JP6901397B2 - 高度に成形された包装製品用アルミニウム合金及びその作製方法 - Google Patents

高度に成形された包装製品用アルミニウム合金及びその作製方法 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、2015年3月13日に出願された米国特許仮出願第62/132,534号の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、ボトルを含む包装製品を作製するための新規のアルミニウム合金、及びこれらの合金を作製する方法を提供する。
アルミニウムボトルを形成する際に使用される合金に対するいくつかの要件、すなわち、合金成形性、ボトル強度、耳発生、及び合金コストが存在する。ボトルを形成するための現在の合金は、これら全ての要件を満たすことができない。いくつかの合金は、高い成形性を有するが、低強度であり、十分な強度である他の合金は、成形性に乏しい。さらに、現在のボトル合金は、鋳造において大量のプライムアルミニウムを使用し、その生産を高価かつ持続不可能なものにしている。
高度に成形された缶及びボトルを製造する際に使用するための高度に形成可能な合金が所望される。成形ボトルの場合、製造プロセスは、典型的に、絞り加工及び壁しごき加工(D&I)プロセスを使用して、シリンダをまず製造することを伴う。その後、得られたシリンダは、例えば、一連のフルボディネッキングステップもしくは他の機械的な成形、またはこれらのプロセスの組み合わせを使用して、ボトルの形状に成形される。このようなプロセスまたはプロセスの組み合わせで使用される任意の合金に対する要求は、複雑である。したがって、ボトル成形プロセスに関する機械的な成形中の高レベルの変形に耐えることができ、かつ出発の円筒状プレフォームを作製するのに使用されるD&Iプロセスにおいて、良好に機能する合金の必要性が存在する。加えて、高速かつ高レベルの操業性で合金からプレフォームを作製するための方法が必要とされ、例えば、現在の缶胴合金AA3104によって実証される。AA3104は、鋳造中に形成され、均質化及び圧延中に変性された高体積分率の粗い金属間粒子を含有する。これらの粒子は、D&Iプロセス中、ダイ上のあらゆるアルミニウムまたは酸化アルミニウムの蓄積を除去する助けをする、ダイ洗浄において主要な役割を果たし、金属表面の外観及びさらにはシートの操業性の両方を改善させる。
合金の他の要件は、機械的性能(例えば、最終成形製品におけるコラム強度、剛性、及び最小限のボトムドーム反転圧力)に関する目標を満たし、現世代のアルミニウムボトルよりも低い重量を有する、ボトルの生産を可能にしなければならないことである。設計に大きな変更を加えることなくより低重量を実現する唯一の方法は、ボトルの壁厚を減らすことである。これは、機械的な性能要件を満たすことをよりいっそう挑戦的なものにする。
別の要件は、高速でボトルを形成する能力である。商業生産において高スループット(例えば、1分あたり1000個のボトル)を実現するために、ボトルの成形は、極めて短時間で完了されなければならない。また、再生アルミニウム金属スクラップを組み込むボトルも望ましい。
本発明は、アルミニウムボトル用途のための新規のアルミニウム合金系に関する。合金の化学及び製造プロセスの両方は、アルミニウムボトルの高速生産のために最適化されてきた。
本発明は、これらの課題を解決して、所望の強度、成形性、及び高含有量の再生アルミニウム金属スクラップを有する合金を提供する。高含有量の再生金属は、プライムアルミニウムの含有量及び生産コストを減少させる。これらの合金を使用して、包装製品、例えば比較的高い変形要件、比較的複雑な形状、可変的な強度要件、及び高い再生含有量を有するボトル及び缶が作製される。種々の態様において、合金は、少なくとも60重量%、65重量%、70重量%、75重量%、80重量%、82重量%、85重量%、90重量%、または95重量%の再生含有量を含む。
本明細書において記載される合金は、熱処理可能であるが、析出硬化は、コート/塗料硬化と同時に実現され、したがって、現在既存するボトル形成ラインにほとんどまたは全く影響を及ぼさない。本明細書において記載される合金は、高含有量の再生アルミニウムスクラップを用いて生産することができるので、生産プロセスは、非常に経済的かつ持続可能である。
合金
一態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.1〜3重量%のMg、0.1〜1.5重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。本出願において、全ての百分率は、重量パーセント(重量%)で表される。
一態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.5〜3重量%のMg、0.1〜1.5重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様において、合金の化学組成は、0.8〜1.5重量%のMn、0.6〜1.3重量%のMg、0.4〜1.0重量%のCu、0.3〜0.6重量%のFe、0.15〜0.5重量%のSi、0.001〜0.2重量%のCr、0〜0.5重量%のZn、0〜0.1重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
さらに別の態様において、合金の化学組成は、0.9〜1.4重量%のMn、0.65〜1.2重量%のMg、0.45〜0.9重量%のCu、0.35〜0.55重量%のFe、0.2〜0.45重量%のSi、0.001〜0.2重量%のCr、0〜0.5重量%のZn、0〜0.1重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様においては、合金の化学組成は、0.95〜1.3重量%のMn、0.7〜1.1重量%のMg、0.5〜0.8重量%のCu、0.4〜0.5重量%のFe、0.25〜0.4重量%のSi、0.001〜0.2重量%のCr、0〜0.5重量%のZn、0〜0.1重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
一態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.1〜1.0重量%のMg、0.1〜1重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様において、合金の化学組成は、0.8〜1.5重量%のMn、0.2〜0.9重量%のMg、0.3〜0.8重量%のCu、0.3〜0.6重量%のFe、0.15〜0.5重量%のSi、0.001〜0.2重量%のCr、0〜0.5重量%のZn、0〜0.1重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
さらに別の態様において、合金の化学組成は、0.9〜1.4重量%のMn、0.25〜0.85重量%のMg、0.35〜0.75重量%のCu、0.35〜0.55重量%のFe、0.2〜0.45重量%のSi、0.001〜0.2重量%のCr、0〜0.5重量%のZn、0〜0.1重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様においては、合金の化学組成は、0.95〜1.3重量%のMn、0.3〜0.8重量%のMg、0.4〜0.7重量%のCu、0.4〜0.5重量%のFe、0.25〜0.4重量%のSi、0.001〜0.2重量%のCr、0〜0.5重量%のZn、0〜0.1重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
さらに別の態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.1〜1.5重量%のMg、0.1〜1.5重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
さらに別の態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.1〜1.0重量%のMg、0.1〜1.0重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.1〜0.8重量%のMg、0.1〜0.8重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.1〜0.6重量%のMg、0.1〜0.6重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
合金を生産する方法
一態様において、合金は、直接チル(DC)鋳造、均質化、熱間圧延、任意選択のバッチアニーリング、及び冷間圧延を含む熱機械プロセスを用いて生産される。
DC鋳造ステップにおいて、サイズ及び密度の点で1次金属間粒子の形成を制御するために、ある特定の鋳造速度が適用される。鋳造速度の好ましい範囲は、50〜300mm/分であるこのステップは、粗い金属間粒子によって促進される金属が破損する傾向を最小化する最終シートにおいて最適な粒子構造をもたらす。
均質化ステップにおいて、インゴットは、約630℃未満(好ましくは、約500℃〜約630℃の範囲内)に加熱されて(好ましくは、約20℃〜約80℃/時間の速度で)、1〜6時間浸漬され、任意選択で、約400℃〜約550℃の範囲内に冷却し、8〜18時間浸漬されるステップを含む。
熱間圧延ステップにおいて、均質化されたインゴットは、約400℃〜約580℃の温度範囲内に置かれ、ブレークダウン圧延され、約1.5mm〜約3mmのゲージ範囲に熱間圧延され、自己アニーリングのために約250℃〜約380℃の温度範囲内で巻き付けられる。
任意選択のバッチアニーリングにおいて、ホットバンド(HB)コイルは、約250℃〜約450℃の範囲内で1〜4時間加熱される。
冷間圧延プロセスステップにおいて、HBは、H19テンパーにおいて最終ゲージのボトルストックに冷間圧延される。冷間圧延ステップにおける減少率は、約65%〜約95%である。最終ゲージは、ボトル設計に応じて調整することができる。一態様において、最終ゲージ範囲は、0.2mm〜0.8mmである。
別の態様においては、本明細書において記載される合金は、DC鋳造、均質化、熱間圧延、任意選択のバッチアニーリング、冷間圧延、フラッシュアニーリング、及び仕上げ冷間圧延によって生産される。
均質化ステップにおいて、インゴットは、約630℃未満(好ましくは、約500℃〜約630℃の範囲に)に約20℃〜約80℃/時間の速度で加熱され、1〜6時間浸漬させ、任意選択で、約400℃〜約550℃の範囲内に冷却されて、8〜18時間浸漬させるステップを含む。
熱間圧延ステップにおいて、均質化されたインゴットは、約400℃〜約580℃の温度範囲内に置かれ、ブレークダウン圧延され、約1.5mm〜約3mmのゲージ範囲に熱間圧延されて、約250℃〜約380℃の温度範囲内で巻き付けられる。
任意選択のバッチアニーリングにおいて、HBコイルは、約250℃〜約450℃の範囲内で1〜4時間加熱される。
冷間圧延プロセスステップにおいて、HBは、最終のボトルストックよりも約10〜40%厚いインターアニーリングゲージに冷間圧延される。
フラッシュアニーリングステップ(H191テンパー)において、冷間圧延シートは、約400℃〜約560℃の範囲内で、約100℃/秒〜約300℃/秒の加熱速度で最大約10分間加熱され、その後、空気急冷または水/溶液急冷のいずれかによって、100℃未満の温度に約100℃/秒〜約300℃/秒の急速な冷却速度で急冷される。このステップは、溶液元素の大部分を溶解しマトリックスに戻し、さらに粒構造の制御を可能にする。
仕上げ冷間圧延ステップにおいて、アニールされたシートは、冷間圧延され、短時間の範囲(好ましくは、約30分未満、約10〜約30分、または約10分未満)内で最終ゲージに対して10〜40%の減少を実現する。このステップは、複数の効果を有する:1)空格子点を消滅させ、元素拡散を抑制し、これによって合金を安定化させ、自然時効を最小化または遅延させること、2)ボトル形成プロセスにおいて元素拡散を促進する、シート中の高密度の転位を生成すること、3)シートを加工硬化させること。項目1及び2によってボトル形成における成形性及び最終ボトル強度が保証される。項目2及び3は、ドーム反転圧力を保証するのに寄与する。
ボトル/缶用途用のシート製品は、H191+仕上げ冷間圧延状態において送達されてもよい。
ボトルは、板抜き、カッピング、絞り加工及びしごき加工(D&I)、洗浄及び乾燥、コーティング/装飾、ならびに硬化、成形(forming)、さらなる成形(shaping)(ネッキング、ねじ切り、及びカーリング)からなるボトル形成プロセスを用いて生産される。
本明細書において記載される合金は、高度に成形されたボトル、缶、電子デバイス、例えばバッテリ缶、ケース、及びフレームなどを作製するために使用することができる。
本発明の他の目的及び利点は、添付図面とともに得られる以下の本発明の態様の概要及び詳細な説明から明らかになるであろう。
本明細書において記載される合金の熱機械加工の概略図である。 本明細書において記載される合金を使用するボトル及び缶を形成するためのプロセスの概略図である。 本明細書において記載される合金の熱機械加工の概略図である。 本明細書において記載される合金を使用するボトル及び缶を形成するための2つのプロセスの概略図である。H1、H2、H3は、この図において直下のボックスにおいて生じる加熱ステップを示す。
定義及び説明
本明細書において使用される「発明(invention)」、「本発明(the invention)」、「本発明(this invention)」、及び「本発明(the present invention)」は、本特許出願の対象及び以下の特許請求の範囲の全てに対して広範に関連することを意図する。これらの用語を含有する記述は、本明細書において記載される対象を限定しない、または以下の特許の特許請求の範囲の意味もしくは範囲を限定しないことを理解すべきである。
本明細書において使用する場合、「1つ(a)」、「1つ(an)」、及び「その(the)」の意味は、文脈が特に明白に示さない限り、単数及び複数の参照を含む。
合金テンパーまたは条件に対するこの適用において参照される。最も一般的に使用される合金テンパーの説明を理解するために、「American National Standards (ANSI)H35 on Alloy and Temper Designation Systems」を参照のこと。
以下のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づく重量百分率(重量%)において、その元素組成に関して記載される。各合金のある特定の態様において、残りはアルミニウムであり、不純物の合計に関する最大重量%は、0.15%である。
一態様において、本発明は、高度に成形された包装製品、例えばボトル及び缶を作製するための新規の成形可能でかつ強いアルミニウム合金に関する。形成及びさらなる成形プロセスにおいて、金属は、成形性及び強度の良好な組み合わせを示す。一態様において、本発明は、これらの製品を生産するために最適化された化学及び製造プロセスを提供する。本明細書において記載される合金は、以下の特定の化学組成及び特性を有する。
合金
ある特定の態様において、開示された合金は、0.1%〜1.6%(例えば、0.8%〜1.6%、0.9%〜1.6%、0.95%〜1.6%、0.1%〜1.5%、0.8%〜1.5%、0.9%〜1.5%、0.95%〜1.5%、0.1%〜1.4%、0.8%〜1.4%、0.9%〜1.4%、0.95%〜1.4%、0.1%〜1.3%、0.8%〜1.3%、0.9%〜1.3%、0.95%〜1.3%)の量でマンガン(Mn)を含む。例えば、合金は、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、0.95%、1.0%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%、または1.6%のMnを含むことができる。全ては、重量%で表される。
ある特定の態様において、開示された合金は、0.1%〜3%(例えば、0.2%〜3.0%、0.25%〜3.0%、0.3%〜3.0%、0.5%〜3.0%、0.6%〜3.0%、0.65%〜3.0%、0.7%〜3.0%、0.1%〜1.5%、0.2%〜1.5%、0.25%〜1.5%、0.3%〜1.5%、0.5%〜1.5%、0.6%〜1.5%、0.65%〜1.5%、0.7%〜1.5%、0.1%〜1.3%、0.2%〜1.3%、0.25%〜1.3%、0.3%〜1.3%、0.5%〜1.3%、0.6%〜1.3%、0.65%〜1.3%、0.7%〜1.3%、0.1%〜1.2%、0.2%〜1.2%、0.25%〜1.2%、0.3%〜1.2%、0.5%〜1.2%、0.6%〜1.2%、0.65%〜1.2%、0.7%〜1.2%、0.1%〜1.1%、0.2%〜1.1%、0.25%〜1.1%、0.3%〜1.1%、0.5%〜1.1%、0.6%〜1.1%、0.65%〜1.1%、0.7%〜1.1%、0.1%〜1.0%、0.2%〜1.0%、0.25%〜1.0%、0.3%〜1.0%、0.5%〜1.0%、0.6%〜1.0%、0.65%〜1.0%、0.7%〜1.0%、0.1%〜0.9%、0.2%〜0.9%、0.25%〜0.9%、0.3%〜0.9%、0.5%〜0.9%、0.6%〜0.9%、0.65%〜0.9%、0.7%〜0.9%、0.1%〜0.85%、0.2%〜0.85%、0.25%〜0.85%、0.3%〜0.85%、0.5%〜0.85%、0.6%〜0.85%、0.65%〜0.85%、0.7%〜0.85%、0.1%〜0.8%、0.2%〜0.8%、0.25%〜0.8%、0.3%〜0.8%、0.5%〜0.8%、0.6%〜0.8%、0.65%〜0.8%、0.7%〜0.8%、0.1%〜0.6%、0.2%〜0.6%、0.25%〜0.6%、0.3%〜0.6%、0.5%〜0.6%、0.6%〜0.6%、0.65%〜0.6%、0.7%〜0.6%)の量でマグネシウム(Mg)を含む。例えば、合金は、0.1%、0.2%、0.25%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.65%、0.7%、0.8%、0.85%、0.9%、0.95%、1.0%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%、1.8%、1.9%、2.0%、2.1%、2.2%、2.3%、2.4%、2.5%、2.6%、2.7%、2.8%、2.9%、または3.0%のMgを含むことができる。全ては、重量%で表される。
ある特定の態様において、開示された合金は、0.1%〜1.5%(例えば、0.3%〜1.5%、0.35%〜1.5%、0.4%〜1.5%、0.45%〜1.5%、0.5%〜1.5%、0.1%〜1.0%、0.3%〜1.0%、0.35%〜1.0%、0.4%〜1.0%、0.45%〜1.0%、0.5%〜1.0%、0.1%〜0.9%、0.3%〜0.9%、0.35%〜0.9%、0.4%〜0.9%、0.45%〜0.9%、0.5%〜0.9%、0.1%〜0.8%、0.3%〜0.8%、0.35%〜0.8%、0.4%〜0.8%、0.45%〜0.8%、0.5%〜0.8%、0.1%〜0.75%、0.3%〜0.75%、0.35%〜0.75%、0.4%〜0.75%、0.45%〜0.75%、0.5%〜0.75%、0.1%〜0.7%、0.3%〜0.7%、0.35%〜0.7%、0.4%〜0.7%、0.45%〜0.7%、0.5%〜0.7%、0.1%〜0.6%、0.3%〜0.6%、0.35%〜0.6%、0.4%〜0.6%、0.45%〜0.6%、0.5%〜0.6%)の量で銅(Cu)を含む。例えば、合金は、1.5%のCuの0.1%、0.2%、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%、0.6%、0.7%、0.75%、0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%を含むことができる。全ては、重量%で表される。
ある特定の態様において、開示された合金は、0.2%〜0.7%(例えば、0.3%〜0.7%、0.35%〜0.7%、0.4%〜0.7%、0.2%〜0.6%、0.3%〜0.6%、0.35%〜0.6%、0.4%〜0.6%、0.2%〜0.55%、0.3%〜0.55%、0.35%〜0.55%、0.4%〜0.55%、0.2%〜0.5%、0.3%〜0.5%、0.35%〜0.5%、0.4%〜0.5%)の量で鉄(Fe)を含む。例えば、合金は、0.2%、0.3%、0.35%0.4%、0.5%、0.55%、0.6%、または0.7%のFeを含むことができる。全ては、重量%で表される。
ある特定の態様において、開示された合金は、0.1%〜0.6%(例えば、0.15%〜0.6%、0.2%〜0.6%、0.25%〜0.6%、0.1%〜0.5%、0.15%〜0.5%、0.2%〜0.5%、0.25%〜0.5%、0.1%〜0.45%、0.15%〜0.45%、0.2%〜0.45%、0.25%〜0.45%、0.1%〜0.4%、0.15%〜0.4%、0.2%〜0.4%、0.25%〜0.4%)の量でシリコン(Si)を含む。例えば、合金は、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.4%、0.45%、0.5%、0.55%、または0.6%のSiを含むことができる。全ては、重量%で表される。
ある特定の態様において、開示された合金は、0%〜0.3%(例えば、0.001%〜0.3%、0%〜0.2%、0.001%〜0.2%)の量でクロム(Cr)を含む。例えば、合金は、0.001%、0.01%、0.1%、0.2%、または0.3%のCrを含むことができる。全ては、重量%で表される。
ある特定の態様において、開示された合金は、0%〜0.6%(例えば、0〜0.5%)の量で亜鉛(Zn)を含む。例えば、合金は、0.001%、0.01%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、または0.5%のZnを含むことができる。
ある特定の態様において、開示された合金は、0%〜0.2%(例えば、0〜0.1%)の量でチタン(Ti)を含む。例えば、合金は、0.001%、0.01%、0.1%、または0.2%のTiを含むことができる。
一態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.1〜3重量%のMg、0.1〜1.5重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.5〜3重量%のMg、0.1〜1.5重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
さらに別の態様において、合金の化学組成は、0.8〜1.5重量%のMn、0.6〜1.3重量%のMg、0.4〜1.0重量%のCu、0.3〜0.6重量%のFe、0.15〜0.5重量%のSi、0.001〜0.2重量%のCr、0〜0.5重量%のZn、0〜0.1重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
さらに別の態様において、合金の化学組成は、0.9〜1.4重量%のMn、0.65〜1.2重量%のMg、0.45〜0.9重量%のCu、0.35〜0.55重量%のFe、0.2〜0.45重量%のSi、0.001〜0.2重量%のCr、0〜0.5重量%のZn、0〜0.1重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様においては、合金の化学組成は、0.95〜1.3重量%のMn、0.7〜1.1重量%のMg、0.5〜0.8重量%のCu、0.4〜0.5重量%のFe、0.25〜0.4重量%のSi、0.001〜0.2重量%のCr、0〜0.5重量%のZn、0〜0.1重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
一態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.1〜1.0重量%のMg、0.1〜1重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様において、合金の化学組成は、0.8〜1.5重量%のMn、0.2〜0.9重量%のMg、0.3〜0.8重量%のCu、0.3〜0.6重量%のFe、0.15〜0.5重量%のSi、0.001〜0.2重量%のCr、0〜0.5重量%のZn、0〜0.1重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
さらに別の態様において、合金の化学組成は、0.9〜1.4重量%のMn、0.25〜0.85重量%のMg、0.35〜0.75重量%のCu、0.35〜0.55重量%のFe、0.2〜0.45重量%のSi、0.001〜0.2重量%のCr、0〜0.5重量%のZn、0〜0.1重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様においては、合金の化学組成は、0.95〜1.3重量%のMn、0.3〜0.8重量%のMg、0.4〜0.7重量%のCu、0.4〜0.5重量%のFe、0.25〜0.4重量%のSi、0.001〜0.2重量%のCr、0〜0.5重量%のZn、0〜0.1重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.1〜1.5重量%のMg、0.1〜1.5重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.1〜1.0重量%のMg、0.1〜1.0重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.1〜0.8重量%のMg、0.1〜0.8重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
別の態様において、合金の化学組成は、0.1〜1.6重量%のMn、0.1〜0.6重量%のMg、0.1〜0.6重量%のCu、0.2〜0.7重量%のFe、0.10〜0.6重量%のSi、最大0.3重量%のCr、最大0.6重量%のZn、最大0.2重量%のTi、各微量元素に関しては0.05重量%未満、全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りは、Alである。
合金を生産する方法
本明細書において記載される合金は、DC鋳造、均質化、熱間圧延、任意選択のバッチアニーリング、及び冷間圧延を含む熱機械プロセスによって生産されてもよい。この態様において、プロセスは、フラッシュアニーリング及び仕上げ冷間圧延をさらに含んでもよい。
DC鋳造ステップにおいて、サイズ及び密度の点で1次金属間粒子の形成を制御するために、ある特定の鋳造速度が適用される。鋳造速度の好ましい範囲は、50〜300mm/分(例えば50〜200mm/分、50〜250mm/分、100〜300mm/分、100〜250mm/分、100〜200mm/分、150〜300mm/分、150〜250mm/分、150〜200、mm/分)である。このステップは、粗い金属間粒子によって促進される金属が破損する傾向を最小化する最終シートにおいて最適な粒子構造をもたらす。
均質化ステップにおいて、インゴットは、650℃以下(例えば、630℃以下)の温度に加熱される。インゴットは、20℃/時間〜80℃/時間(例えば、30℃/時間〜80℃/時間、40℃/時間〜80℃/時間、20℃/時間〜60℃/時間、30℃/時間〜60℃/時間、40℃/時間〜60℃/時間)の速度で加熱される。インゴットは、好ましくは500℃〜約650℃(例えば、約550℃〜約650℃、約550℃〜約630℃、または約500〜630℃)の温度に加熱されて、1〜6時間(例えば、1時間、2時間、3時間、4時間、5時間、または6時間)浸漬される。均質化ステップは、任意選択で、約400℃〜約550℃(例えば、約450℃〜約550℃、約450℃〜約500℃、または約400℃〜約500℃)の温度にインゴットを冷却するステップと、8〜18時間(例えば、1時間、2時間、3時間、4時間、5時間、6時間、7時間、8時間、9時間、10時間、11時間、12時間、13時間、14時間、15時間、15時間、16時間、17時間、または18時間)浸漬させるステップとを含む。以下の記載に拘束されることを望むものではないが、このステップによって、Al6(Fe、Mn)粒子からのα−Al(Fe、Mn)Si粒子の十分な形質転換を可能にするとともに、最終シートのテクスチャ制御のために、かつD&I中のダイ洗浄のために必要不可欠であるそれらのサイズ及び密度を最適化可能にすると考えられる。また、このステップが、最終シートの粒度及びテクスチャを制御する際に、かつボトル形成プロセス中の金属の延性を改善する際に不可欠な最適化されたサイズ及び密度分布を有する均質に分散された分散質の形成を可能にすると考えられる。
熱間圧延ステップにおいて、均質化されたインゴットは、約400℃〜580℃(例えば約450℃〜約580℃、約450℃〜約500℃、約400℃〜約500℃)の温度範囲内に置かれ、ブレークダウン圧延され、約1.5mm〜約3mm(例えば、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm)のゲージ範囲に熱感圧延されて、約250℃〜約380℃(例えば、約300℃〜約380℃、320℃〜約360℃)の温度範囲内で再圧延され、任意選択で、HBコイルが約250℃〜約450℃に、1〜4時間加熱されるバッチアニーリングが続く。理論に拘束されることを望むものではないが、このステップが、D&Iプロセスにおける耳発生制御及び圧力ラム形成(PRF)プロセスにおける破損制御に必要不可欠であるHBの最適なテクスチャ、粒度、及び表面近傍微細構造を可能にすると考えられる。ブレークダウン圧延とは、入口温度350℃超及び約250℃〜約400℃(例えば、250℃、300℃、350℃、400℃)の出口温度を有するブレークダウンミルにおいて、約15〜25のパスが行われることを意味する。
一態様において、冷間圧延プロセスステップにおいて、HBは、H19テンパーにおいて最終ゲージのボトルストックに冷間圧延される。一態様において、最終ゲージ範囲は、0.2mm〜0.8mm(例えば、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm)である。
別の態様において、冷間圧延プロセスステップにおいて、HBは、インターアニーリングゲージに冷間圧延される。その後、粒度、テクスチャ、及び強度を調整するために、任意選択で、インターアニーリングが適用されてもよい。フラッシュアニーリングステップ(H191テンパー)において、冷間圧延シートは、約400℃〜約560℃(例えば、400℃〜500℃、450℃〜500℃、450℃〜560℃)に急速な加熱速度、例えば、約100℃/秒〜約300℃/秒(例えば、100℃/秒、150℃/秒、200℃/秒、250℃/秒、300℃/秒)で、最大約10分(例えば、1分、2分、3分、4分、5分、6分、7分、8分、9分、10分)間加熱され、その後、急速な加熱速度、例えば、約100℃/秒〜約300℃/秒(例えば、100℃/秒、150℃/秒、200℃/秒、250℃/秒、300℃/秒)で0〜1秒(例えば、0秒、0.5秒、1秒)間急冷される。急冷は、空気急冷または水/溶液急冷のいずれかであってもよい。このステップは、溶液元素の大部分を溶解しマトリックスに戻し、さらに粒構造の制御を可能にする。
フラッシュアニーリング後、仕上げ冷間圧延ステップにおいて、フラッシュアニーリングされたシートは、短時間の範囲(好ましくは、約30分未満、10分〜30分、または約10分未満)内で最終ゲージに対して10%〜50%(例えば、10%〜40%、25%〜50%、25%〜40%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、または50%)減少させるために冷間圧延される。このステップは、複数の効果を有する:1)合金化元素を安定化させ、自然時効を防止/遅延させること、2)ボトル形成プロセスにおいて元素拡散を促進する、シート中の高密度の転位を生成すること、3)シートを加工硬化させること。項目1及び2によってボトル形成における成形性及び最終ボトル強度が高められる。項目2及び3は、ドーム反転圧力に寄与する。
実施例1
一態様において、本明細書において記載される合金を直接チル(DC)鋳造、均質化、熱間圧延、任意選択のバッチアニーリング、及び冷間圧延を含む熱機械プロセスを用いて生産する。このプロセスの概略図を図1に示す。
任意選択で、約400℃〜約550℃の範囲内に冷却して、8〜18時間浸漬させるステップを含む均質化ステップにおいて、インゴットを約630℃未満(好ましくは、約500℃〜約630℃の範囲に)に約20℃〜約80℃/時間の速度で加熱し、1〜6時間浸漬させる。
熱間圧延ステップにおいて、均質化されたインゴットを約400℃〜約580℃の温度範囲内に置き、ブレークダウン圧延し、約1.5mm〜約3mmのゲージ範囲に熱間圧延して、自己アニーリングのために約250℃〜約380℃の温度範囲内で巻き付ける。
任意選択のバッチアニーリングにおいて、HBコイルを約250℃〜約450℃の範囲内で、1〜4時間加熱する。
冷間圧延プロセスステップにおいて、HBをH19テンパーにおいて最終ゲージのボトルストックに冷間圧延する。冷間圧延ステップにおける減少率は、約65%〜約95%(例えば、70%〜90%、75%〜85%)である。ボトル設計に応じて最終ゲージを調整することができる。一態様において、最終ゲージ範囲は、0.2mm〜0.8mmである。
板抜き、カッピング、D&I、洗浄及び乾燥、コーティング/装飾、ならびに硬化、形成、さらなる成形(ネッキング、ねじ切り、及びカーリング)からなるボトル形成プロセスを用いてボトルを生産する。
実施例2
別の態様においては、本明細書において記載される合金をDC鋳造、均質化、熱間圧延、任意選択のバッチアニーリング、冷間圧延、フラッシュアニーリング、及び仕上げ冷間圧延によって生産する。このプロセスの概略図を図2に示す。
DC鋳造、均質化、熱間圧延、及び任意選択のバッチアニーリングを実施例1に記載する。
冷間圧延プロセスステップにおいて、HBを最終のボトルストックよりも約10〜40%厚いインターアニーリングゲージに冷間圧延する。
フラッシュアニーリングステップ(H191テンパー)において、冷間圧延シートを約400℃〜約560℃の範囲内で、約100℃/秒〜約300℃/秒の加熱速度で最大約10分間加熱し、その後、空気急冷または水/溶液急冷のいずれかによって、100℃未満の温度に、例えば、約100℃/秒〜約300℃/秒の急速な冷却速度で急冷する。このステップは、溶液元素の大部分を溶解しマトリックスに戻し、さらに粒構造の制御を可能にする。
仕上げ冷間圧延ステップにおいて、アニールされたシートを冷間圧延し、短時間の範囲(好ましくは、約30分未満、10〜30分、または約10分未満)内で最終ゲージに対して10〜40%の減少を実現する。このステップは、複数の効果を有する:1)空格子点を消滅させ、元素拡散を抑制し、これによって合金を安定化させ、自然時効を最小化または遅延させること、2)ボトル形成プロセスにおいて元素拡散を促進する、シート中の高密度の転位を生成すること、3)シートを加工硬化させること。項目1及び2によってボトル形成における成形性及び最終ボトル強度が保証される。項目2及び3は、ドーム反転圧力を保証するのに寄与する。
ボトル/缶用途用のシート製品は、H191+仕上げ冷間圧延状態において送達されてもよい。
ボトルは、本明細書において記載されるような、かつ板抜き、カッピング、D&I、洗浄及び乾燥、コーティング/装飾、ならびに硬化、成形(forming)、さらなる成形(shaping)(ネッキング、ねじ切り、及びカーリング)からなるボトル形成プロセスを用いて生産されてもよい。
ボトル形成
本明細書において記載される合金を使用して、高度に成形されたボトル、缶、電子デバイス、例えばバッテリ缶、ケース、及びフレームなどを作製することができる。本明細書において記載される合金を使用して成形ボトルを形成するためのプロセスの概略図を図3〜4に示す。
板抜き、カッピング、D&Iからなるプロセスを用いてプレフォームを生産する。次いで、約400℃〜約560℃(例えば、400℃〜500℃、450〜500℃、450℃〜560℃)のある特定の溶体化処理(SHT)温度でプレフォームを熱処理し、急冷し、洗浄し(急冷及び洗浄が組み合わされたプロセスであってもよいことに留意されたい)、PRFまたはブロー成形し、さらに成形(ネッキング、ねじ切り、及びカーリング)して、続いてペイントまたは装飾し、その間、最大約300℃の高温で塗料焼き付け/硬化を最大約20分間適用する。
プレフォーム形成プロセスにおいて、本明細書において記載される合金は、D&Iプロセス中、良好なダイ洗浄及び耳発生レベルを示す。これらの特性は、ボトル/缶ストックにおいて、最適なサイズ及び密度を有する良好に制御された構成粒子に起因する可能性がある。
PRFステップまたはブロー成形ステップにおいて、急冷後、ある特定の時間フレーム、好ましくは、1時間未満(より好ましくは、10分未満)内にアニールされたプレフォームをブロー成形する。
成形ステップにおいて、急冷後、ある特定の時間フレーム、好ましくは、2時間未満(より好ましくは、30分未満)内にブロー成形されたボトルをネッキングし、ねじ切りし、カーリングする。
ブロー成形及び成形プロセス中、溶体化処理(プレフォームアニーリング)により、金属は、良好な成形性を示す。
洗浄/乾燥及び塗料/装飾硬化ステップにおいて、金属は、第2の相の析出、例えばS”/S’、θ”/θ’、及びまたはβ”/β’によって、同時に硬化される析出物である。仕上げ冷間加工から引き継ぐ冷間加工とともに、第2の相の析出によって、仕上げられたボトルが強度要件、例えばドーム反転圧力、及び軸荷重を満たすことを確実にする。ボトルに関する合金化レベル、ボトル形状設計、及び強度要件に応じて、可能性は低いが、任意選択で、塗料/装飾硬化ステップの前に予備加熱(プレエージング)プロセスを組み込んでもよい。
本明細書において記載されるアルミニウム合金は、以下の特性のうちのつ以上を示す:
非常に低い耳発生(3重量%の最大平均耳発生レベル)、耳発生バランスは、−2%〜2%である。平均耳発生は、式Mean Earing(%)=(ピーク高さ−谷の高さ)/カップ高さによって算出する。耳発生バランスは、式Earing balance(%)=(2つの0/180の高さの平均−4つの45度の高所の平均)/カップ高さによって算出する。
高い再生含有量(少なくとも60重量%、65重量%、70重量%、75重量%、80重量%、82重量%、85重量%、90重量%、または95重量%)、
供給条件における20〜34ksiの降伏強度、
スコーリングが最小化されて、より良好な操業性を可能にする優れたダイ洗浄性能、
破損することなく広範囲のネック成形進行を可能にする優れた成形性、
破損することなく広範囲のブロー成形の成形進行を可能にする優れた成形性、
最終的なボトルにおいて、マーキングが目立たない優れた仕上げ表面、
優れたコーティング接着性、
典型的な軸方向荷重(300lb超)及びドーム反転圧力(90psi超)を満たす高強度、
ボトル作製プロセスの全体のスクラップ率を10重量%未満の低さにすることができる。
本明細において記載される成形アルミニウムボトルは、清涼飲料、水、ビール、栄養ドリンク、及び他の飲料を含むがこれらに限定されない飲料用に使用されてもよい。
様々な態様、修正、及びそれらの等価物を考慮することができ、当業者であれば、本明細書における説明を読むことにより本発明の趣旨から逸脱することなくそれらに想到し得ることを明確に理解すべきである。上で引用される全ての特許、刊行物、及び抄録は、その全体を参照により本明細書に組み込む。上記及び図が本発明の好ましい態様にのみ関連し、以下の特許請求の範囲に記載される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、多数の修正及び変更をこれらにすることができることを理解すべきである。

Claims (8)

  1. 0.95〜1.3重量%のMn、
    0.3〜0.8重量%のMg、
    0.4〜0.7重量%のCu、
    0.4〜0.5重量%のFe、
    0.25〜0.4重量%のSi、
    0.001〜0.2重量%のCr
    0〜0.5重量%のZn、
    0〜0.1重量%のTi
    各微量元素に関しては0.05重量%未満、
    全微量元素に関しては0.15重量%未満含み、残りがAlである、アルミニウム合金シート
  2. 少なくとも60重量%のリサイクル含有量を含む、請求項1に記載のアルミニウム合金シート
  3. 少なくとも85重量%のリサイクル含有量を含む、請求項1または2に記載のアルミニウム合金シート
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載のアルミニウム合金シートを含む、成形アルミニウムボトル。
  5. 請求項1に記載のアルミニウム合金シートを作製する方法であって、一連の
    (i)50〜300mm/分の鋳造速度を含む、直接チル(DC)鋳造ステップと、
    (ii)550℃〜650℃に30〜60℃/時間の速度で加熱すること、1〜6時間浸漬すること、450℃〜500℃に冷却すること、及び8〜18時間浸漬することを含む、均質化ステップと、
    (iii)ブレークダウン圧延すること及び1.5mm〜3mmのゲージに熱間圧延することを含む、熱間圧延ステップと、
    (iv)冷間圧延シートを形成するための冷間圧延ステップと、を含む、方法。
  6. 熱間圧延ステップと冷間圧延ステップとの間にバッチアニーリングをさらに含む、請求項5に記載の方法。
  7. 前記冷間圧延が、最終ゲージのボトルストックへ冷間圧延することを含む、請求項5または6に記載の方法。
  8. (v)400℃〜560℃に100℃/秒〜300℃/秒の速度で前記冷間圧延シートを加熱すること、及び100℃/秒〜300℃/秒の速度で急冷することを含む、フラッシュアニーリングステップと、
    (vi)シートを形成するための仕上げ冷間圧延ステップと、をさらに含む、請求項5または6に記載の方法。
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