DE3917224A1 - Stahlfolie zur herstellung von behaeltern mit einer organischen beschichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stahlfolie (dünnes Stahlblech), die durch einen Ziehvorgang zu einem Behälter mit einer or­ ganischen Beschichtung verarbeitet werden kann, und insbe­ sonders eine Stahlfolie mit überlegenen Zieheigenschaften und mit geringer Faltenbildung während des Ziehens.

Als Metallblech zur Herstellung von Behältern durch Ziehen wird üblicherweise Aluminiumblech verwendet. Für Stahlfolien mit einer Dicke unter 100 µm sind die Herstellungstechniken problematischer und kostenaufwendiger als für Aluminiumblech und überdies gibt es bisher für Stahlfolien keine praktisch anwendbare Ziehtechnik. Deshalb wurden bisher kaum Untersu­ chungen an Stahlfolien im Hinblick auf die Verhinderung von Falten beim Ziehen und auf Verbesserung der Ziehbarkeit an­ gestellt.

Eine Stahlfolie mit guten Zieheigenschaften und reduzierter Faltenbildung ist in der JP-A-61-2 84 530 beschrieben. Bei dieser Folie wird die Alterungshärtung durch Zusatz von Titan, einem ungewöhnlichen Element, verhindert, auf das Kaltnachwalzen nach dem Glühen verzichtet und dafür eine schnelle Hitzebehandlung für 1 bis 10 Sekunden durchgeführt. Nach diesem Verfahren kann eine Stahlfolie mit besseren Zieheigenschaften hergestellt werden, als sie übliche kalt­ gehärtete und kaltgewalzte Stahlfolien besitzen. Üblichen durchlaufgeglühten Blechen kommt sie aber nicht gleich. Der Grad der Ziehfähigkeit wird für die vorliegende Erfindung weit höher angesetzt, als er für übliche durchlaufgeglühte Bleche gefordert wird, so daß eine nach dem Stand der Tech­ nik hergestellte Stahlfolie das Maß der Ziehbarkeit gemäß vorliegender Erfindung nicht erreicht. In einem weiteren Punkt ist der Stand der Technik der vorliegende Erfindung unterlegen: Die Benutzung von Ti ist im Hinblick auf rück­ standsfrei Nahrungsmittelverarbeitung unerwünscht. Die vor­ liegende Erfindung zielt aber vorwiegend auf Behälter für Nahrungsmittel ab. Weiter ist eine rasche Hitzebehandlung im Stand der Technik zwingend, wobei die erhaltene Korngröße zu fein wird, um Falten im Formling, wie in vorliegender Erfin­ dung, zu vermeiden.

Der Stand der Technik wurde insoweit im Hinblick auf die Verarbeitung von Stahlfolien beschrieben. Ein Stahlblech mit einer Dicke von etwa 0,2 bis 0,3 mm, wie es in weitem Umfang zum Ziehen oder Nachziehen von Blechdosen verwendet wird, ist aber außerdem erheblich dicker als der für die vorlie­ gende Erfindung geeignete Bereich von 50 bis 100 µm.

Behälter aus Stahlblech mit einer Dicke von 0,2 bis 0,3 mm müssen mit einer organischen Beschichtung von etwa 10 µm Dicke versehen und nach deren Härtung durch Ziehen geformt werden. Nach dem Ziehen wird der Behälter aus Kostengründen ohne jegliche Reparaturbeschichtung in Gebrauch genommen. Bei diesen aus Stahlblech gezogenen Behältern treten, da das Stahlblech im Vergleich zur aufgebrachten organischen Be­ schichtung sehr dick ist, kaum Falten auf der Oberfläche des Formlings auf. Statt dessen erfolgt aber ein Aufrauhen der Oberfläche beim Ziehen, das als "Orangenhaut" bekannt ist. Falls diese Orangenhaut ausgeprägt ist, verursacht sie eine Rißbildung in der Beschichtung. Solch ein Fehler in der Be­ schichtung führt unmittelbar zu einer nachteiligen Wirkung auf die Korrosionsbeständigkeit, da üblicherweise keine Re­ paraturbeschichtung ausgeführt wird. Das Blech verliert seine Brauchbarkeit als Behälterausgangsmaterial. Zur Ver­ hinderung des Aufrauhens der Oberfläche wurde für Stahl­ blech, aus dem Behälter gezogen werden, eine geringere Kri­ stallkorngröße, wie Nr. 11 bis 12, vorgeschlagen.

Wenn ein dünnes Stahlblech (Stahlfolie) zu einem Behälter gezogen wird, wird aus Kostengründen ein organischer Überzug aufgebracht und mitgezogen. Im Vergleich zum Ziehen eines dickeren Stahlblechs erfolgt das Ziehen der Stahlfolie mit einer dickeren, organischen Beschichtung, da es nicht so einfach ist, bei einem Behälter aus einer Stahlfolie die Kanten mit einer Bördelnaht zu verbinden, wie bei einem Be­ halter aus einem dickeren Blech. Deshalb werden die Kanten durch Heißsiegeln verbunden. Um die Siegelwirkung des Heiß­ siegelns sicherzustellen, wird erfindungsgemäß eine organi­ sche Beschichtung mit mindestens 20 µm Dicke benutzt. Die Dicke der organischen Beschichtung ist somit bei Behältern, die aus Stahlfolien gezogen werden, viel größer, als bei dickeren Blechen. Als Folge davon neigen erstere während des Ziehens viel mehr zur Faltenbildung auf der Oberfläche des Formlings. Falls eine Falte auf der Fläche der Heißsiegelung auftritt, kann die Vernahtung des gezogenen Blechs unvoll­ ständig sein und entsprechend können ernste Probleme, wie z. B. Undichtigkeit oder Fäulnis des Inhalts, auftreten. Des­ halb ist es bei Stahlfolien, die zu gezogenen Behältern mit einer dünnen organischen Beschichtung verarbeitet werden, besonders wichtig, daß sie eine geringe Neigung zur Falten­ bildung und überlegene Ziehbarkeit aufweisen.

Wenn ein Behälter durch Ziehen einer 50 bis 100 µm dicken Stahlfolie hergestellt wird, die mit einem mehr als 20 µm dicken Überzug beschichtet ist, wird gefordert, daß die Fo­ lie während des Ziehens eine geringe Neigung zur Faltenbil­ dung besitzt und gleichzeitig, wie vorstehend erwähnt, eine hohe Ziehbarkeit aufweist. Gemäß vorliegender Erfindung wer­ den zur Überwindung der vorstehend erwähnten Probleme die Zusammensetzung, die Kristallkorngröße, die Struktur und die Streckgrenze des benutzten Stahls in geeigneter Weise einge­ stellt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Stahlfolie mit hervorra­ genden Zieheigenschaften, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Stahl aus höchstens 0,06% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,5% Mangan, 0,01 bis 0,10% Aluminium, Rest Eisen und unver­ meidbare Verunreinigungen besteht, und die Folie eine Kri­ stallkorngröße (JIS G 0552) von 7,5 bis 10 (Korngrößenzahl), ein Intensitätsverhältnis der Röntgenbeugungs-Maxima der zur Blechoberfläche parallelen Ebenen P(222)/P(200) von minde­ stens 0,6, eine Streckgrenze von 20 bis 45 kg/mm² und eine Dicke von 50 bis 100 µm aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung der Stahlfolie zur Herstellung von Behältern, insbesondere sol­ chen mit einer organischen Beschichtung, für die Verpackung von Nahrungsmitteln.

Wenn der Kohlenstoffgehalt mehr als 0,06% beträgt, wird die Kalthärtung durch das Ziehen bedeutsam und die Ziehfähigkeit sinkt. Aus diesem Grund beträgt die Obergrenze des Kohlen­ stoffgehalts 0,06%. Für den Mangangehalt muß eine Obergrenze von 0,5% gesetzt werden, da die Härtung um so größer ist, je größer der Mangangehalt ist und damit die Neigung zur Fal­ tenbildung erhöht wird. Die untere Grenze beträgt 0,1%, um eine nachteilige Wirkung von Schwefel, der unvermeidlich vorhanden ist, zu verhindern. Für Aluminium ist eine untere Grenze von 0,01% zur Desoxidation des Stahls nötig. Die obere Grenze beträgt 0,10%, da ein höherer Gehalt die Kosten anwachsen läßt und mehr Einschlüsse verursacht.

Für die Kristallkorngröße (JIG G 0552) wird 10 (Korngrößen­ zahl) als obere Grenze gesetzt, da eine Korngröße über 10 die Neigung zur Faltenbildung auf der Halterseite des Form­ lings erhöht. Die untere Grenze beträgt 7,5. Während bei ge­ ringeren Korngrößen die Faltenbildung nachhaltiger verhin­ dert wird, nimmt die Ziehbarkeit sogar bei günstigem Gefüge ab, wie nachstehend beschrieben wird. Das Blech neigt beim Ziehen leichter zum Bruch. Der Korngrößenbereich von 7,5 bis 10, der zum Ziehen der erfindungsgemäßen Behälter aus einer Stahlfolie geeignet ist, ist viel gröber als der Korngrößen­ bereich für einen Behälter, der aus einem dickeren Stahl­ blech gezogen wird. Dies könnte zwar zu Rißbildung in der Beschichtung infolge einer Oberflächenaufrauhung führen. Überraschenderweise tritt dies aber im erwähnten Bereich von 7,5 bis 10 nicht auf, da die Beschichtung mindestens 20 µm dick ist und außerdem die Beschichtungsmasse, die aufgetra­ gen wird, keine hitzehärtende ist, wie sie üblicherweise für Behälter benutzt wird, die aus einem dickeren Blech gezogen werden. Verwendet wird vielmehr ein thermoplastisches Harz, wie Polypropylen oder Polyethylen.

Wenn in bezug auf das Gefüge das Intensitätsverhältnis der Maxima P(222) und P(200), gemessen durch Röntgenbeugung an Kristallebenen, die zum Blech parallel liegen, kleiner als 0,6 ist, dann ist das Ziehverhältnis für sauberes Ziehen zu groß und es tritt leicht Faltenbildung auf. Aus diesem Grund beträgt das Verhältnis von P(222)/P(200) mindestens 0,6. Je­ doch treten, wie vorstehend erwähnt, auch bei einem Verhält­ nis von P(222)/P(200) größer als 0,6 vermehrt Brüche auf, falls das Korn zu grob ist (Korngröße unter der Zahl 7,5), möglicherweise wegen einer Spannungskonzentration infolge der Oberflächenaufrauhung.

Die Streckgrenze hat als oberen Wert 45 kg/mm², da höhere Werte die Faltenbildung fördern können, und 20 kg/mm² als untere Grenze, da niedrigere Werte leicht Deformationen, wie Vertiefungen, an den Behältern hervorrufen können. Als näch­ stes werden die Gründe zur Begrenzung der Dicke der Folie ausgeführt.

Eine Foliendicke über 100 µm könnte zwar die Steifheit des Behälters erhöhen. Der weiche Griff, wie bei einem Plastik­ behälter würde aber nicht mehr erhalten werden, und der Be­ nutzer würde davon abgehalten werden, die Behälter nach Be­ nutzung zum Wegwerfen mit der Hand zusammenzuknüllen. Diese Eigenschaften, die für einen Folienbehälter gefordert wer­ den, können dann nicht erwartet werden. So wird die obere Grenze der Dicke auf 100 µm festgesetzt. Da Stahlfolien mit Schichtdicken kleiner als 50 µm aus wirtschaftlichen Erwä­ gungen schwierig herzustellen sind, wird die untere Grenze auf 50 µm festgesetzt.

Eine bevorzugte Ausführungsform wird nachstehend beschrie­ ben.

Einige Stahlsorten mit den in Tabelle I aufgeführten, chemi­ schen Zusammensetzungen werden in einem Konverter geschmol­ zen und dann zu einer Bramme gegossen. Die Bramme wird nach einem üblichen Abstreifverfahren auf eine Dicke von 2,0 mm warmgewalzt. Nach dem Warmwalzen werden die Proben A, C und D bei 560° und die Probe B bei 640°C zu einem warmgewalzten Band aufgewickelt. Diese Bänder werden dann nach den in Ta­ belle II aufgeführten Verarbeitungsbedingungen zu Stahlfo­ lien mit einer Enddicke von 60 µm und 75 µm verarbeitet. Die erste Kaltwalzstufe in der Tabelle bedeutet ein Kaltwalzen nach Abwickeln des warmgewalzten Bandes und das erste Glühen bedeutet Glühen nach dem ersten Kaltwalzen. Danach werden der Reihe nach ein zweites Kaltwalzen, ein zweites Glühen und ein drittes Kaltwalzen ausgeführt. Die Bestimmung der Kristallkorngröße erfolgt gemäß JIS G 0552. Das Verhältnis P(222)/P(200) wird aus den Maxima der Kristallebenen (222) und (200) berechnet, die durch Röntgenbeugung erhalten wer­ den. Für diese Messungen werden Röntgenstrahlen mit Cu als Target benutzt. Zur Abschätzung der Faltenbildung und Zieh­ barkeit werden die, wie in Tabelle II hergestellten, Stahl­ folien mit 60 µm und 75 µm Schichtdicke einer elektrolyti­ schen Chrom-Chromat-Behandlung unterzogen (metallisches Cr, 95 mg/m² und Chromoxid, 10 mg/m²). Danach wird eine Polypro­ pylenfolie mit 40 µm Dicke auf beide Seiten der Stahlfolien aufgebracht. Als nächstes werden die Folien mit Palmöl ge­ fettet und dann in die Form eines Zylinders gezogen. Die Be­ stimmung der Faltenbildungsneigung erfolgt als Schätzung, basierend auf dem Zwischenraum zwischen Maximum und Ursprung der Falte; ein Zwischenraum kleiner als 15 µm wird mit markiert, ein Zwischenraum von 15 bis 25 µm mit ○ und ein Zwischenraum über 25 µm mit ∆. Zur Berech­ nung der Ziehbarkeit wird ein Grenz-Ziehverhältnis größer als 2,15 mit markiert, ein Verhältnis von 1,95 bis 2,5 mit ○, und ein Verhältnis kleiner als 1,95 mit ∆.

Die vorstehend erwähnte Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung ist mit einer elektrolytischen Chrom-Chromat-Behand­ lung als Oberflächenbehandlung beschrieben. Andere Behand­ lungsarten wie Verzinnen, Phosphatierung usw. sind ebenfalls geeignet.

Tabelle I

Aus dem erläuterten Beispiel geht hervor, daß die Stahlfolie der Erfindung, in der die Stahlzusammensetzung, die Kri­ stallkorngröße, das Gefüge und die Streckgrenze festgelegt sind, weniger zur Bildung von Falten neigt und eine höhere Ziehbarkeit besitzt. Sie bietet überlegene Eigenschaften für das Ziehen von Behältern mit einer dünnen organischen Be­ schichtung.

Claims (5)

1. Stahlfolie mit hervorragenden Zieheigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl aus höchstens 0,06% Kohlen­ stoff, 0,1 bis 0,5% Mangan, 0,01 bis 0,10% Aluminium, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen besteht und die Folie eine Kristallkorngröße (JIS G 0552) von 7,5 bis 10 (Korngrößenzahl), ein Intensitätsverhältnis der Rönt­ genbeugungs-Maxima der zur Blechoberfläche parallelen Ebenen P(222)/P(200) von mindestens 0,6, eine Streck­ grenze von 20 bis 45 kg/mm² und eine Dicke von 50 bis 100 µm aufweist.

2. Verwendung der Stahlfolie nach Anspruch 1 zur Herstellung von Behältern.

3. Verwendung der Stahlfolie nach Anspruch 1 zur Herstellung von Behältern mit einer organischen Beschichtung.

4. Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Beschichtung eine Dicke von mindestens 20 µm aufweist.

5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Behälter für Nahrungsmittel vorge­ sehen sind.