JP2008144219A - キャップ用アルミニウム合金板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャップの薄肉化による強度低下を抑えつつ、成形性を維持することを可能としたキャップ用アルミニウム合金板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｍｇ：１．６〜２．０％、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．２０％以下、Ｚｎ：０．３％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｆｅ：０．５０％以下、Ｔｉ：０．３０％以下を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなる組成を有し、引張強さが２００〜２３５ＭＰａ、耐力が１６５〜２００ＭＰａ、伸びが７〜１２％であり、絞り比１．９７での耳率が２％以下、板厚が０．１８５〜０．２４５ｍｍであり、なお且つ、厚み方向の断面組織は、長手方向の結晶サイズが４０μｍ以上のファイバー状組織である。
【選択図】なし

Description

本発明は、ボトル缶のキャップ用アルミニウム合金板及びその製造方法に関する。

ねじ付きキャップは、ガラス瓶やプラスチック容器などのキャップとして広く利用されている。また、最近では、ねじ付きキャップを備えたアルミニウム合金製のボトル缶も開発されている。このようなボトル缶の材料としては、例えばＪＩＳ３００４（ＡＡ３００４）、ＪＩＳ３１０４（ＡＡ３１０４）等のＡｌ−Ｍｎ系のアルミニウム合金などが使用されている。一方、キャップの材料としては、例えばＪＩＳ５１５４等のＡｌ−Ｍｇ系のアルミニウム合金などが使用されている（例えば、特許文献１〜３を参照。）。

ボトル缶のキャップに要求される品質特性としては、耐圧性や、耐食性、低耳、シーリング性、防爆対応性、深絞り性など多岐に渡っており、且つ、これらの特性が安定していなければならない。例えば、ねじ付きキャップを備えたボトル缶の場合、キャップを開けた後に再びキャップを閉めておくことができるため、非常に便利である。しかしながら、中身が残った状態のままボトル缶を放置した場合、ボトル缶内に混入した雑菌が増殖することによって、ボトル缶内でガスが発生し、ボトル缶の内圧が上昇することがある。したがって、このような場合にキャップが外れて中身が飛び出すことがないよう、キャップのネジ部がボトル缶の内圧上昇に耐え得るだけの強度を有しておく必要がある。なお、ボトル缶の中身が炭酸飲料等の場合、ボトル缶内の圧力は通常０．２ＭＰａ程度であるが、使用環境や温度条件等によってはそれ以上の圧力が発生するとの知見もある。また、防爆対策として、キャップのナール部にスリットを形成し、このスリットからガスを放出させる構造も提案されている。

さらに、この種のキャップは大量生産されるため、製造時に材料の無駄が生じないことが望まれる。例えば、深絞り加工によりキャップを成形する際に、アルミニウム合金板の組成や製造条件等によって材料の無駄となる耳がどの程度発生するか、また、如何に低い耳率のまま良好な加工性と高い引張強さ等を確保できるかが重要な課題となる。
特開２００５−２４６４号公報 特開２００４−３５３０７９号公報 特開２００５−１２６７６４号公報

ところで、上述したボトル缶のキャップを製造するにあたっては、省資源・省エネルギーに配慮した設計・開発が求められる。具体的に、ボトル缶に使用されるキャップの場合、キャップの薄肉化を図ることによって、使用材料を削減することが行われている。

しかしながら、キャップを薄肉化した場合には、強度が低下してしまうため、キャップの耐圧強度を確保することが困難となる。逆に、キャップの強度を上げるとキャップの成形性が悪化してしまうため、深絞り加工によるキャップの成形やキャップに形成するネジ部の成形などが困難となる。

そこで、本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、キャップの薄肉化による強度低下を抑えつつ、成形性を維持することを可能としたキャップ用アルミニウム合金板及びその製造方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、質量％で、Ｍｇ：１．６〜２．０％、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．２０％以下、Ｚｎ：０．３％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｆｅ：０．５０％以下、Ｔｉ：０．３０％以下を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなる組成を有し、引張強さが２００〜２３５ＭＰａ、耐力が１６５〜２００ＭＰａ、伸びが７〜１２％であり、絞り比１．９７での耳率が２％以下、板厚が０．１８５〜０．２４５ｍｍであり、なお且つ、厚み方向の断面組織は、長手方向の結晶サイズが４０μｍ以上のファイバー状組織であることことを特徴とするキャップ用アルミニウム合金板である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のキャップ用アルミニウム合金板の製造方法であって、スラブに熱間圧延、冷間圧延を行い、最終冷延率を５０〜９０％とし、最終冷延後に２００〜２５０℃の最終調質焼鈍を行うことを特徴とするキャップ用アルミニウム合金板の製造方法である。

以上のように、本発明によれば、キャップを薄肉化した場合でも強度低下を抑えつつ成形性を維持することができ、さらに、耳率を低く抑えることができるため、製造時の材料の無駄が少なくなり、大量生産した場合に低コスト化を実現することができる。

以下、本発明を適用したキャップ用アルミニウム合金板及びその製造方法について詳細に説明する。

先ず、本発明を適用したキャップ用アルミニウム合金板について説明する。
本発明を適用したキャップ用アルミニウム合金板は、質量％で、Ｍｇ：１．６〜２．０％、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．２０％以下、Ｚｎ：０．３％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｆｅ：０．５０％以下、Ｔｉ：０．３０％以下を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなる組成を有し、引張強さが２００〜２３５ＭＰａ、耐力が１６５〜２００ＭＰａ、伸びが７〜１２％であり、絞り比１．９７での耳率が２％以下、板厚が０．１８５〜０．２４５ｍｍであり、なお且つ、厚み方向の断面組織は、長手方向の結晶サイズが４０μｍ以上のファイバー状組織であることを特徴とするものである。

以下、本発明のキャップ用アルミニウム合金板に添加された各組成元素及びその添加量を規定した理由、並びに本発明のアルミニウム合金の特定事項について説明する。

（Ｍｇ：１．６〜２．０％）
Ｍｇは、アルミニウム合金の強度を向上させるのに必要な元素である。しかしながら、Ｍｇが１．６％未満であると、板厚が０．１８５〜０．２４５ｍｍとなる場合においてアルミニウム合金の強度を向上させる効果が不十分となり、Ｍｇが２．０％を超えると、強度が高くなりすぎて加工性が劣化してしまう。したがって、Ｍｇは、１．６〜２．０％の範囲で含有することが好ましく、より好ましくは１．７〜１．８％の範囲である。

（Ｃｕ：０．１０％以下）
Ｃｕは、アルミニウム合金の強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｃｕが０．１０％を超えると、アルミニウム合金の耐食性が劣化する。したがって、Ｃｕは、０．１０％以下の範囲で添加することが好ましく、より好ましくは０．０１〜０．０７％の範囲である。

（Ｍｎ：０．２０％以下）
Ｍｎは、アルミニウム合金の強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｍｎが０．２０％を超えると、加工性が劣化する。したがって、Ｍｎは、０．２０％以下の範囲で含有することが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．１５％の範囲である。

（Ｃｒ：０．２０％以下）
Ｃｒは、耳率を低減させる元素である。しかしながら、Ｃｒが０．２０％を超えると、アルミニウム合金の強度が高くなり過ぎてしまい、成形性が劣化する。したがって、Ｃｒは、０．２０％以下の範囲で添加することが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．１０％の範囲である。

（Ｚｎ：０．３％以下）
Ｚｎは、結晶粒の微細化を図り、成形性を向上させる元素である。しかしながら、Ｚｎが０．３％を超えると、アルミニウム合金の強度が高くなり過ぎてしまい、成形性が劣化する。したがって、Ｚｎは、０．３％以下の範囲で添加することが好ましく、より好ましくは０．１〜０．２％の範囲である。

（Ｓｉ：０．４％以下）
Ｓｉは、深絞り性を向上させる元素である。しかしながら、Ｓｉが０．４％を超えると、逆に深絞り性が劣化する。したがって、Ｓｉは、０．４％以下の範囲で添加することが好ましく、より好ましくは０．２〜０．３％の範囲である。

（Ｆｅ：０．５０％以下）
Ｆｅは、アルミニウム合金の強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｆｅが０．５０％を超えると、深絞り性や耐食性が劣化する。したがって、Ｆｅは、０．５０％以下の範囲で添加することが好ましく、より好ましくは０．３〜０．４％の範囲である。

（Ｔｉ：０．３０％以下）
Ｔｉは、結晶粒の微細化を図り、成形性を向上させる元素である。しかしながら、Ｔｉが０．３０％を超えると、肌荒れ等によりアルミニウム合金の表面状態が劣化する。したがって、Ｔｉは、０．３０％以下の範囲で添加することが好ましく、より好ましくは０．１〜０．２％の範囲である。

（機械的性質）
本発明のキャップ用アルミニウム合金板は、その引張強さが２００〜２３５ＭＰａ、耐力が１６５〜２００ＭＰａ、伸びが７〜１２％であることが好ましい。
引張強さは、２００ＭＰａ未満になると、耐圧性やシーリング性が不足してしまい、２３５ＭＰａを超えると、板厚が０．１８５〜０．２４５ｍｍである場合において強度が高くなりすぎてしまう。したがって、引張強さは、２００〜２３５ＭＰａの範囲であることが好ましく、より好ましくは、２１０〜２２５ＭＰａの範囲である。
耐力は、１６５ＭＰａ未満になると、深絞り加工時にしわ等の外観不良が発生し易くなり、２００ＭＰａを超えると、深絞り加工時に割れが生じ易くなる。したがって、耐力は、１６５〜２００ＭＰａの範囲であることが好ましく、より好ましくは、１７５〜１９０ＭＰａの範囲である。
伸びは、７％未満になると、深絞り加工によるキャップの成形性が劣化してしまい、１２％を超えると、深絞り加工後のキャップ形状が安定しなくなる。したがって、伸びは、７〜１２％の範囲であることが好ましく、より好ましくは、９〜１１％の範囲である。

（深絞り試験）
本発明のアルミニウム合金板は、絞り比１．９７での耳率が２％以下であることが好ましい。耳率を２％以下とすることによって、製造時の材料の無駄を少なくすることができる。なお、耳率は、ダイス径３３．７ｍｍ、ポンチ径３３ｍｍ、ポンチ肩Ｒ４ｍｍの金型を用い、ブランク径６５ｍｍ、絞り比１．９７の条件で深絞り試験を行い、そのとき測定した耳の高さから算出した。

厚み方向の断面組織は、長手方向の結晶サイズが４０μｍ以上のファイバー状組織となることで、キャップの薄肉化による強度低下を抑えつつ、成形性を維持することが可能である。

次に、本発明を適用したキャップ用アルミニウム合金板の製造方法について説明する。
本発明を適用したキャップ用アルミニウム合金板の製造方法は、上記組成成分を有するアルミニウム合金を用い、この種のアルミニウム合金を製造する場合に適用する常法を組み合わせることによって製造することができる。すなわち、溶湯からスラブを得た後、このスラブに熱間圧延加工と冷間圧延加工を複数回施し、これら圧延の前後に必要に応じて均質化処理と中間焼鈍を行い、中間焼鈍後に更に冷間圧延加工を複数回施し、その際、最後の中間焼鈍からの冷間圧延率（最終冷延率という。）を５０〜９０％とし、その後、２００〜２５０℃の最終調質焼鈍を行うことによって、厚み方向の断面組織をファイバー状組織とすることを本発明の特徴とする。

具体的に、最終冷延率は、５０％未満になると強度が不十分となり、９０％を超えると耳率が高くなる。したがって、最終冷延率は、５０〜９０％の範囲とすることが好ましく、６０〜８０％の範囲とすることがより好ましい。これにより、低い耳率を維持しながら引張強度を向上させることができる。

目的の引張強さは最終的には最終冷間圧延で得ることができる。一方、最終冷延後に最終調質焼鈍を行わないと伸びが出なくなる。具体的に、最終調質焼鈍は、２００℃未満であると伸びが不足し、２５０℃を超えると素材強度が低下する。したがって、最終調質焼鈍は、２００〜２５０℃の範囲で行うことが好ましく、２２０〜２４０℃の範囲で行うことがより好ましい。なお、加熱方法については、バッチ式でも急速加熱方式でもよい。加熱時間については、バッチ式では１〜１０時間程度、急速加熱方式では１〜６０秒程度である。

ところで、本発明は、上述したアルミニウム合金の組成成分と、最終調質焼鈍温度の違いによって厚み方向の断面組織がファイバー状又は粒状に変化することに着目し、この厚み方向の断面組織がファイバー状組織となる範囲でアルミニウム合金の組成成分及び最終調質焼鈍温度を規定することにより、キャップの薄肉化による強度低下を抑えつつ、成形性を維持できることを見出したものである。

すなわち、キャップの薄肉化による強度低下を抑えつつ、成形性を維持するためには、アルミニウム合金の組成成分を上記範囲とすると共に、最終冷延後に２００〜２５０℃の温度範囲で最終調質焼鈍を行うことが好ましい。これにより、厚み方向の断面組織をファイバー状組織とすることができ、低い耳率のまま良好な加工性と高い引張強さ等を確保することができる。

本発明では、この厚み方向の断面組織のうち、ファイバー状組織が占める割合（面積率）が８０％以上であることが好ましく、最も好ましくは１００％、すなわちファイバー状組織のみとなることが最も好ましい。また、ファイバー状組織は、その長手方向の結晶サイズが４０μｍ以上であることが好ましい。これにより、強度を高めた上で成形性を維持することができる。

以上のように作製された本発明のアルミニウム合金板では、板厚を０．１８５〜０．２４５ｍｍの範囲で薄肉化した場合であっても、強度低下を抑えつつ成形性を維持することができ、さらに、耳率を低く抑えることができるため、製造時の材料の無駄が少なくなり、大量生産した場合に低コスト化を実現することができる。

なお、本発明のアルミニウム合金板は、高圧時にキャップとボトル口部との間でガス抜きを行う防爆対応型のキャップ材として使用できることは勿論、防爆対応型ほど耐圧性能を必要としないキャップ材にも使用でき、キャップ材としての使用範囲は非常に広いものである。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

本実施例では、先ず、表１に示す各組成成分を有するアルミニウム合金を溶製し、スラブに鋳造した。次に、５６０℃×４時間の均質化処理を行い、熱間圧延で板厚６ｍｍとした。次に、冷間圧延、連続焼鈍炉（４６０℃）で中間焼鈍を行い、３０〜７０％の最終冷延率で最終板厚０．２１５ｍｍまで冷間圧延を行った。最後に２３０℃で４ｈｒの調質焼鈍を行い、Ｎｏ．１〜８のアルミニウム合金板を得た。
そして、これらＮｏ．１〜８のアルミニウム合金板について、厚み方向の断面組織を光学顕微鏡で観察し、その組織形状と結晶サイズを測定すると共に、引張強さ、耐力、伸び、及び耳率の測定を行った。その測定結果を表１に示す。なお、耳率は、ダイス径３３．７ｍｍ、ポンチ径３３ｍｍ、ポンチ肩Ｒ４ｍｍの金型を用い、ブランク径６５ｍｍ、絞り比１．９７の条件で深絞り試験を行い、そのとき測定した耳の高さから算出した。

表１に示すように、Ｎｏ．３，４，６，（実施例）のアルミニウム合金板は、本発明の組成範囲にあるアルミニウム合金を用いて作製されたものであり、何れも厚み方向の結晶組織がファイバー状組織となった。そして、これらのアルミニウム合金板は、何れも引張強さが２００〜２３５ＭＰａ、耐力が１６５〜２００ＭＰａ、伸びが７〜１２％、耳率が２％以下となり、良好な機械的性質及び耳率を示した。

一方、Ｎｏ．１，２，５，７，８のアルミニウム合金板（比較例）は、本発明の最終冷延率及び組成範囲を外れたアルミニウム合金を用いて作製されたものである。このうち、Ｎｏ．１，２，５，８のアルミニウム合金板は、厚み方向の結晶組織が粒状組織となり、その結果、本発明の機械的性質を満たすことができず、耳率も低く抑えることができなかった。一方、Ｎｏ．７のアルミニウム合金板（比較例）は、厚み方向の結晶組織がファイバー状組織となったものの、その長手方向の結晶サイズが小さすぎるために、本発明の機械的性質を満たすことができず、耳率も低く抑えることができなかった。

Claims (2)

1. 質量％で、Ｍｇ：１．６〜２．０％、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．２０％以下、Ｚｎ：０．３％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｆｅ：０．５０％以下、Ｔｉ：０．３０％以下を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなる組成を有し、
   引張強さが２００〜２３５ＭＰａ、耐力が１６５〜２００ＭＰａ、伸びが７〜１２％であり、絞り比１．９７での耳率が２％以下、板厚が０．１８５〜０．２４５ｍｍであり、なお且つ、厚み方向の断面組織は、長手方向の結晶サイズが４０μｍ以上のファイバー状組織であることを特徴とするキャップ用アルミニウム合金板。
2. 請求項１に記載のキャップ用アルミニウム合金板の製造方法であって、
   スラブに熱間圧延、冷間圧延を行い、最終冷延率を５０〜９０％とし、最終冷延後に２００〜２５０℃の最終調質焼鈍を行うことを特徴とするキャップ用アルミニウム合金板の製造方法。