JP3913260B1 - ネック部成形性に優れたボトル缶用アルミニウム合金冷延板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Mn:0.7〜1.5%(質量%、以下同じ)、Mg:0.8〜1.7%、Fe:0.1〜0.7%、Si:0.05〜0.5%、Cu:0.1〜0.6%を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなる組成を有し、かつ、組織の5000〜15000倍のTEMにより観察される0.05〜1μmのサイズの分散粒子が300μm2 当たりに50〜400個存在し、かつ、これらの分散粒子の内で、0.3μm以上のサイズを有する分散粒子の個数割合が、分散粒子の前記全存在個数に対して15〜70%の範囲にあることとする。
【選択図】図1
Description
先ず、本発明Al合金冷延板の、2ピースボトル缶用素材として必要な、強度や成形性などの諸特性を満足する好ましい化学成分組成(単位:質量%)について、各元素の限定理由を含めて、以下に説明する。
Mnは強度の向上に寄与し、さらには成形性の向上にも寄与する有効な元素である。特に、本発明のような2ピースボトル缶用素材(冷間圧延板)では、前記した、DI成形時のしごき加工や、ネック加工、ネジ切り加工などが行われるため、Mnは極めて重要となる。
Mgは強度を向上できる点で有効である。さらには後述するCuと共に含有させることによって、本発明冷間圧延板を最終焼鈍(仕上焼鈍ともいう。例えば、温度:100〜150℃程度、時間:1〜2時間程度の焼鈍)し、その後に製缶してからベーキング(焼付印刷)する際に、軟化を抑制できる。即ち、Mg及びCuを両者含有すると、ベーキング(焼付印刷)を行う際にAl−Cu−Mgが析出するため、ベーキング時の軟化を抑制できる。
Feは結晶粒を微細化させる作用があり、さらには上述のAl−Fe−Mn−Si系金属間化合物(α相)を生成するため、成形性の向上に寄与する。また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系金属間化合物の分散状態を制御する点でも有用である。一方、Mnの存在下でFeが過剰になると、巨大な初晶金属間化合物が発生しやすくなり、成形性を損なう虞がある。
Siは、Mg2 Si金属間化合物やAl−Fe−Mn−Si系金属間化合物(α相)などの分散粒子を生成させるために有用な元素である。これら分散粒子が本発明で規定する適正さに分布している程、成形性を向上できる。
Cuは、冷間圧延板の製缶時にベーキング(焼付印刷)を行うときに、Al−Cu−Mgが析出するとともに、Mgと共に含有させることによって、軟化を抑制できる。このため、Cu含有の下限量は0.1%以上、好ましくは0.15%以上、さらに好ましくは0.2%以上とする。一方、Cuが過剰になると、時効硬化は容易に得られるものの、硬くなりすぎるために、成形性が低下し、さらには耐食性も劣化する。このため、Cu含有の上限量は0.6%、好ましくは0.5%、さらに好ましくは0.35%とする。
この際、Crの含有量は、強度向上効果の発揮のためには、0.001%以上、好ましくは0.002%以上とする。一方、Crが過剰になると、巨大晶出物が生成して成形性が低下する。このため、Cr含有量の上限は0.3%、好ましくは0.25%とする。
また、Znを含有させると、Al−Mg−Zn系粒子が時効析出することによって強度を向上できる。この効果を発揮させるためには、Zn含有量は0.05%以上、好ましくは0.06%以上とする。一方、Znが過剰になると耐食性が低下する。このため、Zn含有量の上限は0.5%、好ましくは0.45%とする。
Tiは結晶粒微細化元素である。この効果を発揮させたい時には選択的に含有させる。その際のTiの含有量は0.005%以上、好ましくは0.01%以上、さらに好ましくは0.015%以上とする。なお、Tiが過剰になると、巨大なAl−Ti系金属間化合物が晶出して成形性を阻害する。したがって、Ti含有量の上限は0.2%、好ましくは0.1%、さらに好ましくは0.05%とする。
次ぎに、本発明Al合金冷延板組織について、以下に説明する。
前記した通り、本発明では、アルミニウム合金冷延板組織中に存在する、分散粒子〔Mg2 Si、Al−Fe−Mn−Si系(α相)などの金属間化合物、析出物〕をある程度粗大化させた上でサイズを均一化させ、一定量(一定個数)存在させる。これによって、分散粒子のピン止め効果を和らげ、熱延板の状態で均一で等方性を有する(方向性乃至異方性を持たない)結晶粒を得て、耳率を向上させる。
分散粒子の粒子サイズは、板組織の透過型電子顕微鏡(TEM)にて行なう。より具体的には、板厚中央部、圧延面上面の試験材を鏡面研磨し、研磨面の組織を、5000〜15000倍のTEM(例えば日立製作所製、HF−2000電界放射型透過電子顕微鏡)により、約10μm×約15μm程度の大きさの各10視野の組織を観察する。
アルミニウム合金冷延板の結晶粒を、通常の等軸粒ではなく、平均アスペクト比が3以上の、圧延方向に伸長させたものにする。これによって、より高温化短時間化された高速化熱処理に対しての、塗装熱処理時の熱変形が抑制され、熱処理後の缶強度も確保できる利点がある。即ち、アルミニウム合金冷延板の結晶粒を圧延方向への伸長粒とすることによって、しごき加工性を付与して、DI加工等の成形性を確保した上で、本発明で規定した、上記成分組成と、後述する固溶、析出状態組織のもとで、熱処理後の缶強度を確保できる。これによって、塗装熱処理時の熱変形も抑制される。
結晶粒の平均アスペクト比は、板厚方向中央部の上面観察(偏光観察)によって測定される。調質処理後(ボトル缶成形前)の板の板厚方向中央部、圧延面上面を、機械研磨、電解研磨、およびバーカー液による陽極酸化処理後、偏光観察によって行う。
本発明Al合金冷延板は、従来の均熱、熱延、冷延の製造工程を大きく変えることなく製造が可能である。但し、熱間圧延および冷間圧延後の板組織を、本発明規定の分散粒子組織とし、かつ、ボトル缶成形のための基本的な材料特性(耳率、強度)や成形性、しごき加工性を阻害せずに確保するためには、鋳塊を550℃以上の温度で均質化熱処理後、450〜550℃の温度範囲まで、25℃/hr以下の冷却速度で徐冷する必要がある。
均質化熱処理(均熱)温度は550℃以上、好ましくは650℃以下とする。均熱温度が低すぎると、均質化に時間がかかり過ぎて生産性が低下し、均熱温度が高すぎると、鋳塊表面に膨れが生じるため、前記範囲に均熱温度を設定する。更に好ましい均熱温度は、580℃以上(特に590℃以上)、615℃以下(特に610℃以下)である。
前記した通り、熱間圧延および冷間圧延後の板組織を、本発明規定の分散粒子組織とし、かつ、ボトル缶成形のための基本的な材料特性を確保するためには、鋳塊を前記条件で均熱処理後、450〜550℃の温度範囲まで、25℃/hr以下の冷却速度で徐冷する必要がある。このような徐冷を行なうためには、均熱処理された鋳塊を均熱炉内で炉冷することが好ましい。
均熱処理終了後の鋳塊の取り扱いは、一旦冷却し、再加熱してから熱間粗圧延してもよく、あるいは過度に冷却することなく、そのまま熱間粗圧延してもよい。但し、この場合でも、均熱処理後、熱間粗圧延開始温度までの冷却速度は、上記冷却速度のような徐冷とする。
熱延を、粗圧延と仕上げ圧延とに分けて、かつ連続して実施するに際し、熱間粗圧延の終了温度が低くなり過ぎると、次工程の熱間仕上圧延で圧延温度が低くなってエッジ割れが生じやすくなる。また、熱間粗圧延の終了温度が低くなり過ぎると、仕上圧延時の自己熱不足による未再結晶の残存、あるいは、圧延荷重増大による表面品質が低下する。このため、熱間粗圧延の終了温度は420℃以上とすることが好ましい。更に好ましい終了温度は430℃以上(特に440℃以上)、470℃以下(特に460℃以下)である。
熱間仕上圧延の終了温度は310〜350℃とすることが好ましい。熱間仕上圧延工程は、板を所定の寸法に仕上げる工程であり、圧延終了後の組織は自己発熱によって再結晶組織になるため、その終了温度は再結晶組織に影響を与える。熱間仕上圧延の終了温度を310℃以上とすることで、続く冷間圧延条件と併せて、最終板組織を、平均アスペクト比が3以上の圧延方向に伸長させた組織としやすい。熱間仕上圧延の終了温度が310℃未満では、続く冷間圧延の冷延率を大きくしても、平均アスペクト比が大きくなりにくい。
熱間仕上圧延機としては、スタンド数が3以上のタンデム式熱間圧延機を使用する。スタンド数を3以上とすることによって、1スタンドあたりの圧延率を小さくでき、熱延板の表面性状を保ちつつ歪みを蓄積することができるため、冷間圧延板及びそのDI成形体の強度をさらに高めることができる。
熱間仕上圧延の総圧延率は80%以上にするのが望ましい。総圧延率は80%以上とすることで、後述する冷間圧延と組み合わせて、最終板組織を、平均アスペクト比が3以上の圧延方向に伸長させた組織とし、かつ、本発明規定の分散粒子組織としやすい。また、冷間圧延板及びそのDI成形体の強度を高めることができる。
熱間 (仕上げ) 圧延終了後の合金板の板厚は、1.8〜3mm程度とするのが望ましい。板厚を1.8mm以上とすることによって、熱間圧延板の表面性状(焼付き、肌荒れなど)や板厚プロフィールの悪化を防止できる。一方、板厚が3mm以下とすることによって、冷間圧延板(通常、板厚:0.28〜0.40mm程度)を製造する際の圧延率が高くなりすぎるのを防止でき、DI成形後の耳率を抑制できる。
冷間圧延工程では、中間焼鈍することなく、複数のパス数による謂わば直通で圧延し、合計の圧延率を77〜90%にするのが望ましい。中間焼鈍することなく、合計の圧延率を77%以上とすることによって、最終板組織を、結晶粒の平均アスペクト比が3以上の圧延方向に伸長させた組織とし、かつ、本発明規定の分散粒子組織とすることができる。また、缶の耐圧強度をより高めることができる。中間焼鈍を入れた場合、あるいは、合計の圧延率が低い場合、等軸粒になりやすく、伸長粒になりにくい。
上記試験片の引張強度、0.2%耐力を、JIS Z 2201にしたがった引張試験により測定した。試験片形状はJIS 5 号試験片で行い、試験片長手方向が圧延方向と一致するように作製した。また、クロスヘッド速度は5mm/分で、試験片が破断するまで一定の速度で行った。
耳率は、このボトル缶用板材からブランクを採取し、潤滑油[D.A.Stuart社製、ナルコ6461]を塗布した上で、エリクセン試験機によって、40%深絞り試験、カップ状に成形して調査した。試験条件は、ブランクの直径=66.7mm、ポンチの直径=40mm、ダイス側肩部のRを2.0mm、ポンチの肩R=3.0mm、しわ押さえ圧=400kgfで行なった。
平均耳率(%)=[{(Y1+Y2+Y3+Y4)−(T1+T2+T3+T4)}/{1/2×(Y1+Y2+Y3+Y4+T1+T2+T3+T4)}]×100
ボトル缶用板材のしごき成形性を評価した。前記ボトル缶用板材から、直径160mmのブランクを打ち抜き、カップ径92mmのカップを成形し、再絞り加工、しごき加工、及びトリミングにより、製缶速度300缶/分の速さで、ボトル缶用DI缶胴(内径66mmφ、高さが170mm、側壁板厚115μm、側壁先端部板厚190μm、最終第3しごき率40%)を製造した。成形缶5万缶当たりの破断(胴割れ)の発生個数を求め、しごき成形性を評価した。
ボトル缶用板材のネック成形性を評価した。しごき成形性評価のために成形した上記ボトル缶用DI缶胴(破断の無い良品)の、開口部近傍にダイネック加工を施してネック部を形成し、その開口部を口部とした。ネック成形条件は、缶胴外径66.2mm、ネック部を4段で形成し、最上部のネック外径60.3mmとした。成形缶1万缶当たりのネック加工後のしわ発生具合を求め、ネック成形性を評価した。
ボトル缶用板材のネジ成形性を評価した。ネック加工後の上記成形缶のネック部(しわの無い良品)の口部近傍の外周に、スクリューキャップ取り付け用のネジ切り部を設けて、2ピースボトル缶を製造し、ネジ成形性を評価した。
ネジ座屈強度は、上記ネジ切り部までを成形した成形缶(2ピースボトル缶)に軸方向の圧縮荷重を負荷し、ネジ部が座屈したときの荷重をn(サンプル数)=10で測定して、その平均値とした。なお、このネジ座屈強度は、1500N以上であれば実用上問題がない。
比較例12はMgが高すぎ、高加工硬化による成形性低下(とくにしごき加工性)が大きい。
比較例13はMgが低すぎ、座屈強度が不足している。
比較例14はCuが高すぎ、加工性が低下している。
比較例15はCuが低すぎ、座屈強度が不足している。
比較例16はSiが低すぎ、+耳が大きくなっている。また、α相の不足によりしごき加工性が低下している。
比較例17はSiが高すぎ、未再結晶の残存による+耳が大きくなっている。また、加工性が低下している。
比較例18はFeが低すぎ、未再結晶が残存している。また晶出物も少なく、いずれにしてもしごき加工性が低下している。
比較例19はFeが高すぎ、+耳が大きくなっている。また晶出物が増えすぎ、加工時における亀裂伝播の促進により、しごき加工性が低下している。
Claims (3)
- Mn:0.7〜1.5%(質量%、以下同じ)、Mg:0.8〜1.7%、Fe:0.1〜0.7%、Si:0.05〜0.5%、Cu:0.1〜0.6%を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなる組成を有し、かつ、組織の5000〜15000倍のTEMにより観察される重心直径の平均値が0.05〜1μmのサイズの分散粒子が300μm2 当たりに50〜400個存在し、かつ、これらの分散粒子の内で、0.3μm以上の前記サイズを有する分散粒子の個数割合が、分散粒子の前記全存在個数に対して15〜70%の範囲にあり、前記冷延板の結晶粒組織を、板厚方向中央部の上面観察による結晶粒の平均アスペクト比が3以上の圧延方向に伸長させた組織としたことを特徴とするネック部成形性に優れたボトル缶用アルミニウム合金冷延板。
- 前記アルミニウム合金冷延板が、更に、Cr:0.001〜0.3%、Zn:0.05〜1.0%から選択された一種または二種を含有する請求項1に記載のネック部成形性に優れたボトル缶用アルミニウム合金冷延板。
- 前記アルミニウム合金冷延板が、更に、0.005〜0.2%のTiを単独で、又は0.0001〜0.05%のBと併せて含有する請求項1または2に記載のネック部成形性に優れたボトル缶用アルミニウム合金冷延板。
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