CN116949321A

CN116949321A - 一种罐体用铝合金板材及其制造方法

Info

Publication number: CN116949321A
Application number: CN202210410209.XA
Authority: CN
Inventors: 薛菲; 何海铜; 单长智; 许晋; 杨兵; 章乃俊; 胡莹
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2022-04-19
Filing date: 2022-04-19
Publication date: 2023-10-27
Also published as: WO2023202588A1

Abstract

本发明公开了一种罐体用铝合金板材及其制备方法。通过对主要合金元素Mn、Mg、Fe、Si配比优化以及金属间化合物分布的精确调控，有效降低穿孔发生率。该产品同系再生材利用率≥50％，且具有独特的遗传性组织特征：均匀化前铸锭低倍截面2μm以上疏松面积比0.05‑0.18％，无70μm以上大尺寸第二相。均质后AlFeMnSi相转化率80～95％。在罐体用铝合金成品板纵截面上，5μm以上的AlFeMnSi等金属间化合物相和夹杂物的总面积比范围为0.08％～0.80％。

Description

一种罐体用铝合金板材及其制造方法

技术领域

本申请涉及金属材料及其加工技术领域，尤其涉及一种具有优良耐穿孔性能、低成本的罐体用铝合金板材及其制备方法。

背景技术

与镀锡钢罐相比，铝罐以其质轻、耐蚀、热导性能好、加工成形性好、易回收利用、印刷后加工简单、环保等优点，成为金属包装业用量最的大材质之一。罐体用铝合金板材可通过对大规格铝合金扁铸锭实施均匀化处理、热轧、冷轧制造而成。对制得的板材进行脱脂清洗、涂油后，可通过杯体成形、清洗、干燥、涂装、烘烤、缩颈以及凸缘加工等工序来制造啤酒及饮料用罐体。

啤酒及饮料用罐体需具有一定耐压强度，但经烘烤后，罐体强度会降低。为了减少烘烤后强度的衰减，需对包括杂质元素在内的合金化元素的固溶量、相对含量、析出量进行优化调控。若调控不当，穿孔风险较高的基板将流入下游制罐企业。由于下游企业制罐后追溯困难，为保险起见，往往对穿孔缺陷的基板采取整批隔离或退货，其索赔额不仅包含罐体本身，还涉及整罐价值以及用户体验，往往超出罐体成本很多倍，造成巨大的损失及资源浪费。因此，如果能够将再生铝材进行应用，则将对生态环境、能源利用带来长期的巨大收益。

目前，铝罐的废料回收、再生技术与综合利用越来越受到产品开发端的重视。但是，废料的再生利用引入更多杂质元素如Fe、Si等元素，对现有再生材料利用率以及质量管控带来更为严峻的考验。然而，对包含杂质元素在内的合金元素精确调控的水平直接影响低成本材料的应用范围，因此，在不断增加再生材的使用比例的基础上，提高对铝合金的金属间化合物种类及相对含量、尺寸分布、空间分布的精确调控能力，是设计低成本高性能变形铝合金包装材料的不可回避的首要问题。

在现有的罐体用铝合金板材中，还没有一种能够实现同时具有较低的成本、较高的再生铝材利用率，还依然具备低穿孔率的材料。因此，如何制造能同时兼备低成本且穿孔发生率低的环保新型铝合金，是变形铝合金产品开产业急需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，发明人对铝材料组成成分、杂质分布进行了服役模拟试验，发现基体中金属间化合物的类型以及尺寸空间分布(Spatial size distribution feature)与罐体料穿孔缺陷的发生率密切相关。

基于此，本申请的目的之一在于提供一种罐体用铝合金板材，其采用同系的罐体再生材料制备而成，所述罐体用铝合金板材按质量百分比计，包括Mn：0.70～1.35％，Mg：0.80～1.55％，Si：0.30～0.50％，Fe：0.40～0.75％，Cu：0.15～0.35％，Zn：0～0.30％，Ti：0～0.08％，混合稀土CeLa：0.005～0.008％，余量为Al及其他不可避免的杂质；其中，Fe/Si的质量比大于1.5；并且，所述同系的罐体再生材添加量占所述铝合金板材总重量的50％以上。

在一些现有技术中，为解决高Si废料制得的罐体强度不足的问题，会将Fe/Si质量比控制在1以下，但这种方案并不能使穿孔缺陷得到解决。本申请考虑到铝合金再生材中Si、Fe元素会对微观组织和产品性能造成负面影像，本申请提供的罐体用铝合金板材在化学组分的设计时限定Fe/Si的质量比大于1.5，并适当提高Mg的相对含量，从而克服了Si、Fe对微观组织和产品性能造成的负面影响。

该技术方案加入痕量稀土元素以夺取残留在熔体中的高熔点高硬度金属氧化夹杂物SiO₂、MnO₂、FeO、Al₂O₃中的氧，以对氧化物进行塑性改质，从而提高主要合金元素的固溶量。由于Ti元素和Al元素形成的AlTi₃相控制不好容易形成较为粗大的第二相，而添加了再生材(铝罐等废料)后，原废料中的多余Ti元素依然存在，熔融铸造后，容易与Al元素析出形成AlTi₃粗大第二相，此时若还添加AlTiB变质剂来细化晶粒，则易造成基体中Ti元素的含量偏高。考虑到稀土元素容易与B元素形成ReB化合物，成为形核点并抑制晶粒长大，有晶粒细化效果，这样就能够适当降低细化剂Al-Ti-B的相对含量。

此外，由于同系罐体再生材的添加量占金属总质量的50％以上，大幅降低了原铝投入，有利于低碳生产性价比高的罐体用铝合金用材。

进一步地，罐体用铝合金板材中5μm以上的AlFeMnSi等金属间化合物相和夹杂物的总面积比范围为0.08％～0.80％；和/或0.5～5μm的金属间化合物相和夹杂物的总面积比为0.3％-1.5％。

由于金属间化合物边缘有尖锐的棱角，与基体塑性差距较大，极易在罐体成形的过程中诱发位错聚集，形成潜在开裂点；同时，金属间化合物之间存在相反作用力，形成空洞，也会在板材内部形成开裂点。因此，仅对小尺寸金属间化合物相比例进行调控并不能降低罐体穿孔的发生率。在现有技术中，通过对小尺寸金属间化合物相的面积含量进行限定以解决具有高的Si含量的罐体破裂问题。而本申请通过对不同尺寸的金属间化合物相和夹杂物的面积比进行控制，减小了应力集中情况的发生，进而解决了低成本薄铝合金板材的破裂问题。

进一步地，罐体用铝合金板材的AlFeMnSi相转化率为80～95％。

由于Fe在Al中的室温固溶度仅为0.002％，而在温度500℃时的固溶度也仅为0.005％，过剩的Fe与Al生成阴极性相FeAl₃，造成局部耐蚀性降低。且Fe易与固溶强化合金元素Mn形成粗大片状(FeMn)Al₆化合物，一方面消耗了固溶强化元素Mn的固溶量，造成烘烤软化；另一方面，金属间化合物的尺寸分布控制不当使得薄罐壁在罐内压下穿孔开裂的风险不断上升。基于过剩的Si与Mn形成复杂三元相Al1₂Mn3Si₂，与Mg形成Mg₂Si析出相，与Fe形成Al(FeMn)Si四元相，促使一次晶化合物转变为α相，且腐蚀电位大小关系为Mg₂Si＞Al₆Mn＞αAlFeMnSi＞α-Al，因此提高αAlFeMnSi的相对比例对提高罐体料耐蚀性是有益的，且α相的比例对后续轧制过程中立方织构的调控也有不可忽略的正向影响。

进一步地，罐体用铝合金板材中的第二相尺寸不超过70μm。对第二相尺寸的调控能够有效降低铝合金罐体薄板材的穿孔失效缺陷发生率。

进一步地，罐体用铝合金板材的厚度为0.23～0.50mm。

对本申请提供的罐体用铝合金板材的主合金成分进行限定，并通过对αAlFeMnSi相转化率定量控制，使第二相分布更弥散更均匀，危害级尺寸分布进一步收窄。成罐后穿孔缺陷发生率较常规工艺产品降低10ppm以上，表现出了优异的耐穿孔性能。

本申请的另一目的在于提供一种罐体用铝合金板材的制备方法，包括下述步骤：

配料：加入同系的罐体再生材、铝锭、稀土金属以及金属添加剂进行配料，所述同系的罐体再生材的添加质量占料体总质量的50％以上；按质量百分含量计，控制料体中的Mn：0.70～1.35％，Mg：0.80～1.55％，Si：0.30～0.50％，Fe：0.40～0.75％，Cu：0.15～0.35％，Zn：0～0.30％，Ti：0～0.08％，混合稀土CeLa：0.005～0.008％，余量为Al及不可避免的杂质；其中Fe/Si的质量比大于1.5；

熔炼；

铸造，以得到扁铸锭；

均匀化；以及，

轧制。

该技术方案使得采用罐体再生材制得的铝合金板材的基体组织、杂质元素和夹杂物分布更均匀，降低了薄铝合金板材的穿孔缺陷发生率。同时，该方案还降低了原铝投入，有利于低碳生产性价比高的罐体用铝合金用材。

进一步地，在配料步骤中，按质量百分含量计，选用Al≥99.70％的铝锭。

进一步地，罐体的再生材为3系铝合金再生材。再生材又叫回收材，二次材。是一种由废铝和废铝合金材料、含铝的废料在经过熔炼得到的一种铝合金或者铝金属。再生材需要经过严格的内控检测后才能使用。本申请使用的3系铝合金再生材指的是AlMn为主要成分的铝合金，来源于AlMn铝合金工序废料、回收罐料等。

进一步地，在配料步骤中，根据合金元素的熔点高低和烧损比例，金属添加剂按照Mn、Si、Fe、Cu、Mg、混合稀土的顺序加入，以进一步节约能源。

进一步地，铸造步骤制得的扁铸锭的低倍截面的2μm以上疏松面积比为0.05～0.18％。

进一步地，在均匀化步骤中，对铸造步骤制得的扁铸锭进行铣面，随后在570～610℃实施均匀化处理，保持10～15小时。由于再生材的使用引入了较多含量的Si、Fe，粗大的第二相在成形时形成应力集中点，除了夹杂物以外、是穿孔缺陷发生的主要原因之一。该技术方案除了具备元素配比带来的全部优势之外，还能够优化铸锭内部元素的偏析程度，不仅避免过烧，同时还能够保证α相转化率大于80％，基体组织、杂质元素和夹杂物分布更均匀，从而使成罐后穿孔缺陷发生率较常规工艺产品降低10ppm以上。

进一步地，轧制步骤包括：

热粗轧：在扁铸锭铣面后对扁铸锭进行快速冷却，控制热粗轧初始温度为510～540℃，热粗轧终轧温度≥450℃，获得板厚为30～45mm的热粗轧板材；

热精轧：对热粗轧板材实施热精轧，控制热精轧终轧温度为320～360℃，获得板厚为1.6～2.5mm的热精轧板材；

冷轧：控制冷轧终轧温度为145～160℃，最终道次的压下量≥87％，获得厚度为0.23～0.50mm的冷轧板材。

在现有技术中，如果道次轧制压下率设置与材料不匹配，金属间化合物易聚集长大为粗大有害相，破碎不充分，消耗了粗大相周围的合金元素Mn，并不能降低造成开裂的风险。采用上述技术方案，一方面将罐体用铝合金板材中的第二相尺寸不超过70μm，降低了铝合金罐体薄板材的穿孔失效缺陷发生率，另一方面能够制造出更薄的板材。

附图说明

图1示出实施例2中的αAlFeMnSi相EPMA元素面分布图，相转化率达91％；

图2示出对比例3中的αAlFeMnSi相EPMA元素面分布图，相转化率仅达65％；

图3示出对比例1中基体组织金相及穿孔缺陷处断口中粗大第二相Mg₂Si形貌及成分定性分析；

图4示出对比例2中预服役开裂分析中氧化夹杂物开裂形貌及成分定性分析；

图5示出对比例2中预服役开裂分析中尖晶石类夹杂物开裂形貌及成分定性分析；

图6示出对比例3中基板超10微米单颗粒粗大第二相破碎形貌及周围孔隙。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，本文中若提到数值的范围时，除非另有说明，否则该范围应包括其端点以及范围内的所有整数与分数。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本申请提供的罐体用铝合金板材可采用如下方法进行制备

(1)配料

加入同系的罐体再生材、铝锭、稀土金属以及金属添加剂进行配料，所述同系的罐体再生材的添加质量占料体总质量的50％以上；按质量百分含量计，控制料体中的Mn：0.70～1.35％，Mg：0.80～1.55％，Si：0.30～0.50％，Fe：0.40～0.75％，Cu：0.15～0.35％，Zn：0～0.30％，Ti：0～0.08％，混合稀土CeLa：0.005～0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质；Fe/Si的质量比大于1.5。

在一些实施方式中，罐体的再生材为3系铝合金再生材；按质量百分含量计，选用Al≥99.70％的铝锭；根据合金元素的熔点高低和烧损比例金属添加剂按照Mn、Si、Fe、Cu、Mg、混合稀土的顺序加入，以进一步节约能源。

(2)熔炼：熔炼炉熔炼、保温炉精炼，静置。

随后，在一些实施方式中，使用AL-5Ti-0.2B作为细化计进行在线晶粒细化，吨铝用量为1.0～1.3kg；使用SNIF除气装置(Spinning Nozzel Inert Floatation)进行在线除气，控制熔体的H含量≤0.12ml/100gAL；采用50PPI板式过滤及RC级及以上的管式过滤对熔体进行净化。

(3)铸造

在一些实施方式中，以50～60mm/min的铸造速度进行扁铸锭半连续铸造，铸造温度660～710℃，得到扁铸锭。随后，对扁铸锭进行浇口和引锭头部分锯切铣面，铸锭浇口锯切长度≥150mm，铸锭引锭头锯切长度≥400mm。制得的扁铸锭的低倍截面的2μm以上疏松面积比为0.05～0.18％

在均匀化处理前，对扁铸锭大面铣面，铣面量为10～15mm，铸锭侧面铣面量为8～12mm。

(4)均匀化

在570～610℃实施均匀化处理，保持10～15小时。

随后，对扁铸锭进行快速冷却，使扁铸锭温度以全功率降至510～540℃，保温2～12小时出炉开轧，降温速度控制在20～80℃/h以内。

(5)轧制

热粗轧：控制热粗轧初始温度为510～540℃，例如530℃～540℃，热粗轧终轧温度≥450℃，经19～27道次获得板厚为30～45mm的热粗轧板材。

热精轧：对热粗轧板材实施热精轧，控制热精轧终轧温度为320～360℃，获得板厚为1.6～3.0mm的热精轧板材。

冷轧：控制冷轧终轧温度为145～160℃，经过3～5道次后获得的总压下量≥87％，获得厚度为0.23～0.50mm的冷轧板材。

最后，经切边涂油分切出罐体用铝合金板材。

实施例

根据上述方法，本申请的实施例和对比例如下所示：

表1示出了实施例1～3和对比例1～3的成分及工艺指标。合金成分控制是在熔铸阶段根据GB/T 3190-2008变形铝及铝合金化学成分、GB/T20975.1-31铝及铝合金化学分析方法、YST805-2012铝及铝合金中稀土分析方法进行控制。

表2示出了实施例1～3和对比例1～3的纯净度指标，采用工业CT对低密度疏松物质进行无损测量。

表3示出了实施例1～3和对比例1～3的力学性能以及预服役性能指标对比，抗拉强度、屈服强度、延伸率合金的力学性能测试方法满足GB/T 228.1检测要求。穿孔发生率＝(同批次穿孔罐/同批次成材罐)×100％，其中穿孔罐由罐材成形产线的线针孔检测仪识别挑拣出。在本技术领域中，穿孔缺陷发生率降低10ppm则能够说明产品的穿孔率得到了显著的改善。

表1实施例和对比例的成分及工艺指标

表2实施例和对比例纯净度指标

表3实施例的力学性能以及预服役性能指标对比

对比结果可见，本申请提供的罐体用铝合金板材的材料纯净度指标表现好，其孔隙率降低，尺寸较大、硬度较高的夹杂物获得有效控制和改性，第二相种类转化率(AlFeMnSi相转化率)进一步提高，危害级尺寸分布进一步收窄。在相同板厚的情况下，成罐后穿孔缺陷发生率较常规工艺产品降低10ppm以上，且断口无杂质。同系再生材投入率提高至50％以上，节约总成本350～420元/吨。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括做出若干简单推演或替换，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种罐体用铝合金板材，其特征在于，采用同系的罐体再生材料制备而成，所述罐体用铝合金板材按质量百分比计，包括

Mn：0.70～1.35％，Mg：0.80～1.55％，Si：0.30～0.50％，Fe：0.40～0.75％，Cu：0.15～0.35％，Zn：0～0.30％，Ti：0～0.08％，混合稀土CeLa：0.005～0.008％，余量为Al和其他不可避免的杂质；其中，Fe/Si的质量比大于1.5；

并且，同系的所述罐体再生材添加量占所述铝合金板材总重量的50％以上。

2.如权利要求1所述的罐体用铝合金板材，其特征在于，所述罐体用铝合金板材中

5μm以上的金属间化合物相和夹杂物的总面积比范围为0.08％～0.80％；和/或

0.5～5μm的金属间化合物相和夹杂物的总面积比为0.3％～1.5％。

3.如权利要求1所述的罐体用铝合金板材，其特征在于，所述罐体用铝合金板材的AlFeMnSi相转化率为80～95％。

4.如权利要求1所述的罐体用铝合金板材，其特征在于，所述罐体用铝合金板材中的第二相尺寸不超过70μm。

5.如权利要求1所述的罐体用铝合金板材，其特征在于，所述罐体用铝合金板材的厚度为0.23～0.50mm。

6.一种罐体用铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括下述步骤，

配料：加入同系的罐体再生材、铝锭、稀土金属以及金属添加剂进行配料，所述同系的罐体再生材的添加质量占料体总质量的50％以上；按质量百分含量计，控制料体中的Mn：0.70～1.35％，Mg：0.80～1.55％，Si：0.30～0.50％，Fe：0.40～0.75％，Cu：0.15～0.35％，Zn：0～0.30％，Ti：0～0.08％，混合稀土CeLa：0.005～0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中Fe/Si的质量比大于1.5；

熔炼；

铸造，以得到扁铸锭；

均匀化；以及，

轧制。

7.如权利要求6所述的罐体用铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述罐体的再生材为3系铝合金再生材。

8.如权利要求6所述的罐体用铝合金板材的制备方法，其特征在于，在所述配料步骤中，按质量百分含量计，选用Al≥99.70％的铝锭。

9.如权利要求6所述的罐体用铝合金板材的制备方法，其特征在于，在所述配料步骤中，所述金属添加剂按照Mn、Si、Fe、Cu、Mg、混合稀土的顺序加入。

10.如权利要求6所述的罐体用铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述铸造步骤制得的扁铸锭的低倍截面的2μm以上的疏松面积比为0.05～0.18％。

11.如权利要求6所述的罐体用铝合金板材的制备方法，其特征在于，在所述均匀化步骤中，对所述铸造步骤制得的扁铸锭进行铣面，随后在570～610℃实施均匀化处理，保持10～15小时。

12.如权利要求6所述的罐体用铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述轧制步骤包括：

热粗轧：在所述扁铸锭铣面后对所述扁铸锭进行快速冷，控制热粗轧初始温度为510～540℃，热粗轧终轧温度≥450℃，获得板厚为30～45mm的热粗轧板材；

热精轧：对所述热粗轧板材实施热精轧，控制热精轧终轧温度为320～360℃，获得板厚为1.6～2.5mm的热精轧板材；

冷轧：控制冷轧终轧温度为145～160℃，最终道次的总加工度≥87％，获得厚度为0.23～0.50mm的冷轧板材。