3104铝合金易拉罐罐体缺陷的表征与成因分析_彭小燕

易产生应力集中，导致 晶 界 过 早 产 生 裂 纹，最 终 影 响 合
（ｇ）针状 ＳＥＭ
（ｈ）针状 ＥＤＳ
图４ ３１０４铝合金不同析出相的 ＳＥＭ 和 ＥＤＳ分析
２．２ 罐 体 缺 陷 断 口 处 的 第 二 相 和 夹 杂 物 从图１的宏观照片中可肉眼观察到罐体上的针孔、
裂罐缺陷。图５为 缺 陷 断 口 处 的 ＥＤＳ 分 析。 从 图 ５ａ、 图５ｂ 可 以 观 察 到 缺 陷 断 口 上 分 布 着 大 量 颗 粒 状 的 第 二 相，ＥＤＳ分析表明是（ＦｅＭｎ）Ａｌ６ 和（ＡｌＦｅＭｎＳｉ）；图 ５ｃ、 图５ｄ中除了第 二 相 颗 粒 外，还 存 在 含 有 Ｃ、Ｏ、Ｎａ、Ｓｉ、 Ｓ、Ｃｌ、Ｋ、Ｃａ等 元 素 的 粗 大 夹 杂 物 ，其 大 小 约 为 １０μｍ。
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３１０４ 铝 合 金 易 拉 罐 罐 体 缺 陷 的 表 征 与 成 因 分 析 彭 小 燕 等
１０００号金相砂纸磨平后机械抛光至 表 面 光 亮 无 痕。 采 用日本 理 学 Ｄ／ｍａｘ－２５００／ＰＣ 型 Ｘ 射 线 衍 射 仪 对 其 进 行 物 相 分 析 ，扫 描 范 围 为１０°～８０°，扫 描 速 度 为８°／ｍｉｎ。 从罐体缺陷位置处切取部分试样并用硫酸清洗表面涂
（ａ）骨骼状 ＳＥＭ （ｃ）片状 ＳＥＭ
（ｅ）长条状 ＳＥＭ
（ｂ）骨骼状 ＥＤＳ （ｄ）片状 ＥＤＳ （ｆ）长条状 ＥＤＳ
图 ２ ３１０４ 铝 合 金
图 ３ ３１０４ 铝 合 金 铸 锭 的
铸锭的 ＳＥＭ 照片
Ｘ射 及 分 布 对 合 金 板 材 的
成 形 性 能 具 有 一 定 的 影 响 ：针 ［１２，１３］ 状 析 出 相 的 尖 端 较
方 案 ，旨 在 为 提 高 制 罐 成 品 率 提 供 参 考 。
１ 试验方法
试验所用３１０４铝合 金 铸 锭 以 及 易 拉 罐 成 品 （见 图 １）均由某公司提供，铸锭的化学成分见表 １。 铸 锭 试 样 经２４０、４００、６００和８００号 水 磨 砂 纸 和４００、６００、８００和
图 １ 带 缺 陷 易 拉 罐 的 宏 观 照 片
２ 试验结果与分析
２．１ ３１０４ 铝 合 金 中 的 第 二 相 与 夹 杂 物 图２为３１０４铝合 金 铸 锭 的 ＳＥＭ 照 片。 从 图 ２ 中
可以观察到大量的粗 大 骨 骼 状、针 状 和 片 状 的 第 二 相。 根据 Ａｌ－Ｍｎ相图［７］，在共晶温度为６５８ ℃ 时，Ｍｎ在 固 溶体中的最 大 溶 解 度 为 １．８２％ （质 量 分 数，下 同）。 随 着温度降低，Ｍｎ 的 溶 解 度 急 剧 减 小，在 凝 固 冷 却 时 析 出的 Ｍｎ 和 Ａｌ形 成 大 量 分 散 的 第 二 相 ＭｎＡｌ６。Ｆｅ与 Ｍｎ溶 质 发 生 交 互 作 用，Ｆｅ 溶 于 ＭｎＡｌ６ 或 Ｍｎ 溶 于 Ａｌ３Ｆｅ中 均 会 形 成 （ＦｅＭｎ）Ａｌ６ 化 合 物［８，９］。 而 Ｓｉ 与 （ＦｅＭｎ）Ａｌ６ 形 成 （ＡｌＦｅＭｎＳｉ）四 元 金 属 间 化 合 物 。 ［１０，１１］ 图３为３１０４铝合金铸 锭 的 Ｘ 射 线 衍 射 谱。ＸＲＤ 谱 的 物 相 分 析 结 果 表 明 ，除 了α－Ａｌ基 体 外 ，合 金 中 的 主 导 相 为 ＭｎＡｌ６、（ＡｌＭｎＦｅＳｉ）。图４为３１０４铝合金铸锭不同 相 的 能 谱 （ＥＤＳ）分 析 结 果 。 从 图 ４ 看 出 ，铸 锭 中 分 布 大 量的骨骼 状 （ＡｌＭｎＦｅＳｉ）和 片 状 （ＦｅＭｎ）Ａｌ６ 相。 结 合 ＥＤＳ分析与 ＸＲＤ 物 相 分 析，认 为 ３１０４ 铝 合 金 中 主 要 存在的相为：α 固 溶 体 （溶 有 Ｍｎ、Ｍｇ 及 部 分 化 合 物 ）、 ＭｎＡｌ６、（ＦｅＭｎ）Ａｌ６ 和 （ＡｌＦｅＭｎＳｉ）等。 另 外，铸 锭 中 还存在含有 Ｏ、Ｎａ、Ｓｉ、Ｃａ等 元 素 的 夹 杂 物，大 小 约 为 ５ μｍ，见 图 ４ｃ和 图 ４ｄ。
０．６ ０．８ ０．０５～０．２５ ０．８～１．２ １．２０ ０．１０ ０．１０ ０．０５ ０．１５ 余量
金的断裂韧度；块状析 出 相 较 大 的 硬 度、脆 性 以 及 与 基 体较弱的结合使其成为 裂 纹 中 心。（ＦｅＭｎ）Ａｌ６ 是 一 种 脆而硬的化合物，呈片 状 分 布，会 降 低 合 金 的 塑 性 和 强 度。（ＡｌＦｅＭｎＳｉ）四元 相 是 一 种 粗 大 的 硬 质 点，虽 然 在 减薄拉伸时能够防止板带深冲面与工具表面之间的热 粘着，但深冲加工时 在 它 的 周 围 会 造 成 局 部 应 力 集 中， 使 之 易 成 为 破 裂 的 根 源 ，形 成 针 孔 等 缺 陷 。
层，然 后 浸 入 丙 酮 溶 液，在 超 声 波 清 洗 机 中 清 洗 １ｈ。
在 ＦＥＩ Ｑｕａｎｔａ ２００ 扫描电镜下对铸锭试样和清洗后的 缺陷试样断口进行 ＳＥＭ 观察以及 ＥＤＳ分析。
表 １ ３１０４ 铝 合 金 铸 锭 的 化 学 成 分
％
ｗＢ
Ｓｉ Ｆｅ Ｃｕ
Ｍｎ Ｍｇ Ｚｎ Ｔｉ Ｖ 其他 Ａｌ
铝 熔体中非金属夹杂物的含量是反映冶金质量的
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特 种 铸 造 及 有 色 合 金 ２０１４ 年 第 ３４ 卷 第 ３ 期
（ａ）缺 陷 １
（ｂ）缺陷１的 ＥＤＳ
（ｃ）缺 陷 ２
（ｄ）缺陷２的 ＥＤＳ
ｃａｌｌｙ ｂｙ ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｐｈａｓｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｉｎｇｏｔ ｃａｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔｓ ａ ｌｏｔ ｏｆ（ＦｅＭｎ）Ａｌ６ ｐｈａｓｅｓ，（Ａｌ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｓｉ）ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ａｎｄ ｃｏａｒｓｅ ｏｘｉｄｅ－ｂａｓｅｄ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ．Ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｎ ｍａｉｎｌｙ ｂｅ ａｔｔｒｉｂｕｔｅｄ ｔｏ ｔｈｏｓｅ ｃｏａｒｓｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ３１０４Ａｌｌｏｙ Ｒｉｎｇ－Ｐｕｌｌ Ｃａｎ
Ｐｅｎｇ Ｘｉａｏｙａｎ１，Ｙｅ Ｒｕｉ １，Ｃａｏ Ｘｉａｏｗｕ１，Ｃｈｅｎ Ｊｕｆｅｉ １，Ｘｕ Ｇｕｏｆｕ１，２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ
Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｐｈａｓｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｉｎ ３１０４ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｉｎｇｏｔ ｃａｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｒｉｎｇ－ｐｕｌｌ ｃａｎ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ），ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ （ＥＤＳ）ａｎｄ Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）．Ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｄｅｆｅｃｔｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｓｙｓｔｅｍｉ－
铝 合 金 易 拉 罐 具 有 质 量 轻 、密 封 性 好 、无 味 无 毒 、易 携 带 、可 回 收 等 优 点 而 广 泛 使 用 。 当 前 全 球 的 易 拉 罐 年 需求量在２ １００亿只 左 右，铝 罐 料 的 年 总 产 量 达 到 ４３０ 万ｔ左右；我国易拉罐市场年需求量 为 ６０～７０亿只，罐 体 料 用 量 约 为２９ 万ｔ，并 呈 逐 年 增 长 趋 势 。 为 了 降 低 成 本，减 少 材 料 用 量，薄 壁 轻 量 化 成 为 易 拉 罐 的 发 展 趋 势［１，２］，但这意味着对 材 料 的 性 能 要 求 更 加 严 格。 铝 罐 的 制 造 工 艺 主 要 包 括 铸 造 、铸 锭 均 匀 化 热 处 理 、热 轧 、冷 轧等。３１０４铝合 金 由 于 其 强 度 高，减 薄 深 冲 性 能 好 而 广泛应用于易 拉 罐 罐 体 材 料 。 ［３］ 目 前 国 内 外 学 者 已 经 对 ３１０４ 罐 用 铝 合 金 的 均 匀 化 退 火 工 艺 、热 变 形 行 为 、织 构控制等方面进行了深入的 研 究［４～６］，国 内 西 南 铝 业 集 团公司、南山轻合金 有 限 公 司 都 已 能 批 量 生 产 该 合 金， 但实际生产中针孔、漏 罐、断 罐 等 问 题 经 常 出 现。 本 课 题研究了３１０４铝合金 成 品 罐 体 中 出 现 的 针 孔、裂 罐 缺 陷，分析了该缺陷的形 成 原 因，提 出 了 抑 制 缺 陷 的 解 决
ｍｅｌｔｉｎｇ ｏｒ ｃａｓｔｉｎｇ．Ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｏｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｃｏａｒｓｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ａｎｄ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ
ｆｏｒｗａｒｄ ｆｉｎａｌｌｙ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：３１０４Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙ，Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ，Ｏｘｉｄｅ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ
收 稿 日 期 ：２０１３－１０－３０；修 改 稿 收 到 日 期 ：２０１３－１２－３１ 基 金 项 目 ：中 南 大 学 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 项 目 （２０１２ｚｚｔｓ０６９） 第 一 作 者 简 介 ：彭 小 燕 ，女 ，１９８７ 年 出 生 ，硕 士 研 究 生 ，中 南 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院 ，长 沙 （４１００８３），电 话 ：０７３１－８８８７７２１７，Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｘｙ０８０７＠１２６．ｃｏｍ 通 信 作 者 ：徐 国 富 ，男 ，１９６６ 年 出 生 ，教 授 ，中 南 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院 ，长 沙 （４１００８３），电 话 ：０７３１－８８８７７２１７，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｓｕｘｇｆ６６＠ｃｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ