罐用铝材研究进展*

崔利群，李达人，章耀平，韩胜利

1. 广东省材料与加工研究所，国家钛及稀有金属粉末冶金工程技术研究中心，广东 广州 510650；2.广东理工职业学院，广东 广州 510091；3. 广东欧亚包装有限公司，广东 中山 528437

金属铝储量丰富，是目前用量仅次于钢铁的第二大金属材料.因金属铝具有密度小、耐腐蚀、不易破碎、成型性好、利于回收等优点，被广泛应用于包装行业.如今，我国是铝产量和铝消费量最大的国家，其中包装用铝占铝消费量的1/3.铝罐作为一种重要的包装产品得到快速发展，主要形成了易拉罐和气雾罐两种包装形式.铝罐的主要制造工艺流程如下：卷料输送—卷料润滑—落料—拉伸—罐体成形—修边—清洗烘干—堆垛/卸—涂底色—烘干—彩印—底涂—烘干—内喷涂—内烘干—灌口润滑—缩颈—旋压缩颈[1].铝罐的制造融合了冶金、化工、机械、电子、食品等诸多行业的先进技术.经过多年的发展，铝罐的制备技术不断改进，质量已大为减轻，罐形多样，印刷技术也有突破和创新.

图1 铝罐Fig.1 Aluminum cans

1 铝易拉罐

易拉罐一般可分为三种:①全铝罐(又称二片罐)；②罐身与罐底为镀锡铁皮而罐盖为铝合金，即三片罐；③罐身为钢变薄深拉而罐盖为铝合金.最初的铝制饮料罐是由罐身、罐底、罐盖三片焊接而成，所以又称为三片罐.1964年，美国Renolds金属制罐公司开发出了第一个商业化的两片式铝罐，其特点是罐体无边缝，与罐底形成一体[2].1986 年中国首条易拉罐生产线在重庆市长江电工厂投产，所用罐体料、罐盖料与拉环料全部进口.开始两片式铝罐主要在啤酒和品牌碳酸饮料中应用，后逐渐替代包装行业中的玻璃瓶和三片罐，现已成为一种主流的金属包装形式.

生产铝易拉罐主要使用两种铝合金薄板.罐盖一般是含中或高镁的合金，如5082，5182及其他相似的合金；罐体是含锰、镁的防锈铝合金，通常为3004或3104合金，具有一定的强度和良好的可成形性.

1.1 5182罐盖铝合金

5182罐盖铝合金的化学成分列于表1.5182罐盖铝合金的主要添加元素为镁，镁元素能显著提高合金的强度，又不会显著地降低其塑性.Mg在Al中可形成β相Mg2Al3，产生弥散强化作用；Mn在铝合金中形成MnAl6相，可以提高合金的再结晶温度，提高合金抗腐蚀性能；Cr元素的作用和Mn相似，常以Al12Mg2Cr的细小第二相形式存在，能提高抗应力腐蚀能力和焊缝强度，Mn和Cr同时加入的强化效果将大于单独一种元素的加入；Zn可提高抗拉强度；Ti元素起到细化晶粒的作用[3-5].5182铝合金中的Si，Fe，Cu元素为有害元素.Si与Mg形成Mg2Si，会降低合金塑性，其质量分数须低于0.5%；Fe元素会降低合金塑性、耐腐蚀性，应控制合金中Fe质量分数低于0.4%；Cu元素会显著降低合金的耐腐蚀性，其质量分数须低于0.2%.

表1 5182铝合金的化学成分

5182罐盖铝合金的生产流程主要包括：铸造、均匀化退火、热轧、冷轧四个工序.5182铝合金中Mg含量高，易形成非金属夹杂和氢含量超标，在铸造过程中Mg容易在表面偏析，因此需要对铸锭进行均匀化退火并尽量降低铸锭的杂质含量.5182铝合金在热轧过程中较易发生再结晶，再结晶之后的织构通常比较弱，对罐盖板材的深冲性能不利.为了控制织构以改善板材的成型性，对铝合金在轧制和退火过程中织构的演变规律进行了大量研究[6-7].从金属板坯上切下的圆片经过深冲成杯状物后，往往发现冲杯高度不均匀，这种现象称为制耳.深冲制耳是材料显著不均匀变形的结果，会增加生产能耗、降低成品率.目前，罐盖材料主要存在两个方面的问题：烘烤后强度不足和深冲制耳.

1.2 3104罐体铝合金

罐体铝材必须具有优良的深冲变形性能(延伸率大于3%，制耳率小于2%)、高的强度(拉伸强度275～285 MPa，屈服强度270～280 MPa，罐身轴向承压强度≥1.35 kN，罐底耐压强度≥630 MPa)，罐体厚度应较薄并消除制耳以节约材料降低成本.3104罐体铝合金是在3004铝合金的基础上通过调整合金元素的成分发展而来的，具有较高的强度、耐蚀性好以及深冲与减薄拉深性能好等优点[8-10].3104罐体铝合金的工业化生产已取得较大的进展，不少企业已经可以稳定地生产出高质量、低制耳率的板材.

3104铝合金中主要添加元素为锰，在提高合金力学性能的同时又不会降低合金的抗蚀性.但铝锰合金在半连续铸造时晶内偏析较为严重，所以需要对其进行均匀化处理.温度、均匀化时间、枝晶尺寸、扩散时间都是影响均匀化效果的重要因素[11].3104铝合金在均匀化过程中会析出一定数量的Al12Mn3Si弥散相，而弥散相的尺寸和分布会影响热轧过程中再结晶晶粒的形核和长大，从而影响再结晶织构与冷轧织构的配比[12].

3104铝合金中存在大量过剩的结晶相、弥散相等第二相粒子.第二相粒子能够防止减薄深冲时合金与工具表面之间的热粘着，但在减薄深冲时容易成为破裂的起点，形成针孔等缺陷.研究人员针对第二相的组态对合金的再结晶行为、强度、成形性等的影响进行了大量研究[13-14].化学成分、铸造工艺和均匀化处理是调控第二相粒子组态的主要手段.胡卓超等人[15]的研究表明，3104铝合金为正应变速率敏感材料，具有稳态流变的特征.W. B. Hutchinson等人[16]研究了合金成分和工艺参数对铝合金组织、织构和制耳的影响，结果表明合金中铁的含量、铝锭均匀化温度、最终热轧温度和退火升温速率对产品性能影响显著.控制材料的再结晶织构与轧制变形织构达到某一适当比例时，深拉杯的制耳率可达最小值[17-19].

2 铝气雾罐

气雾罐是带有喷射阀门和喷雾推进的气密性包装容器，要求罐体能承受一定的内压力，一般采用强度较高的马口铁、铝板等材料制造[20].铝质气雾罐因其质量轻、耐腐蚀、耐压性等优点，被大量应用于工业和家居产品、包装饮料、个人护理产品及其他消费品等领域[21-22].全球铝气雾罐行业在2016年实现了3%的增长，产量达到55亿个，其中个人护理品用罐量占80%，用于工业和家居产品的铝气雾罐占10%，用于药品领域的占5%[23].

铝质气雾罐的生产过程：制作铝坯料( 铝原块) →将铝块反挤压一次成形罐体→切边并修整→内外涂漆及印刷→拱底、收颈、卷边→检验、包装[24].生产铝气雾罐需要性能优异的铝板材，不仅要求组织均匀、性能稳定、表面质量高，而且对尺寸公差和成型性能要求严格，尤其要求具备优异的深冲性能，冲制好的铝罐需承受大于3 MPa的变形和爆破压力，因而生产难度大[25-26].Gao Sheng Fu等人[27]以纯度较低(Al99.5)的商业用铝为原料，研究了熔体处理技术对制备罐用铝片冶金质量和力学性能的影响规律，发现高效熔体处理技术可使铝片的冶金质量显著提高.热压缩变形温度对气雾罐用铝材的流变应力和软化率影响显著[28].国产气雾罐几乎都是标准的圆柱形，异形罐产量较少，价格比普通罐高10%～15%[29].

气雾罐的质量状况决定了气雾剂产品的安全性和储存期，承压能力不足可能随时引致爆炸；密封性不良易引起渗漏，使喷雾功能消失；内涂层不良，涂层容易脱落以致碎片堵塞阀门，甚至引起罐壁腐蚀穿孔[30].

3 铝罐减薄技术

铝材作为两片铝罐的主要原材料，占铝罐运营成本的70%以上.在铝罐的生产过程中，降低成本最重要的途径是减小铝罐的厚度[31-32].以330 mL的两片铝罐为例，表2列出了目前中国与国外的主流罐用铝材厚度[33].表2列出的铝材厚度说明，中国的制罐企业仍有较大的减薄空间，以降低成本.

表2中国与国外罐用铝材的厚度

Table2ThicknessofaluminumsheetsforcansinChinaandabroad

国 家铝材厚度/ mm中 国0.265～0.270欧 洲0.245～0.250

与其他金属材料成型工艺相比，以铝薄板生产罐体所采用的减薄拉深工艺是非常复杂的成形操作.图2为用减薄拉深工艺生产罐体的拉深过程的示意图[34].铝板材经落料拉深后形成杯体，之后经再次拉深及三次减薄，形成上端厚壁t1、中部薄壁t2、底部厚t3的罐体.依靠减薄罐体t1、t2的厚度，实现减薄用材厚度是固有的方法.厚度的减小使铝罐成为薄壁件，薄壁件在加工过程中，因刚性差、强度低，在加工过程中受切削力、夹紧力、残余应力、切削热等多种因素的影响，很容易产生加工变形，甚至报废.

图2 罐体拉深过程的示意简图Fig.2 Schematic diagram for deep drawing process of can body

罐材的薄壁化，要求其内在冶金质量好、深冲性能好、制耳率低.林明山等人[35]的研究表明，3104 铝合金罐用板材减薄至0.265mm 是可以实现的，经过再次拉深及三次减薄后，罐体最薄壁厚可达到0.0989 mm，并能满足耐压的要求.在罐体的生产过程中，减薄拉深工序中最容易发生断罐，进而导致生产中断.因此，在降低材料厚度的同时，要保证生产效率，避免废品增多而引起隐性成本增加.

4 结 语

(1)经过多年研究，我国罐用铝材生产技术不断提高，通过调整铝材中合金元素成分、对铸锭进行熔体处理和均匀化处理、控制轧制和退火工艺中织构的比例以及控制第二相粒子的形状和分布，可生产出高质量、低制耳率的板材.

(2)罐用铝材的轻量化是降低铝罐生产成本的重要技术手段，罐体正朝着越来越薄的方向发展，但罐体的薄壁化所引起的断罐率较高、制耳率较高以及质量不稳定等问题尚不能有效解决.同时罐体厚度减薄未来会发展至极限，必须寻求更有效的铝罐轻量化技术手段.