适合于用冲压和拉薄法制造罐头盒的含镁铝合金板材及生产该板材的方法

摘要

本发明涉及适合于用冲压和拉薄方法制作罐头盒的、含镁的铝合金板及制造这种合金板的方法。该合金板的特征在于在其10至25％的表面上，均匀分布由非晶态氧化铝及结晶的氧化镁和氧化铝所形成的颗粒，颗粒呈圆形片状厚度小于5微米，其平均直径分布在平均值为2至15微米附近。还涉及制取上述合金板的方法，其特征在于带材直接取自铸造机或至少经一道轧制取得，然后再经过化学浸蚀以便使其厚度最多降低2微米，然后在330℃至450℃的空气中退火至少30分钟。

说明书

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本发明涉及含镁的铝合金板材及生产此种板材的方法，这种板材适于用冲压和拉薄法制造罐头盒。

精通本技术的人知道铝合金可以用带式或滚筒式机械设备，以带材形式连续直接铸造，如法国专利No.1198006所述。这种带材的宽度可达2m，厚度一般为5-30mm。这种厚板连续铸造方法的优点是可以避免多道轧制操作。

此法获得的带材可以通过一系列冷轧或热轧操作而达到较薄的、薄至几微米的厚度。这些轧制操作中可穿插进行或不进行退火操作。特别是打算将它用于制造诸如发泡或不发泡饮料包装所用的罐头盒时，则将带材变成几百微米厚的板材，板材再剪切成圆盘并通过冲压和冲模的综合作用转变成杯状，用称之为拉薄的操作使之成为薄壁罐后即可用作罐头盒。

由平圆盘状转变成罐头盒这种形状上的变化涉及到施加的强力作用以及特别是在冲压过程中，随之产生的可称为软金属附在硬金属上的粘附或“擦伤”现象。在这种情况下，铝颗粒从板材表面转移并粘附在碳化钨制成的冲压工具表面上。这些颗粒很难去除并且很硬，从而导致罐头盒上出现裂纹，降低其机械强度，甚至可能导致破裂，并总会损坏它的外观。

业已推荐几种用于避免这种粘附和擦伤现象罐头盒具有良好外观的方法。

例如，美国专利930895，使用了一种由美国铝业协会所规定的3004合金，其成份为Si    0.3%，Fe    0.5%，Cu    0.25%，Mn    1～1.5%，Mg    0.8～1.3%，Zn    0.25%余量为Al，并认为所遇到的困难是因为在轧辊之间连续铸造导致形成粒径小于2微米的Al-Mn颗粒;这些颗粒太小以致对工具没有清洁作用，因而使它沾污。它提出一个事实，即当处理用常规铸造方法获得的这种合金板时，颗粒的大小为15-20微米，就不会有沾污。但是由于发明人还是希望利用轧辊间连续铸造的优点，特别是就显微组织的均匀性而论，他建议通过改进3004合金的组成，使镁的含量在2～3%的范围内来增加颗粒的大小。

美国专利4111721也发现3004和3003板材上的这种擦伤现象并也认为有必要增加Al-Mn和Al-Mn-Fe粒子的粒度以便消除这种现象。但是他提出的不是通过改进合金组成而是应用热处理。最好是温度为620℃时间为16至24小时的热处理来做到这一点;带材的热处理可在铸造时或在接受初轧时进行。

法国专利No.2，505，365再次提出改进所用合金的组成，但不是改变镁的含量而是将硅的含量改为0.3-0.6%（按重量）。

由申请人提出的法国专利2，525，047建议一种完全不同的解决办法，该方法包括机械清理带材表面和在空气中加热对带材作变质处理。

虽然这些方法大大地减少了粘附现象，但仍然不能完全消除这种现象。因而申请人在研究解决这一问题时发现经受冲压和拉薄的板材具有一种特殊的表面状态，并发现这种状态可以通过提供组分极不同但都含有镁的铝合金来得到。

这种特殊状态的特征在于板材在其10-25%的表面上具有均匀分布的颗粒，这些颗粒是由非结晶氧化铝和结晶的氧化镁及氧化铝组成，呈圆形片状，其厚度小于5微米、平均直径广泛分布在2-15微米平均值附近。

因而如美国专利3，930，895所指出的那样，本发明之所以适合于冲压和拉薄与存在粒度较大的颗粒有关，接近在板材中观察到的情况。但是，相同之处仅此而已，因为从分布、组成和形状来看这些颗粒是极不同的。实际上：

-这些颗粒并不是分布在整个板材中而仅仅分布在表面，而且仅仅是部分表面。

-这些颗粒不是由Al-Mn或Al-Mn-Fe型的金属互化物构成，而是由非结晶和结晶的镁和铝的氧化物构成。

-这些颗粒具有极其特殊的形状：即圆片状，厚度为5微米，平均直径广泛地分布在2-15微米平均值附近。

本发明的颗粒可以通过一发射式电子显微镜检验金属板而判明，此处它们呈现出大簇黑色，规则地分散在较亮的基质中;显微分析表明它们实质上是由非结晶和结晶的铝和镁的氧化物构成。

为了获得这种颗粒，起始合金必须含镁。但是，镁含量低至0.1%（重量）时已经足够，而最高含量达到5%时也不会妨碍获得的结果。但是应该了解本发明可用于还含有最高量为2%锰和/或1.5%硅的合金，此时可将下列元素中至少一种加入其中：Cu、Zn、Cr、Fe的最高含量分别为0.5%、0.5%，0.5%和0.7%（重量），Ti和B之类的精制元素最高量分别为0.1%（重量）。

因此，按美国铝业协会标准规定的3004铝合金板材内含有（按重量）Mg    0.8-1.3%，Mn    1.0-1.5%、Si    0.3%、Fe    0.7%、Cu    0.25%、Zn    0.25并具有按照本发明的表面。这种板材已用同样的机具生产出200，000多个罐头盒，而未发现任何裂纹或沟纹。

类似的一个参考例是5182合金，即含有4.0-5.0%Mg，0.20%Si、0.25%Zn、0.35%Fe（按重量）的合金，据称其组织也可满足大量生产罐头盒的要求而不会有什么困难。

应该注意：按照本发明申请人已使其适合于冲压和拉薄的添加镁的铝合金板，与用锰合金制成的合金板材相比在抗拉强度方面有很大改善的显著优点，使用这种板材可望降低厚度从而使罐头盒成本下降。

为了说明本发明，在本申请书中提交了两张放大300倍的板材表面显微照片。

图1表示没有任何颗粒的3004合金板，当拉薄时，在第1000个罐头盒成形时出现裂纹。

图2表示按照本发明具有颗粒的同类合金板材，它可以制作200，000多个罐头盒而不会有任何沟纹。

本发明还涉及获得上述板材的方法，其特征在于带材是直接取自铸造机或是至少经过一道轧制，然后再经过化学侵蚀以便使其厚度最多减少2微米，然后在330和450℃的空气中退火至少30分钟。侵蚀条件的选择最好是能使其厚度减薄0.8至1微米。

用氢氧化钠侵蚀连续铸造制得的带材确是众所周知的，在这方面可以引证德国专利DE2，418，642。然而，该专利的主要目的是消除带材中的不均匀性，其表现形式为偏折，气泡以及其它对金属带材有极不利影响的缺陷，特别是当带材最后变成板材，带或薄板时。这牵涉到较强的浸蚀。因为该专利指出去除物质的量为10至100g/m²，相当于厚度减少3.7至37微米。本发明中没有进行这种类型的浸蚀，况且也不准备用它来防止在罐头盒拉薄工序中产生的粘附现象。

申请人出乎意料之外地发现轻微的浸蚀使带材表面上显示出硬区。这种带材在330至450℃的空气中至少退火30分钟后，即可具有如前所述的颗粒从而产生以下效果：

-由于表面硬化使摩擦系数降低，

-减少了机具与合金之间的粘附作用，

-永久性地清洁冲压环，因而给予金属一种脱落或自清洁作用。

可以用任何一种浸蚀剂进行浸蚀，但是最好是含0.1至10g/l    NaOH的溶液。将带材浸入其中的时间长短以除去的金属厚度不大于2微米为限。浸蚀时间取决于所用合金的组成和带材经受的轧制操作。浸渍可在室温下即20℃左右完成，不过它可以在低于100℃的任何温度下进行以便缩短处理过程。最好的温度范围是70°-80℃。

另外的试验已表明还可如法国专利No.2，525，047所述，在带材浸蚀之后和退火之前通过清刷来改善效果。清刷具有改进硬区在整个带材表面分布的作用，继而产生更均匀的非粘附表面。

温度范围为350至400℃、时间为1至2小时则可得到最佳退火条件。

可通过以下实施例说明本发明：

通过滚筒之间的铸造得到宽为1100mm、厚为8mm的带材，其组成的重量百分比如下：

Si    Fe    Cu    Mn    Mg    Ti    Al

0.28    0.42    0.10    1.00    1.05    0.02    余量

对此板材进行以下转换工序：

-在600℃下进行10小时均化处理，

-冷轧至2.7mm，

-在350℃时退火2小时，

-冷轧至1.2mm

-在70℃的5g/l    NaOH溶液中浸蚀45秒钟，以便去除0.8微米厚度的金属，

-清刷

-在400℃时退火2小时

-冷轧至0.33mm。

所得金属通过冲压及拉薄即可用于制作直径为66mm、平均高度为130mm的罐头盒。

在200，000个罐头盒中没有发现任何沟纹。另一方面，经受相同转换工序但不进行浸蚀的金属则不能得到没有沟纹的罐头盒，在开始的500个罐头盒以后，出现的沟纹随生产的罐头盒数量而增加，1000个以后则在罐头盒壁上发现裂缝。