JP5005374B2 - Ｄｉ缶 - Google Patents

Description

本発明は、内容物が密封される缶体に用いられるＤＩ缶に関するものである。

飲料等の内容物が充填、密封される缶体として、開口端部に缶蓋が巻締められるフランジ部が形成された缶や、開口端部にキャップが螺着されるボトル缶が、広く市場において流通している。このような缶体に用いられるＤＩ缶は、従来、ＪＩＳ３００４（ＡＡ３００４）またはＪＩＳ３１０４（ＡＡ３１０４）などのＡｌ合金からなる板材に絞りしごき加工（Ｄｒａｗｉｎｇ ＆ Ｉｒｏｎｉｎｇ）を施すことにより形成されている。

従来から、缶体の流通過程において、その胴部に、例えば先鋭体が接触又は衝突することにより発生する微細な孔、又は缶と缶の間に異物が挟まった状態で擦れることにより生じる微細な孔や破断等のいわゆる流通ピンホール（以下、ピンホールという。）が発生し、その内容物が漏洩する等の問題があった。このような問題を解決するための手段として、例えば下記特許文献１に示されるような缶胴の偏肉量を減少し、缶を薄肉化、軽量化するための技術が開示されている。
特開平０６−８７０３２号公報

近年ＣＯ2排出量削減等環境保護の観点から、使用する原材料の削減による、アルミニウム缶の軽量化の要請が強くなっている。具体的には、０．１ｇ以上（約１％以上）の缶重量削減を目指し、耐圧強度の低下や生産性を阻害せず、さらに流通ピンホールに強い軽量缶の開発が必要になった。
１缶あたり、０．１ｇの削減でも、アルミニウム缶市場年間１８０億缶に適用できれば、大きな環境負荷低減が達成できる。

上記のように、缶体重量の増加を抑制しつつ缶体の耐圧強度を確保し、さらに、缶体の製造を容易に安定して行うことを課題とし、この課題を解決するために、本発明の発明者らが鋭意研究した結果、以下のような知見を得た。
ＤＩ缶を製造する場合の材料及び製造方法に関して、ＤＩ缶には、例えば、引張り強さ等の耐圧強度に係る材料強度とピンホール特性が製品特性として要求され、缶体胴部のしごき易さを表す特性（以下、ＤＩ成形性という。）とＤＩ缶のネック部の成形し易さを表す特性（以下、ネック成形性という。）がＤＩ缶を容易に製造するための特性として要求され、これらの特性が相互に密接に関連して他の特性の阻害要因となっていることを突き止めた。

すなわち、缶を従来より軽くするには、アルミニウム合金材料の板厚を薄くして、全体的に肉厚の薄い缶を製造する方法が考えられるが、板厚を薄くすると、缶底の耐圧強度が低下し、所望の品質が得られないという問題がある。
また、高強度材を開発し、材料強度を高めることにより、缶底の耐圧強度を増すことが考えられるが、極端な高強度材の使用は、ＤＩ成型性を阻害するので缶の生産性を低下させる虞がある。
一方、比較的板厚の厚い材料を使用し、ＤＩのしごき率を大きくして、ウォール厚（缶胴の肉厚）を薄くする方法も考えられるが、ウォール厚を薄くすると、突刺強度が低下し、流通ピンホールの発生の可能性が増すという虞がある。

また、ＤＩ成形性を向上させるために材料強度自体を低下させると、耐圧強度や、ピンホール特性が低下し、耐圧強度や、ピンホール特性を向上させると、ＤＩ成形性が低下するという互いに相反する関係にある。
以上、得られた知見から、引張り強さ等の材料強度や材料の加工硬化に基づく耐圧強度とピンホール特性、ＤＩ成形性といった、材料特性と成形方法に関してＤＩ缶に要求される特性を、従来の製造技術にとらわれることなく抜本的に見直すことにより画期的な改善を行うこととした。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、製造コストを増大させることなく、ピンホールの発生を抑制するとともに軽量化が可能なＤＩ缶を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載された発明は、アルミニウム合金の板材に絞りしごき加工を施して形成された有底筒状のＤＩ缶であって、前記アルミニウム合金の板材は、鋳塊に熱間圧延、冷間圧延が施されるとともに所定板厚とされ、焼鈍により再結晶が生じた中間板材に最終圧下率が４５％〜８０％の冷間仕上げ圧延が施されて板厚が０．２４０ｍｍ以上０．２７０ｍｍ以下とされ、アフターベーキング耐力が２４５ＭＰａ以上３３５ＭＰａ以下とされており、胴部は、肉厚が０．０９５ｍｍ以上０．１１０ｍｍ以下とされるとともに引張り強さが３４０ＭＰａ以上４１０ＭＰａ以下とされていることを特徴とする。

この発明に係るＤＩ缶によれば、鋳塊に熱間圧延、冷間圧延が施されるとともに所定板厚とされ、焼鈍により再結晶が生じた中間板材に最終圧下率が４５％〜８０％の冷間仕上げ圧延が施され板厚が０．２４０ｍｍ以上０．２７０ｍｍ以下とされたアルミニウム合金の板材にしごき率が５４．２％以上６４．８％以下の絞りしごき加工が施されるので、胴部の肉厚を０．０９５ｍｍ以上０．１１０ｍｍ以下としつつ、胴部の引張り強さを加工限度に対する余裕を確保しつつ３４０ＭＰａ以上４１０ＭＰａ以下とすることができる。
その結果、突起物や砂が押込まれた場合の破断が抑制されて突き刺し強度が高く充分なピンホール特性が確保されるとともに、薄肉化による缶体重量の軽量化が実現される。

ここで、最終圧下率とは、図８のフロー図に示したように、中間板材（焼鈍を挟むことなく最後に施される冷間圧延の前における板材）の厚さｔ１と、最終板材（前述の冷間圧延の後における板材）の厚さ（最終板厚）ｔｆとにより、
最終圧下率＝（（ｔ１−ｔｆ）／ｔ１）×１００（％）
で算出され、
例えば、図８（Ａ）のように熱間圧延（Ｈ）後に、中間焼鈍（ＩＡ）と最終の冷間圧延（ＣＦ）を施す場合には、熱間圧延（Ｈ）が施された段階、すなわち冷間圧延（Ｃ１）前の板の厚さがｔ１とされ、最終の冷間圧延（ＣＦ）が終了した段階の板の厚さがｔｆとされる。また、例えば、図８（Ｂ）のように熱間圧延（Ｈ）後に、冷間圧延（Ｃ１）と焼鈍が施される場合には、最終的に中間焼鈍（ＩＡ）が行なわれた段階の板の厚みをｔ１とし、最終の冷間圧延（ＣＦ）が終了した段階の板の厚さｔｆとされる。この場合、図８（Ｂ）において２点鎖線で示したフローが、複数回、例えば、４〜５回行なわれる場合もあるが、その回数には依存しない。

本発明に係るＤＩ缶によれば、製造コストを増大させることなく充分なピンホール特性が確保され、かつ軽量化が可能とされる。

以下、図面を参照し、この発明の一実施形態について説明する。
図１は、この発明の一実施形態として示したＤＩ缶の製造方法を、図２はＤＩ缶を示す図であり、この図において符号１０は、ＤＩ缶を示している。

ＤＩ缶１０は、アルミニウム合金製の有底筒状のＤＩ缶であって、板厚が０．２４０ｍｍ以上０．２７０ｍｍ以下とされるアルミニウム合金の板材に、しごき率が５４．２％以上６４．８％以下とされる絞りしごき加工を施して成形されており、例えば、缶軸方向の大きさ、すなわち高さが約１２２．５ｍｍ、外径が６５ｍｍ以上６７ｍｍ以下とされている。胴部は、肉厚が０．０９５ｍｍ以上０．１１０ｍｍ以下とされるとともに引張り強さが、３４０ＭＰａ以上４１０ＭＰａ以下とされ、かつこの場合の缶体重量が１１．６ｇ以下とされている。

また、底部１２は、図２に示すように、胴部１１の缶軸方向における内側に向けて凹むドーム部１２ａを備えるとともに、このドーム部１２ａの外周縁部が胴部１１の缶軸方向における外側に向けて突出する環状凸部１２ｃとされている。この環状凸部１２ｃの缶軸方向における頂部が、ＤＩ缶１０が正立姿勢となるように、このＤＩ缶１０を接地面Ｌ上に配置したときに接地面Ｌに接する接地部１２ｂとされる。

また、ＤＩ缶１０は、ポリエステル系塗料を使用して、文字情報等の印刷部分も含め、胴部１１の外面を印刷、塗装し、この外面印刷及び外面塗装がされたＤＩ缶１０を１８０℃×３０秒間加熱することにより５０ｍｇ／ｄｍ^２の塗膜を形成させた後に、ＤＩ缶１０の内面にエポキシ系塗料を使用して内面塗装し、２００℃×６０秒間加熱することにより４０ｍｇ／ｄｍ^２の塗膜を形成させた外面印刷、外面塗装及び内面塗装がされている。

また、アルミニウム合金の板材Ｗは、例えば、重量％（以下、同じ）でＳｉ：０．１５〜０．６％、Ｆｅ：０．３〜０．６％、Ｃｕ：０．１５〜０．６％、Ｍｎ：０．７〜１．２％、Ｍｇ：０．８〜３．０％、Ｃｒ≦０．１％、Ｚｎ≦０．３０％、Ｔｉ≦０．１５％を含有し、残部が不可避的不純物を含むＡｌからなる組成とされ、中間焼鈍が行なわれた後に最終圧下率が４５％〜８０％の冷間圧延が施されている。

つぎに、上記実施形態に係るＤＩ缶１０の成形に用いるアルミニウム合金の板材の製造方法について説明する。
まず、Ａｌ合金の溶湯を常法により脱ガス、介在物除去を行い、半連続鋳造により厚さ５５０ｍｍ、幅１．５ｍ、長さ４．５ｍのスラブに鋳造し、スラブに均熱化処理を施した後、厚さが６．５ｍｍになるまで熱間圧延を施し、その後、冷間圧延を施す。

そして、加熱速度１００℃／秒、５３０〜５５０℃の温度範囲に２０秒間保持し、冷却速度１００℃／秒なる条件で焼鈍を行い、その後、該中間板材に最終圧下率４５％〜８０％の冷間仕上げ圧延を施すことにより最終板厚（０．２４０ｍｍ以上０．２７０ｍｍ以下）の板材Ｗに形成され、アフターベーキング耐力が、２４５ＭＰａ〜３３５ＭＰａとされている。ここで、アフターベーキング耐力とは、Ａｌ合金素材の評価方法であり、Ａｌ合金の板材を２１０℃×１０分間加熱した後の引張り試験による耐力である。

次に、板材Ｗを打ち抜いて直径が約１５０ｍｍとされた円板状の板材（ブランク）Ｗを成形する。
次に、この板材Ｗをカッピングプレスによって絞り加工することによりカップ状体Ｗ１に成形する。

次いで、ＤＩ加工装置によって、カップ状体Ｗ１に再絞りしごき加工を施して有底筒状体Ｗ２を形成する。このときの、しごき率は、例えば、６０．４％で胴部１１の最薄部における肉厚が０．１００ｍｍになるまで絞りしごき加工が施される。
再絞りしごき加工に用いるＤＩ加工装置は、再絞り加工するための円形の貫通孔を有する一枚の再絞りダイと、この再絞りダイと同軸に配列される円形の貫通孔を有する複数枚（例えば、３枚）のアイアニング・ダイ（しごきダイ）と、アイアニング・ダイと同軸とされ、上記それぞれのアイアニング・ダイの各貫通孔の内部に嵌合可能とされ、軸方向に移動自在とされる円筒状のパンチスリーブと、このパンチスリーブの外側に嵌合された円筒状のカップホルダースリーブとを備えている。

ＤＩ加工装置による再絞り加工は、カップＷ１をパンチスリーブと再絞りダイとの間に配置して、カップホルダースリーブ及びパンチスリーブを前進させてカップホルダースリーブが、再絞りダイの端面にカップＷ１の底面を押し付けてカップ押し付け動作を行ないながら、パンチスリーブがカップＷ１を再絞りダイの貫通孔内に押し込むことにより行われる。その結果、所定の内径を有する再絞り加工されたカップが成形される。引き続き、再絞り加工されたカップを複数のアイアニング・ダイを順次通過させて徐々にしごき加工をして、カップ状体の側壁をしごいて側壁を延伸させて側壁高さを高くするとともに壁厚を薄くして有底筒状体Ｗ２を形成する。

しごき加工が終了した有底筒状体Ｗ２は、パンチスリーブがさらに前方に押し出して底部をボトム成形金型に押圧することにより、底部が、例えばドーム形状に形成される。
この有底筒状体Ｗ２は、側壁がしごかれることで冷間加工硬化されて強度が高くなる。

次に、有底筒状体Ｗ２の開口端部Ｗ２ａをトリミングする。
ＤＩ加工装置によって形成された有底筒状体Ｗ２の開口端部Ｗ２ａは、その缶軸方向に波打つような凹凸形状とされ不均一であるため、有底筒状体Ｗ２の開口端部Ｗ２ａを切断してトリミングすることにより缶軸方向における側壁の高さを全周に亙って均一にする。このようにして、胴部１１と底部１２とを有する横断面円形のＤＩ缶１０を形成される。

このようにして形成されたＤＩ缶１０は、洗浄して潤滑油等を除去した後に表面処理を施して乾燥し、次いで外面印刷、外面塗装を施し、その後内面塗装を施す。
外面塗装は、例えば、ポリエステル系塗料を使用して、ＤＩ缶１０の胴部の外面に印刷、塗装をし、この外面印刷及び外面塗装がされたＤＩ缶１０を１８０℃×３０秒間以上加熱して行ない、内面塗装は、外面に塗装が施されたＤＩ缶１０の内面に、例えば、エポキシ系塗料を使用して内面塗装し、２００℃×６０秒間以上加熱することにより行なう。

次いで、ＤＩ缶１０にネッキング加工及びフランジング加工を施して、ＤＩ缶１０の胴部１１が開口端に向かって縮径されたネック部１３と、ネック部１３の開口端に接続されるフランジ部１４を形成させる。
ネッキング加工をする場合、例えば、開口端部の外側に同心に配置された円環状のネッキングダイに対して、開口端部側をＤＩ缶１０の軸線方向に複数回にわたって押し当てることにより、ＤＩ缶１０の開口端部を順次縮径して、ネック部１３を形成する。

この実施の形態において、板材（ブランク）Ｗは、直径１４５ｍｍ以上１５５ｍｍ以下、厚さが０．２４０ｍｍ以上０．２７０ｍｍ以下の円板形状とされ、カップ状体Ｗ１は、軸線方向における大きさが約４２ｍｍ、外径が約９０ｍｍとされている。
また、カップ状体Ｗ１に施される再絞りしごき加工は、有底筒状体Ｗ２に形成されたときのしごき率が５４．２％以上６４．８％以下となるように設定されている。

ここで、しごき率とは、
しごき率＝（板材Ｗの厚さ−胴部１１の厚さ）／板材Ｗの厚さ×１００（％）
により算出される。
胴部１１の厚さとは、胴部１１の最薄部、例えば接地部１２ｂから缶軸方向上方に６０ｍｍ離れた部分における胴部１１の肉厚とされる。そして、この胴部１１の厚さは０．０９５ｍｍ以上０．１１０ｍｍ以下とされる。

以下、図３から図７に、いわゆる２４ｋ材、２５ｋ材、２６ｋ材、２８ｋ材、３１ｋ材、３３ｋ材に関して、上記実施形態に係るＤＩ缶１０の作用、効果を検証した検証結果を示す。この実施の形態における２４ｋ材、２５ｋ材、２６ｋ材、２８ｋ材、３１ｋ材、３３ｋ材の胴部１１の引張り強さは、それぞれ、２９０ＭＰａ、３１０ＭＰａ、３３０ＭＰａ、３４０ＭＰａ、３８０ＭＰａ、４１０ＭＰａである。
この検証試験の引張り強さの測定は、図９に示すように、ＤＩ缶１０の缶底面の圧延方向に対し４５°で交差するＤＩ缶１０の周方向位置で胴部１１を缶軸方向に切り出した試験片を用いた。

また、突き刺し強度は、胴部の缶軸方向に接地部から上方に６０ｍｍ離れた位置（缶軸方向に缶の略中央の位置）の外面に、曲率半径０．５ｍｍの押圧子を胴部の径方向内方に向かって５０ｍｍ／ｍｉｎで移動させて、缶の胴部に穴があいたときの押圧力の大きさを測定し、それを突き刺し強度とした。
ここで、上記実施形態においては、缶胴重量については１１.６ｇ以下を、突き刺し強度については３９.０Ｎ以上を適正範囲として評価した。

図３は、胴部１１の肉厚（ｍｍ）及び引張り強さ（ＭＰａ）に対応する突刺し強度（Ｎ）を示す図であり、図中に示した突刺し強度（Ｎ）のうち、カッコ内に記載されているものが適正範囲外のものを示している。
図４は、胴部１１の肉厚（ｍｍ）及び引張り強さ（ＭＰａ）に対応する突刺し比強度（Ｎ／ｍｍ）を示す図であり、図中に示した突刺し比強度（Ｎ／ｍｍ）のうち、カッコ内に記載されているものが適正範囲外のものを示している。ここで、突刺し比強度（Ｎ／ｍｍ）とは、胴部１１の引張り強さ（ＭＰａ）を胴部１１の肉厚（ｍｍ）で除して得られる数値である。したがって、缶胴１１の単位肉厚あたりの突刺し強度（Ｎ）を表している。
図５は、アルミニウム合金の板材Ｗの板厚（ｍｍ）及び胴部１１の肉厚（ｍｍ）に対応する缶体重量（ｇ）を示す図であり、カッコ内に記載されているものが適正範囲外のものを示している。
図６は、アルミニウム合金の板材Ｗの板厚（ｍｍ）及び胴部１１の肉厚（ｍｍ）に対応するしごき率（％）を示す図である。

図７は、上記図３から図６に示した検証結果をまとめたグラフであり、胴部１１の引張り強さ（ＭＰａ）ごとに、缶体重量に大きく影響する胴部１１の肉厚（ｍｍ）（横軸）とピンホール特性に影響する突刺し強度（Ｎ）（縦軸）との関係を示したものである。図７のグラフによると、これらＤＩ缶は、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の３つの群に区分することが可能であり、Ｇ１で示される従来缶の群はピンホール特性が充分とされる突刺し強度３９Ｎに対する余裕が小さく、Ｇ２で示される群は突刺し強度は充分であるが缶体重量が重くなり、Ｇ３で示される群は充分な突刺し強度と缶体重量を満足するものである。

上記、図３から図７に示した検証結果により、鋳塊に熱間圧延、冷間圧延が施されるとともに所定板厚とされ、焼鈍により再結晶が生じた中間板材に最終圧下率が４５％〜８０％の冷間仕上げ圧延が施され板厚が０．２４０ｍｍ以上０．２７０ｍｍ以下とされたアルミニウム合金の板材にしごき率が５４．２％以上６４．８％以下の絞りしごき加工を施すことで、胴部の肉厚が０．０９５ｍｍ以上０．１１０ｍｍ以下とされ引張り強さが３４０ＭＰａ以上４１０ＭＰａ以下とされるとともに充分な突刺し強度が確保されることが検証された。
その結果、突起物や砂が押込まれた場合の破断が抑制されて突き刺し強度が高く充分なピンホール特性が確保されるとともに、薄肉化による缶体重量の軽量化が実現される。

上記実施形態に係るＤＩ缶１０によれば、胴部の肉厚を０．０９５ｍｍ以上０．１１０ｍｍ以下と薄肉しつつ引張り強さを加工限度に対する余裕を確保しつつ３４０ＭＰａ以上４１０ＭＰａ以下と高強度にすることができる。
その結果、薄肉化による缶体重量の軽量化と、加工硬化が加工限度よりも小さな値に抑えられて突き刺し強度が高く充分なピンホール特性が確保される。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能であり、例えば、前記実施形態では、厚さが０．２４０ｍｍ以上０．２７０ｍｍ以下、外径が１４５ｍｍ以上１５５ｍｍ以下とされた円板状の板材Ｗに絞りしごき加工を施すことにより、胴部１１の肉厚が０．０９５ｍｍ以上０．１１０ｍｍ以下とされるとともに引張り強さが３４０ＭＰａ以上４１０ＭＰａ以下とされるＤＩ缶１０を形成したが、絞りしごき加工におけるしごき率を５４．２％以上６４．８％以下の範囲内で変更することにより、前記厚さ、外径、容量の異なるＤＩ缶１０を形成することも可能である。
また、上記実施の形態で記載した以外の内面塗装、外面塗装を施すことも可能である。

また、上記実施の形態においては、高さが約１２２．５ｍｍ、外径が６５ｍｍ以上６７ｍｍ以下のいわゆる容量が３５０ｍｌとされる飲料缶に用いられるＤＩ缶について説明したが、上記以外の大きさを有する例えば、５００ｍｌ缶に適用してもよいし、開口端部に缶蓋を巻締めるフランジ部を有するＤＩ缶について説明したが、このＤＩ缶の開口端部にネッキング加工を施して肩部とキャップが螺着可能とされる口金部とを有するボトル缶に用いることも可能である。

ピンホールが発生を防止するとともに、缶体重量の軽量化が可能なＤＩ缶を提供することができる。

本発明に係るＤＩ缶の製造方法を示す工程図である。 図１に示すＤＩ缶の縦断面図である。 本発明のＤＩ缶に係る検証試験における突刺し強度を説明する図である。 本発明のＤＩ缶に係る検証試験における突刺し比強度を説明する図である。 本発明のＤＩ缶に係る検証試験における突刺し強度と軽量化の関係を説明する図である。 本発明のＤＩ缶に係る缶体重量を説明する図である。 本発明のＤＩ缶に係るしごき率を説明する図である。 本発明に係るＤＩ缶の成形に用いる板材の最終圧下率を説明するための図である。 本発明に係る検証試験において引張り強さ、伸びを測定するために用いた試験片のＤＩ缶における採取位置を説明する図である。

符号の説明

１０ ＤＩ缶
１１ 胴部
１２ 底部
Ｗ 板材

Claims (1)

1. アルミニウム合金の板材に絞りしごき加工を施して形成された有底筒状のＤＩ缶であって、
   前記アルミニウム合金の板材は、鋳塊に熱間圧延、冷間圧延が施されるとともに所定板厚とされ、焼鈍により再結晶が生じた中間板材に最終圧下率が４５％〜８０％の冷間仕上げ圧延が施されて板厚が０．２４０ｍｍ以上０．２７０ｍｍ以下とされ、アフターベーキング耐力が２４５ＭＰａ以上３３５ＭＰａ以下とされており、
   胴部は、肉厚が０．０９５ｍｍ以上０．１１０ｍｍ以下とされるとともに引張り強さが３４０ＭＰａ以上４１０ＭＰａ以下とされていることを特徴とするＤＩ缶。

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