CN87104503A - 冷拔和挤拉法加工罐头盒用的簿钢板 - Google Patents

Abstract

本发明的冷拔和挤拉法加工(DI)的罐头盒用薄钢板的DI加工性和耐模具磨损性得到了改善，其表面构型中的中心线平均表面粗度范围为0.1～4.0μm且其微观构型包括凸起部位，沟纹状凹陷部位以及中间平坦部位，各部位尺寸满足特定的关系式。

Description

本发明是关于冷拔和挤拉加工（DI）罐头盒所用的薄钢板，尤其是改善了DI加工性，耐模具磨损性和耐腐蚀性的DI罐头盒用的镀锡薄钢板。

在整个说明书中，术语“薄钢板”指的是镀覆前的黑色板材或镀覆后除去镀层的黑色板材;术语“镀覆薄钢板”指的是镀覆黑色板材得到的板材;术语“DI罐头盒”指的是通过将薄钢板或镀覆薄板钢冷拔和挤拉得到的两片罐头盒，术语“DI加工性”指的是DI加工的难易度。

DI罐头盒用于充装碳酸化饮料或其它饮料。DI罐头盒所用的镀覆薄板是依次经过冷轧后使覆薄钢板退火;将退火板材通过毛面辊进行平整;然后将其镀覆而制造出来的。

镀锡不仅覆予了薄钢板耐腐蚀性，而且锡还在DI加工中起着润滑剂的作用。近来，镀锡量的降低对于降低DI罐头盒的生产成本起到促进作用。

对于DI罐头盒所用的镀覆薄钢板，要求有优良的DI加工性和耐腐蚀性以及减少模具的磨损，但由于镀锡量减少，致使这些性能降低。也就是说，降低镀锡量使润滑性能下降，以致降低了DI加工性，并且由此致使模具寿命缩短，耐腐蚀性也就自然而然地降低。

为了解决这些问题，已提出了几种方法。例如，日本专利申请公开54-150，311中提出了DI罐头盒所用的镀覆薄钢板的生产方法，即将薄钢板通过经放电加工或喷丸处理得到的毛面辊进行平整，然后再镀锡。这篇文章公开了当毛面辊表面粗度小于1.5μm时，加工能耗降低，但DI罐头盒底部的外观和防锈性变差。该篇文章还公开了当表面凹凸（粗糙）的切割层小于1.2μm时，锡的附着力变小，以致降低了润滑性，而超过1.30μm时，附着力肯定得到增强，但从经济的角度来看，这种增强作用很小，不合要求。而且，该篇文章还公开了当表面凹凸的PPI（峰/英寸）小于200时，每峰的截面积变大，因此由于挤拉加工带来的硬化便显得引人注目，而且加工能耗提高，这很不利。

从上述情况看，很明显，当毛面辊满足表面粗度1.50～3.50μm时，切割层1.20～1.30μm及PPI小于200时，得到的DI罐头盒所用的镀覆薄钢板可提高DI加工性和模具寿命。

另外，日本专利申请公开55-158838公开了通过将DI罐头盒所用的镀覆薄板的表面粗度限制在不大于20M（RMS）的程度并将磨擦系数不大于0.12的油涂覆到板材上可使模具寿命和剥离性得到改善，这是因为当镀覆薄钢板的表面粗度变小时，锡覆盖率变大，模具的磨损降低，而当表面粗度变大时，又改善了剥离性。

另一方面，日本专利申请公开55-50485公开了由于表面粗度变大，而改善了DI加工性;但在DI加工中，铁在镀覆薄板的凸起部位暴露出来，使耐腐蚀性降低。因此，在这篇文章中，黑色板材（薄钢板）的表面粗度（Ra）限制到Ra≤0.4μm，而且预定深度2μm的PPI与预定深度0.25μm的PPI之比限制在不大于0.05，从而解决了上面的问题。

从以上可明显看出，这些传统的方法不是一种同时满足所有性质例如DI加工性、耐模具磨损性、耐腐蚀性等等的工艺技术。也就是说，如果打算通过任意一种传统方法同时达到所有的性质，那么便会产生以下的矛盾现象。

当表面粗度变小时，由于凸起部位很少，防止了DI工件凸起部位的铁（黑色板材）的暴露，改善了耐蚀性，同时锡的覆盖率得到提高，减少了模具磨损，但在加工中产生的磨掉的锡粉夹在模具（和/或冲床）和镀锡薄钢板之间的接触面上导致磨损，这是由于磨掉的锡粉不能脱离凹陷部位致使吸收性变差。由此，在镀锡薄钢板中产生划伤和熔结，降低了质量和加工性。

相反，当表面粗度增大时，加工能耗降低，改善了DI加工性和剥离性，但锡的覆盖率减少，致使模具磨损增大，而且由于暴露出铁，使耐蚀性变差。当表面粗度过大时，除了上述问题外，还会破坏罐头盒底部的外观。

因此，本发明的目的是解决产生上述矛盾现象的上述问题并提供改善了DI加工性、耐模具磨损性和耐蚀性的DI罐头盒所用的薄钢板。

为了达到上述目的和其它目的，按照本发明DI罐头盒所用的薄钢板满足下述要求（ⅰ）～（ⅲ）

（ⅰ）中心线平均表面粗度Ra介于0.1～4.0μm;

（ⅱ）构成表面粗度的微观形状包括：

（a）具有平顶面的不规则四边形凸起部位，

（b）包围全部或部分凸起部位的沟纹状凹陷部位，以及

（c）在凹陷不位外的凸起部位之间形成中间平坦部位，以高于凹陷部位的底部和低于或等于凸起部位的顶面;以及

（ⅲ）满足下列关系式

1.0≤Sm/D≤1.7

30μm≤d≤500μm

其中Sm是毗邻的凸起部位间的平均中心距，D是在凹陷部位的外缘的平均直径，d是在凸起部位的平顶面的平均直径。

下面将参考附图说明本发明，其中：

图1是按照本发明于平整薄钢板的工作辊的部分放大的剖视图;

图2是图1的工作辊的表面凹凸的断面的剖视图;

图3是图2的平面图;

图4是表明图1-3所示的工作辊对DI罐头盒所用的薄钢板进行平整的状态的剖视图;

图5是表面DI罐头盒所用的薄钢板在平整后表面凹凸断面的剖视图;

图6是图5的平面图;

图7a是表明在通过传统的喷丸处理毛面加工工作辊的表面中凸起高度的分布图;

图7b是表明在通过传统的放电加工毛面加工工作辊的表面中凸起高度的分布图;

图8是说明用通过传统的方法毛面加工工作辊平整后的毛面薄钢板的表面断面的剖视图;

图9是说明按照本发明DI罐头盒所用的镀锡薄钢板受到DI加工的状态的剖视图;

图10是表明按照本发明的DI罐头盒所用的薄钢板的形状、其功能和效果的关系图，

图11是部分平面图，它表明了在按照本发明的DI罐头盒所用的薄钢板中凹陷部位的外缘直径、顶面直径和毗邻顶面间的平均中心距的关系;

图12是剖视图，它表面了凹陷部位的外缘直径、毗邻凸顶面间的平均中心距和对于磨掉的粉末的吸收性的关系;

图13是表明本发明和传统方法中的中心线平均表面粗度和挤拉负荷之间的关系图;和

图14是表明本发明与传统方法的中心线平均表面粗度和铁洗提量之间的关系图。

按照本发明，DI罐头盒所用的薄钢板受到通过高密度能源（例如激光柱等）毛面加工的工作辊的平整，从而将表明表面粗糙的凸起部位的顶面制成平台，凸起部位间形成许多中间平台部位。因此，从各方面看毛面薄钢板的表面优于通过传统的喷丸处理和放电加工工艺毛面粗化的表面，既使板材按如下方法镀锡和DI加工，也是如此。

也就是说，甚至在表面粗度很大时，由于许多平台部位存在于薄钢板中，致使在镀锡薄钢板中锡覆盖率很高，降低了模具磨损。而且，凸起部位的顶面是平台，结果没有因铁的暴露引起耐蚀性下降低，而且DI加工性是令人满意的。另一方面，即使当表面粗度很小，由于薄钢板中存在沟纹状凹陷部位和中间平台部位，致使对于磨掉的粉末的吸收性良好。另外，当粗度变得更大时，由于薄钢板中存在许多平台部位，与用传统喷丸工艺和放电加工工艺毛面加工的工作辊平整后的镀锡薄钢板相比，得到的镀锡薄钢板的光的不规则反射率较小，而且罐头盒底部的外观良好。

下面将更详细地说明本发明。

〔1〕用于制造按照本发明的DI罐头盒所用的薄钢板的工作棍的毛面加工。

首先，本发明将就使用的工作辊毛面加工的装置来描述，所述毛面加工是对按照本发明DI罐头盒所用的薄钢板进行平整的准备阶段。毛面工作辊是用来平整薄钢板以制成按照本发明的DI罐头盒所用的薄钢板的辊。

用于平整的工作辊是通过高密度能源（例如，如下所述的激光）毛面加工的。

激光脉冲发射到旋转工作辊的表面，依次熔融暴露在激光下的辊的表面部位，从而在辊表面上有规则地形成火山状的凹凸部位。图1剖面显示了一部分毛面加工的辊面，其中数标1是一个在工作辊3上形成的火山状的凹凸部位（以下简称作火山口）。辊的熔融基体金属在火山口1（周围以环状从辊3表面层向上隆起，形成一个凸缘状隆起部位2（以下简称凸缘）。而且，连凸缘2在内的火山口1的内壁层是对辊的基体金属结构4的热影响区。

毛面工作辊3表面的粗糙状态示于图2和3。从图2和3中可看出，凸缘2外毗邻火山口1间的部位为对应于原轧辊表面的平坦表面6。而且，毗连火山口1间相互距离可进行调整，其方法是针对辊3在其转动方向上的速度而调节激光脉冲的频率并就每一次转动而在辊3的轴向调节激光辐射位置的移动间距。

尽管本发明是就激光用作高密度能源而进行说明的，但用等离子体和电子束也能得到类似结果。

在这一实施方案中，工作辊用高密度能源进行毛面加工。而且，如上述具有火山口1，凸缘2和平坦部分6的工作辊也可由其它方法制成，即本发明DI罐头盒所用薄钢板的特征是上述粗糙表面本身，而不是制造可加工出此粗糙表面的毛面工作辊的方法。

〔2〕用毛面工作辊平整薄钢板以将毛面构型转移薄钢板上制成DI罐头盒用薄钢板。

薄钢板（如退火等之后的冷轧薄钢板）在平整工序中用上述毛面工作辊轻轧，从而将工作辊表面上的毛面构型转移到薄钢板表面上，从而形成粗糙表面。

当观察平整薄钢板表面的微观结构时，如图4所示，辊3表面上火山口1周围高度均匀的凸缘2于高压下压向薄钢板7的表面，于是在比辊3软的薄钢板7的表面上引起材料局部塑性流动并使钢板7的金属流入辊3上的火山口1内（如箭头所示）以使钢板成粗糙状态。

在这种情况下，火山口1内隆起部位顶表面8如原薄钢板表面一样平展，而辊3上凸缘2外毗邻火山口1内平坦部分6所推压的薄钢板部分9保持原来的平展状态，并且前述的顶面8高于或等于后一平面9。因此，如图5和6所示，平整后薄钢板7的粗糙表面的微观构型包括具有（平顶面8的不规则四边形凸起部位10，围绕凸起部位形成的沟纹状凹陷部位11，在凹陷部位11外毗邻凸起部位10之间形成的中间平坦部位9且该部位高于凹陷部位11底部并低于或等于凸起部位10顶面。

如上所述，包括凸起部位10顶面和中间平坦部位9的平面的比例在平整后的薄钢板表面上变大了，而凸起部位10和凹陷部位11之间斜面13的比例基本上是变小了。

另一方面，如工作辊用喷丸处理法或放电加工法进行毛面加工，则辊的粗糙表面中会含有各种不同的凸起高度，类似于图7a或7b中的普通分布情况。因此，如图8所示，凸起部位和凹陷部位间斜面的比例在平整后的薄钢板7上基本上是变大了。因此，用常规工艺达到的粗糙表面构型的结构和形成方法完全不同于用本发明激光毛面加工工作辊进行平整后的薄钢板。

在这一实施方案中，凹陷部位11成连续环状围绕凸起部位10，但也可成不连续孤状。

〔3〕毛面薄钢板镀锡后进行DI加工。

上述DI罐头盒用毛面薄钢板在电镀之后进行DI加工，如图9所示的是典型的DI加工，其中在毛面薄钢板7的表面上形成镀锡层14以制成DI罐头盒用镀覆薄钢板12。与喷丸处理或放电加工法比较起来，这种镀覆薄钢板12中有更多的平坦部位，这样一来单位薄钢板面积上的表面变小。因此，如镀锡量相同，则本发明镀覆薄钢板12中镀锡层14要比用常规工艺得到的厚度和DI加工中的润滑功效更高。

在电镀锡过程中，已知电流增大时，凸起部位上大量沉积锡，因此，镀锡层14具有如下关系：

α≤β＞γ

其中α为顶面8处镀锡层14a的厚度，β为中间平坦部位9处镀锡层14b的厚度，而    为凹陷部位11处镀锡层14c的厚度。也就是说，与DI加工模15接触的镀锡层14a最厚，因此，本发镀覆层14的厚度分布对润滑效果更为有利。

而且，因为顶面8是平面，所以DI加工中几乎不会露出铁，而磨下来的锡粉16足以被凹陷部位11所吸收，从而在薄钢板12和模15之间决不会出划伤。再者，镀锡层14较厚，锡覆盖率较高且在凸起部位并不露出铁，所以薄钢板7的耐蚀性得到进一步的提高。由于薄钢板中存在许多平坦部位，所以与用喷丸处理或放电加工法毛面加工工作辊的情况比较，不规则光反射就非常少，因而决不会在对应于未加工部位的罐头盒底部降低外观质量。

这些特点的相互关系示于图10，其中当本发明DI罐头盒用薄钢板镀锡并进行DI加工时，就可有效地提高耐蚀性，耐模具磨损性，DI加工性等各种性能。

〔4〕平整后DI罐头盒用薄钢板的表面构型

在图11所示薄钢板7的表面中，D为凹陷部位外园周直径，d为顶面8直径，Sm为毗连顶面8之间的平均中心距。

当Sm/D＞1.0时，毗邻凹陷部位11不会相交，而当Sm/D＝1.0时，毗邻凹陷部位11的外园周相互接触，在Sm/D＜1.0时，毗邻凹陷部位11彼此相交。

从工作辊3观察上述现象时，为使Sm/D＜1.0，发射的激光脉冲就应使毛面工作辊3的凸缘2彼此相交，这样就很难稳定地对工作辊3进行毛面加工。因此，薄钢板的表面构型应是Sm/D≥1.0。另一方面，当Sm/D太大时，如图12所示，DI加工时从镀覆薄钢板12上磨下来的锡粉16就会保留在模15和平坦部位19之间而不会被凹陷部位11所吸收，最后就会产生划痕。而本发明人的试验已表明，当Sm/D超过1.7时，常常会产生划伤。本发明为此将Sm/D限定在1.0～1.7范围内。

由于顶面8在DI加工时要承受负荷，所以若其直径d过大，就会如同Sm/D＞1.7的情况而产生划伤。本发明人的试验证实，当这一直径d超过500μm时，就易于引起划伤。为形成直径大于500μm的顶面8，就必须使毛面工作辊3上的火山口1本身的直径更大。在这种情况下，在激光脉冲过程中形成火山口1所需的能量就会过高，以致需要采用功率大于必须值的激光发射机或增加辊3的转数以延长辐射时间，这从经济角度看也不适宜，而且会降低整个处理过程的效率和可靠性。因此，直径d应不大于500μm。

另一方面，当顶面直径d太小时，又由于在DI加工中会暴露出铁（薄钢板7）而会降低耐蚀性。本发明人的试验已证实，当直径d小于30μm时，易于暴露出铁。而且，当直径d变小时，直径D就必须碱小。因此，随着直径d的减小，为满足Sm/D≤1.7，距离Sm本身就应当变小，这相当于减小了毛面工作辊3上火山口1之间的距离。为此就必须尽量减少辊3的转数或尽量提高进行毛面加工的激光脉冲的频率，这从经济角度考虑也是不适宜的。为此应使凸起部位10顶面8的直径d不小于30μm。

〔5〕薄钢板7的中心线平均表面粗度Ra

如前所述，非常重要的是控制本发明DI罐头盒所用薄钢板7的粗糙表面的微观构型。此外，控制薄钢板7的表面粗度也很重要。

也就是说，即使粗糙表面的微观构型按上述进行控制，但如中心线平均表面粗度Ra小于0.1μm，则也会在DI罐头盒所用镀覆薄钢板上造成划伤，而若Ra超过4.0μm，又不会获得明显改善DI加工性等性能的效果，而且罐头盒底部外观也相当差。因此，本发明薄钢板7的中心线平均粗度Ra为0.1～4.0μm。

现给出下述非限定性实例来说明本发明。

实例

将极低碳素薄钢板进行冷轧，连续退火后进行平整以获得平整度为1（49°H_g30T）的DI罐头盒用薄钢板（厚0.34mm）。作为平整用工作辊，分别采用激光脉冲，喷丸处理和放电加工法进行毛面加工的轧辊，其中心线平均表面粗度Ra为4～5。

DI罐头盒用薄钢板两面镀锡＃25（28g/m²）或＃50（5.6g/m²），从而制成DI罐头盒用镀覆薄钢板。此板没有进行软熔处理，但也可稍为进行一下软熔处理。

然后，从镀覆薄钢板上冲出给定尺寸的圆钢板，冷拔之后再经模具进行3级挤拉以使罐头盒侧壁厚0.10mm。在这种情况下，罐头盒生产速度为120个/分。

模具内第3级挤拉的负荷和中心线平均表面粗度Ra示于图13，从图13中可看出，与采用常规的喷丸处理和放电加工毛面（下简称喷丸毛面或放电毛面）工作辊获得的镀覆薄钢板比较起来，本发明中用激光脉冲毛面（以下简称激光毛面）工作辊毛面加工薄钢板制得的DI罐头盒用镀覆薄钢板在第3级挤拉时可降低负荷，而这与镀锡量无关。而且，划伤下限的粗度以中心线平均表面粗度Ra计算降到了0.1。

从制成的罐头盒的每一侧切割出1×2cm的样品并在250ml碳酸化饮料中浸渍5天。之后，测定碳酸化饮料洗提出的铁量，从而得到如图14所示的铁洗提量和中心线平均表面粗度Ra之间的关系。从图14中可看出，与通常的情况比较起来，激光毛面薄钢板的耐蚀性极好。更具体地讲，耐蚀性随粗度变小而提高。

如上所述，即使降低镀锡量，按本发明的DI罐头盒用覆薄钢板的耐蚀性，耐模具磨损性，DI加工性，罐头盒底部外观等性能均极佳。

Claims (1)

1、冷拔和挤拉法加工的罐头盒用薄钢板，其特征在于其中心线平均表面粗度Ra为0.1～4.0μm，组成表明粗度的微观构型包括具有平顶面的不规则四边形凸起部位，围绕凸起部位形成的沟纹状凹陷部位，在凹陷部位外毗邻凸起部位之间形成的中间平坦部位且该部位高于凹陷部位底部并低于或等于凸起部位顶面，而且满足如下关系式：

1.0≤Sm/D≤1.7

30≤d≤500(μm)

其中Sm是毗邻的凸起部位间的平均中心距，D是在凹陷部位的外缘的平均直径，d是在凸起部位的平顶面的平均直径。

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