崔利群，李達(dá)人，章耀平，韓勝利

1. 廣東省材料與加工研究所，國(guó)家鈦及稀有金屬粉末冶金工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510650；2.廣東理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510091；3. 廣東歐亞包裝有限公司，廣東 中山 528437

金屬鋁儲(chǔ)量豐富，是目前用量?jī)H次于鋼鐵的第二大金屬材料.因金屬鋁具有密度小、耐腐蝕、不易破碎、成型性好、利于回收等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于包裝行業(yè).如今，我國(guó)是鋁產(chǎn)量和鋁消費(fèi)量最大的國(guó)家，其中包裝用鋁占鋁消費(fèi)量的1/3.鋁罐作為一種重要的包裝產(chǎn)品得到快速發(fā)展，主要形成了易拉罐和氣霧罐兩種包裝形式.鋁罐的主要制造工藝流程如下：卷料輸送—卷料潤(rùn)滑—落料—拉伸—罐體成形—修邊—清洗烘干—堆垛/卸—涂底色—烘干—彩印—底涂—烘干—內(nèi)噴涂—內(nèi)烘干—灌口潤(rùn)滑—縮頸—旋壓縮頸[1].鋁罐的制造融合了冶金、化工、機(jī)械、電子、食品等諸多行業(yè)的先進(jìn)技術(shù).經(jīng)過多年的發(fā)展，鋁罐的制備技術(shù)不斷改進(jìn)，質(zhì)量已大為減輕，罐形多樣，印刷技術(shù)也有突破和創(chuàng)新.

圖1 鋁罐Fig.1 Aluminum cans

1 鋁易拉罐

易拉罐一般可分為三種:①全鋁罐(又稱二片罐)；②罐身與罐底為鍍錫鐵皮而罐蓋為鋁合金，即三片罐；③罐身為鋼變薄深拉而罐蓋為鋁合金.最初的鋁制飲料罐是由罐身、罐底、罐蓋三片焊接而成，所以又稱為三片罐.1964年，美國(guó)Renolds金屬制罐公司開發(fā)出了第一個(gè)商業(yè)化的兩片式鋁罐，其特點(diǎn)是罐體無邊縫，與罐底形成一體[2].1986 年中國(guó)首條易拉罐生產(chǎn)線在重慶市長(zhǎng)江電工廠投產(chǎn)，所用罐體料、罐蓋料與拉環(huán)料全部進(jìn)口.開始兩片式鋁罐主要在啤酒和品牌碳酸飲料中應(yīng)用，后逐漸替代包裝行業(yè)中的玻璃瓶和三片罐，現(xiàn)已成為一種主流的金屬包裝形式.

生產(chǎn)鋁易拉罐主要使用兩種鋁合金薄板.罐蓋一般是含中或高鎂的合金，如5082，5182及其他相似的合金；罐體是含錳、鎂的防銹鋁合金，通常為3004或3104合金，具有一定的強(qiáng)度和良好的可成形性.

1.1 5182罐蓋鋁合金

5182罐蓋鋁合金的化學(xué)成分列于表1.5182罐蓋鋁合金的主要添加元素為鎂，鎂元素能顯著提高合金的強(qiáng)度，又不會(huì)顯著地降低其塑性.Mg在Al中可形成β相Mg2Al3，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用；Mn在鋁合金中形成MnAl6相，可以提高合金的再結(jié)晶溫度，提高合金抗腐蝕性能；Cr元素的作用和Mn相似，常以Al12Mg2Cr的細(xì)小第二相形式存在，能提高抗應(yīng)力腐蝕能力和焊縫強(qiáng)度，Mn和Cr同時(shí)加入的強(qiáng)化效果將大于單獨(dú)一種元素的加入；Zn可提高抗拉強(qiáng)度；Ti元素起到細(xì)化晶粒的作用[3-5].5182鋁合金中的Si，F(xiàn)e，Cu元素為有害元素.Si與Mg形成Mg2Si，會(huì)降低合金塑性，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)須低于0.5%；Fe元素會(huì)降低合金塑性、耐腐蝕性，應(yīng)控制合金中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.4%；Cu元素會(huì)顯著降低合金的耐腐蝕性，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)須低于0.2%.

表1 5182鋁合金的化學(xué)成分

5182罐蓋鋁合金的生產(chǎn)流程主要包括：鑄造、均勻化退火、熱軋、冷軋四個(gè)工序.5182鋁合金中Mg含量高，易形成非金屬夾雜和氫含量超標(biāo)，在鑄造過程中Mg容易在表面偏析，因此需要對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化退火并盡量降低鑄錠的雜質(zhì)含量.5182鋁合金在熱軋過程中較易發(fā)生再結(jié)晶，再結(jié)晶之后的織構(gòu)通常比較弱，對(duì)罐蓋板材的深沖性能不利.為了控制織構(gòu)以改善板材的成型性，對(duì)鋁合金在軋制和退火過程中織構(gòu)的演變規(guī)律進(jìn)行了大量研究[6-7].從金屬板坯上切下的圓片經(jīng)過深沖成杯狀物后，往往發(fā)現(xiàn)沖杯高度不均勻，這種現(xiàn)象稱為制耳.深沖制耳是材料顯著不均勻變形的結(jié)果，會(huì)增加生產(chǎn)能耗、降低成品率.目前，罐蓋材料主要存在兩個(gè)方面的問題：烘烤后強(qiáng)度不足和深沖制耳.

1.2 3104罐體鋁合金

罐體鋁材必須具有優(yōu)良的深沖變形性能(延伸率大于3%，制耳率小于2%)、高的強(qiáng)度(拉伸強(qiáng)度275～285 MPa，屈服強(qiáng)度270～280 MPa，罐身軸向承壓強(qiáng)度≥1.35 kN，罐底耐壓強(qiáng)度≥630 MPa)，罐體厚度應(yīng)較薄并消除制耳以節(jié)約材料降低成本.3104罐體鋁合金是在3004鋁合金的基礎(chǔ)上通過調(diào)整合金元素的成分發(fā)展而來的，具有較高的強(qiáng)度、耐蝕性好以及深沖與減薄拉深性能好等優(yōu)點(diǎn)[8-10].3104罐體鋁合金的工業(yè)化生產(chǎn)已取得較大的進(jìn)展，不少企業(yè)已經(jīng)可以穩(wěn)定地生產(chǎn)出高質(zhì)量、低制耳率的板材.

3104鋁合金中主要添加元素為錳，在提高合金力學(xué)性能的同時(shí)又不會(huì)降低合金的抗蝕性.但鋁錳合金在半連續(xù)鑄造時(shí)晶內(nèi)偏析較為嚴(yán)重，所以需要對(duì)其進(jìn)行均勻化處理.溫度、均勻化時(shí)間、枝晶尺寸、擴(kuò)散時(shí)間都是影響均勻化效果的重要因素[11].3104鋁合金在均勻化過程中會(huì)析出一定數(shù)量的Al12Mn3Si彌散相，而彌散相的尺寸和分布會(huì)影響熱軋過程中再結(jié)晶晶粒的形核和長(zhǎng)大，從而影響再結(jié)晶織構(gòu)與冷軋織構(gòu)的配比[12].

3104鋁合金中存在大量過剩的結(jié)晶相、彌散相等第二相粒子.第二相粒子能夠防止減薄深沖時(shí)合金與工具表面之間的熱粘著，但在減薄深沖時(shí)容易成為破裂的起點(diǎn)，形成針孔等缺陷.研究人員針對(duì)第二相的組態(tài)對(duì)合金的再結(jié)晶行為、強(qiáng)度、成形性等的影響進(jìn)行了大量研究[13-14].化學(xué)成分、鑄造工藝和均勻化處理是調(diào)控第二相粒子組態(tài)的主要手段.胡卓超等人[15]的研究表明，3104鋁合金為正應(yīng)變速率敏感材料，具有穩(wěn)態(tài)流變的特征.W. B. Hutchinson等人[16]研究了合金成分和工藝參數(shù)對(duì)鋁合金組織、織構(gòu)和制耳的影響，結(jié)果表明合金中鐵的含量、鋁錠均勻化溫度、最終熱軋溫度和退火升溫速率對(duì)產(chǎn)品性能影響顯著.控制材料的再結(jié)晶織構(gòu)與軋制變形織構(gòu)達(dá)到某一適當(dāng)比例時(shí)，深拉杯的制耳率可達(dá)最小值[17-19].

2 鋁氣霧罐

氣霧罐是帶有噴射閥門和噴霧推進(jìn)的氣密性包裝容器，要求罐體能承受一定的內(nèi)壓力，一般采用強(qiáng)度較高的馬口鐵、鋁板等材料制造[20].鋁質(zhì)氣霧罐因其質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐壓性等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于工業(yè)和家居產(chǎn)品、包裝飲料、個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品及其他消費(fèi)品等領(lǐng)域[21-22].全球鋁氣霧罐行業(yè)在2016年實(shí)現(xiàn)了3%的增長(zhǎng)，產(chǎn)量達(dá)到55億個(gè)，其中個(gè)人護(hù)理品用罐量占80%，用于工業(yè)和家居產(chǎn)品的鋁氣霧罐占10%，用于藥品領(lǐng)域的占5%[23].

鋁質(zhì)氣霧罐的生產(chǎn)過程：制作鋁坯料( 鋁原塊) →將鋁塊反擠壓一次成形罐體→切邊并修整→內(nèi)外涂漆及印刷→拱底、收頸、卷邊→檢驗(yàn)、包裝[24].生產(chǎn)鋁氣霧罐需要性能優(yōu)異的鋁板材，不僅要求組織均勻、性能穩(wěn)定、表面質(zhì)量高，而且對(duì)尺寸公差和成型性能要求嚴(yán)格，尤其要求具備優(yōu)異的深沖性能，沖制好的鋁罐需承受大于3 MPa的變形和爆破壓力，因而生產(chǎn)難度大[25-26].Gao Sheng Fu等人[27]以純度較低(Al99.5)的商業(yè)用鋁為原料，研究了熔體處理技術(shù)對(duì)制備罐用鋁片冶金質(zhì)量和力學(xué)性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)高效熔體處理技術(shù)可使鋁片的冶金質(zhì)量顯著提高.熱壓縮變形溫度對(duì)氣霧罐用鋁材的流變應(yīng)力和軟化率影響顯著[28].國(guó)產(chǎn)氣霧罐幾乎都是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形，異形罐產(chǎn)量較少，價(jià)格比普通罐高10%～15%[29].

氣霧罐的質(zhì)量狀況決定了氣霧劑產(chǎn)品的安全性和儲(chǔ)存期，承壓能力不足可能隨時(shí)引致爆炸；密封性不良易引起滲漏，使噴霧功能消失；內(nèi)涂層不良，涂層容易脫落以致碎片堵塞閥門，甚至引起罐壁腐蝕穿孔[30].

3 鋁罐減薄技術(shù)

鋁材作為兩片鋁罐的主要原材料，占鋁罐運(yùn)營(yíng)成本的70%以上.在鋁罐的生產(chǎn)過程中，降低成本最重要的途徑是減小鋁罐的厚度[31-32].以330 mL的兩片鋁罐為例，表2列出了目前中國(guó)與國(guó)外的主流罐用鋁材厚度[33].表2列出的鋁材厚度說明，中國(guó)的制罐企業(yè)仍有較大的減薄空間，以降低成本.

表2中國(guó)與國(guó)外罐用鋁材的厚度

Table2ThicknessofaluminumsheetsforcansinChinaandabroad

國(guó) 家鋁材厚度/ mm中 國(guó)0.265～0.270歐 洲0.245～0.250

與其他金屬材料成型工藝相比，以鋁薄板生產(chǎn)罐體所采用的減薄拉深工藝是非常復(fù)雜的成形操作.圖2為用減薄拉深工藝生產(chǎn)罐體的拉深過程的示意圖[34].鋁板材經(jīng)落料拉深后形成杯體，之后經(jīng)再次拉深及三次減薄，形成上端厚壁t1、中部薄壁t2、底部厚t3的罐體.依靠減薄罐體t1、t2的厚度，實(shí)現(xiàn)減薄用材厚度是固有的方法.厚度的減小使鋁罐成為薄壁件，薄壁件在加工過程中，因剛性差、強(qiáng)度低，在加工過程中受切削力、夾緊力、殘余應(yīng)力、切削熱等多種因素的影響，很容易產(chǎn)生加工變形，甚至報(bào)廢.

圖2 罐體拉深過程的示意簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram for deep drawing process of can body

罐材的薄壁化，要求其內(nèi)在冶金質(zhì)量好、深沖性能好、制耳率低.林明山等人[35]的研究表明，3104 鋁合金罐用板材減薄至0.265mm 是可以實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)過再次拉深及三次減薄后，罐體最薄壁厚可達(dá)到0.0989 mm，并能滿足耐壓的要求.在罐體的生產(chǎn)過程中，減薄拉深工序中最容易發(fā)生斷罐，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)中斷.因此，在降低材料厚度的同時(shí)，要保證生產(chǎn)效率，避免廢品增多而引起隱性成本增加.

4 結(jié) 語

(1)經(jīng)過多年研究，我國(guó)罐用鋁材生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，通過調(diào)整鋁材中合金元素成分、對(duì)鑄錠進(jìn)行熔體處理和均勻化處理、控制軋制和退火工藝中織構(gòu)的比例以及控制第二相粒子的形狀和分布，可生產(chǎn)出高質(zhì)量、低制耳率的板材.

(2)罐用鋁材的輕量化是降低鋁罐生產(chǎn)成本的重要技術(shù)手段，罐體正朝著越來越薄的方向發(fā)展，但罐體的薄壁化所引起的斷罐率較高、制耳率較高以及質(zhì)量不穩(wěn)定等問題尚不能有效解決.同時(shí)罐體厚度減薄未來會(huì)發(fā)展至極限，必須尋求更有效的鋁罐輕量化技術(shù)手段.