JP3069003B2 - アルミニウム合金製ｄｉ缶胴 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はＤＩ加工（絞り−しご
き加工）による２ピースアルミニウム缶用の缶胴、すな
わちアルミニウム合金製ＤＩ缶胴に関し、特にＤＩ加工
および塗装焼付け処理の後に缶胴縁部（フランジ部）に
施されるフランジ加工等における成形性が良好なアルミ
ニウム合金製缶胴に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に２ピースアルミニウム缶の製造工
程としては、缶胴素材に対して深絞り加工、しごき加工
によるＤＩ成形を施して缶胴形状とした後、所定のサイ
ズにトリミングを施してから塗装焼付け処理を施し、そ
の後、缶胴縁部に対してネッキング加工（口絞り加
工）、フランジ加工（口拡げ加工）を行ない、さらに別
に成形した缶蓋（缶エンド）を合わせてシーミング加工
（巻締め加工）を行なうのが通常である。

【０００３】ところで従来のＤＩ缶の缶胴材としては、
Ａｌ−Ｍｇ−Ｍｎ系合金であるＪＩＳ ３００４合金や
ＡＡ ３１０４合金が広く用いられている。これらの合
金は、しごき加工性に優れており、強度を高めるために
高圧延率で冷間圧延を施した場合でも、比較的良好な成
形性を示すところから、ＤＩ缶胴材として最適であると
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】２ピースアルミニウム
缶については、より薄肉化を図って材料コストの低減、
軽量化を図ることが強く望まれている。このように薄肉
化を図るためにはより一層の高強度化が望まれる。また
ＤＩ缶胴材は、高強度を有するばかりでなく、ＤＩ成形
性が良好であることが要求され、さらにＤＩ缶胴に成形
して塗装焼付け処理を施した後のネッキング加工、フラ
ンジ加工、シーミング加工での成形性も優れていること
が要求される。特に缶胴縁部については、素材製造過程
での冷間圧延、缶胴成形時のＤＩ成形、塗装焼付け処理
後のネッキング加工、フランジ加工、シーミング加工と
いった、多段階、多種類の加工が加えられるため、加工
中にクラックが生じたりしやすい。特に最近では缶胴の
薄肉化に伴なって缶胴縁部の板厚も小さくなっており、
そのためフランジ加工やシーミング加工において縁部に
破断が生じやすく、そこで缶胴縁部のフランジ加工性、
シーミング加工性の改善が強く望まれている。また缶蓋
の軽量化の要請から缶胴のネック径の小径化が望まれて
おり、この場合ネッキング加工量の増大が必要となるこ
とから、より一層の缶胴縁部の成形性の向上が望まれて
いる。

【０００５】この発明は以上の事情を背景としてなされ
たもので、強度およびＤＩ成形性に優れるばかりでな
く、特にネッキング加工、フランジ加工、シーミング加
工が施される缶胴縁部の成形性が優れたアルミニウム合
金製ＤＩ缶胴を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は前述の課題
を解決するべく鋭意実験・研究を重ねた結果、素材の合
金成分組成を適切に選定すると同時に、組織状態、特に
缶胴縁部の組織状態を最適化することによって、ＤＩ加
工および塗装焼付け処理が施されたＤＩ缶胴として、そ
の縁部の成形性に優れたＤＩ缶胴が得られることを見出
し、この発明をなすに至ったのである。

【０００７】具体的には、この発明のアルミニウム合金
製ＤＩ缶胴は、Ｍｇ０．１〜１．５％、Ｍｎ０．５〜
１．８％、Ｆｅ０．１〜０．８％、Ｓｉ０．０５〜０．
５％、Ｃｕ０．０５〜０．７％を含有し、残部がＡｌお
よび不可避的不純物よりなり、しかもＤＩ加工および塗
装焼付け処理が施されたＤＩ缶胴として、その缶胴の縁
部が１０％以上の亜結晶粒を有することを特徴とするも
のである。

【０００８】

【作用】この発明のＤＩ缶胴では、基本的には、合金成
分組成と、缶胴縁部すなわちネッキング加工、フランジ
加工、シーミング加工が施される部分の組織状態、特に
亜結晶粒（サブグレイン）の占有率が重要であり、これ
らが所定の範囲内であることによってはじめて缶胴縁部
に優れた成形性を確保し、同時に高い強度、良好なＤＩ
成形性を得ることができたのである。そこで先ず合金の
成分組成の限定理由について説明する。

【０００９】Ｍｇ：Ｍｇは単独でも固溶強化に効果があ
る元素であり、強度向上に不可欠な元素である。さらに
Ｍｇの添加は、ＳｉやＣｕとの共存によってＭｇ₂ Ｓｉ
あるいはＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ相の析出による時効硬化を期
待することができる。Ｍｇ量が０．１％未満では所要の
強度が得られず、一方１．５％を越えて添加した場合に
は充分な強度は得られるもののサブグレイン化（亜結晶
粒化）が著しく遅延して缶胴縁部の成形性とりわけフラ
ンジ加工性を劣化させる。そこでＭｇの範囲は０．１〜
１．５％とした。

【００１０】Ｍｎ：Ｍｎは強度、成形性の向上に寄与す
るに有効な元素である。特にこの発明で対象としている
缶胴の製造過程では、ＤＩ成形時に苛酷なしごき加工が
施されるため、Ｍｎは重要となる。アルミニウム板のし
ごき加工においては通常エマルジョンタイプの潤滑剤が
用いられているが、Ｍｎ系晶出物が少ない場合には同程
度の強度を有していてもエマルジョンタイプ潤滑剤だけ
では潤滑能が不足し、ゴーリングと呼ばれる擦り疵や焼
付きなどの外観不良が発生するおそれがある。この現象
は晶出物の大きさ、量、種類に影響されることが知られ
ており、適切なＭｎ系晶出物を形成して、しごき加工に
おける潤滑能を向上させるためにＭｎは不可欠な元素で
ある。Ｍｎ量が１．８％を越えればＭｎＡｌ₆ の初晶巨
大金属間化合物が発生して、逆に著しく成形性を損って
しまう。またＭｎ量が０．５％未満ではＭｎ系化合物に
よる固体潤滑的な効果が得られない。そこでＭｎの範囲
は０．５〜１．８％とした。

【００１１】Ｆｅ：ＦｅはＭｎの晶出や析出を促進し、
アルミニウム基地中のＭｎ固溶量やＭｎ系不溶性化合物
の分散状態を制御するために必要な元素である。適正な
化合物分散状態を得るためには、Ｍｎ添加量に応じてＦ
ｅを添加することが必要である。Ｆｅ量が０．１％未満
では適正な化合物分散状態を得ることが困難であり、一
方Ｆｅ量が０．８％以上では、Ｍｎ添加に伴なって初晶
巨大化合物が発生しやすくなり、成形性を著しく損う。
そこでＦｅの範囲は０．１〜０．８％とした。

【００１２】Ｓｉ：Ｓｉの添加は、Ｍｇ₂ Ｓｉ系化合物
の析出による時効硬化に寄与する。Ｓｉ量が０．０５％
未満ではその効果が得られず、０．５％を越えれば時効
硬化は容易に得られるものの、材料が硬くなりすぎて成
形性を阻害する。そこでＳｉの範囲は０．０５〜０．５
％とした。

【００１３】Ｃｕ：Ｃｕの添加は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系
析出物の生成による時効硬化に寄与する。Ｃｕ量が０．
０５％未満ではその効果が得られず、一方Ｃｕを０．７
％を越えて添加した場合には、時効硬化は容易に得られ
るものの硬くなりすぎて成形性を阻害するとともに、耐
食性が劣化する。そこでＣｕの範囲は０．０５〜０．７
％とした。

【００１４】そのほか、通常のアルミニウム合金におい
ては鋳塊結晶粒微細化のためにＴｉを単独で、あるいは
Ｂと組合せて微量添加することが一般的である。この発
明においても微量のＴｉ、もしくはＴｉおよびＢを添加
することができる。但しＴｉ量が０．００５％未満では
その効果が得られず、０．２０％を越えれば初晶ＴｉＡ
ｌ₃ が晶出して成形性を阻害するから、Ｔｉ量は０．０
０５〜０．２０％とすることが望ましい。またＴｉと併
せてＢを添加する場合、Ｂ量が０．０００１％未満では
その効果がなく、０．０５％を越えればＴｉＢ₂ の粗大
粒子が混入して成形性を害するから、Ｂ量は０．０００
１〜０．０５％の範囲が望ましい。

【００１５】さらに、上記各元素のほか、強度向上のた
めに必要に応じて０．３％以下のＣｒ、０．５％以下の
Ｚｎを添加することが許容される。すなわちＣｒは強度
向上に効果的な元素であるが、Ｃｒ量が０．３％を越え
れば巨大晶出物生成によって成形性の低下を招くから、
Ｃｒは０．３％以下とする。またＺｎの添加はＭｇ₂Ｚ
ｎ₃ Ａｌ₂ の時効析出による強度向上に寄与するが、Ｚ
ｎ量が０．５％を越えれば耐食性を劣化させる。

【００１６】以上の各元素の残部はＡｌおよび不可避的
不純物とすれば良い。

【００１７】さらにこの発明のＤＩ缶胴においては、缶
胴縁部における亜結晶粒（サブグレイン）の存在が重要
である。すなわち、一般に冷間加工によって歪（転位の
蓄積エネルギ）が導入されたアルミニウム合金材に対し
て熱処理を行なえば、転位密度の減少とともに、方位差
の小さいセル壁が小角粒界（亜粒界）へと変化し、亜結
晶粒（サブグレイン）が生じる。なおこの熱処理の温度
がある程度以上高ければ、さらに亜結晶粒の粗大化が生
じ、この過程における亜結晶粒の成長粒が核となって再
結晶が生じ、再結晶組織が生成されるのである。ここ
で、ＤＩ缶胴の場合、板の製造過程中における焼鈍によ
る再結晶後の最終冷間圧延およびその後のＤＩ成形にお
けるしごき加工によって冷間加工がなされて、冷間加工
歪（転位）が導入されるから、このような冷間加工歪を
適切に調整するとともに、その後の塗装焼付け処理の条
件を適切に選択することによって、その塗装焼付け処理
により亜結晶粒を生成させることが可能である。そして
本発明者等は缶胴縁部の成形性に関して多数の実験を重
ねた結果、缶胴縁部における亜結晶粒の存在が、その成
形性、特にフランジ加工性に大きな影響を与え、缶胴縁
部の金属組織中の亜結晶粒（サブグレイン）の占める割
合が面積率にして１０％以上であること、すなわちサブ
グレイン化率が１０％以上であることが、缶胴縁部の成
形性、すなわちネッキング加工性、フランジ加工性、シ
ーミング加工性向上に有効であることを見出した。

【００１８】缶胴縁部に１０％以上の亜結晶粒が存在す
れば、好ましくは２０％以上の亜結晶粒が存在すれば、
ネッキング加工、フランジ加工、シーミング加工で与え
られる転位（加工歪）は、亜結晶粒界に吸収されるか
ら、これらの加工中にほとんど加工硬化を生じることな
く、良好な成形性が得られる。なお多数の観察の結果、
塗装焼付け処理によって生じた亜結晶粒は、その後にネ
ッキング加工等の加工が加えられても、若干の転位密度
の増加はあるものの、そのまま存在し続けることを確認
している。サブグレイン化率が１０％未満では、ネッキ
ング加工、フランジ加工、シーミング加工によって転位
が蓄積されるため、著しい加工硬化が生じて缶胴部の成
形性が劣化してしまう。

【００１９】以上のように、合金成分組成を適切に調整
するとともに、缶胴縁部のサブグレイン化率を１０％以
上（好ましくは２０％以上）とすることによって強度、
ＤＩ成形性に優れるばかりでなく、特に缶胴縁部の成形
性が優れたＤＩ缶胴が得られる。

【００２０】なおこの発明のＤＩ缶胴を製造する方法と
しては、例えば常法に従って鋳造し、均質化処理後熱間
圧延を行なってから必要に応じて冷間圧延を行ない、３
００〜４００℃のバッチ焼鈍あるいは４５０〜６００℃
の連続焼鈍により焼鈍を施してから、所定の板厚まで冷
間圧延して、缶胴用素板とし、その後ＤＩ加工を行なっ
て缶胴形状とし、さらに１８０〜２５０℃程度で２〜３
０分程度の塗装焼付け処理を行なう方法を適用すれば良
い。このようにして得られたＤＩ缶胴に対しては、ネッ
キング加工、フランジ加工を行ない、その後飲料メーカ
等において内容物を充填した後、缶蓋を取付けてシーミ
ング加工を行なう。

【００２１】なお塗装焼付け処理における缶胴縁部のサ
ブグレイン化率には、素板製造工程での焼鈍後の冷間圧
延率、ＤＩ成形での加工率、塗装焼付け処理の温度、時
間、さらには具体的成分組成などが影響を与えるから、
これらの組合せを適切に選択することによって、缶胴縁
部のサブグレイン化率を１０％以上、好ましく２０％以
上に調整することができる。

【００２２】

【実施例】表１の合金番号１〜８に示す成分組成の各合
金について、常法に従ってＤＣ鋳造し、得られた鋳塊に
均熱処理を施してから熱間圧延を行ない、２ｍｍ厚の熱
延板とした。得られた熱延板に、表２中に示すような条
件で焼鈍を施した後、冷間圧延を施して板厚０．３ｍｍ
とした。さらに各冷延板を用いて常法に従ってＤＩ成形
を行ない、縁部の厚みが０．１６８ｍの缶胴形状に成形
し、その後表２中に示すような種々の温度で塗装焼付け
処理を行なった。

【００２３】上述のようにして得られた塗装焼付け処理
後のＤＩ缶胴について、縁部のサブグレイン化率を透過
電子顕微鏡で測定したので、その結果を表３中に示す。
さらに常法に従ってネッキング加工を行なった後の口拡
げ性を調べた。この口拡げ性は、缶胴型に対して３０°
の傾斜角を有するテーパーポンチをネッキング加工後の
開口端に押し込み、縁部に破断が生じるまでの缶端部の
半径増加量で評価した。なおこのような口拡げ性評価で
は、その評価値（半径増加量）が大きいほどフランジ加
工性が良好であり、その評価値が２．０（ｍｍ）未満で
はフランジ性が劣ると言えることが、経験的に知られて
いる。さらに、塗装焼付け処理後の強度について調べる
とともに、ネッキング加工、フランジ加工後のシーミン
グ加工性を調べたので、これらの結果も図２中に示す。
なおここで、塗装焼付け処理後の強度は、ＤＩ缶胴にお
いて最も問題となるボトム耐圧強度を想定し、元板に対
して前述のような塗装焼付け処理を施した後の強度を調
べた。この塗装焼付け処理後の強度が２６０Ｎ／ｍｍ²
以下では、耐圧強度の必要な缶胴としては不適切と評価
される。またシーミング加工性は、実際に缶蓋を取付け
てのシーミング加工を各２０缶について行ない、１缶で
も缶胴縁部に割れが生じた場合に×印を、１缶にも割れ
が生じなかった場合に○印を付した。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】表１、表２から明らかなように、この発明
で規定する成分組成を条件を満たす合金（合金番号２，
３）を用いかつ塗装焼付け処理後の缶胴縁部のサブグレ
イン化率が１０％を越えるこの発明の実施例のＤＩ缶胴
（製造番号２，３）では、缶胴として充分な強度を有す
るとともに、口拡げ性（フランジ加工性）が良好でかつ
シーミング加工性も良好であった。

【００２７】これに対し、製造番号５によるＤＩ缶胴
は、この発明で規定する成分組成条件を満たす合金（合
金番号３）を用いたが、塗装焼付け処理の温度が低過ぎ
たため、缶胴縁部のサブグレイン化がほとんど進行せ
ず、そのため口拡げ性（フランジ加工性）が劣り、その
後のシーミング加工でも割れが発生した。また製造番号
６によるＤＩ缶胴は、素材合金としてＭｇ含有量が多過
ぎるもの（合金番号４）を用いたため、塗装焼付け処理
においてサブグレイン化があまり進行せず、そのため前
記同様にフランジ成形性が劣り、シーミング加工でも割
れが発生してしまった。

【００２８】一方製造番号１によるＤＩ缶胴は、Ｍｇを
実質的に含有しない合金（合金番号１）を用いたもの、
また製造番号８によるＤＩ缶胴は、Ｃｕ量が少な過ぎる
合金（合金番号６）を用いたものであり、これらの場合
は、フランジ成形性は良好であるが、缶胴材として望ま
れる強度が得られなかった。さらに製造番号７によるＤ
Ｉ缶胴は、サブグレイン化率は充分であるが、素材合金
（合金番号５）のＣｕ含有量が多過ぎるため、塗装焼付
け処理時に過度の時効硬化が生じて材料の延性が著しく
低下し、そのためフランジ成形性に劣っていた。また製
造番号１０によるＤＩ缶胴もサブグレイン化率は充分で
あるが、素材合金（合金番号８）のＭｎ含有量が過剰で
あるため、フランジ加工時の割れの起点となりやすいＭ
ｎ系金属間化合物が多く、さらにはＭｎの初晶巨大金属
間化合物が生じやすくなって、フランジ成形性が低下し
た。一方製造番号９によるＤＩ缶胴も、サブグレイン化
率は充分であるが、素材合金（合金番号７）のＭｎ含有
量が少な過ぎたため、Ｍｎ系金属間化合物によるしごき
加工時の固体潤滑的な効果が得られず、ＤＩ成形性、特
にしごき加工性が劣り、しごき加工時に激しいゴーリン
グ（焼付き）が発生し、缶外観を著しく損ねるととも
に、しごきダイスに著しいアルミの凝着が生じた。

【００２９】以上の実施例、比較例の結果から、高い強
度と優れたＤＩ成形性を確保しながら、缶胴縁部の優れ
た成形性を得るためには、合金の成分組成を適切に選択
すると同時に、製造プロセス条件を適切に制御して、缶
胴縁部のサブグレイン化率を適切に調整することが重要
であることが明らかである。

【００３０】

【発明の効果】この発明によれば、素材合金の成分組成
を適切に調整するとともに、ＤＩ加工および塗装焼付け
処理が施されたＤＩ缶胴として、缶胴縁部の金属組織状
態を、特に亜結晶粒（サブグレイン）が１０％以上を占
めるような組成とすることによって、強度およびＤＩ加
工性が優れるばかりでなく、缶胴縁部の成形性、すなわ
ちネッキング加工、フランジ加工、シーミング加工等に
おける成形性に優れたＤＩ缶胴を得ることができる。し
たがってこの発明のＤＩ缶胴によれば、ネッキング加
工、フランジ加工、シーミング加工における加工硬化に
よる缶端の破断等の成形不良が発生することを有効に防
止できるとともに、加工荷重を小さくして、これらの加
工時に缶胴に座屈等が生じることを有効に防止でき、さ
らには缶胴ネック径の小径化を図って缶蓋の小径化を図
ることにより缶のより一層の軽量化を図ることが可能と
なる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−264150（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−59952（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−293144（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−228696（ＪＰ，Ａ) 椎名、照田、小松原、村上”3004アル ミニウム合金の立方体集合組織形成に及 ぼす急速加熱焼鈍条件の影響”軽金属学 会大会講演概要Ｖｏｌ84ｔｈ，Ｐ．77− 78（1993) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 21/00 - 21/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｍｇ０．１〜１．５％（重量％、以下同
   じ）、Ｍｎ０．５〜１．８％、Ｆｅ０．１〜０．８％、
   Ｓｉ０．０５〜０．５％、Ｃｕ０．０５〜０．７％を含
   有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物よりなり、しか
   もＤＩ加工および塗装焼付け処理が施されたＤＩ缶胴と
   して、その缶胴の縁部が１０％以上の亜結晶粒を有する
   ことを特徴とするアルミニウム合金製ＤＩ缶胴。