CN114635067B - 铝合金材料及其制备方法、易拉罐罐体材料 - Google Patents

铝合金材料及其制备方法、易拉罐罐体材料 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种铝合金材料及其制备方法、易拉罐罐体材料，属于有色金属加工和金属包装技术领域。该铝合金材料的制备方法包括：熔铸、锯铣、均匀化处理、热轧、冷轧和退火；经过所述熔铸得到熔铸合金，所述熔铸合金中含有Al、Si、Fe、Cu、Mn、Mg和Ti；Al含量为95wt％～98wt％；Si含量为0.15wt％～0.30wt％；Fe含量为0.20wt％～0.55wt％；Cu含量为0.05wt％～0.25wt％；Mn含量为0.5wt％～1.0wt％；Mg含量为0.8wt％～1.20wt％；Ti含量为0.005wt％～0.05wt％。采用该工艺，通过对减薄铝材性能的改善，可消除制罐时的底皱问题。

Description

铝合金材料及其制备方法、易拉罐罐体材料
技术领域
本申请涉及有色金属加工和金属包装技术领域，具体涉及一种铝合金材料及其制备方法、易拉罐罐体材料。
背景技术
3104铝合金属Al-Mn-Mg系不可热处理强化铝合金，具有密度小，强度高，耐腐蚀性强，易深冲成形等优点，是用作易拉罐罐体的理想铝合金材料。随着国内外铝加工企业生产产能扩大，降本增效、提高经济效益的需求增长及在激烈的市场竞争下，铝材日趋减薄。三连轧工艺3104H19合金罐体料铝材减薄后，部分制罐厂家设备与铝材出现不匹配性，主要是拉伸工序底部成型时底部起皱，不仅踢罐率较高，也影响美观。
发明内容
针对现有技术中三连轧工艺3104H19合金罐体料减薄的问题，本专利提出了一种改善优化的制备工艺，通过对减薄铝材性能的改善，消除制罐时的底皱问题。
一种铝合金材料的制备方法，所述制备方法包括：熔铸、锯铣、均匀化处理、热轧、冷轧和退火；经过所述熔铸得到熔铸合金，所述熔铸合金中含有Al、Si、Fe、Cu、Mn、Mg和Ti；
其中，在所述熔铸合金中，Al的含量为95wt％～98wt％；
Si的含量为0.15wt％～0.30wt％；
Fe的含量为0.20wt％～0.55wt％；
Cu的含量为0.05wt％～0.25wt％；
Mn的含量为0.5wt％～1.0wt％；
Mg的含量为0.8wt％～1.20wt％；
Ti的含量为0.005wt％～0.05wt％。
优选地，在所述熔铸合金中，Al的含量为96wt％～98wt％；
Si的含量为0.22wt％～0.28wt％；
Fe的含量为0.40wt％～0.48wt％；
Cu的含量为0.16wt％～0.18wt％；
Mn的含量为0.84wt％～0.88wt％；
Mg的含量为1.16wt％～1.20wt％；
Ti的含量为0.01wt％～0.03wt％。
本专利中，通过调整Cu、Mn、Mg含量，形成不同的金属间化合物，改善金属的性质，提高合金的强度、塑性、加工性、抗蚀性、硬度、液态金属的流动性、表面性能以及成形性能等，以适应制罐的要求。
可选地，所述退火包括：将冷轧轧制后的料卷成品转退火炉中，炉气温度设置在160～170℃，所述料卷成品温度达到145～155℃时，出炉降温。
可选地，所述退火包括：将冷轧轧制后的料卷成品在2h之内转退火炉中。
本专利中，对退火炉气没有严格的限定，只要炉气在200℃以内不与铝材发生反应即可。
可选地，所述炉气包括空气或者氮气中的任一种。
可选地，所述均匀化处理包括第一段加热处理和第二段加热处理；
所述第一段加热处理的条件：加热温度580～620℃、加热时间5～7h；
所述第二段加热处理的条件：加热温度500～520℃、加热时间0.5～2h。
可选地，所述热轧包括热粗轧和热精轧；
所述热轧的工艺条件包括：
热粗轧道次15～20次；
热粗轧后坯料的厚度为28～32mm；
热精轧卷取温度为340～350℃；
热轧卷厚度为2.0～2.5mm。
可选地，所述冷轧包括：将热轧卷经过冷三连轧制至料卷成品；
所述冷轧的工艺条件包括：
轧制速度900～1000m/min；
料卷成品出口温度≥133℃；
料卷成品的厚度为0.23～0.3mm。
优选地，料卷成品出口温度为133～140℃。
根据本专利的第二方面，还提供了上述任一项所述制备方法得到的铝合金材料。
根据本专利的第三方面，还提供了任一项所述制备方法得到的铝合金材料在易拉罐罐体材料中的应用。
根据本专利的第四方面，还提供了一种易拉罐罐体材料，所述易拉罐罐体材料为上述任一项所述制备方法得到的铝合金材料。
本专利中的易拉罐罐体，罐型可以分为普通211罐(330ml、355ml、475ml、500ml)、纤体204罐(222ml、250ml、310ml、330ml)、苗条202罐(180ml、250ml、310ml)、瓶罐(280ml、500ml)等；
铝制易拉罐阻隔性好、保持期长、不易破损、回收性好、可降解无污染、外观印刷美观等诸多优点，被广泛应用于食品、罐头、饮料等行业。目前，全世界每年消费约1500亿只易拉罐，消耗的优质铝合金高达200多万t，约占世界铝总消耗量的15％，是当今世界饮料包装行业中倍受青睐的包装材料之一。
本专利中的易拉罐罐体，在铝合金材料制备完成后，通过开卷、涂油润滑、落料、冲杯、再拉伸、三次变薄拉伸、底部成型、修边、冲洗、预洗、酸洗、漂洗、表面成膜、再漂洗、去离子水洗、表面增滑、烘干、彩印、内喷、缩颈和翻边等工序得到易拉罐罐体。
本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
1)在本申请中，通过调整熔铸合金成分(主要为降低Cu、Mn、Mg三者含量)，协同冷三连轧后增加稳定化退火工艺，调整铝材组织，优化铝材性能，改善铝材的各项异性，解决目前易拉罐制备过程中，拉伸机生产时出现的底皱问题；
2)减少了底皱问题对制罐厂家设备的损耗及更换频次，降低了客户生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为利用对比例1提供的铝合金材料制备的易拉罐罐体的实物图；
图2为利用实施例1提供的铝合金材料制备的易拉罐罐体的实物图。
具体实施方式
本专利提供的铝合金材料的生产流程为：熔炼→精炼→铸造→锯铣→加热→热粗轧→热精轧→冷三连轧→退火→切边涂油→包装。
熔铸过程调配3104合金成分，降低合金Cu、Mn、Mg含量。
Cu的作用：3104合金中含有少量的Cu，可显著提高其抗拉强度。Cu低于0.05％不能出现强化作用，高于0.5％则材料强度会进一步提高，但耐蚀性会急剧下降，以致于不能用于罐体材料。
Mn的作用：Mn是3104合金的主要元素，随其含量的增加，合金的强度随之提高。Mn含量在0.8％～1.6％范围内时，合金具有较高的强度和良好的塑性及工艺性能。Mn低于0.8％时强度不足，但高于1.6％时则在合金结晶时形成粗大的MnAl6或(MnFe)Al6初晶化合物，使材料的成形性能变差，并可能在罐体成形时形成针孔或撕裂。
Mg的作用：Mg能比Mn更有效地提高合金板材的强度。Mg低于0.2％时则强化作用不足，增加Mg含量可以提高板材的屈服强度，但高于2％时，Mg可能与Mn、Fe、Si等元素形成复杂的多元相，导致合金的力学性能下降，板材的变薄拉伸能力、罐底凸缘成形性能变差，且在拉伸时易造成罐体划伤，DI罐(减薄拉伸罐)成形较难。增加Mg含量有利于降低裂纹倾向，这是因为Mg与Si结合可形成Mg2Si化合物，降低了Si游离数量的结果。
加热工艺采用分级加热，600℃*6h+510℃*1h，通过对铸态3104铝合金扁锭进行均匀化退火处理，促使合金第二相的转变。均匀化处理的变化主要包括两个方面：一是使溶质状态更为均匀；二是改变晶界上的金属间化合物形态，使原来骨骼状及片状粒子变为球形粒子，同时调整合金中α-Al12(FeMn)3Si与β-Al6(FeMn)相的比例。
热连轧采用西马克1+4热连轧机生产，各道次采用大加工率，扁锭厚度560～640mm，减少粗轧道次至15～20道次，粗轧坯料厚度30mm，热轧卷取温度为345±5℃，热轧卷厚度为2.1～2.3mm，热连轧后形成一定数量的立方织构，减少热轧板的0°/90°制耳效应。
热轧后作退火处理(即上述终轧温度为345±5℃，利用热轧终轧温度使铝材内部发生自行退火)可使铝板内产生较强的立方织构，但同时退火处理往往会造成较大的再结晶晶粒，不利于保证铝板最终冲压成形加工时的强度和成形性的均匀性。可以考虑采用快速多机架热连轧技术作热轧加工，以保证较高的储存能和很高的铝板终轧温度，从而使相应的动态再结晶和轧后冷却过程中的静态再结晶同时造成强立方织构和细晶粒组织。
冷轧采用2350mm六辊三机架冷轧机将厚度为2.1～2.3mm经过三机架连续轧制至成品0.23～0.3mm，轧制速度900-1000m/min，成品出口温度≥133℃，冷轧轧制过程中形成大量的轧制织构(45°制耳)与热轧立方织构(0/90°制耳)形成互补，从而降低成品制耳率。
冷轧轧制完成后立即转退火炉，炉气温度设定170℃，料卷温度达到150℃时，出炉降温。冷轧后退火处理与调控熔炼合金Cu、Mn、Mg三者含量相配合，解决了铝合金在制备易拉罐过程中出现的底皱问题。
料卷降温后，转精整切边机切到客户订单要求宽度，并涂上预涂油，包装入库。
本申请中，熔铸合金的成分采用GB/T 7999-2015方法，利用金属直读光谱仪进行测定。
抗拉强度、屈服强度、烘烤后屈服强度、断后伸长率、n值、r值根据GB/T228-2010，利用INSTRON 590万能拉伸试验机进行测试；
制耳率根据GB/T5125标准测试。
实施例1
1)熔铸
将原料60t的电解铝水(纯度99.8％)、40t的3104合金废料、铝硅中间合金540kg(Si含量为20wt％)、铁剂280kg(75wt％溶剂型)、铜剂180kg(75wt％溶剂型)、锰剂760kg(75wt％溶剂型)、镁锭790kg、钛剂8kg(75wt％溶剂型)，进行熔炼，熔炼温度750～760℃，经过正反正三个旋转周期，每个周期约8分钟，之后再精炼和铸造，得到熔铸合金，其中精炼温度：730～740℃、铸造温度：689～699℃。原料的加入方式是动态加入，即实时监测熔铸过程中熔液各组分的含量，根据下表中各组分的含量调整加入量。
铸造后得到熔铸合金，化学成分包括：
Figure BDA0003464238170000061
2)加热：第一段加热工艺铸锭温度600℃，保温时间6小时：第二段加热工艺铸锭温度510℃，保温1小时。
3)(1+4)热连轧：使用1+4热连轧，粗轧15道次，粗轧坯料厚度30mm，再经过4机架精连轧机轧制，卷材出口厚度2.14mm，出口温度：343℃。
4)冷轧：经过三机架连续轧制至成品0.235mm，轧制速度950m/min，成品出口温度为135.86℃，冷轧总加工率：89.0％。
5)退火：冷轧轧制完成后0.5h转退火炉，炉气为空气，温度设定170℃，料卷温度达到150℃时，出炉降温。
6)精整：按照客户要求切边、涂油，包装入库。
实施例2
与实施例1的制备过程相似，不同之处在于：
2)加热：第一段加热工艺铸锭温度580℃，保温时间7小时：第二段加热工艺铸锭温度520℃，保温0.5小时。
3)热粗轧的道次为19道次，粗轧后坯料厚度28mm，4连热精轧后卷材出口厚度2.25mm，出口温度：346℃。
4)冷轧：冷三连轧至成品0.230mm，轧制速度900m/min，成品出口温度为142℃，冷轧总加工率：89.8％。
5)退火：冷轧轧制完成后2h转退火炉，炉气为空气，温度设定160℃，料卷温度达到145℃时，出炉降温。
实施例3
与实施例1的制备过程相似，不同之处在于：
2)加热：第一段加热工艺铸锭温度620℃，保温时间5小时：第二段加热工艺铸锭温度500℃，保温2小时。
3)热粗轧的道次为17道次，粗轧坯料厚度32mm，4连热精轧后卷材出口厚度2.45mm，出口温度：349℃。
4)冷轧：冷三连轧至成品0.3mm，轧制速度1000m/min，成品出口温度为138℃，冷轧总加工率：87.8％。
5)退火：冷轧轧制完成后1.5h转退火炉，炉气为空气，温度设定165℃，料卷温度达到155℃时，出炉降温。
对比例1
1)熔铸：
将原料电解铝水(纯度99.8％)，3104合金废料，铝硅中间合金(20％)，铁剂(75％溶剂型)、铜剂(75％溶剂型)、锰剂(75％溶剂型)、镁锭、钛剂(75％溶剂型)，按照一定比例进行熔炼，经过正反正三个旋转周期，每个周期约8分钟，再经过精炼和铸造，得到熔铸合金，熔炼温度：750～760℃、精炼温度：730～740℃、铸造温度：689～699℃。原料的加入方式同实施例1，也为动态加入。
化学成分包括：
Figure BDA0003464238170000071
2)加热：第一段加热工艺铸锭温度600℃，保温时间6小时：第二段加热工艺铸锭温度510℃，保温1小时。
3)(1+4)热连轧：使用1+4热连轧，粗轧15道次，粗轧坯料厚度30mm，再经过4机架连轧机轧制，卷材出口厚度2.20mm，出口温度：343℃。
4)冷轧：经过三机架连续轧制至成品0.24mm，轧制速度900m/min，成品出口温度为135.1℃，冷轧总加工率：89.0％。
5)精整：按照客户要求切边、涂油，包装入库。
对比例2
1)熔铸：
将原料电解铝水(纯度99.8％)，3104合金废料，铝硅中间合金(20％)，铁剂(75％溶剂型)、铜剂(75％溶剂型)、锰剂(75％溶剂型)，镁锭，钛剂(75％溶剂型)，按照一定比例进行熔炼，经过正反正三个旋转周期，每个周期约8分钟，再经过精炼和铸造，得到熔铸合金，熔炼温度：750～760℃、精炼温度：730～740℃、铸造温度：689～699℃。
化学成分包括：
Figure BDA0003464238170000081
2)加热：第一段加热工艺铸锭温度600℃，保温时间6小时：第二段加热工艺铸锭温度510℃，保温1小时。
3)(1+4)热连轧：使用1+4热连轧，粗轧15道次，粗轧坯料厚度30mm，再经过4机架连轧机轧制，卷材出口厚度2.15mm，出口温度：345℃。
4)冷轧：经过三机架连续轧制至成品0.28mm，轧制速度900m/min，成品出口温度为134℃，冷轧总加工率：87％。
5)精整：按照客户要求切边、涂油，包装入库。
试验结果：底皱无改善，且成品性能很低，客户使用过程中成品罐底压不足。
对比例3
1)熔铸：
将原料电解铝水(纯度99.8％)，3104合金废料，铝硅中间合金(20％)，铁剂(75％溶剂型)、铜剂(75％溶剂型)、锰剂(75％溶剂型)，镁锭，钛剂(75％溶剂型)，按照一定比例进行熔炼，经过正反正三个旋转周期，每个周期约8分钟，再经过精炼和铸造，得到熔铸合金，熔炼温度：750～760℃、精炼温度：730～740℃、铸造温度：689～699℃。
化学成分包括：
Figure BDA0003464238170000082
2)加热：第一段加热工艺铸锭温度600℃，保温时间6小时：第二段加热工艺铸锭温度510℃，保温1小时。
3)(1+4)热连轧：使用1+4热连轧，粗轧15道次，粗轧坯料厚度30mm，再经过4机架连轧机轧制，卷材出口厚度2.26mm，出口温度：346℃。
4)冷轧：经过三机架连续轧制至成品0.25mm，轧制速度900m/min，成品出口温度为136℃，冷轧总加工率：88.9％。
5)冷轧轧制完成后0.5h转退火炉，炉气为空气，温度设定170℃，料卷温度达到150℃时，出炉降温。
6)精整：按照客户要求切边、涂油，包装入库。
试验结果：底皱有轻微改善，但成品性能较高，客户使用时出现断罐异常。
数据性能
分别对实施例和对比例中的铝合金样品进行各项性能测试，测试结果表明，采用降低熔铸合金中Cu、Mn和Mg含量和增加冷轧后退火工艺等优化工艺后，铝合金材料断后伸长率提高，且0°的r值增大，断后伸长率提高和0°对应r值的增大对底皱问题的改善有显著的影响，因此底皱问题得到解决。
下面以实施例1和对比例1为典型代表，各项性能数据如表1所示、改进前后罐底图片如图1和图2所示。
表1工艺优化前后铝材性能对比
Figure BDA0003464238170000091
通过对比，优化的新工艺提高了铝材的断后伸长率和0°对应的r值，并且对其他力学不会造成影响。通过下游客户使用反馈，底皱问题得到解决，实现大批量供货。
以上所述的实施例仅仅是本申请的优选实施例方式进行描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请的设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案作出的各种变形及改进，均应落入本申请的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：熔铸、锯铣、均匀化处理、热轧、冷轧和退火；
经过所述熔铸得到熔铸合金，所述熔铸合金中含有Al、Si、Fe、Cu、Mn、Mg和Ti；
其中，在所述熔铸合金中，Al的含量为96wt％～98wt％；
Si的含量为0.22wt％～0.28wt％；
Fe的含量为0.40wt％～0.48wt％；
Cu的含量为0.16wt％～0.18wt％；
Mn的含量为0.84wt％～0.88wt％；
Mg的含量为1.16wt％～1.20wt％；
Ti的含量为0.01wt％～0.03wt％；
所述退火包括：将冷轧轧制后的料卷成品转退火炉中，炉气温度设置在160～170℃，所述料卷成品温度达到145～155℃时，出炉降温；
所述均匀化处理包括第一段加热处理和第二段加热处理；
所述第一段加热处理的条件：加热温度580～620℃、加热时间5～7h；
所述第二段加热处理的条件：加热温度500～520℃、加热时间0.5～2h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述退火包括：将冷轧轧制后的料卷成品在2h之内转退火炉中。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热轧包括热粗轧和热精轧；
所述热轧的工艺条件包括：
热粗轧道次15～20次；
热粗轧后坯料的厚度为28～32mm；
热精轧卷取温度为340～350℃；
热轧卷厚度为2.0～2.5mm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷轧包括：将热轧卷经过冷三连轧制至料卷成品；
所述冷轧的工艺条件包括：
轧制速度900～1000m/min；
料卷成品出口温度≥133℃；
料卷成品的厚度为0.23～0.3mm。
5.权利要求1至4任一项所述制备方法得到的铝合金材料。
6.权利要求1至4任一项所述制备方法得到的铝合金材料在易拉罐罐体材料中的应用。
7.一种易拉罐罐体材料，其特征在于，所述易拉罐罐体材料为权利要求1至4任一项所述制备方法得到的铝合金材料。
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