JP4294448B2 - 高強度キャップ用アルミニウム合金板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ねじ付きの高強度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。

アルミニウム製ねじ付きキャップは、ガラス瓶やプラスチック容器のキャップにも使用されてきている。キャップ用アルミニウム合金としては例えば、Ａｌ−Ｍｇ系合金が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）
また、近年、胴体部と口部とスクリューキャップを備えてなるボトル形状のアルミニウム缶が開発されてきている。それに伴い、キャップ材もボトル缶用に適したものが望まれている。すなわち、開栓後、飲料を残して再栓した場合の、だ液などからの微生物による発酵で缶内圧が上り、再開封時にキャップが飛ぶことを防ぐ防爆型のキャップも開発されてきている。（例えば、特許文献２参照。）
特開平４−２６８０５４号公報 特開２００３−１５５０５２号公報（段落０００９、第２図、第７図参照）

容器の種類も径、深さの異なるもの、また、中身も炭酸、果汁など種類が増えてきており、それに伴いキャップの種類も多様化しつつある。よって、ねじ付きキャップに要求される品質特性としては、耐圧性、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り、かつこれらの特性が安定していなければならない。しかし個々の用途に応じたキャップ素材を製造するとコストが上昇する。

例えばこの種のキャップは大量生産されるので、製造の際に材料の無駄が出ないようにすることが望ましく、板材から圧延した際に材料の無駄を生じる原因となる耳がどの程度発生するのか、また、如何に低耳率のまま良好な加工性と高い引張強さの確保ができるのかという重要な課題がある。
また、前述の防爆型とするためには、キャップのネジ部がボトル缶内圧の上昇に耐えて嵌合状態が外れないように必要な強度を有することが重要であり、通常ボトル缶に用いられる炭酸飲料等から受ける内圧は０.２ＭＰａ程度であるが、使用環境や温度条件によってはそれ以上の高圧が発生するとの知見もある。

例えばボトル缶の場合、中身を全部飲まずに、再びキャップをしめて保管しておく場合がある。はじめに飲んだ時に、だ液などから微生物が混入し、飲み残した飲料が栄養源となって、ボトル缶内で菌の増殖が起き、ガス発生をもたらして内圧が向上し、場合によってはキャップが飛び出す現象が生じることがある。この対策として、ボトルのネジ部とキャップのネジ部の嵌合をより強固にすることが必要であり、このためにキャップの強度を高くすることが求められる場合もある。また、加えて、キャップのナ−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成も先の特許文献２に示す如く一部で知られている。
このため、このような高圧が発生するおそれを有するボトル缶用のキャップにあっては、特に高い強度を有する合金でキャップを製造する必要を生じる。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、０.５〜０.８ＭＰａ程度の内圧での一般の耐圧性能を有する高強度キャップ材を主として対象とし、上記種々の特性に優れ、先の防爆型に限らず、どのようなキャップにも適用できる万能タイプの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ものである。
勿論、このキャップ材は高内圧のガス抜きを、キャップとボトル口部の構造で行う防爆対応性のキャップ材としても勿論用いることができる。更には、先の防爆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。

上記目的を達成するための本発明のキャップ用アルミニウム合金板の製造方法の発明は、重量％でＭｇ：０．８〜２．０％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる組成を有し、引張強さが１７０〜２１４ＭＰａ、伸びが５％以上、耳率が３％以下、限界絞り比が１．９以上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、最終冷間圧延率を５０超〜８０％とし、最終冷延後に１９０〜２６０℃の最終調質焼鈍を行うことを特徴とする。

請求項２記載のキャップ用アルミニウム合金板の製造方法の発明は、前記組成比に加え、更に、重量％でＳｉ：０．２％以下、Ｆｅ：０．３５％以下、Ｃｕ：０．０２％以下、Ｍｎ：０．０５％以下を含有する高強度キャップ用アルミニウム合金板を得ることを特徴とする。

請求項３記載のキャップ用アルミニウム合金板の製造方法の発明は、ベーキング前後の引張強さの変化が１０ＭＰａ以下であることを特徴とする。

本発明のキャップ用アルミニウム合金板の製造方法によれば、耳率が低いままで、引張強さを適度な強度とし、しかも適当な伸びを確保して、これによって耐圧性、耐食性、低耳、シーリング性、防爆対応性、深絞り性に優れ、どのようなキャップにも適用できる万能タイプのキャップ用アルミニウム合金板を得ることができる。これは、重量％でＭｇ：０.８〜２.０％を含有し残部Ａｌの組成を有する合金において達成することができる。
また、防爆対応性として、瓶またはボトルの内圧が上昇した時、キャップボトル口部との構造によってガス抜きをするタイプのキャップ材として適度な変形性能を有するキャップを得ることができる。

次に、前記組成に加え、重量％でＳｉ：０.２％以下、Ｆｅ：０.３５％以下、Ｃｕ：０.０２％以下、Ｍｎ：０.０５％以下を含有する組成とすることで、先の効果を満足するキャップ用アルミニウム合金板を確実に得ることができる。
また、ベーキング前後の引張強さの変化が１０ＭＰａ以下、耳率３％以下であることで、本発明に係る合金板を用いてキャップを構成し、キャップの天面となる部分に印刷のためキャップ用塗料を焼付塗装した場合、焼付前後の引張強さの変化を小さくできるので、キャップ成形後に引張強さのバラツキの小さいキャップを得ることができる。よって、本発明に係る合金板からなるキャップであるならば、シーリング性、防爆対応性などの性能にバラツキの少ないキャップを得ることができる。

以下に、本発明で限定する事項について説明する。
Ｍｇ：０.８〜２.０％
Ｍｇは強度を向上させる。Ｍｇが０.８％未満では上記効果が不十分で、２.０％を超えると強度が高くなりすぎる。よってＭｇの含有量は０.８〜２.０％とする。この範囲の中でもＭｇ含有量の好ましい範囲は１.３〜１.７％である。
Ｓｉ：０.２％以下
Ｓｉは深絞り性を向上させるが、０.２％を超えると逆に深絞り性が劣化し、ベーキング後の引張強さが１０ＭＰａを超えて高くなるおそれがある。よってＳｉの含有量は０.２％以下とする。
Ｆｅ：０.３５％以下
Ｆｅは強度を向上させるが、０.３５％を超えると深絞り性、耐食性が劣化する。よってＦｅの含有量は０.３５％以下とする。

Ｃｕ：０.０２％以下
Ｃｕは強度を向上させるが、０.０２％を超えると強度が高くなりすぎる。よってＣｕの含有量は０.０２％以下とする。好ましくは０.０１％以下である。
Ｍｎ：０.０５％以下
Ｍｎは強度を向上させるが、０.０５％を超えると強度が高くなりすぎる。よってＭｎの含有量は０.０５％以下とする。好ましくは０.０３％以下である。

その他、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉを添加すると、合金組織を微細化させたり、合金板の成形性を向上させることができる。この効果を発揮するためには、重量％で、Ｃｒ：０.１０％以下、Ｚｎ：０.１５％以下、Ｔｉ：０.１０％以下が好ましい。
これら元素の中でもＣｒ含有量について、２％以下の低耳率を確実に達成するためには０.００３〜０.０５３％の範囲とすることが望ましい。

引張強さ：１７０〜２１４ＭＰａ
引張強さが１７０ＭＰａ未満では、耐圧性、シーリング性が不足し、２１４ＭＰａを超えると本発明対象のキャップ材としては強度が高くなりすぎる。よって引張強さは１７０〜２１４ＭＰａとする。好ましくは１９０〜２０５ＭＰａである。

伸び：５％以上
伸びが５％未満ではシーリング性、防爆対応性が劣化する。よって、伸びは５％以上とする。好ましくは６％以上である。

耳率：３％以下
本発明は耳率を３％以下に低く抑えながら上記引張強さにできる。耳率が３％を超えると材料ロスが多くなる。よって耳率は３％以下とする。

限界絞り比：１.９以上
本発明は限界絞り比が高いので、絞り比の大きいキャップにも使用できる。１.９未満では絞り比の大きいキャップに使用できない。よって限界絞り比は１.９以上とする。

ベーキング前後の引張強さの変化：１０ＭＰａ以下
多くの場合、アルミニウム板で主にキャップの天面となる部分に印刷のためキャップ用塗料を焼付塗装するが、本発明は焼付前後の引張強さの変化が小さいので、キャップ成形後に引張強さのバラツキの小さいキャップを得ることができる。よって、シーリング性、防爆対応性などの性能にバラツキの少ないキャップを得ることができる。従って、ベーキング前後の引張強さの変化を１０ＭＰａ以下とする。

最終冷間圧延率：５０超〜８０％
本発明は低い耳率を維持しながら引張強度を適度な値とすることができる。５０％以下では強度が不十分となり、８０％を超えると耳率が高くなる。例えば、板厚０.６ｍｍから０.２５ｍｍにした場合の最終冷間圧延率は５８％、０.８ｍｍから０.２５ｍｍにした場合の最終冷間圧延率は６９％であるが、どちらの場合においても耳率が低く、冷間圧延率が高い方が引張強さが向上する。よって最終冷間圧延率は５０超〜８０％とする。好ましくは５０超〜６５％である。

最終調質焼鈍：１９０〜２６０℃
最終的には最終冷間圧延で目的の引張強さを得るが、最終冷間圧延後に、最終調質焼鈍（安定化焼鈍）を行う。１９０℃未満では、伸びが不足し、２６０℃を超えると素材強度が低下する。よって最終調質焼鈍は１９０〜２６０℃とする。好ましくは２１０〜２６０℃である。加熱方法はバッチ式でも急速加熱方式でもよい。加熱時間はバッチ式では１〜１０時間程度、急速加熱方式では１〜６０秒程度である。

本発明のキャップ用アルミニウム合金板は、上記組成に従って常法を組み合わせ、特別な条件により製造することができる。即ち、溶湯からスラブを得、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中間焼鈍を行い、最終圧延は冷間圧延するものとし、その際の圧延率を先に説明した範囲とすることが好ましい。
熱間圧延前に均質化処理は行わなくてもよいが、行った方が好ましく、行う場合は４５０〜５９０℃の範囲が好ましい。均質化処理を行うことで耳率が安定化する。均質化処理温度が４５０℃未満では効果が小さく、５９０℃を超えると、材料の溶融の危険がある。

また、必要により、冷間圧延途中で中間焼鈍を行ってよい。通常、バッチ式の焼鈍であれば、３００〜４５０℃で１〜１０時間程度、急速加熱方式であれば４００〜５９０℃で１〜６０秒程度であればよい。なお、ベーキング後の引張り強さを１０ＭＰａを超えて高くしないためには、急速加熱方式での加熱温度は低めの温度が良好である。
さらに下地処理として必要に応じてリン酸クロメート処理、ジルコニウム処理等を行ってよい。
本発明のキャップ材は製造方法が限定されるものではない。上記により得られたキャップ材は、絞り加工等により、キャップに成形される。

表１と表２に示す組成のアルミニウム合金を溶製し、スラブに鋳造した。５６０℃×４時間の均質化処理を行い、熱間圧延で板厚６ｍｍとした。ついで冷間圧延で２.５ｍｍとし、連続焼鈍炉（４５０℃）で１回目の中間焼鈍を行い、再び冷間圧延を行った。続いて連続焼鈍炉（４５０℃）で２回目の中間焼鈍を行ったが、その時の板厚を変更し、表３と表４の最終冷間圧延率で、最終板厚０.２５ｍｍまで最終冷間圧延を行った。そして表３と表４に示す条件で最終調質焼鈍を行った。
耐圧性は引張強さ、低耳は耳率、シーリング性、防爆対応性は引張強さ、伸び、深絞り性は限界絞り比で評価した。耳率は直径６２ｍｍのブランクを３３.８ｍｍのポンチで絞って形成した絞りカップの高さから算出した。ベーキング後の引張強さは１９０℃×４ｈｒ加熱後の値である。

表１と表３に示すように、本発明に係る実施例の試料はいずれも１７５〜２１３ＭＰａの範囲の引張強さを示し、伸びが５.１〜１０.７％の範囲であり、耳率が０.９〜３.０％の範囲となり優れた値を示した。

これらに対して表２の比較例１は、Ｍｇ含有量を２.３％と多くした例であるが、表４に示すように引張強さが２３０ＭＰａに上昇した。このように引張強さが強くなりすぎると、本発明対象のキャップ材としては強度が高くなり過ぎる問題を有する。
表２の比較例２はＭｇ含有量を０.６％と少なくした例であるが、表４に示すように引張強さが１５７ＭＰａになり著しく低下した。
表２に示す組成の比較例３は表４に示すように最終冷間圧延率を８５％と高くしすぎた例であるが、引張強さが２２５ＭＰａに上昇した。このように引張強さが強くなりすぎると、本発明対象のキャップ材としては強度が高くなり過ぎるという問題を有する。

表２に示す組成の比較例４は表４に示すように最終冷間圧延率を３０％と低くした例であるが、引張強さが１６５ＭＰａとなり不足した。
表２に示す組成の比較例５は表４に示す如く最終調質焼鈍温度を２７０℃と高くした例であるが、引張強さが１５９ＭＰａに低下した。
表２に示す組成の比較例６、７、８は表４に示す如く最終調質焼鈍を行っていない例であるが、いずれの試料も強度が２３０〜２４８ＭＰａの範囲となり高くなるとともに、いずれの試料でもベーキング後の引張強さの低下が大きく、変化量として−１７〜−２０ＭＰａの範囲になった。このようにベーキング前後で引張強さに大きな差異を有すると、シーリング性、防爆対応性などの性能においてバラツキの大きいキャップとなる問題を有する。

次に、図１は以下に示す各組成の合金試料の耳率において、成分元素の中でもＣｒ濃度（含有量）に注目してこれらの含有量を上述の例よりも狭い範囲で詳細に測定し、これら元素の含有量と耳率の相関関係を示した試験結果を示すものである。これらの試料の作成方法は上述の実施例と同等の製造条件とした。
この例の合金においてＣｒ以外の合金組成は表１の実施例７〜１２と同じようにＳｉ：０.１％、Ｆｅ：０.２％、Ｃｕ：０.０１％、Ｍｎ：０.０２％、Ｍｇ：１.６％、Ｚｎ：０.０１％、Ｔｉ：０.０１％、残部Ａｌとし、Ｃｒ含有量のみを０.００３〜０.０６３％の範囲で調整している。
図１に示す結果から、Ｃｒ含有量については０.０６３％の試料、０.０５９％の試料、０.０５４％の試料、０.０４５％の試料、０.０２０％の試料、０.００３％の試料についてそれぞれ複数試料の耳率を測定した。
図１に示す結果から、２％以下の低耳率とするためには、Ｃｒ含有量を０.００３〜０.０５３％の範囲とすることが望ましく、０.００３〜０.０４５％の範囲とすることで耳率２％未満を確実に達成できることが判明した。

図１は本発明に係る合金試料における耳率のＣｒ濃度依存性を示す図である。

Claims (3)

1. 重量％でＭｇ：０．８〜２．０％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる組成を有し、引張強さが１７０〜２１４ＭＰａ、伸びが５％以上、耳率が３％以下、限界絞り比が１．９以上であることを特徴とする高強度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、最終冷間圧延率を５０超〜８０％とし、最終冷延後に１９０〜２６０℃の最終調質焼鈍を行うことを特徴とする高強度キャップ用アルミニウム合金板の製造方法。
2. 前記組成比に加え、更に、重量％でＳｉ：０．２％以下、Ｆｅ：０．３５％以下、Ｃｕ：０．０２％以下、Ｍｎ：０．０５％以下を含有する高強度キャップ用アルミニウム合金板を得ることを特徴とする請求項１に記載の高強度キャップ用アルミニウム合金板の製造方法。
3. ベーキング前後の引張強さの変化が１０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の高強度キャップ用アルミニウム合金板の製造方法。

Images