合金元素和工艺对马口铁基板性能的影响

1、合金元素和工艺对马口铁基板性能的影响作 者 姓 名：吴鹏指 导 教 师：丁桦 教授单 位 名 称：材料与冶金学院专 业 名 称：材料与冶金学院东 北 大 学2011年6月合金元素和工艺对马口铁基板性能的影响摘要本文选用经过特定的工艺过程且成分不同的马口铁基板，对基板试样进行金相实验、拉伸实验、硬度实验、冷轧实验、退火实验、平整实验，研究不同元素、不同轧制工艺、不同退火温度、不同平整量对材料性能的影响。 关键词：马口铁基板，合金元素，轧制工艺参数，平整量，退火温度，拉伸性能，硬度Alloying elements and process of the substrate properties o

2、f tinplateThrough selecting different alloy component content of tinplate substrate and after a specific process.To the substrate Metallographic experiment, tensile experiments, hardness experiment and cold rolling, annealing experiment, level off the experiment and research different elements and d

3、ifferent rolling technology, different annealing temperature, different level off is the influence of material properties. Key words:Tinplate substrate,Alloying elements,The parameters of rolling process,Annealing temperature,Smooth quantity ,Tensile property,Hardness1引言马口铁（SPTE）是两面镀有锡的铁皮，即冷轧低碳薄钢板，可

4、防锈、耐腐蚀、无毒、又名镀锡铁。主要用于制作金属包装，包括罐头食品、饮料、化工、医药、卫生、涂料、油漆、喷雾剂、化妆品瓶盖等。本试验通过金相试验观察合金金相组织，拉伸试验测定合金拉伸性能，硬度实验比较合金硬度，以及冷轧、热轧、退火实验测定不同轧制工艺参数对基板的性能影响，从而得到不同合金元素和工艺对马口铁基板性能的影响。2.实验铸锭成分设计2.1厂家提供的成分表1.1 中粤马口铁基板成分（质量分数，%）C Si Mn P S0.101 0.03 0.51 0.016 0.0092.2国内外镀锡板的成分镀锡板的基体用钢是采用氧气顶吹转炉冶炼的。对于基体用钢的化学成分和力学性能需考虑下列条件：(1

5、) 要具有一定的强度和硬度。(2) 制罐后要容易打开。所以，基体用钢都采用低碳沸腾钢。其化学成分如下：C 0.05%0.13%；S和P0.05%；Si0.03%；Cu0.20%；Ni、Cr和As都有一定范围。一些国家的基体用钢化学成分如下表1.2所示。表1.2 几个国家镀锡基板的化学成分（质量分数，%）w(C)w(Mn)w(S)w(P)w(Si)w(Ni)w(Cr)日本0.0700.360.190.170.010.010.03法国0.0790.350.020.020.030.080.03德国0.0480.340.030.020.030.090.03俄罗斯0.0990.850.340.040.0

6、30.030.03澳大利亚0.0730.340.390.010.030.040.03英国0.0720.360.030.010.030.060.03根据不同的用途，镀锡板分为四种类型：（1） D型：用于一般容器和啤酒瓶盖。含磷和硫比较高。（2） L型：用于耐蚀性要求较高的容器。含有铜、鉻、镍及砷，杂质很少。（3） MS型：用于要求耐蚀性而强度不太大的容器。其中含镍、鉻、铜和砷比L型稍高。（4） MC型：含磷较高，在较大的平整量时，可成为高强度的镀锌板。D型、L型、MS型和MC型等4种类型的镀锡板化学成分如下表1.3所示。表1.3 4种不同用途镀锡板的化学成分（质量分数，%）类型w(C)w(Mn)

7、w(S)w(P)w(Si)w(Cu)w(Ni)w(Cr)w(As)D型0.06-0.150.2-0.70.060.01-0.020.02L型0.06-0.120.2-0.60.060.0150.100.060.040.060.02MS型0.06-0.120.2-0.60.060.0150.10MC型0.06-0.120.2-0.60.060.0150.102.3添加元素Ti的依据（1）Ti的含量在接近 Ti /N理想化学配比时 ,以TiN形式析出，高温时阻碍奥氏体晶粒的长大 ,起细晶强化作用。随着 Ti含量的增加 , TiN颗粒粗化,细晶作用减弱 ,低温时析出弥散细小的 TiC颗粒 ,起析出强

8、化作用 ,提高强度 。总之，Ti的加入，将会在很大程度上提高的材料的强度，间接地提高其弹性模量。（2）含钛的低合金钢，具有良好的力学性能和工艺性能，并能使钢的抗大气、海水、硫化氯及高温高压下抗氢、氮、氨腐蚀的能力提高，具有良好的耐腐蚀性。（3）在低碳钢中添加一定量的微合金化元素Ti可以起到控制钢板平面各向异性的作用，当Ti含量控制在一定的范围内时，可以得到接近平面各向同性的性能。（4）根据相关文献对Ti含量的制定，本实验确定Ti的含量范围为0.030.06。2.4 铸锭成分设计表根据上述的理论和实验依据，为研究C、Mn、Ti对材料性能的影响，制定了如下的铸锭成分设计表：表 1.4 铸锭成分设计

9、表（质量分数%）编号CMnSiTi10.10.30.0120.10.530.080.540.10.50.06在上面的铸锭成分设计表中，为研究不同元素对材料性能的影响，设置了如下的对比： 1和2（研究Mn的影响） 2和3（研究C的影响） 2和4（研究Ti的影响）3.实验设备及方法3.1金相实验先用线切割机切割成试样，然后用镶样机把实验样品镶好以便于打磨试样，将磨好的试样抛光后用4%的硝酸酒精进行腐蚀，腐蚀到一定时间后用酒精洗干净，接着用电吹风机吹干。最后用金相显微镜（见图2.1）观察试样的金相组织并记录实验数据。图2.1 OLYMPUSGX51倒置式金相显微镜3.2拉伸实验对平整后基铁进行0、4

10、5、90三个方向进行拉伸实验，每个方向三个试样。拉伸试样尺寸如图2-2所示。拉伸实验检测的主要内容有n值、r值、屈服强度、抗拉强度、屈强比、弹性模量等，所采用的拉伸设备如图2.2所示。图2.2 拉伸试样（mm）图2.3 电子万能试验机3.3硬度实验先将马口铁基板切割成正方形，把切割好的马口铁板置于硬度计上，平行轧向打5个点，然后垂直轧向打5个点，最后进行计算，算出平行于轧向和垂直于轧向的平均硬度值。本实验采用的是452SVD维氏硬度计（如图2.2所示），实验的加载力是10KN，加载时间是10S。 图2.4 452SVD维氏硬度计3.4热轧实验该实验主要是将铸锭热轧成所需规定尺寸的成品坯料，为接

11、下来的冷轧等工序做准备。热轧实验是在轧制技术及连轧自动化国家重点实验室进行的。f 450mm二辊可逆高刚度热轧机组各项参数如下：（a）加热炉：50kW电加热箱式炉；（b）轧辊尺寸：f 450mm450mm，最大轧制力：4000kN，轧制速度：01.5m/s，主电机功率：400kW；（c）水冷设备：管层流、水幕、超快冷却设备，冷却速度：5400/s，降温范围：300900，冷却组数：28。设备布置示意图如图2.5所示。 图2.5 f 450热轧机 热轧坯料的数量为10块，其具体成分见表1.4，其中0.1C-0.5Mn号成分的坯料轧6块，主要目的是研究不同终轧温度和卷取温度对材料性能的影响，其他成

12、分的基板各轧1块。坯料的轧前尺寸均为190mm40mm。热轧分为三个阶段，分别为粗轧、精轧和冷却，具体的压下规程如表2.1和2.2所示。第一阶段：粗轧（开轧温度:1150；终轧温度:1000）表2.1 粗轧压下规程道次轧前厚度/mm轧后厚度/mm压下率（）14028302281835.73181422.24141121.4第二阶段：精轧（开轧温度:950； 终轧温度:870）表2.2 精轧压下规程道次轧前厚度/mm轧后厚度/mm压下率（）511827.368537.575420第三阶段：冷却（开冷温度：820；终冷温度：560）注：上述的热轧方案将应用于坯料1、3、4、5，坯料2将设定不同的终

13、轧温度和卷取温度，终轧温度分别为840、870，卷取温度分别为510、560和610。3.5冷轧实验采用的实验设备为直拉式二/四辊可逆冷轧机，主要的技术参数有：（a）设备型号：150/350300；（b）工作辊直径：105-150mm；（c）支撑辊直径：350mm；（d）轧辊辊身长：300mm；（e）最大轧制速度：0-0.3m/s；（f）最大轧制力：1200KN；（g）传动比：80：1；（h）坯料最大尺寸（HWL）：60100-200600mm；（i）成品最小尺寸（HWL）：0.15100-3002000mm；（j）主机电功率：18.5KW。先将酸洗过后的热轧板由4mm左右冷轧到0.8mm，这

14、样一方面是为了接下来的精轧做准备，适当的降低每道次的压下量，另一方面是为了将热轧板的长度延伸到600mm左右，只有这样才能进行薄板带的带张力轧制，从而能够更好的轧到需要的最终厚度和有效地控制板形，最终冷轧板的厚度为0.38mm。图2.5 直拉式二/四辊可逆冷轧机3.6退火实验退火实验是在东北大学金加实验室箱形电炉进行的,该设备无保护气体，因此，退火后有氧化铁皮产生，需进行酸洗后才能进行平整。箱形电炉的主要参数包括：（a）型号：RJX-60-9；（b）额定功率：60KW；（c）最高温度：950；（d）工作电压：380/220V；（d）相数：3；（e）重量：4800。冷轧过后的每个编号板料均有两块

15、，该退火实验主要分为两大部分，一部分是研究不同合金成分、轧制工艺以及平整压下量对材料力学性能的影响，退火温度都设定为550，另一部分是研究不同退火温度对材料力学性能的影响，退火温度分别设定为500、550和580,以上两部分的退火时间均为12h。图2.6 箱形电炉3.7平整实验平整实验同样也是在轧制技术及连轧自动化国家重点实验室进行的。采用的实验设备还是直拉式二/四辊可逆冷轧机，只不过同冷轧区别的是在平整过程中，采用的是带张力轧制，这样一方面是为了轧到更薄的厚度，另一方面是为了控制板形和使表面更加的光洁。同退火实验类似，平整同样是包括两大部分，在研究合金成分、轧制工艺和退火温度的影响时，平整的

16、压下量设定值均参考厂家提供的6%7%，在研究不同平整量对n值、r值等力学参数影响时，平整量分别设定为2%、4%和6%，8%。4.实验结果与分析4.1不同合金成分的性能分析该部分主要研究合金元素C、Mn和Ti对材料性能的影响，分别选择1#（6%）、2-2-2、3#（550）、4#（550）作为研究对象，它们的的轧制工艺、退火温度和平整量均是相同的，具体为终轧温度是870，终冷温度是560，退火温度是550，平整为6%。4.1.1 金相组织比较 10.0m 10.0m10.0m10.0m1# 2#图3.1 不同合金成分的金相组织4.1.2拉伸性能和硬度比较表3.1 不同合金成分的拉伸性能比较编号s

17、/MPab/ MPaE/GPanr1323.33355157.890.060.352338.33366.67200.530.0670.453345372.5193.990.0570.6274539.167581.667203.7130.050.527表3.2 不同合金成分的硬度比较编号平行于轧向垂直于轧向1121.646122.0482193.108198.9093127.884128.0414191.498196.3981#（6%）、2#随含锰含量的增加能使实验材料的强度提高，增加锰含量能使过冷奥氏体稳定性增加，促进贝氏体相变，使得热变形后在更宽的冷却速率范围获得贝氏体相变强化，硬度增大，锰

18、含量的提高有助于提高马口铁的强度并能够改善韧性，增大材料的弹性模量，但对延伸率的提高和屈强比的降低是不利的。2#、3#对比可知随着含碳量的增加，弹性模量、硬度增加，塑性应变比r下降，成型性能下降。2#、4#随着 Ti含量的增加，材料的屈服强度s、抗拉强度b显著提高，增强了其拉伸性能，塑性应变比r增大，塑性增强。同时提高了材料的弹性模量和硬度 。4.2不同轧制工艺的性能分析该部分主要研究不同轧制工艺对材料性能的影响，它包括两大部分，一部分是2-1系，它们的终轧温度均为840，终冷温度分别为510 、560 和610，另一部分是2-2系，终轧温度均为870，终冷温度分别为510 、560 和610

19、，除此之外，它们的合金成分、退火温度以及平整量都是相同的。 4.2.1金相组织比较10.0m10.0m (a) (b) 10.0m (c)图3.2 2-1系的金相组织10.0m10.0m2-2-1 2-2-2 10.0m图3.3 2-2系的金相组织4.2.2拉伸性能和硬度比较表3.3 2-1系的拉伸性能比较编号s/MPab/MPaE/GPanra336.67419.17211.840.210.55b353.33400.83199.710.760.65c282.5361.67194.870.1230.458表3.4 2-2系的拉伸性能比较编号s/MPab/MPaE/GPanrd308.33355

20、170.7530.0830.557e338.33366.67200.530.0670.45f340370190.2930.0570.483表3.5 不同轧制工艺的硬度比较编号终轧温度（）终冷温度（）平行于轧向垂直于轧向a840510119.26119.547b560123.996127.427c610110.482109.061d870510122.466121.998e560123.108126.909f610126.662128.876不同卷取温度下铁素体组织如图所示。由图可见，卷取温度提高十分有利于铁素体组织粗化。铁素体晶粒在卷取过程中长大，温度越高，原子扩散能力越强，晶粒越容易长大。而

21、且，卷取温度越高，终轧温度与卷取温度的温差越小，钢带的冷速也越低。因此，提高卷取温度有利于铁素体组织的粗化和钢带屈服强度的降低。终轧温度是最重要的一个工艺参数，降低终轧温度，增大开轧温度与终轧温度的温度范围，减小终轧温度与卷取温度的温度范围，有利于降低钢带的轧制速度，同时降低了钢带的冷却速度。终轧温度从840提高到870时，利于实验钢强度的提高，但从塑性方面考虑，较高的终轧温度及较低的卷取温度不利于高延伸率的获得，为了保证良好的塑性，终轧温度不能太高，在保证塑性和韧性的基础上，欲提高实验钢的强度级别，应选取较低的卷取温度。终轧温度较高时，通过降低卷取温度可以实现贝氏体的相变强化，在保证较高强度

22、的同时不显著提高实验钢的屈强比，这对低碳钢的实际应用（如良好成形性能的获得）是十分重要的。4.3不同退火温度的性能分析该部分主要研究不同退火温度对材料性能的影响，选择了两个试样3#和4#，其中3#不含Ti，4#含有Ti，二者都选择了3个不同的退火温度，分别为500、550和580，其他的变量都是一致的。4.3.1金相组织比较 10.0m 10.0m 10.0m图3.4 3#的金相组织 10.0m 10.0m 10.0m 图3.5 4#的金相组织由图3.4看出，退火后的金相组织由铁素体和游离渗碳体组成。铁素体晶粒的形状为伸长的饼形晶粒，游离渗碳体以颗粒状弥散于铁素体晶粒内部或晶界处。660退火后

23、，其晶粒明显细小，说明再结晶退火不充分，随退火温度提高到680、700时素体晶粒饼形度(长度方向晶粒尺寸与宽度方晶粒尺寸之比)增大，晶粒尺寸增大，表明提高保0-温温度有利于组织粗大均匀化，700保温对的rm值较660保温时有明显提高，深冲性能到改善，但是温度提高，其组织均匀性变差，因宏观上表现为各向同性变差，即r增大。4.3.2拉伸性能和硬度比较表3.6 3#的拉伸性能比较编号温度/s/MPab/MPaE/GPanr3500370355231.0230.1230.588550345372.5193.990.0570.627580325364267.1550.0970.555表3.7 4#的拉伸

24、性能比较编号温度/s/MPab/MPaE/GPanr4500317.5456.67283.360.0910.483550375.67420133.640.0820.785580433.33444.17175.610.0280.72表3.8 不同退火温度的硬度比较编号温度/平行于轧向垂直于轧向3500110.956112.185550127.884128.041580116.827114.3314500155.715156.074550137.503134.954580126.878124.939对于不含Ti的材料，由表3.6可以看出，随退火温度的提高， r值是先减后增的， r值越大，对应得到的

25、材料成型性能越好。由表3.8看出，材料的硬度也是随退火温度的增加先增后减的。说明马口铁基板生产中的退火温度需适宜，既不能太低也不能太高，合适的退火温度有利于提高材料的塑性及韧性。对于含Ti的材料，由表3.6可以看出，随退火温度的升高，材料的屈服强度s、抗拉强度b和弹性模量明显提高，而加工硬化指数显著下降。由表3.8看出含Ti材料的硬度随退火温度的增加而单调下降。说明对于含Ti的材料，为使其有良好的加工硬化程度及高的硬度，退火温度不宜过高。4.4不同平整量的性能分析该部分研究的是不同平整量对材料性能的影响，选择1#作为研究对象，分别设定了3个不同的平整量，分别为4%、6%和8%，三块基板的其他工艺均是相同的。10.0m10.0m4.4.1金相组织比较1#-4%（1000） 1#-6%（1000） 10.0m图3.6 1#的金相组织4.4.2拉伸性能和硬度比较表3.9 1#的拉伸性能比较编号平整量s/MPab/MPaE/GPanr14%308.33340195.660.220.756%323.33355157.890.060.358%275333126.140.100.35表3.10 不同平整量的硬度比较编号平整量（%）平行于轧向垂直于轧向14102.554102.1896121.646122.