Mn、Cr元素对5182铝合金板材组织及性能的影响

邹立颖，董学光，陈 伟，杨 阳，谷宁杰，王眉眉

（中铝材料应用研究院有限公司，北京 102209）

0 前言

5182铝合金因其强度高、良好的耐腐蚀性能和成型性而被用做易拉罐盖材料。根据易拉罐生产商提供的信息，易拉罐盖需在耐压实验中不发生鼓起变形才可满足汽水、啤酒等饮料的使用要求，这就要求罐盖料用5182铝合金板材具有足够高的屈服强度。易拉罐盖的减薄意味着对板材屈服强度的要求进一步提高。

5182铝合金属热处理不可强化合金，其主要强化方式为固溶强化、加工硬化、细晶强化[1]。本文主要关注Mn、Cr两元素对罐盖用5182铝合金组织及力学性能的影响。据文献报道可知，Mn元素在该合金中主要以两种方式存在，一种是固溶于基体中，另一种是以MnAl6相形式析出[2-4]；其主要作用有：提高合金的再结晶温度，提高合金强度和抗腐蚀性能，且可使含Fe相的边角圆润化并降低其脆性，从而降低Fe元素对材料性能的不利影响[5]。Cr与Mn作用相似，也可提高合金强度，抑制合金的再结晶行为[6-8]。此前的文献[8-10]大都是简要概述Mn、Cr等合金元素在5×××系铝合金中的作用，或是研究Mn、Cr元素含量变化对5×××系铝合金中含Mn、Cr第二相（如：Al-Mn-Cr、（FeMn）Al6等）及弥散相（如：Al7Cr、Al6Mn等）分布的影响规律[11-14]，尚未有关于Mn、Cr元素含量变化对β相（Mg2Al3、Mg5Al8）析出分布变化的影响规律及机制的研究。作为5×××系铝合金中重要的析出相，β相的析出分布情况常被用来判断合金的抗腐蚀性能[15-17]。本文系统地分析了Mn、Cr元素含量变化对5182板材β相析出分布、电导率、晶粒组织及力学性能的影响规律，通过观察β相析出分布变化可定性分析5182板材加工硬化程度，不仅可减少实验量，降低研发成本，还为5×××系铝合金的研究提供了一种新方法。

1 材料制备及实验过程

实验用材料为3种不同合金成分的5182罐盖料铸锭，铸锭合金成分见表1。这3种不同合金成分的5182油浴后板材制备工艺见图1，即对3种铸锭进行双级均匀化处理，再将均匀化铸锭进行热轧、冷轧至1.5 mm，再进行330℃/2 h中间退火，再冷轧至0.22 mm。取适当大小的3种冷轧板进行249℃/20 s油浴处理模拟罐盖板材涂覆树脂烘烤过程。

图1 3种5182油浴后板材的制备工艺

表1 3种铸锭的化学成分（质量分数/%）

对3种油浴后板材进行120℃/168 h的敏化处理，使β相（Mg2Al3、Mg5Al8）充分析出，将所获3种板材用10%H3PO4溶液（V(H3PO4)∶V(H2O)）=1∶9）腐蚀10 min，用金相显微镜观察其纵截面β相的分布形态。

采用DH1718E-4型直流双路跟踪稳压稳流电源对3种油浴后板材进行阳极覆膜处理（覆膜液采用标准GB/T 3246.1—2012推荐的硫酸磷酸溶液），用金相显微镜偏光模式观察所得板材纵截面的晶粒组织。

采用SIGMATEST 2.069涡流电导率仪测试3种油浴后板材电导率。

采用万能拉伸机（CSS-44100）对油浴后板材进行拉伸实验，拉伸速率为3 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 Mn、Cr元素对板材微观组织的影响

在5182合金中，Mg主要以两种形式存在，一种为固溶状态，另一种是以析出相β相形式存在[8]。对大变形后的板材进行适当的热处理，β相易在位错、晶界、亚晶界等缺陷处析出。为了研究Mn、Cr元素含量对大变形后5182板材加工硬化程度的影响规律，可利用β相的析出特点，通过对比β相的析出分布变化来间接表征板材的加工硬化程度变化。经多组试验对比后最终确定，对5182油浴后板材进行120℃/168 h敏化处理可使β相充分析出。

图2为3种敏化处理板材经10%H3PO4溶液腐蚀后的微观组织图。从图中可看出，3种板材均分布着大量细小析出相，如图中箭头所指，结合资料可知[8]，这些析出相即为β相。由图2可知，A合金（高Mn高Cr）中β相在晶界和剪切带集中析出明显多于B合金（低Mn高Cr）和C合金（高Mn低Cr）。

图2 3种合金油浴后板材β相分布

一方面，根据位错理论[18]可知，加工硬化是因为板材在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间交互作用不断增强，位错的运动越来越困难引起的。合金元素的加入会增加位错运动的障碍[19]。另一方面，根据材料热力学原理可知[18]，对体系作功，一部分转化为内能储存在体系内，其余变成热量消失掉。由此可知，在冷加工过程中，外部对板材作功，部分功用于板材塑性变形以畸变能的形式储存在板材内部。对于畸变能越高的板材，其热力学状态越不稳定，更容易在晶界、位错等缺陷处发生析出现象。

结合以上分析，可得出如下结论：经相同工艺获得的3种大变形板材，Mn、Cr元素含量越高，位错运动越困难，致使板材内部畸变能和内应力越高，在晶界和剪切带集中析出的β相越多，表明板材加工硬化程度越大。因此Mn、Cr元素的增加提高了板材的加工硬化程度。

2.2 Mn、Cr元素对板材电导率的影响

已有研究表明，合金元素的添加会使铝基体产生晶格畸变，导致自由电子的散射加剧，从而降低铝合金电导率，其中Mn、Cr等过渡族元素对电导率的影响尤其显著[20]。另外，溶质原子的加入，由于尺寸效应所引起的点阵畸变是固溶强化的主要因素[19]。因此，可通过对比这种板材电导率的变化情况间接判断其相应的铝基体晶格畸变程度，进而判断板材的强化程度。

由图3知，随Mn、Cr元素含量的增加，油浴后板材电导率降低，这一结果与前面的分析一致，即Mn、Cr元素增加，导致基体点阵畸变增大，合金的电阻率增大，电导率降低。由此可推测，高Mn、Cr元素板材点阵畸变程度更大，其强化作用也随之增大，这一点将在2.4中进一步验证。

图3 油浴后板材电导率与合金元素含量的变化关系

2.3 Mn、Cr元素对板材晶粒组织的影响

为了研究合金元素的加入对板材再结晶行为的影响规律，对3种油浴后板材晶粒组织进行了观察，如图4所示。由图4可知，3种油浴后板材晶粒均沿轧向成纤维状，均未发生再结晶，无明显差别。因此Mn、Cr元素含量对油浴后板材晶粒组织无明显影响。

图4三种油浴后板材纵截面晶粒组织

2.4 Mn、Cr元素对板材拉伸性能的影响

图5 给出了3种油浴后板材的拉伸性能。由图5可知，随Mn、Cr元素含量的增加，油浴后板材屈服强度增大。如前所述，这一方面是由于Mn、Cr元素的增加对位错的钉扎作用增强，增加位错运动障碍；另一方面，Mn、Cr元素的增加引起基体点阵畸变程度加剧，阻碍了位错运动。所有阻止位错运动、增加位错移动阻力的因素都可使材料强度提高。

图5 油浴后板材屈服强度与合金元素含量的变化关系

3 结论

（1）对于5182合金，β相的析出可用来定性分析合金加工硬化程度，在所研究的成分范围内，Mn、Cr元素的增加会引起β相在晶界和剪切带集中析出明显增多。

（2）在本研究的成分范围内，Mn、Cr元素的增加引起铝基体晶格畸变加剧、对位错运动的阻碍作用增强，5182合金油浴后板材的固溶强化作用和加工硬化程度增强。

（3）在所研究的成分范围内，Mn、Cr元素含量越高，5182油浴后板材的屈服强度越高。