适合于加工罐体的铝合金带的制备方法

专利名称：适合于加工罐体的铝合金带的制备方法
技术领域：
本发明涉及适合于加工通过拉伸和展薄拉延获得的罐体，特别是饮料罐体的铝合金带的制备方法。
背景技术：
在当前技术状态下，已经对采用连铸法通过拉伸-展薄拉延制备饮料罐体进行了许多尝试。但是，出于各种原因，目前尚没有一种在工业规模上取得成功。
专利FR2615530(Cégédur Pechiney)介绍了一种通过在两个柱形辊之间进行连铸来制备能够加工成罐体及其端部的带材的方法，该方法使用的合金含有(以重量计)0.8-1.8％Mn，1-2％Si，0.7-3％Mg，低于0.7％Fe，低于0.5％Cu，以及低于0.5％Cr。将铸造后厚度为4-20mm的带材进行一系列带有中间退火和淬火的轧制。但是，这种使用单一合金制备罐体及其端部的方法不能够承受饮料罐重量减少所带来的约束限制条件，而且，近来似乎更优选采用具有特定相变系列的两种不同合金制备罐的端部和罐体，以便根据功能以及需满足的特定的约束条件分别进行优化。
专利FR2526047(SCAL Company，涉及铝包装)指出为了由在两个柱形辊之间铸造而成的带材获得适合于制造饮料罐的厚约300um的带材，铸态的带材表面必须例如通过空气喷刷进行改性，形成氧化层，从而最大程度地减少在通过拉伸和展薄拉延制备罐体期间可能出现并且为本领域的专业人员所公知的擦伤(galling)现象发生。
专利EP0298876(Pechiney Rhenalu)介绍了一种用于改变在连铸带材表面上存在的氧化物组成的机械抛光酸洗方法，以便改善其加工成罐体的适用性，特别是减少擦伤现象的发生，但是这种抛光方法会产生必须采用特殊方法处理的液态废物。
专利申请GB2027743(Swiss Aluminium Ltd.)介绍了一种通过连铸制备适合于制造罐体的带材的方法，该方法引入了一个热轧步骤。
专利EP0576170，EP0576171，EP0605947和WO97/11205(KaiserAluminum)均涉及一种制备罐体用带材的组合生产线，所述带材通过在两个带辊之间进行连铸(带式铸造)，热轧和冷轧进行制备，其目标是小宽度(12英寸，约300mm)的带材，这种定名为“微轧机”的生产线在G.F.Wyatt-Mair和D.G.Harrington的论文“The Aluminum CanstockMicromill Process”中专门进行了介绍，该论文刊于1995年8月的“LightMetal Age”中的44-50页。
专利申请WO97/01652(Alcoa)涉及下述制备方法，即在柱形辊间连铸厚度为1-5mm的Al-Mn-Mg合金带材，然后，对所述带材进行均匀化处理以及带有低于1分钟的中间退火的冷轧工序，之后进行淬火，这种合金含有最低0.4％的铁。
专利申请WO98/01592(Alcan International)介绍了通过在带式辊之间进行铸造(Hazelett方法)形成厚度小于或等于30mm的带材的方法，并且还介绍了为了获得适合制备罐体的带材对其进行轧制的方法。该合金中的锰含量须不超过1.2％，以便限制影响带材各向异性的弥散相的形成。
同样地，专利申请WO98/01593(Alcan International)涉及采用含有低于0.9％锰的适合于制造罐体的合金厚连铸件(大于9mm)制备罐体。
专利JP04276047(Sky Aluminium)介绍了一种获得用于罐的端部的铝合金带材的方法，所述方法包括连铸厚度小于15mm的带材，以高于50℃/秒的速度冷却，进行带有两次中间退火和一次最终退火的冷轧。该合金的最终组成(以％(重量)计)为Mg1.2-3，Cu0.05-0.5，Mn0.5-2，Fe0.1-0.7。
专利EP099739(Continental)介绍了一种用于罐体的带材的制备方法，包括铸造厚度小于25mm的带材，在510-620℃下进行再加热，进行带有中间退火的冷轧，再结晶退火以及最终冷轧。
专利US4976790，US5104465，US5110545，US5106429，US5833775，US5976279(Golden Aluminum)均涉及一种制备适合于制备罐体的带材的连铸方法，该方法中，首先对铸态带材进行热轧。
专利US5616190(Pechiney Rhenalu)对下述方法要求了权利，即连铸厚度小于或等于4mm以及组成(以％(重量)计)为Mg1-4，Mn0-1.6，并且还可以含有铜和铬的带材，之后在400-580℃下进行均匀化，再进行几个冷轧道次直至达到小于0.3mm的最终厚度，以获得至少部分已再结晶体的显微组织。
继该项研究之后，本申请人已尝试改善由该方法获得的带材的性能，以便满足罐体制造商的要求。
在二十世纪九十年代，33cl的铝饮料罐的重量由约13g降至约10g，而且，用于这种罐体的带材的厚度由约330um变成约275um。这种变化增加了建议采用能够直接替代传统方法制备的带材(半连铸板材，热轧，之后冷轧)的连铸带材，生产具有相同规范的罐体的难度。这种减小罐体厚度的趋势揭示出存在三个在制造过程必须考虑的主要关键因素罐体的园盖强度(dome strength)，已填满的罐体侧壁的穿孔抗力，以及空罐抗垂直挤压的能力。另外，观察发现罐体厚度的减小增加了在机器上通过拉伸和展薄拉延并且采用工业节奏进行制造期间发生破断的危险事实上，在20世纪90年代的相同时期，展薄拉延机器(“罐体制机”)的速度已提高两倍。
因此，需要一种新的包括连铸宽带材的制造方法，所述宽带材适合于通过拉伸和展薄拉延来工业化制造饮料罐体，此类带材至少具有与由通常的半连铸获得的带材相当的性能，以便能够将其取代。
发明目的本发明的目的是一种适合于制造饮料罐体的带材的制备方法，其包括—制备铝合金，该合金含有(以重量计)1.1-1.7％Mg，1.2-1.6％Mn，0.05-0.45％Si，0.05-0.60％Fe，不高于0.40％Cu，不高于0.14％Cr，不高于0.08％Ti，每种含量不高于0.07％且总量为0.25％的其它元素，余者为铝。
—对该液态合金进行气体喷射(优选氩气)处理，
—在柱形辊间铸造成厚度小于5mm，优选小于4mm的带材，在铸造期间，将分型剂涂在柱形辊上，—在450-530℃下对所获带材进行均匀化处理，时间为2-20小时，—对所述带材进行数次冷轧，—在300-400℃下进行中间退火1-12小时，—进行一个或几个道次的冷轧以获得最终厚度。
均匀化处理步骤可以安排在冷轧第一阶段之前，或者该阶段的两个道次之间进行。
发明描述本发明涉及用于连铸薄带材的Al-Mn-Mg合金组成的特定范围和针对该带材特定的处理顺序的结合，以便获得适合于工业制备饮料罐体的宽带材。
所述组成包含锰和镁，它们的含量比通常用于由采用板材铸造，热轧和冷轧这种传统方式生产的带材制备罐体的合金3104高。锰含量为1.2-1.6％，优选1.2-1.4％。当锰含量高于1.6％时，本申请人注意到会形成粗大的一次相，这对于在柱形辊之间进行薄板连铸而言是应该加以避免的。锰含量低于1.2％时，带材的机械性能对于指定的应用变得不充分。
镁含量为1.1-1.7％，优选1.3-1.5％。当该含量超过1.7％时，存在出现与表面偏析相关的缺陷的危险。镁含量低于1.1％时，带材的性能不足。优选Mg/Mn含量比为1.05-1.15，一个优选的组成范围如下(以％(重量)计)Mn1.2-1.4，Mg1.3-1.5，Si0.10-0.30，Fe0.20-0.40，Cu0.10-0.35，Cr0.04-0.12，Ti＜0.07所述金属必须具有高的冶金洁净度，而且，必不可少的是进行通过喷射惰性气体一般是氩气的脱气处理，所述脱气处理在处理钢包内进行，该处理勺包括气体喷嘴和转子，静态气泡扩散器或相当装置。该处理的特别目的是消除液态金属中的氢，以避免在凝固期间形成孔隙。因此，推荐采用本领域的专业人员公知的技术，例如在深床式(deep bed)过滤器中的过滤来首先对所述金属进行过滤。
优选地，在两个冷柱形辊之间进行的连铸速度大于2m/min，优选为3m/min，每mm带材的宽度上的压制力优选在0.5-1.2吨。铸带的宽度大于1600mm，厚度小于5mm，优选小于4mm，分型剂通常以碳产品为基础，例如含0.2-10％石墨的悬浮剂，所述润滑剂涂布在柱形辊上，避免带材在柱形辊上粘附，并且优化凝固期间冷柱形辊与金属间的热交换。
然后，在450-530℃的金属温度下对铸态带材均匀化处理2-20小时。当带材在低于450℃下均匀化处理时，本申请人注意到在罐体拉伸期间会出现擦伤。如果均匀化处理温度高于530℃则存在带材表面发生过氧化的危险，使其不适合所指定的应用场合，均匀化处理之前可以进行一个道次的冷轧。在本发明的一个优选实施方案中，均匀化处理之后例如采用酸或碱对带材进行化学清洗。
然后，冷轧所述带材，并且在300-400℃的温度下进行退火，以改善各向异性·退火温度高于400℃会导致油残留物氧化(裂解)，而退火温度低于300℃则不会使金属发生充分再结晶。最后，优选在单个轧机台上采用单一道次将带材轧制成最终厚度，该厚度值一般稍大于0.280mm。
本发明的一个优选实施方案中，对铸机的柱形辊进行刷擦，以便进行铸造，事实上，本申请人发现在铸造期间刷擦柱形辊能够减小在对罐体进行展薄拉延时撕裂缺陷的出现频率。此外，刷擦有助于改善饮料罐的一种性能，一旦罐体侧壁厚度减小时该性能变得很重要，这就是侧壁的抗冲孔性。本领域的专业人员了解几个能够限制饮料罐体厚度减小倾向的参量，特别是园盖强度和侧壁的抗冲孔性，园盖强度同时取决于带材的机械强度和园盖的设计。侧壁的抗冲孔性(侧壁误用抗力或SWAR)是一个更为复杂的参量，它试图模拟罐体使用者提出的必须尽可能抵抗偶然刺入的实际要求。这一问题在1995年公开的Kobe Steel公司的日本专利申请08-199273中进行了详细介绍。在导致本发明的研究期间，本申请人发现，对于通过在柱形辊之间连铸获得的带材制造的罐体而言，参量SWAR取决于几种因素的组合，特别是铸件厚度、铸造速度、液态金属的金属静压力，柱形铸形辊的表面和分离状况，以及铸造期间的压力。尽管不能将每种因素的影响和作用机理分离开来，但是，本申请人已确定了这些不同因素共同作用获得适合于通过拉伸和展薄拉延工业化制造具有改善的侧壁误有抗力(sidewall abuse resistance)的带材的操作范围。
在未涂漆的截断罐体上对侧壁误用抗力进行评价，评价方式如下在罐体的约1/2高处选择二点，而且，该二点与轧制方向平行排列，测量二点处的厚度，并且，挑选与生产批次获得的平均值更好对应的点。
将罐体水平置于支架子，该支架能够吻合罐体曲线的变化，并且安装有包括一个盖的密封装置，一个密封接口和一个带有压力计的加压装置，将罐体充氮气至压力达0.414MPa。
采用由微处理器控制的带有位移传感器和力传感器的牵引机，将头部曲率半径为0.5mm的STUB钢制冲头置于罐体表面的选择点位处。
通过记录冲头的力(牛顿)和垂直位移(mm)的大小，冲头以2mm/min的恒定速度穿刺罐壁，直至侧壁破裂。该破裂由位移/力的记录曲线的清晰波动观察到。位移/力曲线下方的面积给出了破断时刻的能量W，采用该值评价侧壁的抗穿孔性，此处称为“SWAR”(侧壁误用抗力)。
根据本发明的方法能够获得厚度小于0.300mm，宽度大于1500mm的铝合金带材，它非常适合通过拉伸和展薄拉延工业化制造罐体。在204℃下退火处理10分钟之后，该处理目的是模拟对涂布在罐体上的油漆的固化处理，能够获得抗拉强度Rm＞300MPa、屈服强度R0.2＞265MPa、延伸率A＞4％。
通过拉伸和展薄拉延制造罐体，对至少150000个罐体的批量进行评价，发现撕裂开裂率小于1/10000，SWAR大于30mJ，或者甚至达35mJ或40mJ，园盖强度高于0.62MPa。所获得的园盖强度与由采用传统的板材铸造方法获得的厚度相同的标准3104合金带材制备的几何形状相同的罐体的园盖强度的量级相同。
实施例实施例1制备出具有下述组成的合金Si＝0.25；Fe＝0.30；Cu＝0.20；Mn＝1.30；Mg＝1.42；Cr＝0.08；Ti＝0.02
液态合金采用3kg/t的AT5B线材精炼。然后，在Pechiney Rhenalu公司出品的ALPURTM中通过注入氩或氩-氯混合物处理。之后，在PechineyRhenalu公司出品的JUMBO 3CMTM型铸机上铸造出宽1600mm、厚3.7mm的带材，其中，铸造速度为2.1m/min，每mm带宽上的压力为1.0吨，即压力为1600吨。铸池中金属的液面高度距铸池底部28-30mm，而且，金属与柱形铸辊间的弧长为60mm。通过喷涂含2％石墨的AQUAGRAPH石墨悬浮液进行分离处理。采用约200mm宽的刷子沿柱形辊的轴向运动，在整个宽度范围对两个柱形辊进行涂刷，以便使悬浮剂均匀分布。
在500℃下对铸态带材均匀化处理10小时。然后，在具有3个机座的连轧机上通过3个道次冷轧至0.8mm厚。然后，在350℃下中间退火4小时，之后，在采用煤油润滑的单机座轧制上通过两个道次将所述带材轧制成0.275mm的最终厚度。确定该最终厚度的容许偏差(公差)为±0.005mm。
下面是测得的机械性能。
抗拉强度Rm＝343MPa；0.2％屈服强度R0.2＝331MPa；延伸率A＝2.5％。
各向异性根据EN1669标准采用制耳指数So和Sx进行测定，其中，基体半径为2.5mm，坯料夹具的压制力为600dN，压制比为1.94，冲头与基体间的间隙为61％。在压制试验期间，在20mm的高度处卸下坯料夹具，根据EN1669标准的附录B计算出So和Sx分别为3％和6％。
在204℃下热处理10分钟后，该处理目的是模拟对涂漆进行硬化，上述机械性能变为Rm＝313MPa，R0.2＝275MPa；A＝5.4％。
作为比较，根据传统的板材铸造，热轧，之后冷轧方法制备出厚度相同的合金3104带材，合金3104的组成为Si＝0.22，Fe＝0.35；Cu＝0.16；Mn＝0.95；Mg＝1.20。下面是所获带材的机械性能Rm＝320MPa；R0.2＝300MPa；A＝4.5％；制耳指数So＝4％，Sx＝6％。
采用来自于两组不同金属带材的10个样品罐的平均值作为SWAR参量(mJ)的测量结果，该SWAR参量与作用于厚度为e(微米)的侧壁上的、跟踪位移C(mm)的力F(N)相对应。该结果与根据传统方法获得的3104合金罐体样品的测量结果进行比较。
采用由根据本发明的两种金属带材制备的5个罐体样品批次的平均结果作为园盖强度的压力测量值P(MPa)，并且，也采用同样方法测量了由传统3104带材制备的罐体的园盖强度。所获结果如表1所示。
表1

可以看到根据本发明制备的罐体的SWAR参量，该参量代表在位移为C的压制期间对力F的抵抗能量，远高于由采用传统方法制备的3104合金带材制成的罐体的SWAR值。园盖强度几乎相同，仍高于啤酒或软饮料生产商的技术要求(一般为0.62MPa)。
实施例2采用相同步骤制备与实施例1同样的带材。唯一的差别在于中间退火之后，在单一机座的轧机上采用单一道次将所述带材在轧至与实施例1相同的最终厚度。该带材的所有特性与实施例1中获得的结果相似。证明该带材适合于通过拉伸和展薄拉延制备罐体。
实施例3在单一机座的轧机上采用单一道次将根据实施例1制备的铸态带材轧制成2.5mm厚。只是在该轧制道次之后，才在500℃下对带材进行均匀化处理，时间为10小时，然后，在具有三个机座的串联轧制上通过三个冷轧道次在将带材轧至0.6mm厚。在350℃下进行中间退火4小时。然后，在采用煤油润滑的单一机座上通过两个道次将带材轧至0.273mm的最终厚度，确定该最终厚度的容许偏差为±0.005mm。
所获带材的所有特性与实施例中的结果相似。具有最终厚度的带材的机械性能测量结果如下
Rm＝300MPa；R0.2＝285MPa；A＝3.2％结果表明所获带材适合于通过拉伸和展薄拉延制造罐体，而且，实际上，其它性能也与实施例1中的测量结果一致。
实施例4采用与实施例1相同方式制备冷轧带材，只是中间退火在带材厚度达0.6mm而不是0.8mm之后进行，具有最终厚度的带材的机械性能为Rm＝310MPa；R0.2＝290MPa；A＝3.5％结果表明所获带材适合于通过拉伸和展薄拉延制造罐体，而且，实际上，其它性能也与实施例1中的测量结果一致。
权利要求
1.制备适合于通过拉伸和展薄拉延生产加工成饮料罐体的带材的方法，包括—制备铝合金，所述铝合金含有(以重量计)1.1-1.7％Mg，1.2-1.6％Mn，0.05-0.45％Si，0.05-0.60％Fe，最多0.40％Cu，最多0.14％Cr，最多0.08％Ti，每种最多0.07％并且总量为0.25％的其它元素，余者为铝，—对该液态合金进行气体喷射(优选氩气)处理，—在两个柱形辊之间铸造出厚度小于5mm，并且优选小于4mm的带材，在铸造期间，将分型剂涂覆在柱形辊上，—在450-530℃下对所获带材进行均匀化处理，时间为2-20小时，—采用几个道次冷轧所述带材，—在300-400℃下进行中间退火，时间为1-12小时，—采用一个或几个道次冷轧至最终厚度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于均匀化步骤在第一阶段冷轧的两个道次之间进行。
3.根据权利要求1或2中之一项或者另一项的方法，其特征在于中间退火之后的所述轧制在单一机座上采用单一道次进行。
4.根据权利要求1-3中之任何一项的方法，其特征在于所述带材的最终厚度小于0.280mm，其公差为±0.005mm。
5.根据权利要求1-4中之任何一项的方法，其特征在于锰含量为1.2-1.4％。
6.根据权利要求1-5中之任何一项的方法，其特征在于镁含量为1.3-1.5％。
7.根据权利要求1-6中之任何一项的方法，其特征在于Mg/Mn含量之比为1.05-1.15。
8.根据权利要求1-7中之任何一项的方法，其特征在于Mn为1.2-1.4％，Mg为1.3-1.5％，Si为0.10-0.30％，Fe为0.20-0.40％，Cu为0.10-0.35％，Cr为0.04-0.12％，Ti低于0.07％。
9.根据权利要求1-8中之任何一项的方法，其特征在于铸造后获得的铸态带材的宽度大于或等于1600mm。
10.根据权利要求1-9中之任何一项的方法，其特征在于铸造速度高于2m/min，优选高于3m/min。
11.根据权利要求1-10中之任何一项的方法，其特征在于铸造期间每mm带宽上的压制力为0.5-1.2吨。
12.根据权利要求1-11中之任何一项的方法，其特征在于采用含0.2-10％石墨的悬浮剂进行分离处理。
13.根据权利要求1-12中之任何一项的方法，其特征在于在铸造期间对柱形铸辊表面进行刷擦。
14.根据权利要求1-13中之任何一项的方法，其特征在于在均匀化处理后，采用酸或碱对所述带材进行化学清洗。
15.根据权利要求1-14中之任何一项的方法，其特征在于轧至最终厚度小于0.300mm的带材在204℃下退火10分钟后，其断裂强度Rm＞300MPa，其屈服强度R0.2＞265MPa。
16.根据权利要求1-15中之任何一项的方法，其特征在于轧至最终厚度小于0.300mm的带材在204℃下退火10分钟后，其断裂延伸率A＞4％。
17.由根据权利要求1-16中之任何一项的方法获得的厚度小于0.300mm的带材通过拉伸和展薄拉延制备饮料罐体的方法，其特征在于对一批至少150000个罐体进行评价，撕裂破断率小于1/10000。
18.由根据权利要求1-16中之任何一项的方法获得的带材制备的饮料罐体，其特征在于采用参量SWAR测得的罐体侧壁抗穿孔性高于30mJ，优选高于35mJ。
19.根据权利要求18的饮料罐体，其特征在于其园盖强度高于0.62MPa。
全文摘要
本发明的目的是一种制备饮料罐体的方法，包括制备铝合金，所述铝合金含有(以重量计)1.1－1.7％Mg，1.2－1.6％Mn，0.05－0.45％Si，0.05－0.60％Fe，最多0.40％Cu，最多0.14％Cr，最多0.08％Ti，每种最多0.07％并且总量为0.25％的其它元素，余者为铝；对该液态合金进行气体喷射(优选氩气)处理；在两个柱形辊之间铸造出厚度小于5mm，并且优选小于4mm的带材，在铸造期间，将分型剂涂覆在柱形辊上；在450－530℃下对所获带材进行均匀化处理，时间为2－20小时；采用几个道次冷轧所述带材；在300－400℃下进行中间退火，时间为1－12小时；采用一个或几个道次冷轧至最终厚度。所述方法能够获得适合于制备具有改善的侧壁抗冲孔性的罐体的带材。
文档编号B22D11/20GK1404534SQ0180550
公开日2003年3月19日 申请日期2001年2月28日 优先权日2000年3月3日
发明者P－Y·米奈特, J－L·霍夫曼, P·兰科特, P·索里格纳克, B·切纳尔, F·巴松, K·麦沃尔德 申请人:皮西尼何纳吕公司