PL214175B1

PL214175B1 - Aluminium alloy and method for production thereof

Info

Publication number: PL214175B1
Application number: PL388880A
Authority: PL
Inventors: Jaroslaw Sliwakowski
Original assignee: Sliwakowski Jaroslaw Przed Prod Handlowe Eko Swiat
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2013-06-28
Also published as: PL388880A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest stop aluminium, przeznaczony zwłaszcza do wytwarzania zamknięć i zakrywek wykonywanych metodą tłoczenia, szczególnie dla przemysłu opakowaniowego.The subject of the invention is an aluminum alloy, intended in particular for the production of stamped closures and lids, especially for the packaging industry.

Stopy aluminium, dzięki swoim właściwościom, zwłaszcza ciągliwości, są szeroko stosowane do produkcji opakowań metalowych. Wpływ na właściwości znanych dotychczas stopów wywiera zarówno ich skład chemiczny, jak i sposób ich wytwarzania. Jeden z nich, o znanym standardowym składzie, typu 8011 A, określonym normą PN-EN573, zawiera, oprócz aluminium, dodatki krzemu Si w ilości 0,4-0,8% wagowo, żelaza Fe w ilości 0,5-1,0% wagowo oraz domieszki manganu Mn, magnezu Mg, miedzi Cu, chromu Cr w ilościach do 0,1% wagowo każdy.Aluminum alloys, thanks to their properties, especially ductility, are widely used in the production of metal packaging. The properties of the previously known alloys are influenced by both their chemical composition and the method of their production. One of them, with a known standard composition, type 8011 A, defined by the PN-EN573 standard, contains, in addition to aluminum, silicon Si additives in the amount of 0.4-0.8% by weight, iron Fe in the amount of 0.5-1.0 % by weight and admixtures of manganese Mn, magnesium Mg, copper Cu, chromium Cr in amounts up to 0.1% by weight each.

W szczególności, właściwości stopów aluminium zależą od składu chemicznego roztworu a, a także od składu i struktury krystalograficznej, głównie wielkości i rozkładu wydzieleń międzymetalicznych na granicy ziaren. Stosowane procesy odlewania ciągłego (w skrócie CC od angielskich słów continuous casting) znanych stopów aluminium powodują, że stopy charakteryzują się strukturą dendrytyczną, która decyduje o dużej niejednorodności stopu, zróżnicowanej wielkości wydzieleń i ich rozmieszczenia. Taka struktura materiału przenoszona jest na końcowe właściwości wyrobu, najczęściej walcowanej taśmy. W efekcie lokalnych różnic w budowie mikrokrystalicznej, w znanych stopach występują duże gradienty właściwości plastycznych i wytrzymałościowych.In particular, the properties of aluminum alloys depend on the chemical composition of the solution a, as well as on the composition and crystallographic structure, mainly the size and distribution of intermetallic precipitates at the grain boundary. The continuous casting processes used (CC for short) of known aluminum alloys cause that the alloys are characterized by a dendritic structure, which determines the high heterogeneity of the alloy, different size of the precipitates and their distribution. Such a material structure is transferred to the final properties of the product, most often of a rolled strip. As a result of local differences in the microcrystalline structure, known alloys have large gradients of plastic and strength properties.

Inny stop aluminium typu 7475, znany z opisu patentowego nr PL 194380 zatytułowanego „Sposób wytwarzania stopu aluminium typu 7475 w stanie nadplastycznym, w postaci kęsa”, oprócz aluminium zawiera dodatki cynku Zn w ilości 5,85% wagowo, miedzi Cu w ilości 1,65% wagowo, magnezu Mg w ilości 2,4% wagowo, oraz domieszki cyrkonu Zr w ilości 0,4% wagowo, krzemu Si i żelaza Fe w ilościach poniżej 0,1% wagowo. W celu polepszenia właściwości tego stopu w stanie nadplastycznym, stop ten, jak wynika z opisu patentowego, poddano obróbce termochemicznej, składającej się z etapu homogenizacji w temperaturze 480-520°C zakończonej przesycaniem w wodzie w temperaturze pokojowej, etapu przestarzenia w temperaturze 380-420°C zakończonego przesycaniem w wodzie w temperaturze pokojowej, etapu odkształcania plastycznego z podgrzewaniem międzyoperacyjnym, i zakończonej etapem rekrystalizacji odkształconej próbki w piecu solnym w temperaturze 470-490°C.Another type 7475 aluminum alloy, known from the patent description No. PL 194380 entitled "Method for producing a superplastic aluminum alloy of the type 7475 in the form of a billet", in addition to aluminum, contains zinc Zn in the amount of 5.85% by weight, copper Cu in the amount of 1, 65 wt%, Mg 2.4 wt%, and 0.4 wt% zirconium Zr, silicon Si, and iron Fe in an amount below 0.1 wt%. In order to improve the superplastic properties of this alloy, this alloy was, according to the patent specification, subjected to a thermochemical treatment consisting of a homogenization step at a temperature of 480-520 ° C followed by supersaturation in water at room temperature, an aging step at a temperature of 380-420 ° C, completed with supersaturation in water at room temperature, a stage of plastic deformation with inter-operative heating, and completed with a stage of recrystallization of the deformed sample in a salt furnace at a temperature of 470-490 ° C.

Wspomniane wyżej stopy aluminium nie spełniają jednak wymogów stawianych stopom aluminium przeznaczonym do wytwarzania zamknięć i zakrywek wykonywanych metodą głębokiego tłoczenia.The above-mentioned aluminum alloys, however, do not meet the requirements for aluminum alloys intended for the production of closures and lids made by deep drawing.

W wyniku przeprowadzonych prób nieoczekiwanie okazało się, że poprzez modyfikację składu chemicznego stopu 8011A możliwe jest uzyskanie nowego stopu aluminium, który stanowi przedmiot wynalazku, i który charakteryzuje się w wysokimi właściwościami mechanicznymi, jednorodnością struktury, dobrą tłocznością, niskim wskaźnikiem anizotropii płaskiej, co jest szczególnie pożądane przy procesach głębokiego tłoczenia, oraz stabilnością powyższych właściwości po procesach obróbki cieplnej dotyczących suszenia lakierów.As a result of the tests, it was unexpectedly found that by modifying the chemical composition of the 8011A alloy, it is possible to obtain a new aluminum alloy, which is the subject of the invention, and which is characterized by high mechanical properties, homogeneity of structure, good drawability, low flat anisotropy index, which is particularly desirable in deep drawing processes, and the stability of the above properties after heat treatment processes for drying varnishes.

Istotą wynalazku jest stop aluminium, zwłaszcza do wytwarzania zamknięć i zakrywek; charakteryzujący się tym, że zawiera krzem Si w ilości 0,4-1,0% wagowo, żelazo Fe w ilości 0,35-1,2% wagowo, beryl Be w ilości 0,02-0,1% wagowo, mangan Mn w ilości do 0,15% wagowo, magnez Mg w ilości do 0,15% wagowo, miedź Cu w ilości do 0,1% wagowo, cynk Zn w ilości do 0,1% wagowo, tytan Ti w ilości do 0,1% wagowo, reszta aluminium i nieuniknione zanieczyszczenia, przy czym stosunek zawartości wagowych berylu Be do tytanu w Ti [Be/Ti] zawiera się w przedziale od 0,6 do 2,0, a stosunek zawartości wagowych żelaza Fe do zawartości wagowych krzemu Si [Fe/Si] zawiera się w przedziale od 0,9 do 1,1.The present invention relates to an aluminum alloy, especially for the production of closures and lids; characterized in that it contains silicon Si in the amount of 0.4-1.0% by weight, iron Fe in the amount of 0.35-1.2% by weight, beryllium Be in the amount of 0.02-0.1% by weight, manganese Mn up to 0.15% by weight, magnesium up to 0.15% by weight, copper Cu up to 0.1% by weight, zinc Zn up to 0.1% by weight, titanium and Ti up to 0.1 % by weight, the rest is aluminum and unavoidable impurities, where the weight ratio of beryllium Be to titanium in Ti [Be / Ti] ranges from 0.6 to 2.0, and the weight ratio of iron Fe to weight silicon Si [ Fe / Si] ranges from 0.9 to 1.1.

Sposób wytwarzania taśmy ze stopu aluminium będącego przedmiotem wynalazku obrazuje fig. 1 przedstawiająca schematycznie cykl produkcji taśmy z wykorzystaniem urządzenia do ciągłego odlewania, zaś fig. 2a i 2b przedstawiają fotografie mikrostruktury pierwotnej badanych próbek, z tym, że fig. 2a przedstawia fotografię mikrostruktury pierwotnej próbki wykonanej ze stopu aluminium według wynalazku, a fig. 2b przedstawia fotografię mikrostruktury pierwotnej próbki wykonanej ze stopu aluminium typu 8011A celem porównania.The method of producing the inventive aluminum alloy strip is shown in Fig. 1, which schematically shows the production cycle of the strip using a continuous casting machine, and Figs. 2a and 2b are photographs of the primary microstructure of the test samples, but Fig. 2a shows a photograph of the original microstructure of the sample. made of an aluminum alloy according to the invention, and Fig. 2b shows a photograph of the microstructure of a primary sample made of an aluminum alloy of the 8011A type for comparison.

Kompozycja składników stopu w stopach według wynalazku nadaje stopowi aluminium charakterystyczne właściwości globularnej struktury pierwotnej, która jest efektem jego nowego składu chemicznego. Efekt krystalizacji stopu w postaci globularnej w obecności pierwiastków stanowiących dodatki umacniające stop, takich jak Si, Fe, Mg, Mn oraz domieszki, gwarantuje równomierny rozkład nierozpuszczonych pierwiastków w postaci drobnych faz międzymetalicznych na granicy powstającychThe composition of the alloy components in the alloys according to the invention gives the aluminum alloy the characteristic properties of the globular primary structure, which is the result of its new chemical composition. The crystallization effect of the alloy in a globular form in the presence of elements that are additives strengthening the alloy, such as Si, Fe, Mg, Mn and admixtures, guarantees an even distribution of undissolved elements in the form of fine intermetallic phases at the boundary of the

PL 214 175 Β1 w wyniku krystalizacji ziaren. Powstająca struktura globularna umożliwia przy konwencjonalnym procesie przetwórczym otrzymanie w końcowym wyrobie, stanowiącym taśmę walcowaną, efektu umocnienia roztworowego oraz wydzieleniowego, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej plastyczności stopu oraz jego dobrej odporności termicznej.PL 214 175 Β1 as a result of grain crystallization. The resulting globular structure allows, with the conventional processing process, to obtain in the final product, which is a rolled strip, the effect of solution hardening and precipitation, while maintaining high plasticity of the alloy and its good thermal resistance.

Cykl produkcyjny stopu aluminium, zawierającego, oprócz aluminium, zasadniczo krzem Si w ilości 0,4-1,0% wagowo, żelazo Fe w ilości 0,35-1,2% wagowo, beryl Be w ilości 0,02-0,1% wagowo, mangan Mn w ilości do 0,15% wagowo, magnez Mg w ilości do 0,15% wagowo, miedź Cu w ilości do 0,1% wagowo, cynk Zn w ilości do 0,1% wagowo, tytan Ti w ilości do 0,1% wagowo oraz nieuniknione zanieczyszczenia, przy czym stosunek zawartości wagowych berylu Be do tytanu Ti [Be/Ti] zawiera się w przedziale od 0,6 do 2,0, a stosunek zawartości wagowych żelaza Fe do zawartości wagowych krzemu Si [Fe/Si] zawiera się w przedziale od 0,9 do 1,1, bazuje na technologii ciągłego odlewu taśmy o grubościach od 3 -10 mm i składa się, tak jak to przedstawiono na fig. 1, z topienia 121 materiału wsadowego 101 w piecu topielnym 110, stopowania 122 z zastosowaniem zapraw metalicznych 102 dla uzyskania założonego składu chemicznego, kontroli 123 składu chemicznego za pomocą urządzeń do analizy spektralnej 111, przelania 124 stopu 103 do pieca odlewniczego 112, rafinacji i filtracji 125 i odlewania 126 taśmy 104 o grubości od 3-10 mm na urządzeniu 113 do ciągłego odlewania, poprzez podanie za pomocą dyszy doprowadzającej 114 ciekłego stopu 105 pomiędzy dwa walce 115, 116 chłodzone od wewnątrz wodą 117. Końcowym etapem wytwarzania taśmy 126 jest zwinięcie 127 taśmy w rulon 106.Production cycle of an aluminum alloy containing, in addition to aluminum, essentially silicon Si in the amount of 0.4-1.0% by weight, iron Fe in the amount of 0.35-1.2% by weight, beryllium Be in the amount of 0.02-0.1 % by weight, manganese Mn up to 0.15% by weight, magnesium up to 0.15% by weight, copper Cu up to 0.1% by weight, zinc Zn up to 0.1% by weight, titanium Ti in up to 0.1% by weight and the inevitable impurities, the weight ratio of beryllium Be to titanium Ti [Be / Ti] being in the range of 0.6 to 2.0, and the weight ratio of iron Fe to weight silicon Si [Fe / Si] is in the range from 0.9 to 1.1, is based on the technology of continuously casting strip with thicknesses from 3 - 10 mm and consists, as shown in Fig. 1, of melting 121 of the batch material 101 in the melting furnace 110, alloying 122 with the use of metallic mortars 102 to obtain the assumed chemical composition, control 123 of the chemical composition using spectral analysis devices 111, overflow 124 of alloy 103 to the foundry furnace 112, refining and filtration 125 and casting 126 of a strip 104 with a thickness of 3-10 mm on a continuous casting machine 113, by feeding through a feed nozzle 114 of the liquid alloy 105 between two rollers 115, 116 cooled from the inside with water 117. The final step in the manufacture of the strip 126 is the winding 127 of the strip into a roll 106.

W momencie przejścia materiału między walcami zachodzi w określonej strefie krystalizacja ciekłego stopu aluminium-proces typowy dla odlewania/oraz zgniot-proces typowy dla walcowania. Efektem jest powstanie materiału o zmodyfikowanej strukturze, który swoimi cechami mikro- i makrostrukturalnymi jest podobny do materiału otrzymanego metodą klasyczną czyli przez walcowanie na gorąco. Ta technologia odlewania jest jedynym procesem, który łączy w sobie krzepnięcie i walcowanie w jednym etapie.As the material passes between the rolls, the crystallization of the liquid aluminum alloy takes place in a specific zone - a process typical for casting / and cold work - a process typical for rolling. The result is a material with a modified structure, which with its micro- and macrostructural features is similar to the material obtained by the classical method, i.e. by hot rolling. This casting technology is the only process that combines solidification and rolling in one step.

Fig. 2a przedstawia strukturę mikrokrystaliczną jednego ze stopów aluminium według wynalazku, który zawiera krzem Si w ilości 0,885% wagowo, żelazo Fe w ilości 0,977% wagowo, beryl Be w ilości 0,045% wagowo, mangan Mn w ilości 0,080% wagowo, magnez Mg w ilości 0,081% wagowo, miedź Cu w ilości do 0,033% wagowo, cynk Zn w ilości 0,027% wagowo, tytan Ti w ilości do 0,050% wagowo i pozostałość, którą jest aluminium Al wraz z nieuniknionymi zanieczyszczeniami w nieznacznych ilościach.Fig. 2a shows the microcrystalline structure of one of the aluminum alloys according to the invention, which contains silicon Si in the amount of 0.885% by weight, iron Fe in the amount of 0.977% by weight, beryllium in the amount of 0.045% by weight, manganese Mn in the amount of 0.080% by weight, magnesium Mg in the amount of 0.081% by weight, copper Cu up to 0.033% by weight, zinc Zn at 0.027% by weight, titanium Ti up to 0.050% by weight and the remainder which is aluminum Al along with the inevitable impurities in minor amounts.

Z kolei fig. 2b przedstawia strukturę mikrokrystaliczną stopu standartowego 8011A PN-EN 573, który zawiera krzem Si w ilości 0,652% wagowo, żelazo Fe w ilości 0,774% wagowo, beryl Be w ilości 0,045% wagowo, mangan Mn w ilości 0,083% wagowo, magnez Mg w ilości 0,064% wagowo, miedź Cu w ilości do 0,025% wagowo, cynk Zn w ilości 0,031% wagowo, tytan Ti w ilości do 0,024% wagowo, a resztąjest aluminium Al wraz z nieuniknionymi zanieczyszczeniami w nieznacznych ilościach.In turn, Fig. 2b shows the microcrystalline structure of the standard alloy 8011A PN-EN 573, which contains silicon Si in the amount of 0.652% by weight, iron Fe in the amount of 0.774% by weight, beryllium Be in the amount of 0.045% by weight, manganese Mn in the amount of 0.083% by weight, Magnesium, Mg, 0.064 wt.%, Cu copper, up to 0.025 wt.%, Zn Zn, 0.031 wt.%, Ti titanium, up to 0.024 wt.%, and the remainder Al with unavoidable impurities in minor amounts.

Z opisanych powyżej stopów wykonano próbki, z których wykonano zgłady metalograficzne do badań mikrostruktury. Ze stopów tych wykonano taśmy metodą walcowania na zimno z zastosowaniem obróbki cieplnej IT^Adzyoperacyjnej₇przy umocnieniu wynoszącym 40-80%.Samples were made of the above-described alloys, from which metallographic specimens for microstructure tests were made. These alloys were used to make strips by cold rolling using IT ^A _{heat treatment 7} with a hardening of 40-80%.

Dla obu próbek wykonano badania wytrzymałościowe według metody zgodnej z PN-EN10002-1 na próbkach w postaci pasków. Wyniki badań wytrzymałościowych obu stopów przestawiono w tabeli 1.For both samples, strength tests were carried out according to the method compliant with PN-EN10002-1 on samples in the form of strips. The results of the strength tests of both alloys are presented in Table 1.

Tabela 1Table 1

Właściwości mechaniczneMechanical properties

Rodzaj stopu Type of alloy Rm [MPa] Rm [MPa] R02 [MPa] R02 [MPa] Aso [%] Aso [%] W [%] In [%] IE [mm] IE [mm] Wg wynalazku According to the invention 160 160 142 142 4 4 0,6 0.6 4,2 4.2 8011A 8011A 145 145 135 135 3 3 1,1 1.1 3,9 3.9

gdzie:where:

R_m - wytrzymałość na rozciąganieR _m - tensile strength

R02 - umowna granica plastycznościR02 - conventional yield point

A₅₀ - wydłużenie względneA ₅₀ - relative elongation

W - wskaźnik anizotropii płaskiejW - flat anisotropy index

IE₂₀ - tłoczność metodą Erichsena.IE ₂₀ - pressing method by Erichsen's method.

Z kolei właściwości wytrzymałościowe obu stopów po obróbce cieplnej symulującej suszenie lakieru, wykonanej wg parametrów podanych w PN-EN541, przedstawiono w tabeli 2.In turn, the strength properties of both alloys after heat treatment simulating the drying of varnish, performed according to the parameters specified in PN-EN541, are presented in Table 2.

PL214 175 Β1PL214 175 Β1

Tabela 2Table 2

Właściwości mechaniczne po obróbce cieplnejMechanical properties after heat treatment

Rodzaj stopu Type of alloy Rm [MPa] Rm [MPa] R02 [MPa] R02 [MPa] Aso [%] Aso [%] W [%] In [%] IE₂₀[mm]IE ₂₀ [mm] Stop według wynalazku The alloy according to the invention 152 152 135 135 6 6 0,8 0.8 5,6 5.6 Stop typu 8011A Alloy type 8011A 125 125 105 105 6 6 1,5 1.5 4,9 4.9

Jak wynika z powyższych tabel, właściwości mechaniczne taśmy ze stopu według wynalazku są wyższe od właściwości mechanicznych taśmy wykonanej ze stopu 8011 A, dla wytrzymałości na rozrywanie o około 20%, dla umownej granicy plastyczności o około 28%, dla plastyczności IE₂O o około 14% oraz dla wskaźnika anizotropii płaskiej o około 46%. Ponadto stwierdzono, że stop aluminium według wynalazku posiada bardzo dobre właściwości tłoczne przy wysokich właściwościach wytrzymałościowych, oraz stabilność tych właściwości po obróbce cieplnej związanej z suszeniem lakieru podczas procesu wytwarzania zakrywek.As can be seen from the above tables, the mechanical properties of the strip made of the alloy according to the invention are higher than the mechanical properties of the strip made of alloy 8011 A, for tear strength by about 20%, for yield strength by about 28%, for yield strength IE ₂ O by about 14% and for the flat anisotropy index by about 46%. Moreover, it has been found that the aluminum alloy according to the invention has very good drawing properties with high strength properties, and the stability of these properties after the heat treatment associated with drying the lacquer during the cap manufacturing process.

Claims

Aluminum alloy, especially for the production of closures and lids, characterized in that it contains silicon Si in an amount of 0.4-1.0% by weight, iron Fe in an amount of 0.35-1.2% by weight, beryllium Be in an amount of 0.02 -0.1% by weight, manganese Mn up to 0.15% by weight, magnesium up to 0.15% by weight, Mg copper up to 0.1% by weight, zinc Zn up to 0.1% by weight , Ti titanium in an amount of up to 0.1% by weight, the rest of aluminum and inevitable impurities, the weight ratio of Be beryllium to Ti [Be / Ti] titanium is between 0.6 and 2.0, and the weight ratio iron Fe to the silicon Si [Fe / Si] weight content is in the range from 0.9 to 1.1.