JP4334979B2 - 広口ボトル缶キャップ用アルミニウム合金板 - Google Patents

Description

本発明は、広口ボトル缶用のＰＰ（pilfer
proof）キャップに好適に使用されるＡｌ−Ｍｇ（アルミニウム−マグネシウム）系合金板に関するものである。

ＰＰキャップは、一般に、素材であるアルミニウム合金板に塗装・印刷を施してから、複数の円筒状のカップを同時に成形し、各カップの耳部をトリミングした後、裾部にミシン目を加工するという工程で製造する。こうして成形されたキャップは、飲料容器に内容物を充填後、その容器のネジ部に巻締めされ、市場に出される。

これまで、直径２８ｍｍ以下の小口のＰＰキャップには、主にＡｌ−Ｍｎ系の３１０５合金（特許文献１参照）、あるいはＡｌ−Ｆｅ系の８０１１合金が使われていた（非特許文献１参照）。しかし、直径３８ｍｍ等の広口キャップには、強度不足等の問題からこれらのキャップ材では不十分であった。

特許第３１５３５４１号公報 住友軽金属技報、vol．23(1982)，P．36．

本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、広口キャップに適したＡｌ−Ｍｇ系のアルミニウム合金板を提供しようとするものである。

本発明は、塗装・印刷後に、直径２８ｍｍを超える円筒状のカップに成形し、該カップの耳部をトリミングした後、裾部にミシン目を加工し、その後、内容物が充填された飲料容器のネジ部に巻締めされる広口ボトル缶キャップ用アルミニウム合金板であって、
該アルミニウム合金板は、Ｍｇ：１．２〜２．１％（重量％、以下同じ）を含み、さらにＣｕ：０．０１〜０．１５％、Ｍｎ：０．０１〜０．３０％、Ｃｒ：０．０１〜０．１０％、Ｚｎ：０．０１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜０．２０％、Ｆｅ：０．０５〜０．３５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％のうち１種または２種以上を含み、残部が不可避的不純物とアルミニウムからなる化学組成を有し、
板厚が０．２〜０．３ｍｍであり、
元板の引張強さが１６０〜２３０ＭＰａ、耐力が１１０〜２１０ＭＰａであり、
かつ、上記元板に対して温度２００℃に１０分間保持する熱処理を施した空焼板の引張強さが１６０〜２３０ＭＰａ、耐力が１００〜２００ＭＰａ、伸びが５％以上、板表面における平均結晶粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする広口ボトル缶キャップ用アルミニウム合金板である（請求項１）。

まず、本発明における化学組成の限定理由について説明する。
Ｍｇは、本発明の必須の成分であり、その含有量を１．２％〜２．１％に限定することにより、強度および成形性を良好に保つことができる。
Ｍｇ含有量が１．２％未満の場合、強度不足になるため、広口ボトル缶キャップ（以下、適宜、単にキャップという。）として所定の耐圧を得ることができない。また、圧延方向に対し０°、９０°、１８０°および２７０°方向の４箇所の耳が発達しやすくなるため、安定して低い耳率の材料を得ることが難しく、文字曲がりのしにくいキャップを量産していくことは容易ではない。
Ｍｇ含有量が２．１％超えの場合、強度が高すぎて、開栓時に多大な力を要するため、開栓しにくくなってしまう。Ｍｇ含有量は好ましくは１．４〜１．９％である。
なお、Ｍｇ含有量が多いほど結晶粒が細かくなる。そのため、Ｍｇ含有量を高めて結晶粒微細化効果を高めることにより、カップ成形時の肌荒れを抑制することができる。

また、耳率の発生状態及び強度特性は、Ｍｇの含有量だけではなく、後述するごとくその他の製造条件などによって調整することができる。
また、上記文字曲がりとは、平板状態で印刷を施した後にカップ状に成形するキャップの製造方法の特性上、素材の変形の仕方によって、印刷した絵柄や文字等が曲がって表示される現象のことをいう。

また、上記元板とは、本発明のアルミニウム合金板そのもの、すなわち製造したままの状態であり、キャップ製造工程に供給される前の状態の板をいう。そして、上記空焼板とは、この元板に、上記の熱処理を施して、便宜上キャップ製造工程における印刷後の状態をある程度反映させた状態の板をいう。

上記元板の強度は、引張強さが１６０〜２３０ＭＰａ、耐力が１１０〜２１０ＭＰａの範囲に限定する。そして、かつ、上記空焼板の強度は、引張強さが１６０〜２３０ＭＰａ、耐力が１００〜２００ＭＰａ、伸びが５％以上の範囲に限定する。
上記元板の引張強さ及び耐力が上記範囲にないと、空焼後に目的とする強度を得ることが困難となる。
上記空焼板の引張強さが１６０ＭＰａ未満の場合及び耐力が１００ＭＰａ未満の場合には、成形したキャップにおいて所定の耐圧を得ることができない。一方、空焼板の引張強さが２３０ＭＰａを超える場合及び耐力が２００ＭＰａを超える場合には、成形したキャップの開栓がしにくくなるという問題がある。
上記空焼板の伸びが５％未満の場合には、キャップ成形時に割れなどの成形不良が出やすくなるという問題がある。

また、板表面における平均結晶粒径は、５０μｍ以下とする。平均結晶粒径が５０μｍを超えると、キャップ成形時に肌荒れしやすくなり、外観上好ましくない。一方、平均結晶粒径の下限値は、工業的な製造では１０μｍ程度が限界である。
なお、板表面における平均結晶粒径は、例えば、板の最表面から板厚の１／４の厚さ分程度を研磨等してからミクロ観察することにより安定的に測定することができる。

本発明においては、上記元板又は上記空焼板の耳率試験に使用する絞りカップの開口部に発生する耳のうち、圧延方向に対し４５°方向の４箇所（４５°、１３５°、２２５°、３１５°方向の４箇所）、あるいは０°、９０°、１８０°、２７０°方向の４箇所に発生する耳の耳率が２．０％以下であり、かつ圧延方向に対し０°と１８０°方向の２箇所に発生する耳の耳率が２．０％以下であることが好ましい（請求項２）。

上記４５°方向４箇所の耳の耳率が２．０％を超えた場合、成形したキャップの裾部の印刷文字等の曲がりは４５°方向において顕著となり、防止が困難となる。耳率は小さければ小さい程、つまり下限は０％であるのがよいが、金属板の性質上困難である。実際のところ０．５％〜２．０％の耳率であればより好ましい。

また、０°、９０°、１８０°、２７０°方向の４箇所に発生する耳の耳率が２．０％を超えた場合においても、上記４５°方向４箇所における耳率が２．０％を超えた場合と同様に、印刷文字等の曲がりが顕著になる。

さらに、圧延方向に対し０°と１８０°方向の２箇所に発生する耳の耳率が２．０％を超えた場合にも、成形したキャップ裾部の印刷文字等の曲がりを防止することが困難となる。Ａｌ−低Ｍｇ系合金の絞り加工の場合、圧延方向に対し特に０°と１８０°方向の耳が発生しやすく、この方向の耳を制御することがポイントとなる。そして、より確実に印刷文字等の曲がりを抑制するには、圧延方向に対し０°と１８０°に発生する耳の耳率を１．５％以下とすることが好ましい。

ここで、上記絞りカップは、上記キャップ用Ａｌ−Ｍｇ系合金板より切り出したブランクを所定の条件で絞り加工して得られるカップ状の試験材である。この絞りカップの開口端において、軸方向に突出した部分を耳、耳と耳との間において最も窪んだ部分を谷という。そして、絞りカップの底から耳先端までの距離を耳高さとし、絞りカップの底から谷先端までを谷高さとする。そして耳率は、次のようにして算出することができる。

＜４５°方向４箇所の耳の耳率＞
４５°耳高さ＝Ａ、１３５°耳高さ＝Ｂ、２２５°耳高さ＝Ｃ、３１５°耳高さ＝Ｄ、
４５°と１３５°の間の最小の谷高さ＝Ｅ、
１３５°と２２５°の間の最小の谷高さ＝Ｆ、
２２５°と３１５°の間の最小の谷高さ＝Ｇ、
３１５°と４５°の間の最小の谷高さ＝Ｈ、
耳部の平均：Ｍ４５＝（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）／４、
谷部の平均：Ｖ４５＝（Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＋Ｈ）／４とすると、
耳率＝〔（Ｍ４５−Ｖ４５）／｛（Ｍ４５＋Ｖ４５）／２｝〕×１００（％）

＜０°、９０°、１８０°、２７０°方向４箇所の耳の耳率＞
０°耳高さ＝Ａ’、９０°耳高さ＝Ｂ’、１８０°耳高さ＝Ｃ’、２７０°耳高さ＝Ｄ’、０°と９０°の間の最小の谷高さ＝Ｅ’、
９０°と１８０°の間の最小の谷高さ＝Ｆ’、
１８０°と２７０°の間の最小の谷高さ＝Ｇ’、
２７０°と０°の間の最小の谷高さ＝Ｈ’、
耳部の平均：Ｍ’＝（Ａ’＋Ｂ’＋Ｃ’＋Ｄ’）／４、
谷部の平均：Ｖ’＝（Ｅ’＋Ｆ’＋Ｇ’＋Ｈ’）／４とすると、
耳率＝〔（Ｍ’−Ｖ’）／｛（Ｍ’＋Ｖ’）／２｝〕×１００（％）

＜０°と１８０°方向２箇所の耳の耳率＞
カップの平均高さ＝Ｐ（開口端の高さを１０００点測定した平均高さ）、
０°耳高さ＝Ｑ、１８０°耳高さ＝Ｒ、
耳部の平均：Ｓ＝（Ｑ＋Ｒ）／２、
耳率＝｛（Ｓ−Ｐ）／Ｐ｝×１００（％）

＜カップ絞り成形条件＞
ダイス径３３．６ｍｍ、ポンチ径３３ｍｍ、ポンチ肩Ｒ１．５ｍｍの金型を用い、供試材ブランク径５５ｍｍとして、絞り比１．６７でカップ絞りを実施。

次に、本発明のアルミニウム合金板においては、上記元板の引張強さが１７０〜２１５ＭＰａ、耐力が１３５〜１８５ＭＰａであり、上記空焼板の引張強さが１７０〜２１５ＭＰａ、耐力が１２０〜１７５ＭＰａ、伸びが５％以上であることが好ましい（請求項３）。
上記元板及び空焼板の機械的性質を上記範囲にさらに限定することにより、より一層、成形したキャップの安定した耐圧及び開栓しやすさを得ることができる。

次に、本発明のアルミニウム合金板は、その化学組成において、さらにＣｕ：０．０１〜０．１５％、Ｍｎ：０．０１〜０．３０％、Ｃｒ：０．０１〜０．１０％、Ｚｎ：０．０１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜０．２０％、Ｆｅ：０．０５〜０．３５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％のうち１種または２種以上を含む。

Ｃｕは、材料強度に影響を及ぼす元素である。０．０１％未満の場合、その効果が得られないばかりでなく、純度の高い地金を使用する必要があり、コストアップとなる。０．１５％を超えての添加は、本Ａｌ−Ｍｇ系合金においては、圧延加工しにくくなる。

Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｆｅは、結晶粒微細化による成形性に影響を及ぼす元素である。それぞれ上記下限未満の場合、その効果が得られないばかりでなく、純度の高い地金を使用する必要があり、コストアップとなる。一方、上記上限を超える場合、結晶粒微細化効果は飽和するため、添加に要するコストアップを考慮すると上記上限とすることが好ましい。

Ｓｉは、ＭｎやＦｅと化合物を形成し、鋳造時にＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物等の晶出物を形成する元素である。０．０１％未満の場合、純度の高い地金を使用する必要があり、コストアップとなる。０．２０％を超える場合、前記晶出物が多くなり、キャップ成形性を劣化させる。

Ｔｉは、鋳塊組織微細化による成形性向上に影響を及ぼす元素である。０．００５％未満の場合、その効果が得られない。０．０５％を超えると、未固溶のＡｌ−Ｔｉ系化合物が最終製品の表面欠陥として現れやすくなる。
なお、鋳塊組織微細化剤としてＡｌ−Ｔｉ−Ｂ中間合金を添加する場合は、Ｂが含有されるが、Ｂは０．０２％以下の範囲で添加されるのが好ましい。

次に、本発明のアルミニウム合金板を得るための好ましい製造条件について説明する。
基本的な製造工程は、鋳塊を均質化処理した後、熱間圧延をして板を形成し、焼鈍、冷間圧延、焼鈍、冷間圧延を順次行って製品板厚とし、最後に強度の安定化のために安定化処理することである。なお、この安定化処理の前あるいは後において、脱脂、化成処理等の表面処理をすることが多い。

上記均質化処理は、鋳塊を４５０〜５８０℃の温度に１〜２４時間保持する条件である。保持温度４５０℃未満あるいは保持時間が１時間未満であると耳の生成が不安定となり制御が困難となる。保持温度が５８０℃超えあるいは保持時間が２４時間超えの場合、表面にＭｇが拡散しやすく、表面の酸化Ｍｇ層が厚くなり、面削量を過度に多くする必要があり非経済的である。

続いて、例えば、熱間圧延−焼鈍１−冷間圧延１−焼鈍２−冷間圧延２を順次行う。この工程で、所定の強度と耳率を得ることができる。
上記焼鈍１、２では、３００〜５５０℃の温度に保持する条件で行う。保持温度が３００℃未満の場合、最終板で所定の耳率が得られず、また、強度が高くなりすぎて成形性に劣る。保持温度が５５０℃超えの場合、表面が酸化しやすくなり好ましくない。なお、保持時間は特に限定しないが、連続焼鈍ラインなどによる急速加熱・急速冷却の比較的高温での焼鈍の場合、保持０〜２０秒、バッチ式焼鈍炉による比較的低温での焼鈍の場合保持３０分〜５時間が適当である。

上記焼鈍２後の冷間圧延２は、３０〜７０％の範囲で行えばよい。圧延率が３０％未満では所定の強度を得にくく、所定の耳率を得にくくなる。圧延率が７０％超えでは、成形性が低下し強度が高すぎて開栓しにくくなり、また、圧延集合組織が発達しすぎて４５°方向の耳が大きくなる。

キャップ用素材としての性能は冷間圧延のままでほぼ達成されるが、Ａｌ−Ｍｇ系合金の場合、冷間圧延のままの状態で室温放置すると、強度が次第に低下する現象が起こる。それを防止し強度を安定化させるために、１００〜３００℃に加熱する熱処理（安定化処理）が必要である。１００℃未満では強度が安定せず、上限の３００℃を超えると、軟化が大きくなり所定の強度を得ることができない。

本発明の内容を具体的な実施例により説明するが、以下は本発明の一実施態様を示したものであり、本発明はこれに限定されるものではない。
（実施例１）
表１に示す化学成分を含有するアルミニウム合金鋳塊を半連続鋳造にて造塊し、表面の偏析層を切削後、５００℃で８時間保持する均質化処理し、均質化処理炉から出してすぐに熱間圧延を開始した。熱間圧延は、板厚３ｍｍで終了し、再結晶組織を得た後に、０．５ｍｍ厚まで冷間圧延し、焼鈍した。次いで、５０％の圧延率で０．２５ｍｍ厚まで冷間圧延し、脱脂、ジルコニウム化成皮膜処理をした後、箱型熱処理炉で安定化処理をし供試材とした。

得られた５種類の供試材Ｅ１〜Ｅ５を用い、以下の評価試験をした。一部の試験片は、金属間化合物等の材料組織観察をした。
＜機械的性質＞
ＪＩＳ５号試験片にて、引張試験した。

＜耳率＞
ダイス径３３．６ｍｍ、ポンチ径３３ｍｍ、ポンチ肩Ｒ１．５ｍｍの金型を用い、供試材ブランク径５５ｍｍとして、絞り比１．６７でカップ絞りを実施。
耳率は、前述の条件によりカップ成形し、前述の式により、４５°方向４箇所の耳の耳率、あるいは０°、９０°、１８０°、２７０°方向４箇所の耳の耳率、及び０°と１８０°方向２箇所の耳の耳率を測定した。

＜結晶組織観察＞
供試材板面を電解研磨し、偏光顕微鏡で、ミクロ組織を観察した。ＡＳＴＭカードを用いて、結晶粒の大きさを測定した。
＜金属間化合物＞
供試材板面を研磨後、１％フッ酸水溶液で軽くエッチング後、画像処理装置を用いて１ｍｍ²の面積での化合物分布を測定した。

＜文字曲がり＞
文字曲がりは、キャップ開口端部から３〜５ｍｍの位置に位置するよう、絞り前のブランクに１０文字の印刷をし、直径３８ｍｍより絞り比が厳しい直径２８ｍｍＰＰキャップ用カップを絞り成形し、文字曲がりを目視観察して評価した。
＜キャップ成形性＞
成形後のキャップ用のカップの外観において、割れ、皺、肌荒れ等の欠陥の有無を目視確認した。

表２にこれらの評価結果を示す。本例の供試材Ｅ１〜Ｅ５は、機械的性質、耳率、文字曲がり、キャップ成形性というすべての評価項目において、いずれも広口ボトル缶キャップ用のキャップ材として良好な結果を示した。

（比較例１）
表３に示すＭｇの含有量が本発明の請求範囲外である成分を有するアルミニウム合金鋳塊を、前述の実施例１と同じ条件で製造し、０．２５ｍｍ厚みの供試材Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を得た。これらの評価結果を表４に示す。
表４から知られるように、供試材Ｃ１はＭｇ量が少なかったために、空焼板に必要な引張強さが得られず広口ボトル缶キャップに必要な耐圧が得られない。また、文字曲がりも不良となった。また、供試材Ｃ２はＭｇ量が本発明の上限を超えたため、元板の強度が高く、空焼後の強度が高くなり開栓しにくくなるので、広口ボトル缶キャップ用のキャップ材として好ましくない。供試材Ｃ３は、Ｍｇ量がかなり少ないために、引張強さ、耐力ともに低く、広口ボトル缶キャップに必要な耐圧が得られないので適さない。また、文字曲がりも不良となり、結晶粒径が５０μｍを超えたので、やや肌荒れが生じた。

このように本発明によれば、キャップ用Ａｌ−Ｍｇ系合金板として、所定の強度が得られてキャップとして必要な性能を得ることができ、印刷文字等の曲がりもなく、広口ボトル缶用ＰＰキャップに好適なアルミニウム合金板を提供することができる。

Claims (3)

1. 塗装・印刷後に、直径２８ｍｍを超える円筒状のカップに成形し、該カップの耳部をトリミングした後、裾部にミシン目を加工し、その後、内容物が充填された飲料容器のネジ部に巻締めされる広口ボトル缶キャップ用アルミニウム合金板であって、
   該アルミニウム合金板は、Ｍｇ：１．２〜２．１％（重量％、以下同じ）を含み、さらにＣｕ：０．０１〜０．１５％、Ｍｎ：０．０１〜０．３０％、Ｃｒ：０．０１〜０．１０％、Ｚｎ：０．０１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜０．２０％、Ｆｅ：０．０５〜０．３５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％のうち１種または２種以上を含み、残部が不可避的不純物とアルミニウムからなる化学組成を有し、
   板厚が０．２〜０．３ｍｍであり、
   元板の引張強さが１６０〜２３０ＭＰａ、耐力が１１０〜２１０ＭＰａであり、
   かつ、上記元板に対して温度２００℃に１０分間保持する熱処理を施した空焼板の引張強さが１６０〜２３０ＭＰａ、耐力が１００〜２００ＭＰａ、伸びが５％以上、板表面における平均結晶粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする広口ボトル缶キャップ用アルミニウム合金板。
2. 請求項１において、上記元板又は上記空焼板の耳率試験に使用する絞りカップの開口部に発生する耳のうち、圧延方向に対し４５°方向の４箇所、あるいは０°、９０°、１８０°、２７０°方向の４箇所に発生する耳の耳率が２．０％以下であり、かつ圧延方向に対し０°と１８０°方向の２箇所に発生する耳の耳率が２．０％以下であることを特徴とする広口ボトル缶キャップ用アルミニウム合金板。
3. 請求項１又は２において、上記元板の引張強さが１７０〜２１５ＭＰａ、耐力が１３５〜１８５ＭＰａであり、上記空焼板の引張強さが１７０〜２１５ＭＰａ、耐力が１２０〜１７５ＭＰａ、伸びが５％以上であることを特徴とする広口ボトル缶キャップ用アルミニウム合金板。