JP5988012B1 - 王冠用鋼板およびその製造方法ならびに王冠 - Google Patents

王冠用鋼板およびその製造方法ならびに王冠 Download PDF

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Abstract

薄肉化して使用しても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ならびに王冠を提供する。質量％で、Ｃ：０．０１０％以上０．０２５％以下、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上０．５０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５％以上０．０５０％以下、Ａｌ：０．０２０％以上０．０７０％以下、Ｎ：０．００４０％未満を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有す。２１０℃、１５分の熱処理後の降伏強度について、圧延方向の降伏強度が５５０ＭＰａ以上であり、圧延面内における圧延方向から４５°の方向の降伏強度が、圧延方向の降伏強度と圧延面内における圧延方向から９０°の方向の降伏強度の平均値以下である。

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鋼板およびその製造方法ならびに王冠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多く用いられており、細口のガラス瓶には王冠と呼ばれる金属製の栓が広く用いられている。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、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、ビールや炭酸飲料など、内圧を生じる内容物が充填されることが多い。温度の変化などで内圧が高まった場合にも、王冠が変形して瓶の密封が破られることの無い様な強度が必要である。また、素材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生じる。
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。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、調質圧延を行うことで製造される。従来は、王冠の素材の板厚は０．２０ｍｍ以上であり、食品や飲料の缶などに用いる軟鋼を素材としたＳＲ材を適用することで十分な強度と成形性を確保することが可能であった。
しかしながら、近年、缶用鋼板同様、王冠の素材についてもコストダウンを目的とした薄肉化の要求が高まっている。王冠の素材の板厚が０．２０ｍｍ未満になると、従来のＳＲ鋼板では強度不足となる。強度確保のためには焼鈍のあとに二次冷間圧延を施すＤＲ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｒｅｄｕｃｅｄ）鋼板の適用が考えられる。しかし、二次冷間圧延率を大きくすると成形性が低下し、瓶の密封不良を生じる。
上記を受けて、これまで、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、重量％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、質量％で、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
しかし、上記従来技術には下記に示す問題が挙げられる。
特許文献１に記載の鋼板は、軟質かつＮを多く含有するため、必要な強度を得るためには二次冷間圧延率を大きくする必要がある。二次冷間圧延率を大きくすると異方性も大きくなり、加工性が損なわれる。
特許文献２に記載の鋼板も特許文献１に記載の鋼板と同様に、Ｎの含有量が多いため、王冠の素材に求められる強度と加工性を両立することは難しい。
本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、上述した従来技術の問題を解決し、薄肉化して使用しても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ならびに王冠を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行った。その結果、鋼成分、熱間圧延条件、焼鈍条件、および二次冷間圧延条件（ＤＲ条件）を最適化することで、十分な強度と成形性を備える王冠用鋼板が得られることを見出した。
本発明は以上の知見に基づいてなされたものであり、以下を要旨とするものである。
［１］質量％で、Ｃ：０．０１０％以上０．０２５％以下、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上０．５０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５％以上０．０５０％以下、Ａｌ：０．０２０％以上０．０７０％以下、Ｎ：０．００４０％未満を含有し、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、２１０℃、１５分の熱処理後の降伏強度について、圧延方向の降伏強度が５５０ＭＰａ以上であり、圧延面内における圧延方向から４５°の方向の降伏強度が、圧延方向の降伏強度と圧延面内における圧延方向から９０°の方向の降伏強度の平均値以下である王冠用鋼板。
［２］上記［１］に記載の王冠用鋼板の製造方法であって、スラブを、熱間圧延し、巻取り温度５３０℃以上５９０℃以下で巻取る熱間圧延工程と、前記熱間圧延工程後、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後、焼鈍温度６５０℃以上７２０℃以下で焼鈍する焼鈍工程と、前記焼鈍工程後、圧延率２５％以上４０％以下で二次冷間圧延を行う二次冷間圧延工程と、を有する王冠用鋼板の製造方法。
［３］上記［１］に記載の王冠用鋼板からなる王冠。
［４］質量％で、Ｃ：０．０１０％以上０．０２５％以下、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上０．５０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５％以上０．０５０％以下、Ａｌ：０．０２０％以上０．０７０％以下、Ｎ：０．００４０％未満を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するスラブを、熱間圧延し、巻取り温度５３０℃以上５９０℃以下で巻取る熱間圧延工程と、前記熱間圧延工程後、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後、焼鈍温度６５０℃以上７２０℃以下で焼鈍する焼鈍工程と、前記焼鈍工程後、圧延率２５％以上４０％以下で二次冷間圧延を行う二次冷間圧延工程と、を有する、２１０℃、１５分の熱処理後の降伏強度について、圧延方向の降伏強度が５５０ＭＰａ以上であり、圧延面内における圧延方向から４５°の方向の降伏強度が、圧延方向の降伏強度と圧延面内における圧延方向から９０°の方向の降伏強度の平均値以下である王冠用鋼板の製造方法。
本発明によれば、薄肉化して使用しても十分な強度と成形性を備える王冠用鋼板が得られる。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。
以下、本発明について詳細に説明する。なお、以下の％は、特に断らない限り質量％を意味するものとする。
本発明の鋼板は、特定の成分組成を有し、２１０℃、１５分の熱処理後の降伏強度について、圧延方向の降伏強度が５５０ＭＰａ以上であり、圧延面内における圧延方向から４５°の方向の降伏強度が、圧延方向の降伏強度と圧延面内における圧延方向から９０°の方向の降伏強度の平均値以下である。その結果、十分な強度と成形性を備え、薄肉化して使用可能な王冠が得られる。
成分組成
本発明の成分組成について説明する。
Ｃ：０．０１０％以上０．０２５％以下
Ｃは含有量を最適な範囲に規定することにより、強度と加工性の両立に寄与する元素である。Ｃ含有量が０．０１０％未満であると固溶Ｃによる強化量が小さいため、強度不足となる。一方、Ｃ含有量が０．０２５％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。よって、Ｃ含有量は０．０１０％以上０．０２５％以下とする。
Ｓｉ：０．１０％以下
Ｓｉ含有量が過剰であると成形性に悪影響を及ぼすため、０．１０％を超える含有は望ましくない。よって、Ｓｉ含有量は０．１０％以下とする。鋼板の強度向上の点から、好ましくは０．０２％以上０．１０％以下である。
Ｍｎ：０．０５％以上０．５０％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、Ｓｉと同様に、０．５０％超えの含有は成形性に悪影響を及ぼす。よって、Ｍｎ含有量は０．０５％以上０．５０％以下とする。
Ｐ：０．０５０％以下
Ｐ含有量が０．０５０％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含有量は０．０５０％以下とする。
Ｓ：０．００５％以上０．０５０％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の含有量が０．０５０％を超えるとこの影響が顕著となる。一方、Ｓ含有量を０．００５％未満とするには脱硫コストが過大となる。よって、Ｓ含有量は０．００５％以上０．０５０％以下とする。
Ａｌ：０．０２０％以上０．０７０％以下
Ａｌは、脱酸剤として添加される元素である。また、鋼中のＮとＡｌＮを形成し、鋼中の固溶Ｎを減少させる。Ａｌ含有量が０．０２０％未満であると脱酸剤としての効果が不十分であり、凝固欠陥の発生を招く。一方、二次冷間圧延が大きい場合には、多量のＡｌは成形性低下の要因となる。Ａｌ含有量が０．０７０％を超えると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０．０２０％以上０．０７０％以下とする。
Ｎ：０．００４０％未満
Ｎの含有量が０．００４０％以上であると鋼板が硬質化し、成形性を悪化させる。よって、Ｎの含有量は０．００４０％未満とする。好ましくは０．００３５％以下である。
上記必須成分以外の残部は鉄および不可避的不純物である。
機械的性質
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。
王冠用鋼板には、瓶の内圧に対して王冠が外れる事が無いような強度が求められる。これを受けて、従来、用いられてきた王冠用鋼板の板厚は０．２０ｍｍ以上であった。しかし、薄肉化の要求が高まってきており、板厚０．２０ｍｍを下回るような薄肉化にあたっては従来より大きな強度が必要となる。鋼板の圧延方向の降伏強度が５５０ＭＰａ未満では、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は５５０ＭＰａ以上とする。
また、一般的にＤＲ鋼板においては圧延面内の方向によって降伏強度に差が生じる。圧延方向から４５°の方向の降伏強度が圧延方向の降伏強度と圧延方向から９０°の方向の降伏強度の平均値を超えると成形性が低下する。よって、本発明では、圧延面内における圧延方向から４５°の方向の降伏強度が、圧延方向の降伏強度と圧延面内における圧延方向から９０°の方向の降伏強度の平均値以下とする。すなわち、圧延方向の降伏強度と圧延面内における圧延方向から９０°の方向の降伏強度の平均値から、圧延面内における圧延方向から４５°の方向の降伏強度を引いた差は０ＭＰａ以上とする。好ましくは、１０ＭＰａ以上２５ＭＰａ以下である。
なお、後述の製造方法によって上記のような降伏強度の鋼板を製造することができる。
また、王冠を成形する際は、鋼板に焼付け塗装してから成形されることが多いため、塗装焼付けに相当する処理後の材質を評価する必要がある。よって、本発明では、各降伏強度は２１０℃、１５分の塗装焼付け相当の熱処理後に測定を行うものとし、「ＪＩＳ Ｚ ２２４１」に示される金属材料引張試験方法が適用できる。
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の製造方法は、上記成分組成を有する鋼スラブを、熱間圧延し、巻取り温度５３０℃以上５９０℃以下にて巻取る熱間圧延工程と、前記熱間圧延工程後、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後、焼鈍温度６５０℃以上７２０℃以下で焼鈍する焼鈍工程と、前記焼鈍工程後、圧延率２５％以上４０％以下の二次冷間圧延を行う二次冷間圧延工程と、を有する。以下、各工程について説明する。
熱間圧延工程
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に調整し、連続鋳造法によりスラブとする。続いて、鋼スラブを熱間で粗圧延する。粗圧延の方法は限定しないが、スラブの加熱温度は１２００℃以上であることが好ましい。次いで、仕上圧延を行う。仕上圧延温度は、圧延荷重の安定性の観点から８５０℃以上であることが好ましい。なお、ここでの仕上圧延温度とは、仕上圧延機の最終スタンドに入る時の板温である。一方、必要以上に仕上圧延温度を高くすることは薄鋼板の製造を困難にする場合がある。すなわち、板厚が薄い場合には圧延中の板温低下が大きいため、高い板温を保ったまま仕上圧延を行うことが難しく制御しにくくなる。よって、仕上温度は８５０℃以上９００℃以下が好ましい。
熱間圧延工程の巻取温度が５３０℃未満であると、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ため、適さない。一方、巻取温度が５９０℃より高くなると、巻取り後に析出するＡｌＮ量が過大となり、焼鈍後の細粒化につながり成形性が低下する。従って、巻取温度は５３０℃以上５９０℃以下とする。好ましくは５４０℃以上５８０℃以下である。
一次冷間圧延工程
一次冷間圧延工程の前に表層スケールを除去することが好ましい。表層スケールの除去方法は特に限定するものではなく、酸洗や物理的な除去等、各種の常法が適用できるが、酸洗により好適に除去できる。酸洗の場合の条件も特に限定するものではなく、常法により酸洗すればよい。
一次冷間圧延の圧延率は、極薄材を製造するためには８５％以上が好ましい。しかし、圧延率が大きくなりすぎると、圧延機への負荷が過大となり、圧延そのものが困難になる場合がある。このため、圧延率は９４％以下とすることが好ましい。
焼鈍工程
焼鈍温度が７２０℃超であると、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り、好ましくない。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。従って、焼鈍温度は６５０℃以上７２０℃以下とする。なお、焼鈍工程での均熱時間は特に限定されないが、確実に再結晶組織を得るためには１０秒以上であることが好ましく、過大な粒成長を防ぐためには５０秒以下であることが好ましい。
二次冷間圧延（ＤＲ圧延）工程
焼鈍後の鋼板は、二次冷間圧延により高強度化される。二次冷間圧延の圧延率が２５％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４０％を超えると、圧延面内における圧延方向から４５°の方向の降伏強度と、圧延方向の降伏強度と圧延面内における圧延方向から９０°の方向の降伏強度の平均値の差が正に大きくなり、成形性を損なう。よって、二次冷間圧延の圧延率は２５％以上４０％とする。
以上により、本発明の高強度鋼板が得られる。ここで得られた鋼板にめっきや化成処理などの表面処理をしても発明の効果が失われることは無い。
表１に示す成分組成を有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼を転炉で溶製し、連続鋳造することにより鋼スラブを得た。得られた鋼スラブを１２５０℃に加熱した後、圧延開始温度１１５０℃、仕上圧延温度８６０℃で熱間圧延し、表２に示す巻取り温度で巻取った。次いで、酸洗にてスケールを除去した後、表２に示す一次冷間圧延率で一次冷間圧延し、連続焼鈍炉にて表２に示す焼鈍温度で焼鈍し、表２に示す二次冷間圧延率で二次冷間圧延（ＤＲ圧延）を行い、板厚０．１５〜０．１８ｍｍの鋼板（水準１〜９）を得た。得られた鋼板の両面に片面あたり１００ｍｇ／ｍ２のＣｒめっきを施し、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、以下の方法で特性評価を行った。
降伏強度
２１０℃、１５分の塗装焼付け相当の熱処理を行った後、引張試験を行った。引張試験は、ＪＩＳ５号サイズの引張試験片を用いて、「ＪＩＳ Ｚ ２２４１」に従って行い、圧延方向の降伏強度、圧延面内における圧延方向から４５°の方向の降伏強度、圧延面内における圧延方向から９０°の方向の降伏強度を測定した。
王冠成形性
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◎、襞の大きさがほぼ揃っている場合を○、襞の大きさが不揃いな場合を×と評価した。なお、上記は目視判定では、襞の幅（広がり）の最大値が最小値の１．５倍以上の場合を不揃いと判断した。
成形した王冠を用いての耐圧試験
上記と同様の方法にて王冠を成形した。次いで、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Ｇｌａｓｓｌｉｎｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ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。
以上により得られた結果を表３に示す。
Figure 0005988012
Figure 0005988012
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表３より、本発明例である水準１〜６の鋼板は、圧延方向の降伏強度が５５０ＭＰａであり、かつ圧延面内における圧延方向から４５°の方向の降伏強度が、圧延方向の降伏強度と圧延面内における圧延方向から９０°の方向の降伏強度の平均値以下であり、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７の鋼板はＣの含有量が少なすぎるため、圧延方向の降伏強度が５５０ＭＰａ未満となり、耐圧強度が不足している。比較例である水準８の鋼板は焼鈍温度が低すぎるため、圧延方向から４５°の方向の降伏強度が圧延方向の降伏強度と圧延面内における圧延方向から９０°の方向の降伏強度の平均値を超えており、王冠成形性が劣っている。王冠の形状が不良であるため密封性が不足し、耐圧強度も小さくなっている。比較例である水準９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５５０ＭＰａ未満となり、王冠成形性が劣り、耐圧強度が不足している。

Claims (4)

  1. 質量％で、Ｃ：０．０１０％以上０．０２５％以下、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上０．５０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５％以上０．０５０％以下、Ａｌ：０．０２０％以上０．０７０％以下、Ｎ：０．００４０％未満を含有し、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、
    ２１０℃、１５分の熱処理後の降伏強度について、
    圧延方向の降伏強度が５５０ＭＰａ以上であり、
    圧延面内における圧延方向から４５°の方向の降伏強度が、圧延方向の降伏強度と圧延面内における圧延方向から９０°の方向の降伏強度の平均値以下である王冠用鋼板。
  2. 請求項１に記載の王冠用鋼板の製造方法であって、
    スラブを、熱間圧延し、巻取り温度５３０℃以上５９０℃以下で巻取る熱間圧延工程と、
    前記熱間圧延工程後、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後、焼鈍温度６５０℃以上７２０℃以下で焼鈍する焼鈍工程と、
    前記焼鈍工程後、圧延率２５％以上４０％以下で二次冷間圧延を行う二次冷間圧延工程と、を有する王冠用鋼板の製造方法。
  3. 請求項１に記載の王冠用鋼板からなる王冠。
  4. 質量％で、Ｃ：０．０１０％以上０．０２５％以下、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上０．５０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５％以上０．０５０％以下、Ａｌ：０．０２０％以上０．０７０％以下、Ｎ：０．００４０％未満を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するスラブを、熱間圧延し、巻取り温度５３０℃以上５９０℃以下で巻取る熱間圧延工程と、
    前記熱間圧延工程後、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後、焼鈍温度６５０℃以上７２０℃以下で焼鈍する焼鈍工程と、
    前記焼鈍工程後、圧延率２５％以上４０％以下で二次冷間圧延を行う二次冷間圧延工程と、を有する、
    ２１０℃、１５分の熱処理後の降伏強度について、
    圧延方向の降伏強度が５５０ＭＰａ以上であり、
    圧延面内における圧延方向から４５°の方向の降伏強度が、圧延方向の降伏強度と圧延面内における圧延方向から９０°の方向の降伏強度の平均値以下である王冠用鋼板の製造方法。
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