DE4203442C2 - Verfahren zum Herstellen einer hochfesten gezogenen und abgestreckten Dose aus Stahlblech - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gezogenen und abgestreckten bzw. streckge­ zogenen Stahldose ("DI"-Dose) aus Stahlblech mit ausgezeichneter Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren außerordentlich kostengünstig.

Aluminium- und Stahldosen, d. h. Weißblech-DI-Dosen, werden häufig zur Herstellung von einem Innendruck ausgesetzten Ge­ tränkebehältern verwendet. Beispielsweise werden mit Kohlen­ säure versetzte Getränke, Bier und dgl. in DI-Dosen aufbe­ wahrt.

Die Zahl derartiger Dosen, die jedes Jahr produziert werden, ist sehr groß, und eine kostengünstige Herstellung ist sehr wichtig. Im allgemeinen werden die Dosen durch ein standar­ disiertes industrielles Verfahren hergestellt. Bei diesem Verfahren wird vorbereiteter Stahl entweder diskontinuier­ lich oder kontinuierlich geglüht. Der verwendete Stahl sollte eine bestimmte Härte aufweisen, wie durch die Rockwell T-Härtenorm HR 30T definiert, und zwar eine Härte von 49 bis 64, und eine Dicke zwischen 0,25 und 0,35 mm. Die Härtenorm ist in der gesamten Industrie akzeptiert.

Das genannte Stahlblech wird zunächst verzinnt und danach gezogen und abgestreckt. Das gezogene und abgestreckte Mate­ rial wird zur Herstellung der Weißblechdose verwendet. Zunächst wird derjenige Teil des Stahls, der später die Dosenkante darstellt, abgegratet. Danach wird ein Flansch geformt zum Falzen mit einem Ende der Dose.

Im allgemeinen wird vor dem Krempen des Flansches derjenige Teil, der später das Oberteil der Dose darstellt, einem Ver­ fahren unterzogen, welches als "Einziehen" ("neck in") be­ zeichnet wird. Dies führt zu einer Verkürzung des Durchmes­ sers des Dosenoberteils. Die vorstehend beschriebenen Ver­ fahrensschritte machen es erforderlich, daß das zur Herstel­ lung von DI-Dosen verwendete oberflächenbehandelte Stahl­ blech ausgezeichnete Ziehformbarkeit, Abstreckbearbeitbar­ keit, Einzieh-Formbarkeit, Flanschformbarkeit und Korrosi­ onsbeständigkeit aufweist. Außerdem muß die Herstellung auf wirtschaftliche Weise durchgeführt werden können.

Einer der Versuche, die gemacht wurden, um das beschriebene Verfahren kostengünstiger zu gestalten, ist die Art der Behandlung des Stahlblechs, um dieses zu verdünnen. Es ist erforderlich, daß das verdünnte Blech am Dosenboden eine hochfeste Druckbeständigkeit aufweist. Zu dieser Anforderung kommen die weiteren Anforderungen einer guten Flanschform­ barkeit und Ziehbarkeit sowie guter Abstreckbearbeitbarkeit.

Ein Versuch, die Flanschformbarkeit zu verbessern und hoch­ festes Material herzustellen, ist in der japanischen Patentanmeldung 51-88415 dargestellt. Diese Druckschrift lehrt eine verbesserte Flanschformbarkeit, d. h. eine Ver­ ringerung des Auftretens von Rissen während der Flanschbil­ dung um mehrere Prozent, sowie ein Stahlblech mit einem kaltgewalzten Gefügeanteil von mehr als 80%. Dies wird da­ durch erreicht, daß die chemische Zusammensetzung des Stahls genau begrenzt wird. Insbesondere wird der Kohlenstoffanteil bei weniger als 0,02%, der Schwefelanteil bei weniger als 0,01% und das Al/C-Verhältnis bei mehr als 3,5 gehal­ ten.

Die vorstehend erwähnte Rißbildung während des Krempens des Flansches tritt auf, weil das Krempen eine Erweiterung des Durchmessers des Dosenoberteils erfordert. Außerdem zeigt das Material am Endabschnitt der Dose eine schlechte Dukti­ lität.

Das in der japanischen Patentanmeldung 51-88415 als ausge­ zeichnet bezeichnete Rißbildungsverhältnis beim Krempen des Flansches ist jedoch nicht mit der Industrienorm von etwa 10 Teilen pro Million beim diskontinuierlichen oder kontinuier­ lichen Glühen vereinbar.

Aus der "Stahl-Eisen-Liste" (1977), Verlag Stahl-Eisen mbH, Düsseldorf, Seite 28, sind verschiedene standardisierte Weißblechsorten bekannt, die sich zur Herstellung von Dosen eignen.

In "Blech, Rohre, Profile", 34 (1987), 9, Seiten 556-558, wird das Umformverhalten von doppelt reduzierten oberflächen­ veredelten Stahlblechen beim Tiefziehen untersucht, und es werden Schlußfolgerungen für die Gestaltung von Tiefziehwerkzeugen gezogen.

Aus "Industrie-Anzeiger" 26/1987, Seiten 26-30, sind ver­ schiedene Möglichkeiten zur Herabsetzung der Materialdicke von Blechen für Dosen unter Beibehaltung einer ausreichenden Stabilität bekannt.

Im "Industrie-Anzeiger" 38/1973, Seiten 791-793, wird die Her­ stellung nahtloser Dosen durch Abstreckziehen bekanntge­ macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zur Herstellung von DI-Dosen aus einem oberflächenbehandelten Stahlblech mit hoher Festigkeit bereitzustellen, welches kostengün­ stiger ist als bekannte Verfahren, sowie ein niedriges Rißbildungsverhältnis beim For­ men des Flansches zu erzielen.

Die vorstehende Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Die Erfindung geht dabei von dem Grundgedanken aus, den Glüh­ schritt, welcher bisher allgemein verwendet wurde, zu ver­ meiden. Das auf diese Weise hergestellte oberflächenbehan­ delte Stahlblech unterliegt, wenn es zur Herstellung von DI- Dosen verwendet wird, einer geringeren Flanschrißbildung als bekannte Stahlbleche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Flanschformverfahren, das auch als "Mündungseinschnürverfahren" bezeichnet wird, und

Fig. 2 ein Flanschformverfahren, bei dem der Dosendurchmesser aufgeweitet wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von DI-Dosen sowie mit diesem Verfahren hergestellte Dosen. Stahl mit einer be­ stimmten Zusammensetzung, die nachstehend noch näher erläu­ tert wird, wird verarbeitet, um ein Warmwalzband herzustel­ len, das danach kaltgewalzt wird, anschließend gereinigt, elektroverzinnt und danach durch Ziehen und Abstrecken zu einer Dose verarbeitet. Nach einer Sprühbeschichtung werden Flansche ausgebildet, nachdem Halsflansche durch Mündungseinschnürung hergestellt wurden. Verschiedene Para­ meter und Eigenschaften wurden untersucht und zeigen die Überlegenheit der mit dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren hergestellten Dose.

Die Zusammensetzung des zur Herstellung von DI-Dosen verwen­ deten Stahls ist wesentlich. Verschiedene Bestandteile müs­ sen gezielt eingestellt werden, um ihre vorteilhaften Wir­ kungen maximal zur Geltung zu bringen und ihre Nachteile so­ weit wie möglich auszuschließen. Beispielsweise ist in Stahl üblicherweise Kohlenstoff (C) enthalten. Ein zu hoher Kohlenstoffanteil härtet jedoch den Stahl und erhöht die zum Abstrecken erforderliche Energie. Aus dem Gesichtspunkt des Energieverbrauchs heraus sind kleine Mengen an C wünschens­ wert, aber wenn die C-Menge abnimmt, nimmt auch die Ziehbar­ keit und die Abstreckbarkeit ab. Dies scheint die Ursache dafür zu sein, daß ein geringerer Anteil an C die Rauhigkeit der Stahloberflächen erhöht und schwache Korngrenzen verur­ sacht. Diese Tendenz scheint in Stahl mit geringerer Dukti­ lität oder Umformbarkeit sehr ausgeprägt zu sein; in geglüh­ tem Stahl bringt jedoch ein niedriger C-Gehalt bessere Zieh­ barkeit hervor. Ein geringer Anteil an C ist nicht wün­ schenswert für Halsflansch- oder Abschnürungsflanschverfah­ ren unter Verwendung des Mündungsabschnürverfahrens.

Wenn die Oberflächen aufgerauht sind, kann dies Beschich­ tungsrisse und Stahlrisse, wie Abschnürrisse, zur Folge ha­ ben. Aus diesem Grund sind Grenzen für den C-Gehalt in dem Stahl eingeführt worden, wie nachstehend erläutert, und der C-Gehalt sollte zwischen 0,01 und 0,06 Gew.-% betragen. (Die nachstehenden Prozentangaben beziehen sich jeweils auf Gew.-%.)

Silizium (Si) ist auch üblicherweise in Stahl vorhanden, härtet den Stahl und hat zur Folge, daß Abschnürrisse sehr einfach auftreten, wenn zuviel Si vorhanden ist. Aus diesem Grunde wird der Höchstgehalt an Si auf 0,03% festgelegt.

Mangan (Mn) härtet Stahl, und es ist wünschenswert, den Mn- Gehalt so niedrig wie möglich zu halten. Es ist deshalb festgestellt worden, daß der Mn-Gehalt in Zusammenhang mit dem C-Gehalt die folgende Beziehung erfüllen muß:

0,8 < Mn% + 10 (C%).

Mn verhindert jedoch auch das Auftreten von durch Schwefel verursachter Sprödigkeit des Stahls. Deshalb muß bei der Zugabe von Mn auch der S-Gehalt berücksichtigt werden. Es wurde festgestellt, daß die Beziehung zwischen Mn und S die nachstehende Beziehung erfüllen muß:

0,2 < Mn% -10 (S%).

S sollte jedoch zugesetzt werden, weil S die Korrosionsbe­ ständigkeit gegenüber Getränken verbessert, die Phosphor­ säure enthalten, einen häufig in Getränken verwendeten Be­ standteil. Der S-Gehalt muß mehr als 0,01% und darf höchstens 0,03% betragen. Die Korrosionsbeständigkeit scheint sich bei einem S-Gehalt von mehr als 0,03% nicht mehr zu verbessern.

Aluminium (Al) muß ebenfalls zugesetzt werden, um den geschmolzenen Stahl zu desoxidieren. Um dies zu bewerkstel­ ligen, müssen mehr als 0,02% Al zugesetzt werden; ein zu hoher Al-Gehalt erleichtert jedoch das Auftreten von Oberflächendefekten im Stahl und erhöht die Kosten. Der Höchstgehalt an Al wird aufgrund dieser Überlegungen auf 0,10% festgelegt.

Als weitere Bestandteile des Stahls sind üblicherweise Stickstoff (N) und Phosphor (P) vorhanden. Diese härten den Stahl, und die zugelassene Höchstmenge wird auf 0,006% N und 0,03% P festgelegt.

Die maximale Härte nach dem Kaltwalzen wird in bezug auf Falten festgelegt, die sich am Boden einer DI-Dose bilden. Diese erscheinen nach der Ausbildung des Bodens in Radial­ richtung und beeinträchtigen das Aussehen der Waren, was selbstverständlich nicht wünschenswert ist. Ein weiterer Faktor, der die Faltenbildung beeinflußt, ist die Stahl­ dicke.

Wenn die Härte des Stahls erhöht wird, muß die Dicke des Stahls in einer Weise eingestellt werden, durch die eines der Ziele der Erfindung, nämlich die Verringerung der Dicke bei gleichzeitiger Beibehaltung hoher Festigkeit, beein­ trächtigt werden kann. Aus diesem Grund wird die Mindest­ härte auf 73 gemäß der vorstehend erläuterten HR-Skala (HR 30T) eingestellt. Wenn die Härte niedriger ist als der genannte Wert, kann eine ausreichende Verringerung der Stahldicke nicht erzielt werden.

Aufgrund der Probleme bezüglich Faltenbildung werden die maximale und minimale Stahldicke in bezug auf Härte und Kosten festgelegt. Zusätzlich bestehen Beschränkungen bezüg­ lich des Beschichtungsgewichts. Nachstehend werden Erläute­ rungen bezüglich dieser beiden Parameter gegeben.

Wenn das Flächengewicht der Zinnbeschichtung auf einer äuße­ ren Oberfläche bei einem für die Herstellung einer Dose be­ stimmten Stahlblech weniger als 1,0 g/m² beträgt, können während des Abstreckens leicht Risse auftreten, und ein kon­ tinuierliches Abstrecken ist schwer durchführbar. Die Unter­ grenze der Zinnbeschichtung für die innere Oberfläche wird bei 0,1 g/m² festgelegt. Dieses Minimum wird aufgrund von Überlegungen festgelegt, die die Korrosionsbeständigkeit, die Rostbeständigkeit und das Abstreifen betreffen, d. h. das Entfernen der abgestreckten Dose von einem Abstreckstempel. Aufgrund von Kostenüberlegungen beträgt die maximale Beschichtung 11,0 g/m².

Nachdem der Stahl erfindungsgemäß warmgewalzt ist, ist es wünschenswert, daß er bei einer Temperatur von mehr als 600°C gehaspelt wird. Diese Temperatur ist wünschenswert erstens zur Reduzierung der zum Formen von DI-Dosen erfor­ derlichen Energie, zweitens zum Verbessern der Halsflansch- Formbarkeit, wenn das Mündungsabschnürverfahren mit Erwei­ chen des warmgewalzten Bandes verwendet wird, und drittens zum Reduzieren des löslichen N durch Selbstglühen nach dem Haspeln. Auf dem warmen Stahlband gebildeter Zunder kann je­ doch nicht einfach entfernt werden, wenn die Haspeltempera­ tur mehr als 750°C beträgt. Deshalb wird der Bereich der Haspeltemperatur auf mehr als 600°C und höchstens 750°C festgelegt.

Außerdem sollte ein bevorzugtes Verhältnis zwischen der Dicke vor dem Kaltwalzen und nach dem Kaltwalzen verwendet werden. Dieses Verhältnis ist

wobei To die Dicke des Stahlblechs vor dem Kaltwalzen, d. h. die Dicke des warmen Bandes, und T1 die Dicke nach dem Kalt­ walzen ist, und beträgt vorzugsweise zwischen 60 und 90%, wodurch die Enddicke des Stahlblechs zwischen 0,18 und 0,28 mm beträgt.

Wenn das Walzverhältnis, d. h. das vorstehend erläuterte Verhältnis, weniger als 60% ist, ist es erforderlich, die maximale Dicke des warmgewalzten Bandes auf etwa 0,5 mm festzulegen. Die derzeitige Technologie zum Herstellen von Warmwalzband ist so, daß es bei einer Dicke von 0,5 mm schwierig ist, gleichförmige Eigenschaften des Blechs sicherzustellen. Das Minimum von 60% wird im Hinblick auf diese Überlegungen festgelegt, während das Maximum aufgrund von Überlegungen bezüglich des Ziehens, der Abstreckformbar­ keit und der Formbarkeit bei Halsflanschverfahren insbeson­ dere unter Verwendung der Mündungsabschnürmethode festgelegt wird.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung noch näher.

Beispiel

Stahl mit verschiedenen Zusammensetzungen, wie in Tabelle 1 gezeigt, wird in einem Konverter verarbeitet, und eine Stahlbramme mit 220 mm Dicke wird durch Stranggießen herge­ stellt. Die Stahlbramme wird danach warmgewalzt und auf diese Weise Warmwalzband hergestellt.

Tabelle 1

Danach wird das Band kaltgewalzt, wobei das in Tabelle 2 ge­ zeigte Walzverhältnis verwendet wird. Weitere Parameter des Experiments sind ebenfalls aus Tabelle 2 ersichtlich. Danach wird der Stahl gereinigt und elektrisch verzinnt (2,8 g/m² für Innenseite und Außenseite). Danach werden Dosen mit einem Durchmesser von 65 mm unter Verwendung eines Zieh- und Abstreckverfahrens hergestellt.

Die Dosen werden sprühbeschichtet und danach mit einem Flansch versehen, wobei das Halsflanschverfahren oder Ab­ schnürflanschverfahren unter Verwendung einer Mund- oder Mündungsabschnürmethode verwendet wird. Von den Parametern des Stahls werden als Kriterien für die Eignung des Stahls herangezogen: Bearbeitbarkeit zum Ziehen und Abstrecken (Be­ grenzung des Ziehverhältnisses, Abstreckenergie), Faltenbil­ dung am Boden der Dose (Bildung unmittelbar nach dem Ab­ strecken), Reißen einer organischen Beschichtung beim Hals­ flanschverfahren, Abschnürrisse im Metall und Korrosi­ onsbeständigkeit. Die Korrosionsbeständigkeit wird überprüft unter Verwendung eines Phosphorsäure enthaltenden Cola­ getränks.

In Tabelle 2, in der die Ergebnisse zusammengefaßt sind, be­ deutet ein ausgezeichnetes Ergebnis, ○ ein gutes Ergeb­ nis, ∆ ein noch akzeptables bzw. unakzeptables Ergebnis und × einen Fehlschlag.

Die Ergebnisse zeigen, daß durch geeignetes Festlegen der Stahlzusammensetzung, des Herstellungsverfahrens und der Herstellungsbedingungen brauchbare Dosen auf wirtschaftliche Weise und ohne Glühen hergestellt werden können, obwohl die Flanschbildung nur durch Mund- oder Mündungsabschnürverfah­ ren durchgeführt wird. Fig. 1 zeigt das hierin verwendete Halsflanschverfahren für die Mündungsabschnürmethode. Die durchgezogenen Linien zeigen die Struktur vor Anwendung die­ ser Methode und die durchbrochenen Linien nach Anwendung der Methode. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 die Do­ senwand, das Bezugszeichen 2 die Dosenkante, das Bezugszei­ chen 3 den mittleren Teil der Dose und das Bezugszeichen 4 den Dosenboden. Die gleichen Bezugszeichen werden auch in Fig. 2 verwendet, die die Flanschausbildung mit Erweiterung des Mündungsdurchmessers zeigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit zur Herstellung von DI-Dosen geeignet. Stahl mit einer bestimm­ ten Zusammensetzung wird gebeizt und danach kaltgewalzt, um Stahl mit einer Härte von 73 bis 83 bei Anwendung der HR 30T-Norm und mit einer Dicke von 0,18 bis 0,28 mm herzustel­ len. Der Stahl wird verzinnt bzw. auf beiden Seiten mit Zinn beschichtet, wobei die Beschichtung auf der äußeren Oberflä­ che von 1,0 bis 11,0 g/m² und auf der inneren Oberfläche von 0,1 bis 11,0 g/m² beträgt. Das erfindungsgemäße Verfahren kommt ohne Glühen aus. Die Erfindung betrifft auch ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Erzeugnis.

Claims (5)

1. Verfahren zum Herstellen von gezogenen und abgestreckten Dosen mit den folgenden Verfahrensschritten:

• (i) Warmwalzen eines Stahlbands, bestehend aus folgenden Bestandteilen:
  0,01 bis 0,06% Kohlenstoff,
  weniger als 0,03% Silizium,
  0,1 bis weniger als 0,25% Mangan,
  0,01 bis 0,03% Schwefel,
  0,02 bis 0,10% Aluminium,
  weniger als 0,006% Stickstoff,
  weniger als 0,03% Phosphor,
  Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei Mn% + 10 (C%) < 0,8undMn% - 10 (S%) < 0,2,
• (ii) Beizen des Stahlbands,
• (iii) Kaltwalzen des gebeizten Stahlbands zum Er­ zeugen eines Stahlblechs mit einer Härte von 73 bis 83 (HR 30T) und einer Dicke von 0,18 bis 0,28 mm,
• (iv) Verzinnen beider Seiten des so hergestellten Stahlblechs mit einem Gewicht von 0,1 bis 11,0 g/m²,
• (v) Ziehen und Abstrecken des Stahlblechs zu einer Dose und
• (vi) Ausbilden eines Flansches durch Mundeinschnü­ rung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei diejenige Seite, die als Außenseite der Dose Verwendung findet, mit einem Ge­ wicht von 1,0 bis 11,0 g/m² und diejenige Seite, die als Innenseite der Dose Verwendung findet, mit einem Gewicht von 0,1 bis 11,0 g/m² beschichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Stahlblech nach dem Warmwalzen bei einer Temperatur von 600°C bis 750°C gehaspelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Re­ duktionsverhältnis beim Kaltwalzen 60 bis 90% beträgt.

5. Dose, hergestellt mit dem Verfahren nach einem der An­ sprüche 1 bis 4.