成型金属容器以及用于制造成型金属容器的方法
【专利说明】成型金属容器以及用于制造成型金属容器的方法 相关申请
[00011 本申请要求2013年10月8日提交的序列号为EP13187775.5的共同未决的专利申请 的优先权，该申请的内容通过引用以其全部内容结合在此。 发明领域
[0002] 本发明的原理涉及一种用于制造成型金属容器的方法，并且涉及该成型金属容器 的一种微结构。 背景
[0001] 金属容器一般用于包装食品、油漆、油墨、气体、液体喷雾、粒状材料、以及饮料(诸 如软饮料）。这些金属容器一般具有圆柱形状。利用本领域中已知的方法，诸如通过(深)冲 压成型和壁部变薄拉深(DWI)能够容易地生产此类金属容器。
[0002] 这些金属容器一般不会对内容物的质量和味道造成实质性影响。因为金属容器在 不想要而丢弃时一般不会破裂，所以处置是非常方便的。金属容器的强度通常由该容器及 其内容物的组合提供。在排空金属容器之后，可以在没有受伤风险的情况下容易地减小该 金属容器的体积。最后，可以回收金属容器。
[0003] 然而，存在这样一种趋势：不仅要生产传统的圆柱形金属容器，而且还要生产具有 如目前市场上用于装饮料的玻璃瓶或塑料(PET)瓶的形式的金属容器。然而，用于制造此类 饮料瓶的玻璃和塑料具有与金属特性极为不同的特性。特性上的差异涉及加热之后的延展 性和处置。例如，一个玻璃或塑料预型件可以被直接吹塑成所要求的瓶形状。此类形状的特 征在于，在轴向高度上，瓶可以具有(逐渐改变的）不同的直径。顶部区段可以具有一个较小 的直径(Dt)。直径朝向底部逐渐增大，在中间区段达到一个最大直径(Dm)。在其之后，直径 可以减小到一个最小值，从而形成一个专门定制的形状。随后，直径朝向底部直径Db逐渐增 大，该底部直径Db等于或小于最大直径Dm。
[0004] 另一种类型的玻璃瓶是香水瓶，该香水装入呈现有吸引力的美学形状的侧影的小 瓶。此类侧影可以类似于女性侧影、足球侧影、沙漏侧影等。如本领域中所理解的，不能使用 金属作为该容器或小瓶的材料来生产此类形状。
[0005] 由于需要专门定制的形状和/或凸出的形状，此类瓶容器或小瓶由具有与金属(诸 如铝和钢)极为不同的特性的玻璃或塑料制成，所以一般被接受的是使用金属不能将此类 形状制成这样。
[0006]已知的是，通过对金属进行吹塑成形来制造容器(诸如气溶胶容器），但是这种方 法不适合于制造与所描述的成型金属容器类似的成型金属容器。提高成本效率的方法是制 造一种两片式容器，该容器的底部和侧壁由两片金属制成并且连接在一起。然而，对于许多 应用，具有一个整体式底部的一片式金属饮料容器是优选的。
[0007]总体而言，一片式金属饮料容器通过(深）冲压成型和壁部变薄拉深(DWI)或通过 冲压成型和再冲压成型过程(DRD)制成。这些过程使用变薄拉深和深冲压成型、或冲压成型 和再冲压成型的组合来生产具有较小直径的一个预定的壁厚和一个增加的壁高度。开始于 一个平面坯件(一般是用于获得一个圆形罐的一个圆盘），第一冲压成型操作形成了由一个 直径和一个高度限定的一个"杯状物"。为了考虑材料可成形性，只可能利用一系列再冲压 成型来实现最终直径。所有的(再)冲压成型操作都将一种形状(如一个杯状物)从一个直径 变换成另一个较小的直径。高度由原始坯件的材料的体积给定。主体的厚度约为原始厚度。 对于一个高的罐子，此过程形成了朝向该罐子的顶部渐进地增加的厚度。在此类情况下，为 了实现一个具有极好的高度/直径比的高的罐子，要求大量的金属成型步骤。对于DRD容器， 一种深冲压成型的容器意指一般通过大量的再冲压成型步骤以实现该高度/直径比制成的 一种容器。
[0008] 饮料工业中使用数十年的一种较新的技术引入了管理主体的厚度的可能性。该过 程的开始与DRD相同，就是一个冲压成型操作（用于制造该杯状物）以及至少一个再冲压成 型操作以便将模型直径减小到该罐的最终直径。该过程接下来的步骤只改变主体壁厚度， 不改变直径。这些步骤由一个冲头(在该模型内部）穿过校准环的运动限定。环的序列允许 渐进地减小主体的厚度。该过程的这个部分被称为壁部变薄拉深。整个过程被称为冲压成 型和壁部变薄拉深(DWI)。除那之外，该冲头的轮廓使得有可能在主体上得到不同的厚度。 总的来说，一个薄壁和一个厚的上部部分专门用于形成一个颈部和接合部。这种DWI过程尤 其是在壁部变薄拉深阶段过程中对材料具有主要作用，并且是大规模加工硬化的一个实 例。具有这些再冲压成型步骤的DRD过程对壁具有类似的影响，但是程度较小。然而，缺点是 出现了加工硬化。由于加工硬化现象，主体的硬度显著增加。例如，对于一些类型的钢，硬度 能够增加到650MPa或更大。对于铝，取决于所使用的合金，硬度能够增加到高达300MPa-350MPa。这种硬度的增加伴随着可得到的伸长率的相应降低，因而降低了成形能力。
[0009] 最终，形成了具有一个圆柱形体的一个容器预型件，该圆柱形体具有一个圆柱体 直径DcAWI和DRD技术一般用于制造，但是冲压成型、再冲压成型和/或变薄拉深使该预型 件的主体发生加工硬化。冲压成型和/或变薄拉深在材料中产生拉伸应力。当超过一个特定 的伸长率时，该拉伸应力会导致破裂。这种加工硬化导致可用于进一步成型(诸如但非排他 地，通过吹塑成形或机械膨胀)的预型件的伸长率降低。
[0010] 此类金属容器预型件可以通过向外成型，诸如通过使用吹塑成形而成型。另外，容 器预型件被定位在规定该容器的所希望的最终外部形状的一个模具中。高压施加到容器预 型件上，该容器预型件将被向外吹塑并且与该模具的内表面进行接触。对该预型件进行吹 塑成形还导致该预型件的高度降低。
[0011]金属容器预型件可以经受颈缩以便减小该预型件的顶部区段的直径。颈缩在材料 中产生压缩应力，当超过一个特定的压缩应力阈值时，该压缩应力会导致皱折。硬质材料更 易于起皱，因为要实现的压缩应力高于要移动到塑性范围。在颈缩过程中，该预型件的自由 端经受许多小的直径减小。
[0012] 明显的是，对该预型件进行加工增加了加工过的预型件部分的强度或硬度。这种 硬度或强度上的增加不是所希望的，因为它对要求更软金属的其他成型类型具有反作用。 这甚至更适用于具有一个非圆形主体的产品。
[0013] 用于在DWI过程或颈缩过程中具有更好性能的一个选项可以是选择适合的铝合金 或钢合金。然而，此类合金可以具有其他或不太适合的特性和/或一般不使用合金，这对材 料成本具有影响。 概述
[0014] 本发明的原理提供了一种展示出通过退火过程形成的圆形颗粒结构特征的成型 金属容器及其预型件，以及一种用于制造成型金属容器的方法。制造该金属容器的过程导 致更快的加工时间并且使用更少的金属(至少节约了 10%金属重量），因而允许降低制造此 类成型金属容器的成本。附加地，当前过程产生了一种令人惊讶且意想不到的识别金属成 型容器的方式。该成型金属容器展示出一种通过退火过程形成的圆形颗粒结构特征。至少 部分地由一个纵横比限定的该圆形颗粒结构构成改进特性的基础并且表示一个用于确定 该成型金属容器(或其预型件)在加工硬化之后是否经受退火的"识别符(fingerprint)"。 在一个实施例中，可以在比典型地对加工硬化金属、诸如加工硬化的乳制金属(例如，3000 系列铝，并且具体地，3104系列铝合金)进行加热更高的一个温度下执行该退火过程，其中 呈未退火形式的金属被用于形成金属容器(例如，饮料容器）。在一个替代性实施例中，可以 在处于或稍微高于(例如，在5°C内）一个再结晶阈值温度或固态溶液阈值温度的一个退火 温度下执行该退火过程。
[0015] 在一个实施例中，一种用于制造成型金属容器的方法可以包括具有至少一个中间 区段直径Dm的一个容器中间区段，该容器中间区段通过以下方式在一端被连接到具有至少 一个底部区段直径Db的一个容器底部区段上，并且在另一端被连接到具有一个容器开口且 具有至少一个顶部区段直径Dt的一个容器顶部区段上：（i)提供具有一个圆柱形体的一个 容器预型件，该圆柱形体具有一个直径Dc;(ii)通过使该圆柱形体的至少一个区段颈缩而 向内成型;并且(iii)使该圆柱形体的至少一个区段向外成型，其中对有待向内或向外成型 的至少一个区段进行退火，这样使得该中间区段直径Dm、该底部区段直径Db、以及该顶部区 段直径Dt中的至少一个大于该容器预型件的圆柱体直径Dc，并且该中间区段直径Dm、该底 部区段直径Db以及该顶部区段直径Dt中的至少一个小于该圆柱体直径Dc。
[0016] 本发明的原理是基于以下见解:通过利用在一个容器预型件上实施的一个退火步 骤，降低了屈服强度，并且增加了延展性，由此该容器预型件的金属变得更软，并且允许在 故障之前伸长得更多。在该退火步骤中，该预型件的金属可能要经受一般在150°C-450°C、 诸如200°C-400°C和200°C_350°C (优选范围200°C至450°C、更优选范围250°C至约400°C、最 优选范围315 °C至约385 °C )的范围内的一个升高的温度，该升高的温度改变材料特性屈服 强度、延展性以及断裂时的伸长率，由此该材料的可加工性变得更高。该退火是在一个适合 的时间段期间一个适合的温度下实施的，以便获得所希望的屈服强度的降低以及延展性和 在断裂或故障时伸长率的提高。该时间取决于对产品施加该退火温度的技术。达到该退火 温度越快，退火时间段就越短，这在大批量生产率过程中可为有用的。
[0017] 总体而言，对于铝，该温度是在200 °C-400 °C的范围内，对于所谓的高温退火，该退 火温度更高，诸如350°C-454°C持续1微秒至1小时（诸如0.1秒至30分钟、1秒至5分钟、或10 秒至1分钟）的一个时间段。对于钢，该退火温度范围正常地要高得多并且可以是例如500 °C-950°C，并且该时间段可以是例如1微秒至1小时，诸如0.1秒至30分钟、1秒至5分钟、或10 秒至1分钟。明显的是，取决于所使用的加工硬化的铝合金和材料的厚度，可以调整高温退 火的温度和时期。然而，此类调整是在本领域的技术人员的能力范围内。可以在一个烤炉中 实施该退火，其中该容器预型件存在持续一个充足的时间段以便获得所希望的屈服强度的 降低或延展性和伸长率的增加。
[0018] 该退火处理导致硬度降低、屈服强度降低、以及延展性增加。此外，当一个圆柱形 金属预型件的微结构在将该金属预型件加热到比如下在此描述的典型的加热过程更高的 温度的一个退火过程中改变时，来自乳制加工硬化金属板的该金属容器的退火区段的颗粒 由于复原、再结晶和可能的颗粒生长而从具有大的平均纵横比（例如，大于约5)改变到具有 小于约4比1(并且优选地小于3.5比1、更优选地小于约3比1、最优选地小于约2.5比1、或最 优选地小于约2.0比1)的小的平均纵横比。
[0019] 在该烤炉中，并且在一个实施例中，对该整个容器预型件进行退火使得该容器预 型件的屈服强度减小，延展性增加，并且断裂伸长百分率在整个高度上增加。当在该成型金 属容器的一个后续制造步骤中、在一个轴向力下实施一个成型步骤时，这种特性上的改变 并不总是所希望的，其中具有一个轴向负载，该轴向负载是该容器预型件的不太坚固的其 他区段不能承受的并且因此将收缩或形成异常，诸如皱折、褶皱和/或活褶。
[0020] 因此，本发明的原理提供了这样一个选项:至少一个子区段被退火，而其他区段不 被退火并且维持原始材料特性。通过感应退火或其他局部加热技术，这种区段性退火是可 能的。
[0021] 在一个感应退火处理中，该容器预型件的相关区段经受该金属内的电磁感应产 生，即所谓的金属的焦耳热。对于这种电磁感应加热，使用了包括一个电磁铁的一个感应加 热器，高频交流电传递穿过该电磁铁。显然，