JP5958630B2 - 王冠用鋼板およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ガラス瓶の栓としての王冠の材料に用いられる王冠用鋼板およびその製造方法に関するものである。
清涼飲料水や酒類などの飲料用の容器には古くからガラス瓶が用いられている。そして、細口のガラス瓶には王冠と呼ばれる金属製の栓が用いられている。一般的に、王冠は、薄鋼板を素材としてプレス成形によって製造される。この王冠は、瓶の口を塞ぐ円盤状の部分と、その周囲に設けられた襞状の部分からなり、襞状の部分を瓶の口にかしめることによって瓶を密封する。
王冠の素材となる薄鋼板に必要とされる特性として、強度と成形性が挙げられる。王冠が用いられる瓶には、充填後に瓶内の内圧を高める内容物であるビールや炭酸飲料などが充填される傾向にある。温度の変化などで内圧が高まった場合や輸送などによる衝撃などにも、王冠が変形して瓶の密封が破られることの無いように、王冠には十分な強度が必要である。また、鋼板の強度が十分であっても、成形性に乏しい場合は襞の形状が不均一になり、瓶の口にかしめても十分な密封性が得られない場合がある。
王冠の素材としての薄鋼板には、主にSR(Single Reduced)鋼板が用いられている。このSR鋼板は、冷間圧延により鋼板を薄くした後に、焼鈍を施し、さらに調質圧延を行い製造される。従来の一般的な王冠材の板厚は0.22〜0.24mmであり、食品や飲料の缶などに用いる軟鋼を素材としている。
近年、缶用鋼板同様、王冠用鋼板についてもコストダウンを目的とした薄肉化が求められる。しかし、王冠の素材となる王冠用鋼板の板厚が0.20mm未満になると、従来のSR鋼板では成形性は変わらないものの強度不足により密閉性が保たれなくなる。そして、板厚を0.20mm未満とした場合に、強度確保のために焼鈍後に二次冷間圧延を行うDR(Double Reduced)鋼板を適用することは容易に考えられるが、低炭鋼を用いたDR鋼板を王冠に適用しても、成形性が低いため、瓶の密封不良が生じる。
ところで、強度と成形性の両者に優れる鋼板を得るために、以下のような技術が提案されている。
特許文献1には、質量%で、N:0.0040〜0.0300%、Al:0.005〜0.080%を含有し、0.2%耐力:430MPa以下、全伸び:15〜40%、内部摩擦によるQ−1:0.0010以上であることを特徴とする缶強度、缶成形性に優れる容器用極薄軟質鋼板が開示されている。
特許文献2には、C:0.001〜0.080%、Si:0.003〜0.100%、Mn:0.10〜0.80%、P:0.001〜0.100%、S:0.001〜0.020%、Al:0.005〜0.100%、N:0.0050〜0.0150%、B:0.0002〜0.0050%を含有し、圧延方向断面において、結晶粒の展伸度が5.0以上である結晶粒を面積率にして0.01〜1.00%含むことを特徴とする高強度高加工性缶用鋼板が開示されている。
特開2001−49383号公報 特開2013−28842号公報
上記特許文献1、特許文献2に記載の技術は、容器である缶を製造するためのものであり、王冠を製造するためのものではない。そして、以下の通り、これらの特許文献に記載の鋼板は王冠の成形に適さない。
特許文献1に記載の鋼板は、軟質であるため、必要な強度を得るために二次冷間圧延率を大きくすると異方性も大きくなり、成形性が損なわれる。
特許文献2に記載の鋼板も、王冠に求められる強度と成形性を両立することは難しい。このように、従来行われていた成形性と強度を両立する技術を、王冠用の鋼板に適用することはできない。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、薄肉化しても、王冠の成形に適する、十分な強度と成形性を備える王冠用鋼板およびその製造方法を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、成分を最適化するとともに圧延方向の降伏強度、平均ランクフォード値を特定の範囲に調整すれば、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のものを提供する。
[1]質量%で、C:0.002%以上0.010%以下、Si:0.05%以下、Mn:0.05%以上0.30%以下、P:0.030%以下、S:0.020%以下、Al:0.0100%未満、N:0.0050%以下を含有し、
Al含有量が0.005%以上の場合はC含有量が0.003%超えであり、残部はFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、圧延方向の降伏強度が500MPa以上であり、下記の平均ランクフォード値が1.3以上であることを特徴とする王冠用鋼板。
平均ランクフォード値=(r+2×r+r)/4
ただし、rは圧延方向に平行な方向、rは圧延方向に対して45°方向、rは圧延方向に対して90°方向のランクフォード値を意味する。
[2]下記のΔrの絶対値が0.40以下であることを特徴とする[1]に記載の王冠用鋼板。
Δr=(r−2×r+r)/2
ただし、rは圧延方向に平行な方向、rは圧延方向に対して45°方向、rは圧延方向に対して90°方向のランクフォード値を意味する。
[3][1]に記載の成分組成を有するスラブを粗圧延し、仕上圧延温度が850℃以上で仕上圧延する熱間圧延工程と、前記熱間圧延工程で得られた熱延板を、450℃以上750℃以下で巻き取る巻取り工程と、前記巻取り工程後の熱延板を酸洗する酸洗工程と、前記酸洗工程後の熱延板を、冷間圧延する一次冷間圧延工程と、前記一次冷間圧延工程で得られた冷延板を、650℃以上790℃以下で焼鈍する焼鈍工程と、前記焼鈍工程で得られた焼鈍板を、Al含有量が0.003%以下の場合は圧延率が10%以上50%以下、Al含有量が0.003%超の場合は圧延率が20%以上50%以下の条件で冷間圧延する二次冷間圧延工程と、を有することを特徴とする王冠用鋼板の製造方法。
本発明によれば、厚みを薄くしても、王冠の成形に好適な強度及び成形性を有する、王冠用鋼板を得ることができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
<王冠用鋼板>
質量%で、C:0.002%以上0.010%以下、Si:0.05%以下、Mn:0.05%以上0.30%以下、P:0.030%以下、S:0.020%以下、Al:0.0100%未満、N:0.0050%以下を含有し、Alが0.005以上の場合はCを0.003%超え、残部はFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、圧延方向の降伏強度が500MPa以上であり、平均ランクフォード値が1.3以上である。好ましくはΔrの絶対値が0.40以下である。以下、成分組成、物性の順で本発明の王冠用鋼板について説明する。
以下の成分組成の説明において、本発明の王冠用鋼板に含まれる各成分の含有量を表す「%」は「質量%」を意味する。
C:0.002%以上0.010%以下
C含有量が0.010%を超えると、二次冷間圧延後の平均ランクフォード値が低下し、後述するように成形性が損なわれ、王冠の成形に適さない鋼板になる。また、C含有量が0.010%を超えると、成形した王冠の襞の形状が不均一になり、形状不良となる。一方、C含有量が0.002%未満であると、二次冷間圧延によっても必要な強度を得ることが困難になる。よって、Cの含有量は0.002%以上0.010%以下とする。好ましくは0.002%以上0.006%以下、より好ましくは0.003%以上0.005%以下である。
Si:0.05%以下
SiもCと同様の理由により、成形性に影響するため、0.05%を超える含有は望ましくない。よって、Siの含有量は0.05%以下とする。より好ましくはSiの含有量は0.03%以下である。さらに好ましくは0.01%以下である。
Mn:0.05%以上0.30%以下
Mn含有量が0.05%を下回ると、S含有量を低下させた場合でも熱間脆性を回避することが困難になり、連続鋳造時に表面割れなどの問題が生じる。一方、MnもまたCと同様の理由により、0.30%を超える含有は望ましくない。よって、Mnの含有量は0.05%以上0.30%以下とする。より好ましくは。Mnの含有量は0.10%以上0.30%以下である。さらに好ましくは0.15%以上0.25%以下である。
P:0.030%以下
P含有量が0.030%を超えると、鋼の硬質化や耐食性の低下が引き起こされる。よって、P含有量の上限値は0.030%とする。より好ましくは、P含有量の上限値は0.020%である。
S:0.020%以下
Sは、鋼中でMnと結合してMnSを形成し、多量に析出することで鋼の熱間延性を低下させる。S含有量が0.020%を超えるとこの影響が顕著となる。よって、Sの含有量の上限値は0.020%とする。より好ましくは、Sの含有量の上限値は0.011%である。さらに好ましくは0.007%以下である。
Al:0.0100%未満
Alは、脱酸剤として添加される元素である。溶鋼中の酸素(O)を減少させることにより、鋼塊中の凝固欠陥の発生を抑える効果があり、この効果を得るためにはAl含有量は、0.0005%以上であることが好ましい。しかし、多量のAlは成形性低下の要因となる。具体的には、Al含有量が0.0100%以上であると、平均ランクフォード値の低下によって王冠成形時に襞の形状が不均一になり、形状不良を引き起こす。よって、Al含有量は0.0100%未満とする。
さらに、Al含有量を0.003%以下にすると、CやNによる固溶強化能の向上を図れるため、二次冷間圧延の圧延率を高くしなくてもよい。具体的には、板厚が0.20mm未満の王冠用鋼板を製造する場合であっても、二次冷間圧延の圧延率を10〜40%に設定して、所望の特性を実現することができる。このためAl含有量は0.003%以下とすることが好ましい。さらに好ましくは0.002%以下である。また、Al含有量を0.003%以下として、上記のように高強度化させる場合、C含有量を0.002〜0.006%とすることで、Cによる成形性の低下を防ぐことが出来る。
N:0.0050%以下
N含有量が0.0050%超であると二次冷間圧延後の平均ランクフォード値の低下につながり、成形性が悪化する。よって、Nの含有量は0.0050%以下とする。なお、N含有量は0.0040%未満が好ましい。
Al含有量が0.005%以上の場合はC含有量を0.003%超え
Alが0.005%以上の場合は、鋼中のNがAlと結合して降伏強度が低下する。そのため、Alが0.005%以上の場合はCを0.003%超えとして降伏強度を確保する。
上記成分以外の残部はFeおよび不可避的不純物とする。不可避的不純物には、製造プロセスにおいて不可避的に混入する成分の他、本発明の効果を害さない範囲で所望の特性付与のために不可避的に添加した成分も含む。不可避的不純物としては、V、B、Ca、Zn、Co、Asの少なくとも一種を合計で0.02%以下、Cu:0.10%以下、Ni:0.10%以下、Cr:0.09%以下およびO:0.0150%以下を例示することができる。
次に、本発明に係る王冠用鋼板の機械的性質について説明する。
降伏強度:500MPa以上
王冠用鋼板には、瓶の内圧に対して王冠が外れることが無いような強度が求められる。一般的な王冠用鋼板の板厚は0.22〜0.24mm程度であり、これを下回るような薄肉化を行う場合、王冠用鋼板の強度をさらに高めなければならない。王冠用鋼板の圧延方向の降伏強度が500MPa未満であると、上記のような薄肉化した王冠に十分な強度を付与することが不可能であり、耐圧強度が不足する。したがって、圧延方向の降伏強度を500MPa以上とする。さらに、550MPa以上とすることが好ましい。一方、圧延方向の降伏強度が650MPaを超えると、王冠成形時のプレス条件の調整が難しくなる場合があるため、圧延方向の降伏強度は650MPa以下とすることが好ましい。なお、降伏強度は「JIS Z 2241」に示される金属材料引張試験方法により測定できる。
平均ランクフォード値:1.3以上
王冠用鋼板は円形のブランクに打ち抜かれた後、プレス成形により王冠に成形される。成形後の王冠形状は主に襞の形状の均一性で評価される。襞の形状が不均一であると、打栓後の密封性が損なわれ、瓶の内容物の漏洩につながる場合がある。王冠用鋼板の成形性は、成分組成や降伏強度とも関係があるが、平均ランクフォード値とはより密接な関係にある。具体的には、平均ランクフォード値が1.3未満であると成形後の襞の形状が不均一になる。よって、平均ランクフォード値は1.3以上とする。平均ランクフォード値は1.4以上であることが好ましい。なお、平均ランクフォード値は大きいほど好ましい。平均ランクフォード値は「JIS Z 2254」の付属書JAに示される方法によりr値を測定し、評価することができる。また、平均ランクフォード値は、上記方法で、r:圧延方向に平行な方向のr値、r:圧延方向に対して45°方向のr値、r:圧延方向に対して90°方向のr値を測定し、平均ランクフォード値については(r+2×r+r)/4を計算することで得られる。
Δrの絶対値が0.40以下
本発明では、Δrの絶対値が0.40以下であることが好ましい。王冠用鋼板は円形のブランクに打ち抜かれた後、プレス成形により王冠に成形される。成形後の王冠形状は主に襞の形状の均一性で評価される。襞の形状が不均一であると、打栓後の密封性が損なわれ、瓶の内容物の漏洩につながる場合がある。王冠用鋼板の成形性は、成分組成や降伏強度とも関係があるが、Δrの絶対値(ランクフォード値(r値)の面内異方性)とも密接な関係にある。具体的には、Δrの絶対値が0.40超であると成形後の襞の形状が不均一になる。よって、Δrの絶対値は0.40以下とする。なお、Δr値の絶対値は小さい方が好ましい。好ましくは0.20以下である。また、Δrの絶対値は、上記方法で、r:圧延方向に平行な方向のr値、r:圧延方向に対して45°方向のr値、r:圧延方向に対して90°方向のr値を測定し、(r−2×r+r)/2を計算することで得られる。
厚み:0.20mm未満
本発明の王冠用鋼板の厚みは特に限定されないが、本発明の王冠用鋼板は、厚みが薄くても、成形性と強度を両立できる。「厚みが薄い」とは0.20mm未満であり、より具体的には0.13〜0.19mmである。
<王冠用鋼板の製造方法>
以下、本発明の王冠用鋼板の製造方法の一例について説明する。
本発明の王冠用鋼板は、熱間圧延工程と、巻取り工程と、酸洗工程と、一次冷間圧延工程と、焼鈍工程と、二次冷間圧延工程と、を有するDR方法で製造できる。以下、各工程について説明する。
熱間圧延工程
熱間圧延工程とは、上記成分組成を有するスラブを粗圧延し、仕上げ圧延する工程である。なお、スラブは、例えば、転炉などを用いた公知の方法により、溶鋼を上記の化学成分(成分組成)に調整し、連続鋳造法により製造される。スラブの成分組成が王冠用鋼板の成分組成になるため、王冠用鋼板の成分組成はスラブを製造する際に調整すればよい。
粗圧延の条件は特に限定されないが、粗圧延の際には、スラブを1200℃以上に加熱することが好ましい。加熱温度の上限は特に限定されないが、加熱温度が高すぎるとスケールが過剰に発生して製品表面の欠陥になる。このため、加熱温度は1300℃以下とすることが好ましい。
また、仕上げ圧延温度は、圧延荷重の安定性の観点から850℃以上とする。好ましくは880℃以上であり、より好ましくは900℃以上である。一方、必要以上に仕上げ圧延温度を高くすることは、薄鋼板の製造を困難するので960℃以下とすることが好ましい。
巻取り工程
巻取り工程とは、熱間圧延工程で得られた熱延板を、巻き取る工程である。巻取温度が750℃より高くなると、結晶粒が粗大化して強度が低下し、本発明の規定する機械的特性が得られない。そのため、熱間圧延工程の巻取温度は750℃以下とする。好ましくは740℃以下、より好ましくは700℃以下である。さらに好ましくは650℃以下である。また、巻取温度を450℃より低くし、かつ能率を損なわずに操業するためには、これに応じて仕上圧延温度を低くする必要がある。仕上圧延温度を低くすると板の形状を制御することが難しくなるため、巻取り温度を450℃以上にする。より好ましくは500℃以上である。さらに好ましくは550℃以上である。
酸洗工程
酸洗工程とは、巻取り工程後の熱延板を酸洗する工程である。酸洗工程は、表層スケールが除去できればよい。表層スケールを除去できれば、その条件は特に限定されない。
一次冷間圧延工程
一次冷間圧延工程とは、酸洗工程後の熱延板を、冷間圧延する工程である。一次冷間圧延工程での圧延率は特に限定されないが、極薄材を製造するためには圧延率を85〜94%に設定することが好ましい。
焼鈍工程
焼鈍工程とは、一次冷間圧延工程で得られた冷延板を焼鈍する工程である。焼鈍温度が790℃を超えると、連続焼鈍においてヒートバックルなどの通板トラブルが発生しやすくなる。また、焼鈍温度が650℃未満であると、再結晶が不完全となり、材質が不均一になる。したがって、焼鈍温度は650〜790℃とする。
二次冷間圧延工程
二次冷間圧延工程とは、上記焼鈍工程で得られた焼鈍板を、冷間圧延する工程である。この二次冷間圧延により必要な強度を付与する。本発明の製造方法では、Al含有量によって選択可能な圧延率の条件が異なる。具体的には、Al含有量が0.003%以下の場合は圧延率が10%以上50%以下、Al含有量が0.003%超の場合は圧延率が20%以上50%以下である。Al含有量が0.003%以下の場合に圧延率が10%未満、Al含有量が0.003%超の場合に圧延率が20%未満であると、王冠の耐圧性を確保するのに十分な強度が得られない。また、二次冷間圧延の圧延率が50%を超えると、異方性が過大となり、成形性を損なう。よって、二次冷間圧延の圧延率はAl含有量に応じて上記範囲とする。なお、圧延率の好ましい上限はAl含有量がいずれの場合にも40%であるが、Al含有量が0.003%以下の場合には圧延率を小さくできる点が特徴の1つであり、Al含有量が0.003%以下の場合には以下の通り圧延率が40%以下であることが好ましい。
本発明では、Al含有量を0.003%以下とした場合、CやNによる固溶強化能の向上を図れるため、二次冷間圧延の圧延率を高くしなくてもよい。具体的には、板厚が0.20mm未満の王冠用鋼板を製造する場合であっても、二次冷間圧延の圧延率を10〜40%に設定して、所望の特性を実現することができる。
なお、二次冷間圧延以降は、めっき処理(電気すずめっき、電気クロムめっき)等の工程を常法通り行い、王冠用鋼板として仕上げることができる。
以上、説明したように、本実施によれば、鋼板の強度と王冠成形性の両立が可能となり、王冠の薄肉化が実現できる。
本実施例において、まず、表1に示す成分組成を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる鋼を実機転炉で溶製し、連続鋳造することにより鋼スラブを得た。ここで得られた鋼スラブに対して、1250℃に再加熱した後、圧延開始温度1150℃、表2に示す仕上圧延温度の条件で熱間圧延を行い、表2に示す巻取り温度で巻取り、巻取り後に酸洗を施した。次いで、表2に示す一次冷間圧延率で一次冷間圧延を行い、表2に示す焼鈍温度で連続焼鈍し、引き続き、表2に示す二次冷間圧延率で二次冷間圧延を施した。得られた鋼板に通常のクロムめっきを連続的に施して、ティンフリースチールを得た。
以上により得られた鋼板に対して、210℃、15分の塗装焼付け相当の熱処理を行った後、引張試験、平均ランクフォード値、Δr値の測定を行った。
引張試験は、JIS5号サイズの引張試験片を用いて、JIS Z 2241に従い、圧延方向の降伏強度を測定した。
平均ランクフォード値は「JIS Z 2254」の付属書JAに記載の固有振動法を用いて測定した。また、圧延方向に引張試験を行いrを測定し、圧延方向に対して45°方向に引張試験を行いrを測定し、圧延方向に対して90°方向に引張試験を行いrを測定した。測定結果から(r−2×r+r)/2を計算しΔrの絶対値を求めた。
得られた鋼板を用いて王冠を成形し、王冠成形性を評価した。直径37mmの円形ブランクを使用し、プレス加工により「JIS S 9017」(廃止規格)に記載の3種王冠の寸法(外径32.1mm、高さ6.5mm、襞の数21)に成形した。評価は目視で行い、襞の大きさが全て揃っている場合を「○」、襞の大きさが不揃いな場合を「×」と評価した。
また、成形した王冠を用いて耐圧試験を行った。王冠の内側に塩化ビニル製ライナーを成形し、市販ビール瓶に打栓してSecure Pak社製Secure Seal Testerを用いて王冠が外れる内圧を測定した。従来の王冠と同等以上の耐圧強度を示した場合を「○」、従来の王冠の耐圧強度に至らなかった場合を「×」と評価した。得られた結果を表3に示す。
表3より、本発明例である水準1〜5、13および14の鋼板は、圧延方向の降伏強度が500MPa以上、かつ平均ランクフォード値が1.3以上、かつΔrの絶対値が0.40以下であり、王冠成形性および耐圧強度のいずれも良好である。一方、比較例である水準6の鋼板は、Alの含有量が0.005%を超えているのにCの含有量が0.003%未満のため、圧延方向の降伏強度が500MPa未満となり、耐圧強度が不足している。比較例である水準7の鋼板はCの含有量が多すぎるため、水準8の鋼板はMnの含有量が多すぎるため、水準9の鋼板はAlの含有量が多すぎるため、水準10の鋼板はNの含有量が多すぎるため、水準11の鋼板は熱間圧延後の巻取り温度が高すぎるため、いずれも平均ランクフォード値が1.3未満となり、王冠成形性に劣っている。比較例である水準12の鋼板は二次冷間圧延率が小さすぎるため、圧延方向の降伏強度が500MPa未満となり、耐圧強度が不足している。
Figure 0005958630
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Claims (2)

  1. 質量%で、C:0.002%以上0.010%以下、Si:0.05%以下、Mn:0.05%以上0.30%以下、P:0.030%以下、S:0.020%以下、Al:0.0100%未満、N:0.0050%以下を含有し、Al含有量が0.005%以上の場合はC含有量が0.003%超えであり、残部はFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
    圧延方向の降伏強度が500MPa以上であり、
    下記の平均ランクフォード値が1.3以上であり、
    下記のΔrの絶対値が0.40以下であることを特徴とする王冠用鋼板。
    平均ランクフォード値=(r+2×r+r)/4
    ただし、rは圧延方向に平行な方向、rは圧延方向に対して45°方向、rは圧延方向に対して90°方向のランクフォード値を意味する。
    Δr=(r −2×r +r )/2
    ただし、r は圧延方向に平行な方向、r は圧延方向に対して45°方向、r は圧延方向に対して90°方向のランクフォード値を意味する。
  2. 請求項1に記載の王冠用鋼板の製造方法であって、
    ラブを粗圧延し、仕上圧延温度が850℃以上で仕上圧延する熱間圧延工程と、
    前記熱間圧延工程で得られた熱延板を、450℃以上750℃以下で巻き取る巻取り工程と、
    前記巻取り工程後の熱延板を酸洗する酸洗工程と、
    前記酸洗工程後の熱延板を、冷間圧延する一次冷間圧延工程と、
    前記一次冷間圧延工程で得られた冷延板を、650℃以上790℃以下で焼鈍する焼鈍工程と、
    前記焼鈍工程で得られた焼鈍板を、Al含有量が0.003%以下の場合は圧延率が10%以上50%以下、Al含有量が0.003%超の場合は圧延率が20%以上50%以下の条件で冷間圧延する二次冷間圧延工程と、を有することを特徴とする王冠用鋼板の製造方法。
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