我国用于制造金属包装物的主要是低碳薄钢板.从结构上分为两种,即普通碳素钢薄钢板和优良碳素钢薄钢板。普通碳素钢的炼制与优质碳素钢的主要区别是对碳含量、性能范围要求及对磷、硫等有害元素含量的限制。在实际应用中主要品种如下。
1.低碳薄钢板
低碳薄钢板是指含碳量不大于0.25%的薄钢板,薄钢板经过剪裁、成形(如滚弯、涨筋)和连接(如焊接、卷边)可直接制造金属包装容器,如各种规格的钢桶等。采用薄钢板的优点是机械强度高,加工性能良好,具有优良的综合防护性能,遮光性强,热导率高,耐热性和耐寒性优良,易于印刷装饰,是制作运输包装用金属容器和金属罐的主要材料。
钢板按厚度分为厚钢板(厚度>4mm)与薄钢板(厚度≤4mm)两种。生产包装容器只用薄钢板。薄钢板的厚度范围为0.35~4mm,宽度范围为500~500mm,长度范围为1000~4000mm。按轧制方法可分为热轧薄钢板与冷轧薄钢板两种。冷轧薄钢板的表面比较平整光洁,厚度误差小。未经酸洗的热轧钢板有淡蓝色薄层氧化铁,经过酸洗的冷轧钢板有轻微浅黄色薄膜。一般钢板应在酸洗条件下剪成矩形供应,亦可成卷供应。对钢板的厚度、长度、宽度、表面质量、不平度、横向剪切的斜切和镰刀弯等都有相应的标准规定。
低碳薄钢板制成的金属容器强度高、密封性好,承重量大,能长期反复使用,十分适用于运输包装。在运输包装中低碳薄钢板主要制成各种大型容器,如集装箱、钢桶、钢箱等。
•集装箱。集装箱是大型密封的流通工具,容积大于1立方米以上。各种物品采用集装箱作运输包装,具有安全、简便、迅速、节省人力和单件包装材料的优点,并适用于各种运输工具的联运和机械化装卸,是一种先进的流通运输工具。能显著减少货损,对贵重、易碎、怕潮的高档商品尤其必要。集装箱在途中转运时,不动箱内货物,直接进行换装,可以进行快速整箱装卸。
•钢箱。钢箱是一种较为小型(与集装箱比较)的包装容器,用于代替木质周转箱,适用于工业产品的运输包装。钢箱坚固耐用,商品破损率小,可节约大量木材和包装费用,可减少运输中的损失。被大量用于玻璃、机电产品、汽车配件等产品的运输包装。
•钢桶。钢桶主要用于液体货物的运输和储存,例如,蜂蜜、食用油及化工产品(农药、溶剂)等。用于装储食品,如蜂蜜的钢桶,其内壁必须涂刷有机涂料(如环氧树脂等)以防生锈及溶出重金属离子铅、铁、锌等污染食品,并可延长钢桶的使用寿命。
近年来还出现了一种新型液体产品储运容器——铁塑桶,它由外层为钢桶和塑料内胆装配而成。此种铁塑桶特别适用于不能用钢桶储运周转的腐蚀性较强的化学试剂、药品或液体食品,如酱、醋、饮料等。单一钢材制成的钢桶,主要缺点是耐腐蚀性差。
上述的低碳薄钢板主要用于直接制造流通运输的金属容器。而使用更多的是下述以低碳薄钢板为基材,再经表面防锈镀层而成的板材,主要有镀锡薄钢板(俗称马口铁),镀锌薄钢板、镀铬薄钢板等钢质金属基材包装材料。
2.镀锌薄钢板
镀锌薄钢板,简称镀锌板,又叫白铁皮,它是在酸洗薄钢板后,经过热浸镀锌处理,使钢板表面镀上厚度为0.02mm以上的锌保护层。使钢板的防腐蚀能力大大提高。依生产方法镀锌板主要分为热镀锌板和电镀锌板。热镀锌板的锌镀层较厚,占镀锌板产量的绝大部分;电镀锌板的锌镀层较薄,主要用作涂塑料和涂漆的底层。包装中使用热镀锌板制造各种容量的桶和特殊用途的容器,耐腐蚀性和密封性良好,用于包装粉状、浆状和液状商品,所以热镀锌板是应用较多的一种金属包装材料。
镀锌板的技术性能条件主要针对表面质量、机械性能、镀锌强度、钢板不平度和周边斜切等。机械性能要用反复弯曲试验,测定夹在虎钳(钳口半径3mm)上的试样向两边弯曲90。至折断时能经受的反复弯曲次数。其标准是:
•板厚0.35~0.75mm.折断时,应经受6次;
•板厚0.35~0.08mm.折断时,应经受5次:
•板厚0.90~1.20mm.折断时,应经受4次;
•板厚1.3mm以上,折断时,应经受2次。
由于镀锌薄钢板所制容器的良好性能,使其成为包装中应用较多的一种金属材料。制作包装容器镀锌板的标准厚度主要有:0.50mm、0.60mm、0.80mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、18mm、20mm等几种。
3.镀锡薄钢板
镀锡薄钢板简称镀锡板,俗称马口铁,是两面镀有纯锡的低碳薄钢板。马口铁是传统的制罐材料,至今仍是制作食品罐头的主要罐材。马口铁有光亮的外观,良好的耐蚀性和制罐工艺性能,易于焊接,但其冲拔性能比不上铝板,因此大多制成以焊接和卷封工艺成形的三片罐结构,也可以制成冲拔罐。马口铁除大量用于罐头包装外,还可制作糖果、饼干、茶叶、奶粉等听盒;也可用于某些工业品包装,如化学产品、化妆品等的罐装和盒装。此外还是玻璃瓶罐的良好制盖材料。
(1)镀锡薄钢板的主要技术标准。
•镀锡量。镀锡量以单位面积或特定面积的镀锡板上的镀锡质量表示。国际上规定按每
平方米镀锡板上锡的质量(g/㎡)表示镀锡量。但在商业上习惯用每基箱镀锡板两面
所镀锡质量(磅)的100倍作为标号,如每基箱镀锡量为0.45kg(0.5磅)的标号为50”。两面镀锡量不同的差厚镀锡板的镀锡量,中间用“/”分开,如11.2/5.6g/㎡表示厚的一面镀锡量为11.2g/㎡,而薄的一面镀锡量为5.6g/㎡。差厚镀锡板使用时必须对厚薄两面进行区别,因此镀锡板的一侧表面印上差厚标记,表示标记的方法和印在哪一面可由供需双方协议商定。•规格尺寸。镀锡薄钢板的规格尺寸包括板的厚度、宽度和长度。使用时可根据用途、罐型和罐号的要求来选用。罐头罐用镀锡薄钢板厚度一般为0.15~0.30mm,最常用厚度为0.2mm、0.23mm、0.25mm、0.28mm四种规格,按照罐型大小、内装物性质选择使用。
镀锡薄钢板的长度和宽度可根据各种罐型计算出制罐时产生最小边角料的尺寸选用,目前我国使用较多的规格是714mm*510mm和827mm*730mm。做底盖的镀锡薄钢板裁成正方形,但方形板在冲圆形底盖后一般要产生许多边角料,近年开发了专用底盖特殊尺寸的波形板,使边角料减少到最低程度。波形板尺寸与形状随盖径而异,用户可根据不同盖径的尺寸选用。•调质度。是指镀锡板经过轧制塑性变形或热处理后所具有的综合机械性能,如硬度、塑性、回弹性能等,但迄今还没有一个单项试验能测定镀锡板所有的机械性能。通常以洛氏表面硬度HR30T表示(当板厚≤0.2mm时采用HR15T表示),这是现在最方便的单项试验方法,能为镀锡板的机械性能提供最有效的参考数据,于是逐步形成用•镀锡板的机械性能,是指镀锡原板,即钢基板的机械性能,可由钢基板的化学成分、轧制工艺和退火工艺决定。早期在镀锡板生产、使用行业中就采用调质度来描述镀锡原板的综合机械性能,调质度不仅影响材料加工性能,也影响制成包装容器的机械性能。调质度与材料形成的加工硬化组织、晶粒度等有关。
镀锡原板不仅需具备机械强度,还应具有优良的成形性能和形状稳定性,能够经受制作空罐和其他制品的成形加工。
影响镀锡原板成形的因素是屈服点、拉伸强度、延伸率、镀锡原板结晶组织的方位、晶粒度等。•耐蚀性能,耐蚀性是镀锡板最重要的性能。镀锡板大量用作食品罐头容器,由于食品种类很多,其腐蚀有不同的特点,对镀锡板容器的耐蚀性也有不同的要求,因此要求镀锡板具有适应于各种内装物特点的耐蚀性。镀锡板由五层构成,每一层镀锡板的耐蚀性都有重要作用。
第一层镀锡原板。决定镀锡板耐蚀性的最重要因素是镀锡层和表面处理条件,但镀锡原板所具有的性能也很重要。影响镀锡原板耐蚀性的因素,主要是原板的化学成分和原板表面纯净程度。原板化学成分的影响视用途而异,一般要求硫、磷、铜含量越少越好。但也有特殊情况,如对可口可乐之类含CO2的饮料,硫含量高些反而对原HR30T试验值来表示调质度的分类。我国目前常用的调质度是按板厚选择。在实际操作中,表面洛氏硬度标准及镀锡板调质度指标在有关标准中可以查出。
•表面精整。电镀锡板按照电镀后的处理方法分类,经软熔处理的为光亮表面,未经软熔处理的为无光泽表面。也可按平整时轧辊表面粗糙度分类,此两者结合起来可生产适合于各种用途的不同表面精整状态的镀锡薄钢板。如光亮表面用于生产食品罐;粗面用于生产罐底盖;无光泽表面用于制作啤酒、汽水等用的瓶盖;极粗表面用于制作罐头以外的其他用途的包装罐等。
•涂料。镀锡薄钢板根据镀锡后表面是否涂料,可分为素铁和涂料铁两类。
素铁不经涂料,主要适用于大部分水果罐头,这样可利用铁表面锡的还原性,使少量锡溶人罐内,可增强水果的光泽(注意:必须严格控制溶锡量不超过国家标准的规定)。
涂料铁则是在内壁一侧涂布有机物涂料的镀锡板,适用于大部分食品罐头。涂料是由有机高分子树脂(如环氧树脂、酚醛树脂)和适当黏度的糊状物质,用辊筒印涂到镀锡板的内壁,防蚀和阻止溶出的重金属离子铅、铁、锌等对食品的污染。
按涂料的种类和性能不同,又可分为抗酸、抗硫两用涂料铁,抗硫涂料铁,防粘涂料铁,冲拔罐抗硫涂料铁等几种.适用于不同的食品罐装,其中以两用涂料铁用量最大。
由于上述几项指标的不同,镀锡薄钢板可分成许多不同的类别,使用时应根据具体用途和要求的不同,对各项指标进行合理的选择,即所谓“选铁”。
(2)镀锡薄钢板的主要性能。在包装中对镀锡薄钢板的性能要求,主要是指机械性能和耐蚀性能。板的耐蚀性有好处;对橘子之类含柠檬酸的食品,铜含量多些对耐蚀性有好处。
第二层锡层。镀锡板要求镀锡层必须完全覆盖钢基的表面,但实际上镀锡层存在着许多孔隙,若将有孔隙的镀锡板放入酸性水果罐头类的腐蚀溶液中,由于存在电位差,孔隙处露铁与周围锡形成局部电池,产生腐蚀电流。但在酸性水果罐头类溶液中锡的电位发生逆转,由于溶液保护钢基,因此孔隙度对镀锡板耐蚀性影响不很明显。
锡的纯度对镀锡板的耐蚀性有影响,一般要求锡的纯度为99.8%以上。
一般来说,晶粒度大,镀锡板耐蚀性好。锡层晶粒度是评定镀锡板耐蚀性的指标之一。
第三层锡铁合金层。在镀锡板的锡层和钢基板分界面上有一层锡铁合金层(Fe-Sn02),这一合金层是镀锡板在软熔操作时形成的。在大多数情况下,在锡层不连续部分暴露出来的是这种锡铁合金层。合金层在酸性水果罐头等介质中电位比铁高,当孔隙处暴露的是合金层时,锡与合金层耦合,锡阳极很容易极化,锡以同期间流过的电流相对应的腐蚀速度而溶解。如孔隙处暴露的是钢,则锡的溶解速度更快。合金层的质量对镀锡板的耐蚀性起重要作用。
第四层氧化膜。镀锡板表面上的氧化膜有两种:一种是锡层本身氧化生成的氧化膜(SnO2和SnO);另一种是镀锡板生产过程中表面处理生成的纯化膜。锡氧化生成的Sn02很稳定,它的存在对耐蚀性不利,所以氧化膜对耐蚀性的影响决定于SnO2和SnO的性质和数量。最有代表性的是经铬酸盐处理生成的纯化膜,由试验结果看出其中铬含量越高、耐蚀性越好。
第五层油层。油层本身很薄,但它使镀锡板表面和腐蚀环境直接隔绝,可防止锡层被空气氧化变黄,也可防止空气中水分使镀锡板生锈。油层厚些对防蚀效果好,但损害涂料的涂饰性及其他表面性。一般采用棉籽油或癸二酸二酯。
(3)镀锡薄钢板在包装中的用途。镀锡薄钢板具有一定的强度和塑性,容易成形加工,可以钎焊,能进行涂料印花,并有光亮的外观和良好的耐腐蚀性能,所以大量作为包装材料,制作商品包装容器和工业品的包装。特别是在食品包装中应用很广,大量用于各种食品(水果、肉类等)、饮料罐头盒、糖果、茶叶、饼干听盒等。
4.镀铬薄钢板
镀铬薄钢板,简称镀铬板,又称铬系无锡钢板,是为节约用锡而发展的一种镀锡板代用材料。镀铬板目前广泛应用于罐头和其他制罐工业,罐头工业应用最多的是啤酒和饮料罐及一般食品罐的罐盖等。
镀铬板用的原板和镀锡原板一样,都是低碳冷轧薄钢板或带钢,只是把钢板表面镀锡改成镀铬,其他工序(冷轧、退火、平整、纯化、涂油等)完全相同。
(1)镀铬薄钢板的主要技术标准
镀铬薄钢板的技术标准,包括镀铬量、镀铬板材、调质度、表面精整等基本指标,分述如下。
•镀铬量。镀铬量是以单位面积或特定面积的镀铬板上的镀铬质量表示的。•包装用镀铬薄钢板的表面精整。主要包括以下几方面:①普通光亮表面精整,具有金属铬特有的光泽;②无光泽表面精整,具有银白色光泽,用于印铁罐和瓶盖等,涂料附着力好;③表面精整,具有特殊光泽。
(2)镀铬板的性能和使用
•镀铬板的抗蚀性能比镀锡板稍差。镀铬板的铬层和氧化铬层厚度比镀锡板的锡层和氧化膜层纹厚20倍,但遇强酸强碱,仍难保护钢基免受侵蚀,对弱酸弱碱一般能起到保护作用。在使用前必须加内外涂料。一般包装腐蚀性较小的饮料,若要包装酸性强的食品,则需要涂较厚的涂料,使容器和内装物能够协调,取得较长的保藏期。当镀铬板罐内壁涂料后,抵抗肉类、鱼类和部分蔬菜中的硫化物导致的硫化腐蚀能力比镀锡板罐强。镀铬板的价格比镀锡板低10%,但涂上涂料后,成本就相应提高。•镀铬板对有机涂料的附着力特别好,相比镀锡板对各种涂料的附着力普遍都增加3~6倍。例如,环氧酚醛涂料214号,二涂一烘,在镀锡板表面附着力为5~6MPa时已算良好,但同一涂料,同一厚度,在镀铬板上附着力最小在20MPa以上。由于对涂料的附着力好,宜用于制造罐底盖和两片拉深罐,在美国两片钢罐90%以上采用镀铬板。•镀铬板的加工成形性和强度与镀锡板相同,因它们的钢基是一样的。由于铬层韧性较差,在罐头封口时,封口部分涂层易裂或擦伤,导致生锈,需加补涂。
•镀铬板因表面镀铬不能锡焊,因而用于制作三片罐时,罐身接缝不能采用锡焊法,而要采用缝焊法或黏结剂黏接法。
镀铬薄钢板主要用于制作腐蚀性较小的啤酒罐和饮料罐。为方便冰镇,一般均采用彩印商标及装潢,印铁效果良好。