JP5498757B2 - キャップ用アルミニウム合金板 - Google Patents

Description

本発明は、ボトル缶のキャップ用アルミニウム合金板に関する。

口部にねじ部を有するアルミニウム合金製のボトル缶には、アルミニウム合金製のキャップが封止される。このキャップは、アルミニウム合金板に塗装、印刷を施した後、カップ状にプレス成形され、そのカップの開口端部をトリミングした後、胴部にミシン目等を加工して、内面にシール材を固着又は嵌め込むことにより、製造される。そして、飲料を充填したボトル缶の口部に被せた後、ボトル缶の口部のねじ部に合わせてねじ加工されながらシールされる。

このキャップの材料に要求される品質特性としては、耐圧性や耐食性とともに、ミシン目を切りながらねじを緩めるときの開栓性も重要である。また、製造時には、深絞り性、低耳率などの特性が安定していることが重要である。
そのキャップの材料として、例えばＪＩＳ５１５４等のＡｌ−Ｍｇ系のアルミニウム合金などが使用されている（例えば、特許文献１〜３を参照。）。

特開２００５−２４６４号公報 特開２００４−３５３０７９号公報 特開２００５−１２６７６４号公報

ところで、使用材料を削減してコスト低下を図るため板厚が薄肉化してきている。それに伴ない、成形が難しくなってきており、キャップとして必要な引張強さにばらつきが生じ易い。この引張強さは、キャップのシール性を良くするためには高い方が良いが、引張強さが高くなり過ぎると、キャップの絞り加工や、ボトル缶の口部に被せた後のねじ部加工が困難になるとともに、開栓性が低下することになる。この矛盾する要求特性を満足するためには、その引張強さのばらつきを極力抑えることが重要である。
また、アルミニウム合金板をプレス加工により深絞りすると、その開口端部に材料の異方性が原因で耳が生じる。この耳は、板厚を薄くするほど生じ易くなる。また、大きな耳が発生すると、アルミニウム合金板に施した印刷面が部分的に伸ばされて変形することにより、製品としての外観を損なう不具合を生じる。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、引張強さや開栓性のばらつきを小さくするとともに、成形時の耳の発生を抑え、薄肉化を容易にするアルミニウム合金板の提供を目的とする。

本発明のキャップ用アルミニウム合金板は、質量％で、Ｍｇ：１．５５〜１．８５％、Ｍｎ：０．１〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜０．１５％、Ｆｅ：０．５０％以下、Ｃｕ：０．０３％以下、Ｚｎ：０．０３％以下、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．０３％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる組成を有し、板厚が０．２１〜０．２３ｍｍであり、結晶粒がファイバー状組織を有し、３μｍ以上の大きさの金属間化合物が３００個／ｍｍ^２未満であり、引張強さが２０５〜２２５ＭＰａであることを特徴とする。

結晶粒がファイバー状組織を有することにより、薄肉化による強度低下を抑えつつ成形性を良好に維持することができ、また、３μｍ以上の金属間化合物が３００個／ｍｍ^２未満とすることで、所望の成形性と開栓性とを得ることができ、かつ成形時の耳の発生も抑制することができる。そして、合金組成の中で、特にＣｕ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｒの含有率を低減させたことにより、薄肉化に伴う引張強さの変動を抑えることができ、引張強さを２０５〜２２５ＭＰａの範囲に維持して、成形性、開栓性をより安定させることができる。

また、そのキャップ用アルミニウム合金板を製造する方法としては、スラブに熱間圧延、冷間圧延を行い、最終冷延率を５０〜７０％とし、最終冷延後に２１０〜２６０℃の最終調質焼鈍を行うことを特徴とする。

最終冷延率を５０〜７０％としたのは、５０％未満であると０°−１８０°方向及びその９０°方向の耳が生じ易く、７０％を超えると４５°方向の耳が生じ易いためであり、この範囲とすることにより、周方向にわたって最も均等に絞り加工され、耳の発生を抑制することができる。また、通常の５０００系アルミニウム合金板は、最終冷延後に比較的低い温度で安定化処理されるが、薄肉であるため通常の安定化処理では引張強さが高すぎてしまう。また、その後の塗装・印刷工程における熱処理で軟化してしまうため、材料の物性が安定しない。そこで、２１０〜２６０℃の安定化処理よりも高温域で調質焼鈍することにより、引張強さを安定させるようにしている。

本発明によれば、成形時の耳の発生を抑えつつ、引張強さや開栓性のばらつきを小さくし、０．２１〜０．２３ｍｍの薄肉の板材で、キャップとして要求される引張強さを維持しながら良好な開栓性を有することができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。
まず、キャップ用アルミニウム合金の実施形態について説明する。このアルミニウム合金は、質量％で、Ｍｇ：１．５５〜１．８５％、Ｓｉ：０．０５〜０．１５％、Ｍｎ：０．２０％以下、Ｆｅ：０．５０％以下、Ｃｕ：０．０３％以下、Ｚｎ：０．０３％以下、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．０３％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる組成を有し、板厚が０．２１〜０．２３ｍｍであり、結晶粒がファイバー状組織を有し、３μｍ以上の大きさの金属間化合物が３００個／ｍｍ^２未満であり、引張強さが２０５〜２２５ＭＰａとされる。

このうち、各金属元素の添加理由は以下の通りである。
（Ｍｇ：１．５５〜１．８５％）
Ｍｇは、アルミニウム合金の強度を向上させるのに必要な元素である。しかしながら、Ｍｇが１．５５％未満であると、薄肉化されたアルミニウム合金の強度を向上させる効果が不十分となり、Ｍｇが１．８５％を超えると、強度が高くなりすぎて加工性が悪くなる。したがって、Ｍｇは、１．５５〜１．８５％の範囲で含有することが好ましく、より好ましくは１．６〜１．７％の範囲である。

（Ｓｉ：０．０５〜０．１５％）
Ｓｉは、ＭｎやＦｅと化合物を形成して晶出物を形成するために、深絞り性を向上させる元素である。しかしながら、Ｓｉが０．０５％未満であると、その効果に乏しく、０．１５％を超えると晶出物が多くなって逆に深絞り性が悪くなる。したがって、Ｓｉは、０．０５〜０．１５％の範囲で添加することが好ましい。

（Ｍｎ：０．２０％以下）
Ｍｎは、アルミニウム合金の強度を向上させる元素であるので、必要に応じて添加するとよい。しかしながら、Ｍｎが０．２０％を超えると、加工性が悪くなる傾向にある。このため、Ｍｎは、０．２０％以下の範囲で含有することが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．１５％の範囲である。

（Ｆｅ：０．５０％以下）
Ｆｅは、アルミニウム合金の強度を向上させる元素であるので、必要に応じて添加するとよい。しかしながら、Ｆｅが０．５０％を超えると、深絞り性や耐食性が低下する傾向にある。このため、Ｆｅは、０．５０％以下の範囲で添加することが好ましく、より好ましくは０．１〜０．３％の範囲である。

（Ｃｕ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｒ）
Ｃｕは、アルミニウム合金の強度を向上させる効果はあるが、含有量が多過ぎると強度が高くなり過ぎる。また、Ｃｒは、耳率の低減に効果があり、ＴｉやＺｎは結晶粒を微細化して成形性を向上させる効果があるが、これらの含有量が多過ぎると、アルミニウム合金の強度が高くなり過ぎてしまい、かえって成形性が悪くなる。したがって、これら金属をＣｕ：０．０３％以下、Ｚｎ：０．０３％以下、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．０３％以下とすることにより、キャップ材としての引張強さを維持しつつそのばらつきを抑制することができる。

また、このような成分組成を有するアルミニウム合金板は、ファイバー状組織となっている。このファイバー状組織は、結晶粒の圧延方向の結晶サイズが４０μｍ以上とされる。このようなファイバー状の組織とすることで、キャップの薄肉化による強度低下を抑えつつ、成形性を維持することができる。

一方、金属間化合物は、材料の引き裂き時、母相との界面で剥離し亀裂伝播の経路となり、引き裂き性を向上する効果がある。特に、粒径で３μｍ未満の微細な金属間化合物が多く適正に分布されるとその効果が顕著となるが、３μｍ以上の大きさの金属間化合物が３００個／ｍｍ^２を超えて分散していると、応力集中による亀裂伝播の抵抗が大きくなる。したがって、３μｍ以上の大きさの金属間化合物は３００個／ｍｍ^２未満とされる。この金属間化合物としては、例えばＡｌ−Ｆｅ系及びＭｇ_２Ｓｉである。

引張強さを２０５〜２２５ＭＰａとしたのは、２０５ＭＰａ未満になると、耐圧性やシール性が不足してしまい、２２５ＭＰａを超えると、０．２１〜０．２３ｍｍの板厚のアルミニウム合金に対して強度が高くなり過ぎてしまう。したがって、引張強さは、２０５〜２２５ＭＰａの範囲であることが好ましく、より好ましくは、２１０〜２２０ＭＰａの範囲である。

次に、このキャップ用アルミニウム合金の製造方法について説明する。
溶湯からスラブを得た後、このスラブに熱間圧延加工、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均質化処理と中間焼鈍を行い、中間焼鈍後に更に冷間圧延加工を複数回施し、最終調質焼鈍を行う。

この一連の工程の中で、最後の中間焼鈍からの冷間圧延率（最終冷延率という）を５０〜７０％とする。これは、最終冷延率が５０％未満であると、強度が不十分となるとともに、キャップ成形時に０°−１８０°方向及び９０°方向の耳が生じ易くなる。また、最終冷延率が７０％を超えると、強度が高くなり過ぎて成形性、開栓性が悪くなるとともに、キャップ成形時に４５°方向の耳が生じ易くなる。最終冷延率を５０〜７０％の範囲とすることにより、キャップ成形時に生じる耳が小さくなり、周方向にわたって均等な絞り加工が可能となる。
また、この５０〜７０％の最終冷延率で最終冷間圧延を行うことにより、結晶粒がファイバー状組織となり易く、目的とする強度を得ることができる。

なお、耳とは、アルミニウム合金板をカップ状に絞り加工したときに、その開口端において軸方向に突出した部分をいう。耳は、圧延方向に対して０°−１８０°方向、その９０°方向、４５°方向に発生する場合があり、耳と耳の間を谷とし、耳部のカップ外底面からの高さＹと、谷部のカップ外底面からの高さＶとの関係から、（Ｙ−Ｖ）／［（Ｙ＋Ｖ）／２］×１００（％）によって求められる比率を耳率と定義している。この耳率としては２％以下が好ましく、１．５％以下がさらに好ましい。

また、この冷間圧延後に行う最終調質焼鈍温度は２１０〜２６０℃で、一般的な安定化処理の温度よりも高温としている。この最終調質焼鈍温度が２１０℃未満であると伸びが不足し、２６０℃を超えると素材強度が低下する。また、このアルミニウム合金板は、その後、塗装、印刷され、キャップとして成形されるが、その塗装、印刷時に例えば２００℃程度の温度で焼き付けされ、その温度で材料が軟化しないように、その焼き付け温度以上の温度とするのが好ましい。したがって、最終調質焼鈍は、２１０〜２６０℃の範囲で行うことがよく、２２０〜２４０℃の範囲で行うことがより好ましい。また、この温度範囲で最終調質焼鈍することにより、結晶粒の大部分をファイバー状組織とすることができる。このファイバー状組織は、断面で見たときの面積率として８０％以上が４０μｍ以上の結晶サイズのファイバー状組織であることが好ましく、それにより、高い引張強さを維持しつつ良好な成形性を得ることができる。また、この最終調質焼鈍により、金属間化合物も３μｍ未満の微細なものが多く析出し易く、３μｍ以上の大きな金属関化合物の析出を抑制することができる。
なお、この最終調質焼鈍の加熱方法については、バッチ式、連続焼鈍ラインなどの方式があるが、バッチ式の方が均一な焼きなまし効果が得られるので好ましく、保持時間としては２〜６時間程度とされる。

以下、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
先ず、表１に示す各組成成分を有するアルミニウム合金を溶製し、スラブに鋳造した。次に、５６０℃×４時間の均質化処理を行い、熱間圧延で板厚６ｍｍとした。次に、冷間圧延、連続焼鈍炉（４２０℃）で中間焼鈍を行い、最終冷延率を５０〜７０％の範囲で複数種類設定して最終板厚０．２１〜０．２３ｍｍの範囲内となるまで冷間圧延を行った。最後に２１０〜２６０℃の温度範囲内で適宜の温度を設定して保持時間が４時間の調質焼鈍を行った。このようにして、実施例として、成分組成、最終冷延率、調質焼鈍温度の異なる試料１〜８のアルミニウム合金板を得た。また、比較例として、本発明の範囲から外れる成分組成、最終冷延率、調質焼鈍温度のものについても作製し、試料９〜１２とした。

そして、これら試料１〜８の実施例及び試料９〜１２の比較例の各アルミニウム合金板について、厚み方向の断面組織を光学顕微鏡で観察し、その組織形状と結晶サイズを測定すると共に、同様に光学顕微鏡での観察により、分散して析出されている金属間化合物のうち、３μｍ以上の大きさの金属間化合物について分布密度を測定した。また、引張強さ、及び耳率の測定を行った。その測定結果を表２に示す。
なお、耳率は、ダイス径３３．７ｍｍ、ポンチ径３３ｍｍ、ポンチ肩Ｒ４ｍｍの金型を用い、ブランク径６５ｍｍ、絞り比１．９７の条件で深絞り試験を行い、そのとき測定した耳の高さから算出した。

この表２に示されるように、本実施例（試料１〜８）のアルミニウム合金板は、いずれも、結晶粒がファイバー状組織を有し、３μｍ以上の大きさの金属間化合物が３００個／ｍｍ^２未満であった。そして、これら試料１〜８については、耳率が２％以下で、引張強さが２０５〜２２５ＭＰａの範囲内となり、低い耳率でかつ良好な機械的性質を示した。
これに対して、比較例（試料９〜１２）は、耳率が大きく、所望の引張強さを得ることはできなかった。その断面組織も、粒状に近い組織であり、長手方向の結晶サイズが小さすぎるために、引張強さが低くなっており、耳率も低く抑えることができなかった。

以上の試験結果から明らかなように、本発明のアルミニウム合金板は、低い耳率でかつ良好な機械的性質を示し、しかもそのばらつきが小さいことから、０．２１〜０．２３ｍｍの薄肉の板材でありながら、キャップとしての成形性、開栓性が良好なものを得ることができると認められる。

Claims (1)

1. 質量％で、Ｍｇ：１．５５〜１．８５％、Ｍｎ：０．１〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜０．１５％、Ｆｅ：０．５０％以下、Ｃｕ：０．０３％以下、Ｚｎ：０．０３％以下、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．０３％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる組成を有し、
   板厚が０．２１〜０．２３ｍｍであり、結晶粒がファイバー状組織を有し、３μｍ以上の大きさの金属間化合物が３００個／ｍｍ^２未満であり、引張強さが２０５〜２２５ＭＰａ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。