铝板带箔材在包装及容器工业中的开发应用（上）

  铝板带箔材在包装及容器工业中的开发应用（上）

1 包装及容器用铝板带箔材的发展概况

食品业与制药业广泛应用铝，因为铝无毒性、无吸附性、不易碎裂、能抑制细菌生长并能用蒸汽清洗。当集装箱或输送带须进入加热或冷冻区时，铝的低容积比热可以起节能作用。铝的无火花性质，对于面粉厂和其它易受火灾与爆炸危害的工厂而言是宝贵的。铝的抗腐蚀性，对于包装运输脆性商品、贵重化学试剂和化妆品很重要。用于空运、船运、火车和卡车装运的密封铝集装箱，可用来装运不宜散装的化学试剂。

包装业一直是铝的重要消费市场之一，且发展很快，2005年全世界包装、容器用铝量占全球铝总产量的2l％ 左右。包装业产品包括家用包装材料、软包装、食品容器、瓶盖、软管、饮料罐、食品罐等。

铝制饮料罐是铝的应用史中最为成功的一例；铝制食品罐也在加速渗入市场，软饮料、啤酒、咖啡、快餐食品、肉类、酒类，均可包装在铝罐内；生啤酒可在包铝的铝桶内装运；铝还广泛用于牙膏、食品、软膏和颜料的包装软管以及药品的软包装袋。归纳起来，包装用铝材的主要形式有：

① 用铝箔制成的软包装袋，用于食品工业、医药工业及化妆品行业；

② 用铝箔制成的半刚性容器(盒、杯、罐、碟、小箱)；

③ 家用铝箔和食品包装用铝箔；

④ 金属罐盒、玻璃瓶和塑料瓶的密封盖；

⑤ 刚性全铝罐，特别是二片全铝啤酒罐和软饮料罐(硬包装罐)；

⑥ 复合箔制容器；

⑦ 软的管形容器；

⑧ 大型刚性包装容器，如集装箱、冷藏箱、啤酒桶、氧气瓶、液化天然气罐等。

美国铝罐料用铝量，1975年为65万t，1980年达100万t以上；2005年美国全铝易拉罐产量为1 300亿只左右(消费量1000亿只以上，出口量约占23％)，耗铝材200万t以上，约占其铝板带材总产量(465万t)的4l％ ，处于平稳发展期(年增长1％ 一2％)。日本2005年铝罐料产消量约为44万t，其中罐盖及拉环l4万t，罐体料30万t，也处于平稳发展阶段(年增长率2％左右)。

2005年，欧洲的铝罐料产消量约为120万t，韩国11．5万t，巴西11．5万t，其它国家约l0万t，这些国家的年增长率约为5％～10％。

目前，全球铝罐料的总产量已达430万tla左右，其中罐体料289万t／a，罐盖及拉环料141万t／a。除美国、日本、欧洲等国家和地区已处于相对稳定发展期外，中国、巴西、印度等国家尚处于高速发展期，因此全球的年增长率仍会保持在8％以上。

我国铝罐的应用历史不长，基础较差，但近年来发展很快。2003年产消量为75亿只，2004年为82亿只，2005年达103亿只，平均年增长l7．5％ 。估计到2010年可达180亿只，以后会以10％的速度增长若干年。2005年全国已有l6家制罐企业，共22条生产线，总生产能力达115亿只／年。预计在不久的将来，我国不仅是铝罐料的生产大国，也会成为铝罐的消费大国。

2 易拉罐用铝合金带材的技术开发与应用

2．1 铝易拉罐料的应用情况

目前，美国容器包装工业用铝量，约占美国铝消费总量的25％ ，占轧制产品的40％左右；全铝二片饮料罐占总饮料罐市场的3／4以上，占啤酒市场的80％，占软饮料罐市场的60％。澳大利亚容器包装工业用铝量，占其铝半成品总量的28％ 以上；铝罐占啤酒市场用罐量的75％ ～80％ ，占饮料罐市场的72％ 以上。西欧、日本等国的铝罐比例相对较小，但近年来增长很快，特别是日本的铝罐料生产和消费在飞速发展。中国人均易拉罐消费量(3．8只／人·年)还很低，仅为美国(380只／人·年)的1／100左右，但发展速度很快。按1 t带材(0．28 HⅡn厚)生产7×10 只(外加1．92％工艺废罐)计算，2005年我国共消费103亿只罐，折合罐体料15万t、盖料及拉环7万t，(罐体：罐盖(环)=68：32)，共计22万t。估计到2010年我国铝易拉罐用铝带材的消费量为39万t／a，2015年可达62．5万t／a，可见中国的易拉罐市场还有广阔的发展空间。

2．2 易拉罐对铝带材的质量要求

铝易拉罐的生产要经过40多道工序，其中与铝带材性能相关的主要工序有落料、冲杯、变薄拉深、修边、冲洗、外印、内喷涂、烘干、缩颈、翻边等。铝带材必须具有适当的强度和良好的深冲成型性，以保证连续冲制、变薄拉深的顺利进行和烘烤后具有适当的屈服强度。在易拉罐罐体的生产过程中，首先是将厚度为0．25 mill～0．30 HⅡn的带材冲落成直径为138 mm左右的圆料；然后经两次深冲制成冲杯，其直径减缩率大于50％；再经过三次变薄拉深，壁厚减到0．08 HⅡn～0．10 HⅡn，拉伸减薄率超过65％。由于变薄拉深加工可使坯料的延伸性处于极低状态，所以即使是很小的夹杂物也会成为破裂、折边的原因；随后，要保证在修边缩颈和翻边过程中不出现断裂，也要求材料具有较好的塑性；经过几次烘烤后，必须保证罐体的轴向承压和罐底耐压能力，要求罐体轴向承压1．35 kN，罐底耐压强度630 kPa，以确保罐装和储运顺利进行。因此，对罐体用铝带材的综合性能提出了相当严格的要求：抗拉强度270～310 MPa，屈服强度250～300 MPa，延伸率大于3％ ，制耳率小于2％ ；带材表面无明显波纹，表面光洁度均匀一致，无氧化，无肉眼可见的夹杂、压伤、斑痕等缺陷；带厚均匀一致，厚差在0．005mm之内。

轻量化一直是易拉罐的发展趋势。随着制罐企业封缝机械和其它技术的不断进步，罐体用铝带材的厚度已由上世纪的0．343咖减为0．250 mm；罐盖用铝带材的厚度也由原来的0．39 HⅡn减为0．24 mm。为提高生产效率，各制罐厂家也在依靠先进技术不断提高罐体的成形速度，上世纪80年代中期，美国易拉罐生产线的生产能力都在800罐／min左右，而目前已达2 000罐／min。

综上所述，随着生产技术的不断改进、易拉罐的轻量化和成形速率的提高，对铝带材的性能提出了更加严格的要求。只有不断地提高铝带材的精度、表面质量、内在冶金质量及成形性能，才能适应易拉罐的生产需要。

2．3 提高易拉罐用铝带材质量的主要工艺措施

高精度铝合金带材的生产过程主要包括熔炼铸造、铣面、均匀化和加热、热粗轧、热精轧、精整、剪切、退火等工艺过程。要使带材具有良好的深冲成形性能、抗疲劳、抗腐蚀、优良的表面质量、较高的强度、足够的塑性、小制耳率和严格的尺寸偏差，就要求材料具有合适的化学成分，优异的冶金质量，合理的织构和板形公差等。要达到这些要求，必须对铝带材的各个生产环节进行有效的控制，成分控制、铝熔体处理及热轧工艺优化等是提高带材质量的关键环节。

目前各国主要采用3104合金作为罐体材料，该合金的Mn、Mg含量均为1％左右。添加Mn可以提高合金强度，Mn低于0．5％时强度不足，但高于2％时则在A1一Mn—Fe系合金结晶过程中形成粗大的一次晶化合物，使材料的成形性能变差，并可能导致罐体成形时产生针孔或撕裂；Mg能比Mn更有效地提高合金强度。Mg低于0．2％时则强化作用不足，增加Mg含量可以提高带材的屈服强度，但高于2％ 时带材的变薄拉伸性能及罐底凸缘成形性能变差，且在拉伸时易造成罐体划伤；Si在A1一Mn—Fe合金中可以促使一次晶化合物转变为a相，改善变薄拉伸性能，同时si还与Mg形成MgzSi析出相从而提高带材强度，因此si含量必须在0．1％ 以上，但不得超过0．5％ ，否则会降低加工性能；Fe与Mn形成(FeMn)A1 化合物，对拉深有利，因此其含量应大于0．2％ ，但大于0．7％时会恶化成形性能；Cu含量低于0．05％时不能起强化作用，而大于0．5％时会降低耐蚀性能。

为了避免形成粗大金属间化合物，在DC铸锭中，Fe、Mn、Mg含量应满足以下关系：

W(Fe)+W(Mn)×1．07+W(Mg)×0．27<3．0％W(Fe)+W(si)<0．9％铸锭质量对后续加工和最终产品性能有着决定性作用，因此对铝熔体进行排杂、除气净化是提高其冶金质量的关键。国内外在铝熔体净化处理技术方面已做了大量的工作，开发出了一些较先进的净化方法与装置，如SNIF法、ALPUR法、RDU快速除气法、RID法、旋转叶轮法、FIL1)法、MINT法等。这些方法或装置大多数是从除气净化的角度出发设计的，其除氢效率虽然比较明显，但对于一些纯净度要求较高的高成形性铝带材仍很难满足要求。

长期研究发现，夹杂物与氢气之间存在着某种相互依存的关系，夹杂物是形成气孔的主要因素，因此进行高效排杂处理也是提高铝材冶金质量的关键。

此外，铝熔体处理还包括变质处理和晶粒细化处理等。粗大的一次晶及大晶粒组织等对铝带材性能的影响也很突出。研究表明，当一次晶化合物长度超过45 9．m时，则会增加翻边裂口的频率及变薄拉伸中的撕裂；冷轧板材晶粒宽度大于25,ttm时，罐体颈缩成形性能变差，且不能有效减薄罐体壁厚。

由于易拉罐用铝合金带材自身的特殊性，必须采用热轧供坯的生产工艺。在热轧过程中必须合理地控制带坯的冶金组织、力学性能、表面质量、几何尺寸、板形等，以满足后续加工和最终产品的质量要求。

一般情况下，用作罐体料的AA3004／3104 铝合金带材的加工工艺过程是：半连续铸造(铸锭厚度500—750 rain)，580～610℃均匀化处理4～12 h，约530—550℃进行热粗轧、热精轧，终轧厚度2～3．5 rain。对制耳率的控制是相当关键的，若制耳率较大，不仅会增加修边量，浪费材料，增加生产成本，而且在深冲和变薄拉深过程中容易在两制耳间产生开裂。目前罐料生产企业为降低制耳率所采取的措施主要是控制热轧的终轧温度，使材料处于完全再结晶状态，再严格控制冷轧变形量，最终使带材的轧制织构占再结晶织构的25％ 左右。3104合金带材热轧终了温度高于300℃时，有利于形成再结晶立方织构，增大再结晶织构量的比例，从而抑制制耳率。采用1+4式热连轧生产线轧制罐料时，粗轧带坯厚度为3O～48mm温度为400～410℃，喷淋乳液冷却到350～360℃后，再经热精轧轧至厚2．5 mm；若第4机架的轧制速度大于400 m／mn，则带坯的温度可达325℃，成卷后自然冷却，材料可达充分再结晶状态，其再结晶立方织构可达85％ 以上；再冷轧3道次可达到0．28mm厚、H19状态，冷轧织构与再结晶立方织构的搭配最为合理，带材的制耳率最低。当然，制耳率与材料中夹杂物粒子的大小与多少也有关系，粒子越细，分布越均匀，有利于降低制耳率。

目前世界各国基本上都是采用热连轧供坯方式生产高精度高质量的铝罐料。连铸轧、单机架单卷取热轧和单机架双卷取热轧供坯方式很难生产出高质量罐料，甚至1+1热轧供坯因质量不稳定也已很少被采用。表1所列为世界十大铝板带热连轧生产线及我国近几年建成或拟建的热连轧生产线，它们大多用于生产高质量铝易拉罐坯料。

2．4 易拉罐用铝合金带材的开发

2．4．1 罐体用铝合金带材

制罐厂对铝罐料的要求非常严格，不但要求内在质量好，化学成分优化，含气量、含渣量低，还要求有很好的深冲性能，制耳率要低，同时要求厚度公差小，板形好，有很好的表面质量。

目前罐体用铝合金仍然是A1一Mn系的AA3004、AA3104、AA3204 等合金，状态为H19。

为获得高质量坯料，从熔铸开始到热轧、冷轧、精整等各道工序都应严格控制。铸造时为了防止混入20～30 p．m以上的夹杂物，须用SNIF法或陶瓷管过滤器对熔体进行过滤，并使用rri—B细化剂细化铸态组织。为了防止生成粗大化合物，细化剂的添加量须控制在最佳范围。罐体料的生产必须采用热轧供坯，最好采用热连轧，保证热轧后的温度在320 oC以上，再经过3～4道冷轧，厚度达到0．25～0．32 lnrn。冷轧后进行清洗、涂层、拉矫，在切边、重卷时进行静电涂油，然后包装出成品。热轧和冷轧时，重要的是控制带材的厚度、凸度、表面质量、力学性能及异向性等，制耳率规定在4％ 以下。由于罐体坯料需要具有一定的强度和成形性，所以现在都采用3104一H19合金带材。表2所示是3104 一H19带材的典型性能。

铝罐的发展方向是薄壁化(即轻量化)，以减少材料用量。350 mL罐通常采用0．40—0．35 n`l／／l厚的带材，薄壁化后，带材厚度可减至0．32—0．25 n`l／／l。单只铝罐的用料量已由1980年的12．93 g减少到10．71 g以下。

2．4．2 罐盖(盖、拉环件等)用铝合金带材

有内压的啤酒、碳酸饮料罐和没有内压的果汁罐分别采用5082(或5182)和5052合金带材，状态为H38。带材先经氧化处理，以提高涂料附着性和耐蚀性；两面涂漆烘干后，再进行罐盖成形加工。

2．5 铝易拉罐材料的发展新动向

铝易拉罐的发展趋势是减小壁厚，降低成本，便于回收和方便使用：

① 罐体材料的厚度由0．42 n`l／／l向0．254 n`l／／l减薄，目前大部分为0．28 n`l／／l厚，30年间减薄了39．5％。罐料每减薄0．01 I111／1，则每公斤带材可节省0．22美元；

② 正在研发一种单一的合金来代替原用的3104、5182、5052等3—4种合金，以便于管理、生产和回收；③ 美国正在研发一种0．3 nlnl厚的罐料，并改冲杯圆片为多边形，据说可更节省材料；

④ 由于易拉罐的盖子被拉开后无法重新密封，因此日本几家公司开始把旋转式瓶盖转用到易拉罐上。据说，新式易拉罐的密封性更好，可有效防止饮料与太阳光及氧接触；此外，重量更轻，且便于回收和再循环；

⑤ 在开发新合金、新品种的同时，罐料加工技术(如热连轧、冷连轧、热处理等)也在向更宽、更薄、更罐盖用铝合金带材所需具备的特性之一是异向性要小。为了尽量减小带材的力学性能或成形性的波动，除控制合金成分外，还要严格控制热、冷轧条件，板厚偏差应在-t-5 btm以内。

2．4．3 容器封口材料

容器封口材料不属于易拉罐范畴，这里只是顺便加以介绍。近年来封IZl技术发展迅速，各种瓶装饮料、食品、药品等广泛采用铝制防盗盖、撕扯式密封盖等。

最早的防盗盖采用1200或3003合金带材制造，由于不能满足用户一次冲制成形的要求，因此研制开发出了A1一Fe—si系LT98合金(类似于8011合金)和AI—Mg—Mn(Cr)系的封口合金。选用铝盖的主要理由是材料卫生、可保证商品质量、密封性好、容易开栓(或开封)取出内装物，此外，还具有良好的防盗性、加工性及装饰效果。