 h + 4 5 0 1 2 h 的最佳双 级均匀化工艺。采用该工艺后剩余第二相分布均匀，平均大 小为1 7 9 9 m 2 ，m n 溶质析出充分，合金电导率达4 1 5 i a c s 。 3 ) m n 的存在状态显著影响罐料板的再结晶温度，与单级均匀化 相比双级均匀化促使含m n 相的析出，降低再结晶温度。经 4 5 0 1 2 h 、5 0 0 1 2 h 、5 5 0 1 2 h 、6 0 0 1 2 h 和6 0 0 1 2 h + 4 5 0 1 2 h 均匀化处理，合金材料对应的再结晶温度分 别为4 6 5 、4 4 2 、4 0 0 、3 2 3 和3 2 0 。 4 ) 再结晶立方织构体积含量随着均匀化温度的升高而提高，双 级均匀化可提高再结晶立方织构体积含量。在本试验中，经 双级均匀化在热轧和再结晶退火后样品获得的再结晶立方织 构体积含量最大。 关键词：3 1 0 4 铝合金，均匀化，再结晶行为，再结晶织构 l l ab s t r a c t a l u m i n u ma l l o y3l0 4i sw i d e l yu s e df o rm a n u f a c t u r i n gb e v e r a g e c a nd u et oi t s h i g hs t r e n g t h ，s t r o n g c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dg o o d f o r m a b il i t y t h et e n d e n c yo fm a n u f a c t u r i n gt h i n n e ra n dl i g h t e rb e v e r a g e c a nr e q u i r e se x c e l l e n td e e p d r a w i n gp e r f o r m a n c eo ft h es h e e t ，w h i c h r e q u i r e st h es e c o n dp h a s ep a r t i c l e st ob ef i n ea n du n if o r m l yd i s t r i b u t e da s w e l la sc u b et e x t u r et ob es t r o n gi nt h ea l l o y l a r g es i z ep a r t i c l e sw i l ll e a d t os c o r i n gd u r i n gd e e pd r a w i n g ，a n dt h es e c o n dp h a s ep a r t i c l e sa l s oh a v e s t r o n gi n f l u e n c eo nt h er e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ro ft h es h e e t i nt h i s p a p e r t h e e f f e c to f h o m o g e n i z a t i o n o nt h e m i c r o s t r u c t u r e ， r e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ra n dr e c r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r eo ft h eh o tr o l l e d a l u m i n u ma ll o y310 4w a si n v e s t i g a t e db ym e a n so fd i f f e r e n t i a ls c a n n i n g c a l o r i m e t r ya n a l y s i s ，h a r d n e s sa n de l e c t r i c i t yc o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n t ， o p t i c a lm i c r o s c o p y , q u a n t i t a t i v e m e t a l l o g r a p h i c a n a l y s i s ，s c a n n i n g e l e c t r o n i cm i c r o s c o p ya n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p y t h em a i n r e s u l t sa r e a sf o l l o w i n g ： 1 ) t h ee f f e c to fh o m o g e n i z a t i o nt e m p e r a t u r eo nt h es e c o n dp h a s e p a r t i c l e sa n ds a t u r a t i o nc o n t e n to fm n i nt h em a t r i xw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w t h a t ，d u r i n gs i n g l eh o m o g e n i z a t i o n ，h i g h t e m p e r a t u r eh o m o g e n i z a t i o nh e a tt r e a t m e n t ( 5 5 0 ) f a v o r st h e e l i m i n a t i o no ft h ec o a r s en o n - e q u i l i b r i u mc o n s t i t u e n t sp a r t i c l e s ， b u tt h ea m o u n to fm ni ns o l i ds o l u t i o ni ss t i l lh i g h a n di ti se a s y t ob eo v e r - b u r n tw h e nt h et e m p e r a t u r ei so v e r615 l o w t e m p e r a t u r eh o m o g e n i z a t i o nh e a tt r e a t m e n t ( 5 0 0 ) f a v o r st h e p r e c i p i t a t i o no fm n - r i c hp r e c i p i t a t e s ，b u tt h ec o a r s ec o n s t i t u e n t s p a r t i c l e sa r es t i l lr e m a i n e d t h ec o n t e n to fm nd i s s o l v e di nt h e m a t r i xi st h el o w e s tw h e nt h eh o m o g e n i z a t i o nt e m p e r a t u r ei su p t o4 5 0 2 ) t w o - s t e ph o m o g e n i z a t i o nt e c h n i q u ei sp r o p o s e d ，w h i c hi sa i m e d a td i s s o l v i n go ft h ec o a r s en o n e q u i l i b r i u mc o n s t i t u e n t sp a r t i c l e s b yh i g ht e m p e r a t u r eh o m o g e n i z a t i o nh e a tt r e a t m e n ta tt h ef i r s t s t e pa n d p r e c i p i t a t i n g t h em n - r i c h p r e c i p i t a t e sb y 一 一一 i i i l o w t e m p e r a t u r eh o m o g e n i z a t i o na tt h es e c o n ds t e p i nt h i st h e s i s ， t h e o p t i m a lh o m o g e n i z a t i o n h e a tt r e a t m e n t i s6 0 0 12 h + 4 5 0 12 h t h r o u g ht h i s t w o - s t e ph o m o g e n i z a t i o n t r e a t m e n tt h er e s i d u a ip h a s ep a r t i c l e sa r eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e di n t h ea l l o y , t h ea v e r a g es i z eo fw h i c hi sa b o u t17 9 p m z a n dt h e m n r i c hp r e c i p i t a t e sa r es u f f i c i e n t l yp r e c i p i t a t e dw h i c hl e a d st o t h eh i g hc o n d u c t i v i t yu pt o41 5 i a c s 3 ) t h es t a t u so fm na t o m si na l u m i n u ma l l o y3l0 4h a sas i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo nt h er e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h ea s r o l l e d s h e e t t h ep r e c i p i t a t i o no fm n - r i c hp r e c i p i t a t e si sp r o m o t e da n d t h e r e c r y s t a l li z a t i o n t e m p e r a t u r e d e c r e a s e sb ya d o p t i n gt h e t w o - s t e ph o m o g e n i z a t i o nt r e a t m e n tc o m p a r e d w i t ht h e s i n g l e h o m o g e n i z a t i o nt r e a t m e n t t h er e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r eo f a l u m i n u ma l l o y3 1 0 4i s4 6 5 ，4 4 2 ，4 0 0 ，3 2 3 a n d3 2 0 ， w h e ni ti sh o m o g e n i z e da t4 5 0 12 h ，5 0 0 l 2 h ，5 5 0 l2 h ， 6 0 0 0 ( 2 l2 h ，6 0 0 l2 h + 4 5 0 l2 h ，r e s p e c t i v e l y 4 ) t h ev o l u m ef r a c t i o no ft h er e c r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r ec o m p o n e n t i n c r e a s e sw i t ht h ee n h a n c i n gh o m o g e n i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，a n d t h et w o s t e ph o m o g e n i z a t i o nc a nb eo fb e n e f i tt ot h ef o r m a t i o n o ft h ec u b et e x t u r ec o m p o n e n t t h eh i g h e s tf r a c t i o no ft h e r e c r y s t a l l i z a t i o n t e x t u r ei so b t a i n e dw h e nt h e a l l o y i s h o m o g e n i z e da t6 0 0 12 h + 4 5 0 12 h f o l l o w e db yh o tr o l l i n ga n d a n n e a l l i n g 。 k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y310 4 ，h o m o g e n i z a t i o nh e a tt r e a t m e n t ， r e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o r , r e c r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r e i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名：盔墨丞 日期： 塑旦年上月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者签名：缸芷导师签名1 幽期：牛年勘丝目 硕士学位论文第章文献综述 第一章文献综述 1 13 1 0 4 铝合金及其在易拉罐中的应用 1 1 1 易拉罐用铝合金的发展 从合金体系上看，罐体材料的合金从3 0 0 4 发展到了31 0 4 、3 2 0 4 。3 0 0 4 铝合 金于1 9 2 9 年问世，属a i m n m g 系合金。各国使用的3 0 0 4 铝合金成分如表1 1 所示，其中m n 、m g 、c u 、f e 、s i 等为主要合金元素。其典型物理性能大致为： 密度约2 7 2 1 0 3 k g m 3 ，液相点和固相点的温度约为6 5 4 c 和6 2 9 c ，电极电位 为- 0 8 0 v ，室温下的线膨胀系数为2 3 2 1 a m ( m k ) ，室温下的热导率为1 6 2 w ( m k ) 。 泊松比为0 3 5 ，弹性模量为7 0 g p a ，剪切弹性模量为2 5 g p a l l l 。 表1 1 各国使用的3 0 0 4 合金成分( ) 【1 】 表1 2 为罐用3 系锚合会成分范幽。传统的易拉罐罐体合金为3 0 0 4 合金， 最近罐厂较多使用的是3 1 0 4 合金，该合会在1 9 7 8 年在美国铝业协会注册，它是 在3 0 0 4 合金基础上改型而成，目的是适应轻量化的要求且保证罐体使用时的强 度。c r o w nc o r k & s e a l 公司的技术条件要求合金含有不小于0 8 m n 及0 8 m g 和其它次要元素。表1 2 所列的三种罐体材料合金均完全满足这些要求。供应厂 商用这三种合金生产了不同强度的产品。与其它两种合金比较，3 2 0 4 铝合金的 强度最高，但成型性能有些降低。供应厂商将3 2 0 4 铝合金作基本的加工 表l 一2 罐体用3 系合金成分( w t ) 1 2 i 硕士学位论文第一章文献综述 后向市场提供作为在特定环境下工作的材料。铝制易拉罐目前采用三种不同的铝 合金板材，罐体采用3 0 0 4 h 1 9 3 1 0 4 h 1 9 铝合金特薄板带，罐盖用5 1 8 2 h 1 9 铝合 金，拉环用5 0 4 2 h 1 9 铝合金，这给组织生产和回收废料带来许多麻烦。国外正 在研制能制造罐身、罐盖和拉环的新型通用制罐铝合金，美国戈尔登铝业公司 ( g o l d e na l u m i n u m ) 已开发出两种所谓“通用制罐铝合金”( u n i a h o y ) ，其化学成 分列于表1 3 。它们中的任意一种合金均可以制造罐身、罐盖和拉环，而且可用 9 5 的废旧易拉罐配制。这两种合金分别于1 9 8 6 年和1 9 9 2 年在美国铝业协会注 册，并都已投入工业生产，这种发展趋势，为罐材的生产创造了良好的机遇，促 进了研究和开发易拉罐板材的新技术。 表1 - 3 美国戈尔登铝业公司( g o l d e n a l u m i n u m ) 开发的制罐铝合金的成分( ) 【3 1 3 1 0 4 铝合金是目前单一产量最大的薄板铝合金。由于该铝合金具有强度高、 韧性高、耐腐蚀性强、深冲性能好等优点，除用作铝罐罐身材料外，还广泛用于 韧性容器( 罐) 、化工产品生产与贮存装置、建筑工具以及各种灯具零部件等i l j 。 1 9 6 4 年，美国雷诺公司( r e y n o l d sm e t a l sc o m p a n y ) 应用凯撒铝业及化学公司 ( k a i s e ra l u m i n i u m & c h e m i c a lc o r p o r a t i o n ) 研制的拉深和变薄拉伸技术生产了第 一个d if d r a w i n ga n di r o n i n g ) 罐。制作的d i 罐具有轻巧美观、开启方便、安全 卫生、易于运输、装磺新颖、便于携带等优点，从此铝合会易拉罐在全球发展迅 猛。2 0 世纪7 0 - - , 8 0 年代，r 本和德国开始将铝材广泛用作各种硬包装( 各种罐 体和容器) 和软包装( 医药化妆品等) 材料。1 9 8 1 年美国制造了4 7 0 亿个铝罐， 占罐市场的8 5 。1 9 8 3 年为5 8 0 亿个1 4 j ，1 9 8 5 年铝罐的总量7 3 0 亿个，到1 9 9 5 年增至8 9 0 亿个。2 0 0 5 年美国全铝易拉罐共生产了1 3 0 0 亿只左右，消费量1 0 0 0 亿只以上，耗铝材2 0 0 万吨以上，约占全国铝板带材总产量( 4 6 5 万吨) 的4 1 ， 出口量约占1 3 ，处于平稳发展期( 年增长1 2 ) 。2 0 0 5 年日本铝罐料产 消量约为4 4 万吨，其中罐盖及拉环1 4 万吨，罐体料3 0 万吨，也处于平稳发展 期阶段( 年增长率2 左右) 。2 0 0 5 年欧洲的铝罐料产消量约为1 2 0 万吨，韩国 1 1 5 力吨，巴西1 1 5 万吨，其他国家约1 0 力吨。这些国家的年增长率约为5 1 0 。1 9 9 3 年全球铝罐产量已超过1 4 0 0 亿个，需薄铝板3 0 0 万吨左右；2 0 0 0 年 增加到2 4 0 0 亿个，罐用铝材用量达4 0 0 万吨l5 1 。2 0 0 6 年，全球铝罐料的年总产 量已达4 3 0 万吨左右，其中罐体料2 8 9 力吨，罐盖及拉环料1 4 1 万吨，除美国、 2 硕士学位论文 第一章文献综述 日本、欧洲等国家和地区已处于相对稳定发展期外，中国、巴西、印度等国家尚 处于高速发展期。因此，全球的年增长率仍会保持在8 以上【6 。目前，在西欧、 日本和美国的饮料包装铝制易拉罐已占绝对优势，易拉罐用铝材业已成为工业发 达国家民用高精铝行业的主要产品。我国易拉罐生产始于上世纪八十年代中期， 是近二十多年来崛起的新兴行业。上世纪八十年代术，我国建成铝易拉罐生产线 1 3 条，年生产易拉罐约2 4 亿个【7 1 。2 0 0 5 年全国1 6 家主要制罐企业的2 2 条生产 线，年总生产能力达到1 1 5 亿只。通过近年来的发展与市场调节，据不完全统计， 我国现有罐体制造企业2 3 家，罐盖制造厂( 大型厂商) 2 0 家以上。年罐体生产能 力1 1 0 亿只以上，罐盖生产能力1 5 0 多亿只，铝易拉罐形成了富特波尔美特、 皇冠、太平洋等几个中外合资或外商独资集团公司。按生产厂能力分布计算，制 罐料在华南地区用量为1 2 5 万吨，占全国制罐总能力的5 1 3 ，其中罐体料6 7 万吨，占4 3 3 ，罐盖及拉环料5 8 万吨，占6 5 2 ；华东地区5 2 万吨，占全 国制罐能力的2 1 5 ，其中罐体料3 7 万吨，占2 3 8 ，罐盖及拉环料1 5 万吨， 占1 7 3 ；华北地区3 3 万吨，占1 3 5 ，其中罐体料2 6 万吨，占1 7 o ，罐盖 及拉环料0 7 万吨，占7 6 ；其他地区3 3 万吨，占全国制罐能力的1 3 7 ，其 中罐体料2 5 万吨，占1 5 9 ，罐盖及拉环料0 9 力吨，占9 9 。表1 4 所示铝 罐消费量及铝板消费量预测表。由于产能大于消费量，易拉罐市场竞争激烈，为 了节约成本，往往对制罐料质量提出很高的要求。 表1 4 铝罐消费量及铝板消费量预测表陋i 由于易拉罐生产对罐体用板材的性能具有极高的要求，因此提高罐体用铝材 的性能一直是研究的重点。我国早于七五期间已将易拉罐用铝材的国产化列入国 家科技攻关项目，全国先后有1 0 多家工厂院校联合攻判8 j 。但由于对罐用铝材 的生产过程缺乏较全面系统的认识，加_ 1 2 1 + 1 轧机装备落后，生产出的3 0 0 4 h 1 9 铝合金板卷内部冶金质量较国外的差，冲罐时断罐频繁、制耳率偏大，而且板材 厚度公差较大，整卷厚度均匀性差。试用时经常造成制罐生产线停机，生产效率 较低，所以制罐厂不愿使用，因此急需解决铝罐毛坯料的国产化。2 0 0 5 年，中 铝西南铝“1 + 4 投产后，生产的制罐板厚度目前已达0 2 7 5 m m ，制罐板厚度公 差士8 “m ，深冲制耳率在2 以内。产品的性能已达国外先进水平，但产品的稳定 性有待进一步提高。 硕士学位论文第一章文献综述 1 1 23 1 0 4 铝合金中的元素及相组成 ( 1 ) m n 的作用 在3 1 0 4 合金中，m n 的存在形式除了形成固溶体，还能与a l ，f e 形成化合 物a 1 6 ( f em n ) 。m n 对组织和性能的影响，主要取决于它快速结晶时形成过饱和 固溶体及后续加热时固溶体分解的程度。随m n 含量的增加，合金形成粗大化合 物的倾向性越大，强度升高，塑性降低。当m n 1 6 时，就会形成大块鱼骨状 的脆性化合物，使3 1 0 4 合金在加工过程和深冲变薄过程中容易开裂。m n 对3 1 0 4 铝合金的再结晶过程有明显的影响，m n 能提高再结晶温度，固溶于铝中的m n 可使再结晶温度提高2 0 , - - , 1 0 0 c 9 1 ，m n 含量愈高，作用愈明显。另外，加入m n 可以使合金获得优良的耐蚀性，这是由于形成的a 1 6 ( f em n ) 相与基体的电极电位 极为相近，产生的腐蚀电流很小。从图1 1 的a 1 m n 相图可以看出，液相线和 固相线的垂直距离很小，几乎和纯铝的熔点一样，而水平距离却很大，即在结晶 过程中固相和液相的成分差别大，从而容易产生晶内偏析。在共晶温度6 5 8 时， 锰在固溶体中的最大溶解度为1 8 2 【1 0 】。随着温度下降，m n 的溶解度急剧下降， 冷却速度很快时将形成过饱和固溶体。在凝固冷却时析出的m n 和a l 形成第二 相a 1 6 m n 。而由于罐体料用铝合金中f e 的存在，会进一步降低m n 在a l 中的溶 解度，这有利于减少合金的晶内偏析程度，防止板材退火时产生粗大晶粒，同时 对细化铸锭晶粒也很有好处。f e 与m n 溶质存在着交互作用，f e 溶于a 1 6 m n 或 m n 溶于a 1 3 f e 均会形成1 3 a 1 6 ( f em n ) j f f l ，该相属脆而硬的化合物，呈大片状分 布在组织中，降低了合金的塑性和强度。a 1 6 ( f em n ) 相的晶体结构为斜方，品格 常数：a = 0 6 5 0 n m ，b = 0 7 5 5 ，c = 8 8 7 。 根据a i m n f e s i 平衡相图可知，在6 4 8 时，发生以下反应【i l j ： 三+ 彳朋+ a 1 6 ( m n f e ) j 彳，1 2 ( m n f e ) 3 s i ( 1 - 1 ) 即3 1 0 4 铝合金中的q a i l 2 ( f em n ) s i 3 相可有液相反应生成。铸念中的q 相与6 相的相对含量由合金成分和凝固速率决定，而一般来说，铸态中合金中的q 相含 量在1 5 以下。q a 1 1 2 ( f em n ) s i 3 为立方结构：a = 1 2 5 5 1 2 6 5 n m 。 ( 2 ) m g 的作用 m g 在a l 中的溶解度很大，就单纯的a i m g 二元合金而言，在共晶温度4 4 9 时为1 7 4 ，室温下仍达1 4 ，3 1 0 4 铝合金中尽管m g 的溶解度受到一定影 响，但m g 仍以固溶于基体的形式大量存在。同时，m g 最优先形成的化合物为 细小针状，沿基体( 1 0 0 ) 方向生长的m 9 2 s i ，在合金中m 9 2 s i 细微粒子的析出 可以提高强度，因此3 1 0 4 合金中的m g 还可以和s i 一起起到析出强化作用，但 是均匀化加热到4 0 0 。c 的时候开始发生溶解【1 2 ，13 1 。一般3 1 0 4 合金中m g 含量越 4 硕士学位论文第章文献综述 高，则材料的强度越高，每增加1 的m g ，抗拉强度大约升高3 4 m p a l l 4 l 。另外， 铸锭结晶时，由于m g 产生比较大的成分过冷，因而m g 有强烈细化晶粒组织的 作用。m g 对冲杯制耳率没有明显的影响。 ( 3 ) f e 和s i 的作用 f e 和s i 在铝中的溶解十分有限。f e 含量为o 4 左右时，可细化再结晶晶 粒，但f e 含量增加时，合金中化合物增多，当含量超出定量时，生成大量的 脆性化合物，降低合金的塑性。s i 能降低m n 在a l 中的溶解度，而且比f e 的影 响大。若合会中f e 和s i 同时存在，则先形成a i l 2 m n 3 s i 2 或a 1 9 f e 2 s i 2 相，破坏了 f e 的有利影响。故合金中s i 应控制在o 6 以下。f e 和s i 可以加速m n 在热变 形时从过饱和固溶体中的分解过程，也可以提高一些力学性能。 ( 4 ) c u 的作用 c u 作用能显著提高合金的抗拉强度。当c u 含量在0 2 0 0 3 0 左右时，可 使3 1 0 4 h 1 9 易拉罐在烘烤时，由于c u 的时效硬化作用，抵消了一部分回复软化 所造成的强度降低，因而使板材强度下降很少。 a t o m i cp e r c e n tn - n g a n e s e 图1 - 1a i m n 合金二元相图 1 1 3 易拉罐用铝合金生产存在的主要问题 随着经济的发展，铝易拉罐在食品市场上的需求量越来越大，但如何降低成 本，从而提高经济效益是各国都在争先解决的问题。罐用铝薄板生产成本约占罐 体成本的7 0 左右，板厚每降低0 0 1 m m ，罐体可增产2 8 ，其效益是相当可观 的。随着制罐技术的进步，罐材讵朝着越来越薄的方向变化，2 0 世纪6 0 年代罐 材厚度是0 4 5 m m ，8 0 年代减小到0 3 4 m m 0 3 1 m m ，9 0 年代减小到0 2 8 m m ， 硕十学位论文第一章文献综述 2 0 0 6 年已达到0 2 5 9 m m ，将来可能减小到0 2 2 m m ，罐材厚度公差过去为 士o 0 1o m m ，现在为士o 0 0 8 m m ，士o 0 0 5 m m ，将来可能减小到士o 0 0 2 5 m m 6 ，1 5 】。易 拉罐用铝合会板带材的生产工艺堪称当今铝加工中要求最苛刻的工艺，国内外压 力加工专家将能否生产出高性能特薄罐料用铝带材作为衡量一个国家铝加工技 术水平的标志。表1 5 为国外3 1 0 4 铝合金罐体料主要技术指标。深冲制耳率现 在规定值为2 ，但可以达到1 5 2 。 表1 53 1 0 4 铝合金罐体料技术指标【7 l 目前国内外罐料用铝合金的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 降低漏罐和断罐率。漏罐和断罐主要是由于合金中容易形成粗大的化 合物，深冲时容易在这些化合物周围造成局部应力集中，从而引起破断或形成局 部孔洞。随着罐料厚度的不断减薄，断罐和漏罐的问题越来越突出，现代化的高 速制罐生产线要求断罐率在3 0 p p m 以下。显微组织中，第二相组织必须细小、 均匀分布，具有适当的尺寸、形貌。 ( 2 ) 降低制耳率。深冲制耳主要是由于多织构形成制耳不“平衡”，强的形 变织构形成4 5 0 制耳，而再结晶立方织构形成o 9 0 0 制耳。目前通用的做法是利用 立方织构的稳定性，在冷轧f j 形成强的立方织构，在随后的冷轧过程中部分保留 下来以“平衡”形变织构。冷轧的的立方织构可以通过中间退火形成，但是由于罐 料合金对再结晶温度很敏感，大卷材的外部和心部的温度不均也会引起整卷的性 能不均，制耳率波动。目前的趋势是通过高速大压下热轧保证高的终轧温度，然 后通过卷取后余热“自退火”形成强立方织构，这样性能均匀，且节约能源提高了 生产效率，该技术的实施需要对合金的再结晶行为了解透彻。 ( 3 ) 提高尺寸精度。变薄深拉过程中，除底部厚度基本不变外，整个罐壁 厚度变化不均，中部薄，上部较厚，根据体积不变原理，罐身厚度不均必将造成 罐身的延伸不均，增大制耳率与剪边量，浪费材料、提高成本；其次，厚度不均 还可能引起“卡罐”现象，使制罐作业不能顺利进行，降低生产率，同时对昂贵 的制罐模具也会造成损伤，缩短其使用寿命，并且随着厚度的不断减薄，问题表 6 硕士学位论文第一章文献综述 现得更突出。因此，必须加强尺寸精度控制。本文重点围绕( 1 ) 及( 2 ) 这两方 面开展研究工作。 1 2 合金第二相形态调控的主要途径 罐用铝材中所含的第二相粒子一方面由于能够防止减薄深冲时与工具表面 之间的热粘着，其存在是必要的，但另一方面，这种粒子在减薄深冲的加工时容 易成为破裂的起点，形成针孔等缺陷，故必须控制其大小和分布。控制第二相粒 子的形状和分布也是非常重要的。应使长针状、骨骼状、片状的第二相粒子棱角 钝化、球化、圆整化，并弥散分布。化学成分的合理配比和对铸锭进行均匀化处 理是调控第二相形态的有效手段。 1 2 1 合金成分 3 1 0 4 h 1 9 合金制罐料的需求逐步向减溥、质优的方向发展，减薄后的材料需 要优化罐料化学成分，从而控制化合物尺寸、形貌和分布。3 1 0 4 铝合金合金元素 的微量调整，直接影响合金相的构成，对3 1 0 4 铸锭性能以及最终的板材性能有重 大影响。朱清涮1 6 】研究了不同配比合金材料的机械力学性能，分析了m n 、m g 等主合金元素及f e s i 等对合金组织和性能的影响规律，优化出如下成分： s i 一0 2 3 、f e - 0 3 7 、m n 一0 9 3 、m g 一1 2 0 、c u - 0 2 1 、n i 0 0 5 、z n 0 2 0 、 t i 0 1 0 、其它 o 0 1 5 ，余量为a 1 。齐向前、武建军等【1 7 j 采用正交试验方法设 计了3 x 0 4 铝合会成分，分析了主要合金元素对材料力学性能的影响；找到的3 x 0 4 铝合金较佳的主要合金元素含量为：s i 一0 3 、f e 0 4 5 、m n 一1 2 、m g - i 3 5 。 吴颖【1 8 】通过对3 1 0 4 合金均匀化铸锭的性能测试，分析了3 1 0 4 合金主要元素m n 、 m g 币u f e s i 以及合会第二相体积分数对组织和性能的影响，在此基础上探讨了罐 用铝材合金各元素之间的交互作用，认为具有适当f e s i 的成分的组织中可以获 得较高比例的小块状第二相，有利于后续的加工和减少深冲时产生的针孔等缺 陷，f e s i 宜控制在1 7 0 左右。王铁宝等【1 9 】认为当稀土含量小于0 2 时，稀土元素 可进入富( f em n ) x h ，形成( a if em nm g s ir e ) 球形化合物。 1 2 2 均匀化热处理 当采用直接水冷铸造法( d i r e c tc h i l l ) 铸造3 系合金时，由于m n 扩散速率慢， 合金容易产生晶内偏析，仅有2 5 - - - - 3 0 的m n 在铸造状态下形成了金属间化合物， 而7 0 7 5 的m n 则以过饱和的亚稳定状态存在于固溶体中1 1 1 。m n 的浓度在晶 粒中心部位最低，由中心向边缘逐渐增高。罐体用铝合金铸锭均匀化退火的目的 7 硕十学位论文第一章文献综述 主要包括两个方面，一是使溶质状态更为均匀；二是改变晶界上的金属问化合物 的形态，使原来骨骼及片状粒子变为球形粒子，同时调整合金中q a i 。z ( f em n ) 。s i 相与b a i 。( f em n ) 相比例。用均匀化热处理是调整相结构非常有效的手段，可 以满足制罐料的特殊的相结构要求。由于q 相比b 相有更高的硬度，在铝罐成型 过程中，有利于清除制罐机的深拉模内聚集的碎屑，可防止铝罐与模具之间的摩 擦，提高罐体表面的光洁度，对模具有好处。国内外学者对罐体用铝合金晶界上 的金属间化合物的形态，析出第二相及b q 的相变进行了一系列的研究。 王超群等【2 0 】指出高温均匀化处理可使部分b - a 1 。( f em n ) 相转变为q - a 1 。：( f em n ) 。s i ，同时高温均匀化时的析出相也是球形的直径在2 p m 左右的q - a 1 。：( f em n ) 。s i 相粒子，它对后续加工过程控制最终成品的制耳率有相当重要的 作用。在3 0 0 4 3 1 0 4 合金中，第二相粒子的形状和尺寸是控制再结晶的最重要条 件，如果这些粒子为球状，尺寸为2 l o p m ，并且随机分布，那么它们就会产生 均匀、等轴和较小的再结晶晶粒组织。如果这些粒子呈尖角状和长条状，则晶粒 组织的尺寸和形状有变得紊乱的趋势。如果金属间化合物粒子太小( 直径为l p m 甚至更小) ，那么它们就不会成为再结晶晶粒组织有效的形核位置。包耳和温熙 宇等【2 l ，2 2 】对用铸轧法生产出来的3 0 0 4 铝合金在5 8 5 及6 2 0 。c 均匀化后的第二 相的研究结果表明：合金均匀化后，非平衡第二相消失，同时析出a 1 6 m n 相，且 析出相尺寸随温度的升高而变大。佟长清【i l 】通过研究3 0 0 4 铝合金均匀化时脱溶 与合金相成分，认为合金中最佳m n 脱溶温度为4 5 0 ，高温析出相为a 1 ( m nf e ) s i ， 低温析出相为a i m n s i 相。孙东立等【1 3 ，2 3 , 2 4 1 研究了3 0 0 4 铝合金铸念和均匀化退 火态的显微组织，认为在均匀化退火过程中存在1 3 一q 相变温度，确定析出的a 弥散相为q - a 1 ：( f em n ) 。s i ，指出在试验条件下，最佳均匀化退火工艺为6 1 5 2 0 h ，经此工艺处理可获得较均匀的显微组织。陈永禄等【2 5 】则探讨均匀化退火 的主要工艺参数对经高效熔体处理的a l - l m n - l m g 合会中析出相形态的影响。经 高效熔体处理的罐体用铝合金在较低的均匀化温度下( 4 5 0 - - - 5 0 0 ) 保温1 2 1 5 h 后，晶界处第二相的球化效果明显，晶内的析出相弥散程度高，基本消除了铸 锭中的偏析现象。 w a t a n a b e 2 6 1 等通过测定a i - i m n 一1 m g 合金的c c c 曲线，认为b q 相转变的 鼻尖温度为5 5 0 左右。a l e x a n d e 【2 。7 】用扩散藕的方法研究了3 1 0 4 铝合金铸锭均 匀化过程中的b q 相变机制，发现扩散藕的方法无法确定b q 相变机制，但 明确了在控制转变率中q 相形核的重要性，随后a l e x a n d e 等发现8 一q 相变中， 需要从基体中吸收s i 原子，而m n 原子不是必须的。l i 【2 8 】等人建立了描述3 x 系铝合金1 3 一q 相过程的简单的数学模型。该模型假定a 相在b a 1 。( f em n ) 相和基体的界面上形核，q 相向1 3 - a i 。( f em n ) 相生长速度则由s i 的扩散速度控 8 硕十学位论文第一章文献综述 制。s c h n e i d e r 等【2 9 1 建立了模拟工业生产a a 3x xx 系铝合会均匀化过程析出相 大小、分布和体积分数的模型，但该模型忽略了初生第二相的相变和析出q 相的 溶解。l i 和a r n b e r g 等【3 0 3 研究了3 xxx 系铝合会的第二相及沉淀析出的第 二相的演变规律，提出了一个通过t e m 照片来计算析出第二相体积的方法，所得 结果与用电导率来估算的结果一致。 1 33 1 0 4 铝合金中的制耳与织构调控 1 3 1 制耳的形成 轧制板材一般具有平面内各向异性，深冲变形使沿圆片的圆周径向变形与切 向变形的比例不同，导致在径向发生不均匀延伸，冲杯的杯缘高度不相同，通常， 人们把这种现象称之为制耳现象，把杯缘较高的地方称为制耳，杯缘较低的地方 称为谷底。 易拉罐在成形过程中要进行深冲加工，因此要求铝板材必须具有低的制耳 率。制耳率是制约铝板的冲罐性能的一个重要因素。过高的制耳率会增加罐口剪 边量，浪费材料，甚至因剪边量过大而使罐体达不到应有的高度而成为废品，除 此之外，还在罐口周边出现壁厚不均，从而引起边角料堵塞，妨碍制罐过程的顺 利进行。在冷轧过程中，因轧制时品粒发生相对转动而产生的轧制织构发展十分 强烈，冲杯时将在与轧制方向呈4 5 。处形成4 个制耳。为了描述制耳的程度， 一般采用冲杯的制耳与谷底的高度差，即制耳率来表示，即： f 一 红一岛 d 一 ( 吃+ 甩) ( 1 - 2 ) 其中，e 为制耳率，也和h ，分别是制耳与谷底相对于冲杯底部的平均高度。 制耳的形成总是对工业生产产生不良的影响，如果在深冲过程形成了较大的 制耳，那么在后续加工过程中必须增加剪边量，从而造成材料的浪费，增加了加 工设备的能耗：在自动、连续的生产线上甚至还会使深冲过程无法继续【3 2 】。板 材中的织构引起平面各向异性，也就决定了制耳的类型。板材中织构一般可以分 为形变织构和再结晶织构。形变织构是由于进行塑性变形时，晶粒发生转动，结 果大多数晶体聚集到某些取向上形成的织构。再结晶织构是指形变金属在再结晶 过程中形成的择优取向。再结晶织构对材料的性能有着重要的意义，因此对再结 晶织构的研究历来倍受人们瞩目。一般来说，再结晶引起材料织构的很大变化。 而且再结晶织构常常以某些特定的取向关系与形变织构联系起来。再结晶过程中 金属组织变化的方向取决于系统能量降低的倾向性以及过程的某些内在不均匀 9 硕十学位论文 第一章文献综述 性所产生的驱动力决定，这种倾向性通过一次再结晶形核的热激活过程以及靠消 耗变形基体及其他晶核的长大来实现。再结晶的形成受多种因素的影响，在形核 的最初阶段发生位错滑移，后期过程则与位错攀移、大角晶界的迁移、原子的协 同位移以及单个原子的扩散有关1 3 3 1 。再结晶织构的特征与完善程度受预先变形 程度、变形温度、退火温度、第二相粒子、合会化、合金元素是同溶的还是集中 在晶界或是扩散析出等因索的影响。a 1