鋁質(zhì)易拉二片罐罐底開裂成因分析及改善措施

趙曉紅

(南山輕合金有限公司，山東 龍口 265706)

隨著鋁質(zhì)二片易拉罐在啤酒、飲料、高溫罐如王老吉和加多寶、功能性飲料如紅牛和樂虎等的廣泛應(yīng)用，二片罐的用途越來越廣泛。國內(nèi)鋁板帶生產(chǎn)企業(yè)上也紛紛生產(chǎn)3104 H19罐料鋁板帶用于生產(chǎn)鋁質(zhì)易拉二片罐。

對于包裝液體的二片罐來說，罐底開裂是不允許出現(xiàn)的缺陷。制罐過程中罐底開裂罐的產(chǎn)生，給制罐廠、灌裝廠和鋁板帶加工企業(yè)直接或間接造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。罐料生產(chǎn)的主要工藝流程為，熔鑄→熱軋→冷軋→切邊涂油→包裝。易拉罐的生產(chǎn)要經(jīng)過40多道工序，主要工序包括開卷→落料沖杯→再拉伸→變薄拉深→清洗→罐外印刷→烘干→內(nèi)噴涂→烘干→縮頸翻邊(罐底再成型)→光檢→堆垛→包裝。罐底開裂的影響因素很多，本文從罐底開裂樣品罐分析，利用掃描電鏡，針對罐底開裂樣品進(jìn)行檢測與分析，確定了3種類型的罐底開裂缺陷的原因，并根據(jù)缺陷形成原因提出了預(yù)防改進(jìn)措施。

1 試驗材料與檢測儀器

試驗材料為3個3104罐底開裂樣品罐。收到樣品罐后，切下帶有罐底開裂缺陷的部分，用硫酸清除罐表面涂層。利用SEM-JEOL JSM-5900LV型掃描電鏡在背散射模式下進(jìn)行檢測分析，并用能譜分析確定3104合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si≤0.60，F(xiàn)e≤0.08，Cu 0.05～0.25，Mn 0.80～1.40，Mg 0.80～1.30，Zn≤0.25，Ga 0.05，V 0.05，Ti≤0.10，其它單個0.05，其它總計0.15，Al余量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 夾渣引起的罐底開裂

圖1為樣品A宏觀照片。圖2是底裂樣品A的SEM和EDS能譜分析。圖2顯示了樣品罐底開裂面的SEM圖像，圖像中深灰色物質(zhì)為Al和Mg的氧化物即尖晶石，由許多小顆粒組成，EDS能譜分析如圖2左側(cè)的能譜分析圖，其中的C元素來源于殘留涂層。黑色為殘留的涂層。圖2右側(cè)能譜為鋁基體，鋁基體呈淺灰色。尖晶石為夾渣物，會縮減鋁基體的有效作用面積，即破壞了鋁基體的連續(xù)性，從而降低材料的力學(xué)性能，造成罐底開裂。

圖1 樣品A宏觀照片F(xiàn)ig.1 Sample A macro photographs

圖2 樣品A罐底開裂位置SEM及EDS能譜分析Fig.2 SEM and EDS analysis of crack location in bottom of sample A

2.2粗大的金屬間化合物Al/Fe/Mn引起的罐底開裂

圖3所示為底裂樣品A的宏觀形貌。圖4是罐底開裂樣品A表面形貌放大圖，圖5為罐底開裂樣品異物成分EDS分析。圖4顯示有個別較大的Al/Fe/Mn金屬間化合物粒子尺寸達(dá)到35μm。在罐料鋁板帶中，正常金屬間化合物尺寸不大于20μm。圖6為鋁基體EDS能譜分析供對比。

圖3 罐底開裂樣品宏觀圖片F(xiàn)ig.3 Macroscopic picture of can bottom cracked samples

圖4 罐底開裂樣品異物放大圖Fig.4 Magnification diagram of foreign body of can bottom cracked samples

圖5 罐底開裂樣品異物成分分析(圖4中2點)Fig.5 Analysis of foreign body composition of can bottom cracked samples (2 point in figure 4 )

圖6 罐底開裂鋁基體(圖4中1點)Fig.6 Cracked aluminum matrix on can bottom (1 point in figure 4)

部分長條狀的Al/Fe/Mn粗大化合物硬而脆，嚴(yán)重破壞了組織的均勻性。在罐底成型過程中，由于尺寸較大金屬間化合物質(zhì)點(本例中尺寸超過35μm)的存在，破壞了金屬基體的連續(xù)性，造成局部應(yīng)力集中，降低了材料的力學(xué)性能，導(dǎo)致罐底開裂缺陷的產(chǎn)生。

化學(xué)成分不當(dāng)以及均熱溫度偏低，保溫時間過短是造成粗大化合物的原因。大的Al/Fe/Mn化合物沒有完全轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為圓潤的粒度較小的α相〔Al12(FeMn)3Si彌散相〕，α相為2μm左右，α相由于粒子較小且彌散分布在鋁基體中，不會造成罐底開裂。

2.3 潤滑不足導(dǎo)致的罐底開裂

圖7為底裂樣品C的宏觀形貌。罐底部區(qū)域形狀及開裂位置放大簡圖如圖8所示。對樣品C圖8中的a、b、c、d、e、f開裂位置區(qū)域進(jìn)行放大如圖9所示。

圖7 底裂樣品B的宏觀形貌Fig.7 Macroscopic morphology of bottom crack sample B

圖8 罐底及罐底開裂區(qū)域放大簡圖Fig.8 Magnification diagram of cracking area of can bottom and can bottom

圖9 a、b、c、d、e、f開裂位置SEMFig.9 Crack location SEM of a,b,c,d,e,f

從圖9中可以看出，a點、b點、c點和d點放大之后均無夾雜異物，也無工模具對表面損傷的痕跡。e點和f點SEM圖像顯示有工模具對表面損傷的痕跡。從圖中分析，工模具導(dǎo)致的表面損傷的方向與發(fā)生開裂的方向呈現(xiàn)90°，且損傷未延伸到開裂表面邊緣，工模具導(dǎo)致的表面損傷不是罐底開裂的原因。整個開裂面組織較為均勻的情況下，很有可能為拉伸工序潤滑不足，導(dǎo)致罐底受拉應(yīng)力過大，超出材料抗拉強度，導(dǎo)致罐底開裂。

潤滑不足有較多原因。制罐廠方面的因素有潤滑液濃度偏低，雜油含量偏低，溫度偏高或者偏低導(dǎo)致潤滑能力降低，減薄拉伸工序的潤滑不足，導(dǎo)致罐底受到的整體拉應(yīng)力增加，從而形成罐底開裂。制罐廠應(yīng)控制拉伸冷卻液如溫度、濃度、pH值、雜油濃度等指標(biāo)在要求的范圍內(nèi)。鋁板帶廠方面的因素如預(yù)涂油量偏少也會造成罐底開裂現(xiàn)象。鋁材廠應(yīng)嚴(yán)格控制鋁材表面預(yù)涂油均勻。

3 改善措施

3.1 減少Al-Mg氧化物

保溫爐靜置時間要充足，靜置熔體除渣的過程是利用金屬熔體與非金屬夾渣存在密度差，在一定過熱條件下，使夾渣在力的作用下沉降或上浮，從而實現(xiàn)非金屬夾渣和金屬液分離。靜置時間與熔體的黏度、密度及夾渣的形狀等因素有關(guān)。夾渣顆粒越大，下沉速度越快。熔體靜置時間一般控制在20min～45min。靜置過程應(yīng)關(guān)好爐門，防止冷空氣進(jìn)入爐內(nèi)，減少爐氣中水分含量，且避免攪動鋁液表面，盡量不要破壞鋁液表面的氧化膜。3104合金中Mg含量為0.8%～1.3%，鋁液表面氧化膜為疏松多孔的MgO熔入Al2O3的固溶體，即尖晶石組成。后續(xù)的過濾裝置參數(shù)如過濾速度和通過量要合理設(shè)置。鑄造前流槽中的液面保持平穩(wěn)，盡量不擾動液面，防止熔體表層的氧化物破碎卷入合金熔體進(jìn)入鑄錠中形成氧化夾渣。

3.2 消除粗大Fe/Mn/Al金屬間化合物

化學(xué)成分嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行，熱軋均勻化制度制定合理并執(zhí)行到位，防止粗大的金屬間化合物產(chǎn)生，或促使粗大的金屬間化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的α相(Al12(FeMn)3Si)。否則粗大的金屬間會成為罐底局部應(yīng)力集中點，破壞鋁基體連續(xù)性，導(dǎo)致罐底開裂的發(fā)生。

3.3 確保潤滑足夠

潤滑有兩個方面，一方面是鋁材預(yù)涂油潤滑，另一方面是制罐廠潤滑。預(yù)涂油的均勻性以及預(yù)涂油量偏少也會造成罐底開裂現(xiàn)象。要定期清理涂油機上下刀梁噴嘴縫隙，用塞尺清理干凈；涂油室經(jīng)常清理，避免不夠清潔造成放電現(xiàn)象，影響油霧化效果；對靜電涂油機機體涂油室、內(nèi)壁、接油槽內(nèi)壁進(jìn)行清理時，設(shè)置專門的回路系統(tǒng)，防止清洗劑進(jìn)入循環(huán)油箱中污染預(yù)涂油；確保計量泵正常工作。合適設(shè)置上下刀梁電壓，優(yōu)化油品霧化效果，提高預(yù)涂油均勻性；定期對過濾濾芯進(jìn)行清理更換，確保油品清潔度。

目前迫于嚴(yán)峻的市場形勢，各制罐廠都在降低成本，也包括降低潤滑成本。制罐拉伸過程中潤滑不足，會造成罐底受力過大，超過材料極限，也會造成罐底開裂。為了確保拉伸過程中的潤滑，制罐廠應(yīng)控制拉伸冷卻液如溫度、濃度、pH值等指標(biāo)控制在要求的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

鋁板帶廠通過控制夾渣、粗大金屬間化合物的產(chǎn)生、表面預(yù)涂油的均勻性，以及制罐廠對潤滑指標(biāo)的嚴(yán)格控制，制罐過程中罐底開裂缺陷已呈下降趨勢。