互动科普

铝质易拉罐

William F. Hosford，John L. Duncan

每天的产量达到几亿个，这种现代化罐头的强度能承受一个中等个子的成年人。它是精密设计与加工工艺的一曲凯歌。

美国的啤酒及饮料容器制造商每天要生产3亿个铝质易拉罐，每年达到1千亿个。这项产业的产量相当于每个美国人每天一个，甚至超过了铁钉和回形针的产量。假如有人问这种饮料罐在制作中是否要比其他曰常用品有更特殊的工艺，我们中的大多数人可能会做出否定的回答。事实上铝质易拉罐的制造商在精心细致上与飞机机翼的生产者并无差异。为了把易拉罐设计得尽善尽美，工程师们采用了可用于航天器设计的同样的分析方法。

由于这样一些不懈努力，今天的易拉罐重量下降到了只有大约0.48盎司，而在60年代刚问世的时候，这种容器有0.66盎司重。标准的美国产铝质易拉罐能装12盎司的液体，它不仅重量轻，强度大，而且在高度与直径上与普通的水杯相同，这种易拉罐的罐壁只有《科学美国人》杂志两页那么厚，却能承受每平方英寸90磅的压力，这相当于汽车轮胎压力的三倍。

然而易拉罐行业并没有在现有的成就上固步自封。强大的经济利益促使它做出进一步的改进。在继续降低材料用量的同时，工程师们正在探索保持易拉罐性能的方法。只要减少1%的用料量，每年就能节省大约2千万美元的铝（从而徒手捏瘪一个空罐也就更容易、随便）。

除了能够节省成本，现代化的制造工艺也赋予易拉罐外壁一个明镜似的表面，为印花装饰提供了一个绝妙的底板。这一效果使饮料销售商们对使用铝质易拉罐热情倍增。事实上，饮料业所用的铝占到美国全部铝消费量的大约五分之一。于是，饮料易拉罐已经成了铝材市场上头一位的最大用户。到1985年为止，大多数易拉罐还是用来装啤酒的，但现在，三分之二的易拉罐是用于非酒精饮料的。

铝质易拉罐是铁皮罐的后代。第一批铁皮易拉罐是1935年上市的，由当时位于弗吉尼亚州里奇蒙德市的Kreuger酿酒公司所造。与铁皮食品罐头相似，这种早期的饮料容器由三片铁皮组成：一个卷起来再焊上的圆柱，和上下两片底板。有些铁皮罐甚至做成了圆锥形的顶端，再用瓶盖封口。在第二次世界大战期间，美国政府给海外的军事人员输送了大量的铁罐装啤酒。战后，大部分生产都转成瓶装的了，但老兵们仍然偏爱罐装啤酒。因此，制造商并没有完全放弃这项技术，即使三张铁皮的啤酒罐要比玻璃瓶成本高得多也在所不惜。

第一个铝质饮料罐是1958年上市的，它是位于科罗拉多州高尔登市的Adolph Coors公司研制成功并由夏威夷第一酿酒厂推出的。这个铝质饮料罐由两片铝皮制成。为了生产这样的饮料罐，Adolph Coors公司采用了一种所谓的冲拉工艺。这种方法从一块直径等于饮料罐直径的圆板开始。冲击在圆板上的冲模迫使材料在冲模上向后延伸，形成了一个罐。由此，这一工艺让侧壁与底板连成一体。顶板是在灌装完饮料后再加上去的。

这种早期的工艺不适宜用于大批量生产。生产缓慢，机械故障不断产生。此外，制作出来的铝罐只能装7盎司饮料、结构上也不尽合理；铝皮不能做得薄于0.03英寸，这比承受内力所需的厚度要厚得多。

但是，这种产品普遍受欢迎，这就鼓舞了Coors公司和其他公司去寻求制罐的更佳途径。几年之后，Reynolds金属制品公司在生产方法上技高一筹，在1963年制成了第一个可容纳12盎司饮料的商品铝罐。Coors公司不甘落后，马上与Kaiser铝和化学制品公司合作进行生产。但来自大的罐头公司的压力（他们也从Kaiser公司购买铁皮来生产三块铁皮罐），据说迫使Kaiser公司暂停了铝罐的研制工作。显然，这些铁罐制造商害怕一种新型容器的竞争。1964年，明尼苏达州圣保罗市的Hamms酿酒厂开始出售12盎司铝罐装啤酒。到了1967年，可口可乐公司和百事可乐公司也采用了铝罐。

今天，铝罐已经在所有饮料容器中都代替了铁罐。三片铁皮罐已不再生产，它的产量在1963年曾达到3百亿个的的顶峰。两片铁皮罐在年代宋曾达到1百亿个的顶峰，现在这种设计只占美国市场上饮料罐数量的1%（但它们在欧洲比较流行）。

Reynolds所开创的工艺称为两片冲压和罐壁压延法。在铝厂，先把铝合金熔融。这种铝合金的主要成份是铝，但还含有少量的镁、锰、铁、硅和铜。铝合金浇铸成锭。然后把铝锭用轧机压成薄板。

制罐的第一步是切割出直径为5.5英寸的圆片。很明显，在薄板上割圆片会产生边角料。紧密排列的圆在理论上会有9%的边角料损失。但在实践上损失的量为12-14%。为了减少这一损失，薄板的宽度制成足以容下排成错开两排共14个圆片。每个圆片被冲压成一个直径为3.5英寸的杯子。

接下来的三个罐身成形步骤是用第二台冲床在一次连续性冲击中完成的，大约需时五分之一秒。首先，杯子再冲压一下，形成大约2.6英寸的最终内径，高度也从1.3英寸拨高到2.25英寸。接着，连续三次压延操作把罐壁展薄，使罐身达到大约5英寸高。最后，冲头把罐底对着一个拱形金属模压成向内拱的底部。这一曲线的作用就像桥梁的拱形一样，防止了罐底在内部压力下向外鼓出来。为了增加整体强度，罐底和罐壁下部做得比罐身其他部分要厚。

由于这种铝合金在各个方向上的性能并不相同，在成形后罐身在端部边缘处是皱的。为了保证端部平整，要用机器把端部修整掉大约四分之一英寸。修整后，空罐要经过一系列快速处理，其中包括清洗、印花和上光，最后由自动化机械检验空罐是否有裂纹和针眼。通常每5万个罐中有一个废品。

压延也许是制造罐身过程中最关键的操作。尺寸精密的冲头套入杯子，把它推过两或三个硬质压延环，为了展薄、延长罐身，冲头必须比金属在压延区域移动得更快。冲头和每个环之间的余量比金属的厚度小。冲头表面所产生的摩擦力有助于把金属推过压延环。为了增加这种摩擦力，冲头可以带有十字花纹的粗糙表面（可以从易拉罐的内表面看到压在上面的这种十字花纹）。在罐的外表面上，相对于压延环的剪切力会产生所需的镜面底板。

罐的侧壁可以较薄而不会牺牲整体强度，因为从结构上来讲，这种罐是一个“压力容器”。也就是说，它的强度部分来自啤酒或软饮料中的二氧化碳所施加的内部压力，或来自果汁之类非碳酸饮料中现在所添加的氮气所产生的内部压力。事实上，多数啤酒是在罐中进行灭菌处理的，这一工艺会对材料产生几乎每平方英寸90磅的压力。在炎热的日子里，碳酸饮料也会产生一个类似的压力。

灌装过程又给罐施加了一个不同的应力。在这一阶段，没有盖板的罐被紧紧地压在一个灌装机的底座上。无论是在灌装和封口的时候，还是在装好后堆放在一起的时候，它都不允许弯塌变形。因此，制罐商给空的罐身规定了一个大约250磅的最低“纵压强度”。薄壁结构不是轻易能达到这一要求的。载荷的丝毫偏心，即便是罐壁上的一个凹痕，都会造成灾难性的塌陷。要体验这种挤压效果，可以小心翼翼地踏上一只直立的空易拉罐。为了避免损坏，制造商们便用一些能十分精确地把握易拉罐的机械来搬弄它们。

易拉罐的第二块铝片就是盖板，它必须比罐身更坚固。这是因为它的平面形状在本质上要比曲面形状强度差（例如，大坝向内弯曲，对它们所限制的水体形成了一个凸形表面）。制罐商增加盖板强度的方法是，用一种比罐身所用合金具有更少的锰、更多的镁的合金来制作。他们还把盖板做得比罐壁厚些。事实上，盖板占到易拉罐全部重量的大约四分之一。为了节省材料用量，制罐商缩小了盖板直径，因此它的直径比罐身圆柱体直径要小。于是他们把圆柱体罐壁在端部从2.6英寸缩小到2.1英寸，以配合盖板尺寸。一个构思巧妙的整体铆钉把拉扣与盖板连接起来。盖板上刻有浅痕，开罐就很容易，但被推入罐内的那小块铝片仍然保持与整个盖板相连。

除了这种聪明的设计，每年制造几十、上百亿个易拉罐还需要可靠的生产机械。曾经有人说过，为了证明自己的手艺，一个瑞士制表业学徒不需要制作一块手表，却宁可制造一台制表的机械。这种现点同样适用于易拉罐生产。就像一个生产经理曾说的那样，“如果有一天你很倒霉，下班时产量还差50万个，肯定有人会发现你的过错。”目前一套压延模具可以生产25万个拉罐后才需要重新研磨。这相当于拉伸20英里以上长度的铝带只有0.0001英寸的公差。压延环只要尺寸不合规定就马上更换，有时候一天不止换一次。

实现持续精确的生产主要有赖于结实但又易成形的铝合金板。现代易拉罐板材机械性能所依赖的冶金特性一直属于专利，因此不是众所周知的。只是到了过去十年中情况才有所改变，通过俄亥俄州伊斯特雷克市Gould电子公司的Harish D. Merchant、肯塔基大学的James G. Morris以及其他一些人的努力，关于易拉罐板材冶炼技术的科学论文才得以广泛发表。

我们现在知道，有三项基本因素增强了铝的强度。我们已经提到了其中一项：熔于材料中的锰和镁。这些原子取代了材料中的一些铝原子。由于它们尺寸上略有不同，锰和镁的原子使晶格点阵发生畸变。这种畸变阻止了变形，从而增加了板材强度。

第二项因素是有了所谓金属间粒子。这些粒子是在板材加工时形成的，它们由合金中不同的金属组合而成（主要是铁和锰）。它们比合金本身要硬，因此也提高了强度。

然而，也许对板材强度做出最重要贡献的一项因素是板材在冷轧（在室温下亚平）时所发生的加工硬化作用。在这一成形过程中，晶格中的位错，即缺陷，就具体化了。当金属变形时，位错会移动，数量也有所增加。最后，它们相互缠结在一起，使得进一步的变形更难发生。

不幸的是，这种加工硬化使得材料的延展能力急剧下降。张力试验表明，延伸率从30%下降到大约2-3%。常识告诉我们，板材只有在材料具有很高的延伸率时才能成形。当然，在汽车工业，车身是用完全退火的板材成形的，这种板材的延伸率达40%以上。这种观点指导着早期制作两片铝易拉罐的尝试。研究人员集中精力试验退火的或部分加工硬化的板材，这样就牺牲了延展强度。

六十年代麻省理工学院的Stuart P. Keeler和Walter A. Backofer、华沙大学的Zdzsilaw从众多的研究人员中脱颖而出，他们的研究大大推动了对可成形性的理解。在观察各种金属板材的性能时，他们不仅仅只考虑在某一方向施加张力后的性能（就像张力试验所做的那样）。他们还观察了在两个方面同时施加张力后所发生的情况。他们证明，存在着一个小的张力区，它允许材料在加工成形时不发生结构损害。尽管加工硬化使这一区域的大小大为缩小，但仍有一小条张力区保持开放，足以允许罐底拱形的形成，并允许侧壁的冲压和延展。

然而，便得铝质易拉罐能够廉价进行生产的关键性生飞跃，是Reynolds公司的Linton D. Bylund的贡献。他认识到，利用一种仔细设计的工艺可以用完全加工硬化的板材来生产易拉罐。这种工艺规定了压延环的布置、冲头和模具的形状以及其他许多参数。完全加工硬化的优质板材允许易拉罐做得更薄，重量上充分地节省后，易拉罐就更有经济竞争力。

连接拉扣和盖板的铆钉设计得十分巧妙，没有哪一项加工硬化板的成形技术比它更加令人信服了。铆钉与盖板连成一个整体。为了制作这个一体化铆钉，盖板中央应向上顶起一点。这部分“多余”的材料再冲一下，形成一个铆钉。然后再压扁以固定一个拉扣（拉扣是一片独立的金属片）。

除了把制罐板材造得更坚固外，制造商还设法通过控制皱纹来减少铝的用量。这些皱纹可以在压延后在罐身上端见到。这种后果起因于铝材晶相结构的方向性。因此在某种程度上来说，起皱是不可避免的。德国克劳斯太尔技术大学的Hans-Joachim Bunge、杜邦公司的Ryong-Jooh Roe和其他人开发出X射线衍射技术来从定性上描述引起皱纹的晶相结构。实验室技师在准备样板时，通过磨去板材的表层以曝露不同深度的材质。X射线衍射技术与精密的分析技术相结合，能自动生成三维图像，以板材深度的函数来揭示晶体宜于加工的方向。

这种诊断方法使得铝厂能生产出只会形成很少量皱纹的板材。冶金学家对存在于铝材中的两种主要晶相结构进行了平衡取舍。有一种晶相结构是铝锭热轧后在退火过程中产生的。它造成在罐壁圆周上每隔90度形成一个皱纹（在0度、90度、180度和270度上共4个）。第二种晶相结构是板材冷轧造成的，它形成了在45度、135度、225度和315度上的4个皱纹。适当地控制退火和轧制条件能让两种晶相结构结合起来，从而使一种结构形成的皱纹峰正好为填入另一种结构的皱纹谷。结果就只有8个很浅的皱纹。一个皱纹的最大高度往往不到罐身高度的1%。

金属材料的稳定加工工艺和仔细设计，现在已经使得易拉罐的每部分都与其他部分同样坚固。在易拉罐上发现盖板开口断裂，以及在每平方英寸100到115磅的几乎同样的压力下罐底和盖取鼓胀，是不足为奇的。

尽管当前在设计上和制造上取得了成功，易拉罐制造商仍然在精益求精。大多数的研究致力于更有效地使用铝的方法，因为这种金属占到易拉罐成本的一半，有一种节省用铝量的可能方法是把熔融铝合金浇铸成小薄块，而不是像现在所做的那样浇铸成厚铝锭。通常一块铝锭厚30英寸，它被轧到2500分之一厚，即0.011或0.012英寸。这样大的轧制量要求昂贵的资本设备（熔炉和轧机）和大量的能耗。

有可能把铝连续浇铸成1英寸或更薄些的小块。这样薄的铝块只须少得多的轧制就能达到所想要的最终铝片厚度。连续浇铸是用于一些柔软的铝合金的。例如，铝箔是用铸成0.1英寸厚的材料制成的。

遗憾的是，冶金学家们用薄铝块制造令人满意的易拉罐原料并不顺利。连续浇铸中所固有的较快冷却和较少轧制并没有产生所预想的冶金学结构，还产生了两个大问題。首先，晶相结构难以适当控制，大的皱纹就不能避免。其次，较快的冷却速率造成了压延罐壁时的严重困难。

这些压延中的问题是因为熔融铝合金固化时产生的金属间粒子的性质造成的。在固化过程中产生的金属间粒子比在加工过程中产生的金属间粒子大得多（我们已经了解那些加工过程会提高板材强度）。由于它们尺寸大，它们在压延中就起着主要作用。在压延时，铝趋于粘附在压延环上。通常金属间粒子的尺寸大约有5个微米，它们的作用就像极细的砂纸那样能磨光压延环。然而连续浇铸的较快的冷却速率生成了小得多的金属间粒子（大约1微米）。这样小的粒子不能有效地除去粘在压延环上的铝。于是铝在压延环上积累起来，最终在罐壁上造成了难看的刮痕。达到理想金属间粒子尺寸的问題尚未解决，出路也许在于改变合金的配方，或改变材料熔融状态下固化的速率。

对浇铸工艺的控制反映了整个易拉罐史的一个经常性特征：一种问题被仔细地用另一种问题所取代，从控制皱纹和可压延性到降低铝板生产成本，从降低易拉罐重量到提高结构整体强度。但有一个成本因素却躲过了简单的核算，那就是制造易拉罐所需的能源。这项开支的大部分属于铝材本身。如果计入电力输送和金属熔炼时的低效率。工业专家们估计生产一个易拉罐所用的铝需要消耗2.3兆焦耳的能量。这相当于一个100瓦灯泡点亮6小时所耗的能量，或者相当于一加仑汽油所具有能量的1.7%。虽然这个数量不大，它却代表了一个易拉罐的主要消耗。

降低这一消耗的一个方法是将易拉罐回收使用，这样能节省95%的能耗成本。事实上，目前有63%以上的铝质量拉罐是收回来进行再熔炼的。回收工作在铝厂里还有另一个重要内容。每制作一吨易拉罐就会产生一吨边角料。这些边角料经过再次熔炼后又返回制造流程。开发更简单的制造易拉罐板材的工艺以及研制更坚牢的材料以便制出更轻的易拉罐，就能节省更多的资金和能源。

要实现这些目标是对科技人员的巨大挑战。现有的易拉罐已经采用了一种高强度高品质的板材。易拉罐的形状是经过精心设计加工的，它们具有很高的结构强度和最小的重量，由于工具的磨损很少，一个工厂里的生产机械每天可以生产几百万个易拉罐而只有个别次品。然而，即使是小小的一点革新，其回报也是相当可观的。在全世界各地铝质易拉罐的需求继续增长，它们的产量每年增长几十亿个。易拉罐的成功史为工业界树立了一个榜样，表明了科学技术与不懈努力相结合所能实现的巨大成就。

【王世徳/译  郭敏/校】