JP6988180B2 - 純アルミニウム製シームレス缶 - Google Patents

Description

本発明は、金属容器の製法に関する。

従来、アルミニウム缶の製法として、絞りしごき成形（ＤＩ成形）が広く採用されている（例えば、特許文献１）。
この方法は、金属板を使用し、この金属板を打ち抜いて円形のブランクを作製し、このブランクを絞り、再絞り成形した後、しごき成形を行って薄肉化を図ることにより、缶体を成形するという手法である。

かかる方法は、缶胴側壁や缶底を薄肉化でき、軽量性に優れた缶を得ることができ、さらにはハイトが高く、外面に光沢のある缶を得ることができるという利点を有しているのであるが、打ち抜き屑が発生して材料ロスが多いという欠点がある。

また、ＤＩ成形とは別に、インパクト成形という手法も広く採用されている（例えば特許文献２参照）。この方法は、薄い円板形のスラグを使用し、このスラグをダイ（雌型）とパンチ（雄型）の間に置いて、プレスすることにより金属（スラグ）を押し出すことにより、一気に缶体を成形するという手法であり、１型１工程で缶体を得ることができるというメリットがあるが、缶胴壁の肌荒れが著しく、光沢がある外面を得ることが困難であるという欠点がある。またインパクト成形により缶径や缶高さが異なる種々の缶型を製造するにあたっては２つの従来方法が例示できる。１つには、スラグの直径を缶の径とほぼ等しく設定し、スラグの厚みは目的の缶高さと直径から算出した値に精緻に設定する方法である。そのため、スラグの直径ごとに打ち抜き金型が必要なことと、板厚が異なる多種の素板を用意する必要がある、という欠点がある。
もう１つのやり方は、缶径が同じ缶型の中で最も缶高さが高い缶型のスラグを作製し、それから素缶を作製し、必要な高さでトリミング加工を行うことで種々の缶高さの缶型を作製するという方法であり、缶高さが低い缶形ほど著しく材料ロスが多いという欠点がある。
またいずれにしても、素板からスラグを打ち抜く工程で打ち抜き屑が発生して材料ロスが多い。

このように、何れの製法も一長一短があり、その改善が求められているのが現状である。

ところで、本出願人は、上記のような問題が解決された製造方法として、金属製のロッドを用い、このロッドを一定の高さで切断して容器用スラグを作製し、該容器用スラグをインパクト成形し、次いで、適宜、絞り成形或いは再絞り成形を行い、さらにしごき成形を行うことにより、シームレス容器を製造する方法を提案した（特願２０１５−２４３９２８号）。
かかる製造方法は、材料ロスが少なく、得られる容器の径や長さに応じて、種々の大きさの容器を得ることができるという利点がある。

本発明者等は上記の製造方法をさらに推し進めて検討した結果、かかる方法を利用して純アルミニウム製シームレス缶を製造した時、所謂絞りしごき加工により得られる缶と、インパクト成形により得られる缶との特性を持った独特のシームレス缶が得られることを見出した。

特公平２−３０９３０号公報 特開平６−２７９８８８号公報

従って、本発明の目的は、絞りしごき加工により得られる缶とインパクト成形により得られる缶との特性を併せ持つ純アルミニウムシームレス缶を提供することにある。

本発明によれば、アルミニウム含量が９９．０質量％以上の純アルミニウム製のシームレス缶において、
底部及び円筒状の胴部を有しており、胴部でのビッカース硬さの周方向の標準偏差が１．４以下であることを特徴とするシームレス缶が提供される。

本発明の純アルミニウム製シームレス缶（以下、単に純アルミシームレス缶と呼ぶ）は、通常、
（１）前記胴部の外面での６０度鏡面光沢度が３００％以上であり、
（２）前記胴部の外面と底部の外面との境界部に存在する変曲点を基準位置とし、該胴部は、基準位置から上方に向かって厚みが漸次減少しているテーパー領域と、該テーパー領域に連なり且つ厚みが一定のストレート領域とを有していること、
という形態を有している。

本発明の純アルミシームレス缶は、アルミニウム含量が９９．０質量％以上の純アルミニウムからなるものであるが、一つの特性として、胴部外面での６０度鏡面光沢度が３００％以上であり、極めて高い光沢性を有している。このような高い光沢性は、純アルミから形成されていることに加え、絞りしごき加工を経て製造されていることを示している。即ち、インパクト成形により得られる缶では、外面が粗くなり、このような高い光沢性は得られない。

また、本発明の純アルミシームレス缶が有するもう一つの特性は、胴部でのビッカース硬さの周方向の標準偏差が１．４以下であり、周方向での強度のバラツキが極めて小さく、高い等方性を示すことである。このような等方性は、従来公知の絞りしごき加工により得られるシームレス缶には全く認められない性質である。
即ち、圧延板を基材とし、これを打ち抜き、絞りしごき加工することにより得られるシームレス缶では、缶胴部は、圧延方向に対して異方性を有しているため、どうしても周方向での強度にバラツキを示してしまう。従って、胴部周方向の強度についてバラつきが少なく、等方性を有しているということは、本発明の純アルミシームレス缶が、圧延板からではなく、ロッドを切断して作製されるスラグをインパクト成形し、このインパクト成形の後に絞りしごき加工が行われたことを意味している。このような方法で得られたシームレス缶の胴部周方向は異方性を示さないからである。

このように、本発明の純アルミシームレス缶は、絞りしごき加工により得られる独特の金属光沢と、インパクト成形により得られる強度の等方性という独特の特性を併せ持つものである。
また、かかる純アルミシームレス缶は、材料ロスを極めて少なくして製造されるという利点も有している。

本発明の純アルミシームレス缶を製造するに際して、カップ状成形体が作製される工程までを示す図。 本発明の純アルミシームレス缶を製造するに際して、カップ状成形体を再絞りおよびしごき成形する工程を示す図。 本発明の純アルミシームレス缶の形態の一例を示す概略側断面図及び要部拡大断面図。 本発明の純アルミシームレス缶の形態の他の例を示す概略側断面図及び要部拡大断面図。

＜純アルミシームレス缶の製造＞
本発明の純アルミシームレス缶の製造プロセスを示す図１及び図２を参照して、このシームレス缶は、ロッド１（図１（ａ）参照）を使用し、これを切断して所定長さの円板状のスラグ３を作製し（図１（ｂ）参照）、このスラグ３をインパクト成形に供し（図１（ｃ）参照）、最後に再絞りとしごき加工を行うことにより得られる（図２参照）。
尚、最終的に得られるシームレス缶は、図３において５０で示されている。

本発明において、図１（ａ）に示されている上記のロッド１は、たとえば熱間鍛造や冷間鍛造、熱間圧延、冷間圧延、押出し成形、引き抜き成形、鋳造法等により製造された丸棒形状を有するものであり、アルミニウム含量が９９．０質量％以上の純アルミニウム製のもの、例えばＡ１０７０等からなるものである。
このような純アルミ製のロッド１を用いて、以下の工程の成形を行うことにより、優れた高い金属光沢を発現させることができ、また得られるシームレス缶５０は、耐食性にも優れたものとなる。

上記純アルミ製のロッド１（その径はｔで示されている）は、先ず、図１（ａ）に示されているように、高さｈの位置でカッティングし、適宜、プレスして、底部径がｔ’、高さｈ’の円板形状のブランク（スラグ）３にされる。

なお、ロッド１をカッティングする手段として、公知の切断方法により行うことが可能であり、例えば図示しないが、せん断加工等の切り屑が発生しない切断方法は材料ロスが少なく好ましい。
ブランク３の直径ｔ′は次の工程となるインパクト成形のダイ２１の内径より若干小さく設定される。

目的とするシームレス缶５０の寸法を変更する際に、素材の変更はロッドの径を変更する以外に、同じロッドでカッティング高さｈを変更するだけで対応することが可能である。
これにより、材料ロスを大きく低減させ、１００％に近い材料利用率で成形を行うことができるとともに缶種の変更が容易になる。
高さｈが過度に大きくなると、次の工程での塑性加工が困難となるおそれがあるので、ロッド１の径ｔも、最終的に得られるシームレス缶５０の大きさに応じて適宜の大きさのものとしておき、この高さｈがロッド１の径ｔの２倍以下程度となるようにすることが望ましい。

また、円板状のスラグ３を作製するにはロッド１をカッティングした部材を高さ方向にプレスすればよいが、例えば、角形容器（図示せず）であればプレス方向を変更してもよい。なお、プレスする装置としては、動力プレスの他、スラグの形状ならびに寸法により、圧延機、鍛圧機等が使用できる。

上記のようにして作製されたスラグ３は塑性加工に供されるが、この塑性加工に先立っては、焼き鈍しを行い、残留応力の除去や粗大化した結晶粒の回復、加工硬化した組織の回復等により、純アルミ製のスラグ３を柔らかくするというものであり、３５０〜５００℃程度に加熱した後、徐冷して行う。なお、焼き鈍しは必要に応じてスラグを作製する工程途中において行うこともできる。

上記のようにして作製されたスラグ３は、インパクト成形に供される。
このインパクト成形は、図１（ｃ）に示されているように、雌型のダイ２１とパンチ２３を使用し、スラグ３をダイ２１内で衝撃押出しすることにより、カップ状成形体１１を成形するものである。
この得られたカップ状成形体１１の外径は、スラグ３の径ｔ’と同じである。

この方法では、カップ状成形体１１をそのまま容器とすることもできるのであるが、表面粗れや表面平滑性の問題があり、金属光沢性を発現させることができない。このため、図２に示されているように、さらに絞り、しごき加工が行われ、これにより、小径化、薄肉化が行われ、高い金属光沢を実現することができる。

また、絞り成形を、前述したスラグ３に直接行った場合、過酷な面圧がかかり、成形困難となることがあるが、一旦、インパクト成形によりカップ形状に成形した後、このカップについて、絞り成形（再絞り成形）を行うことにより、成形不良を確実に回避することができる。

このような絞り成形では、図２（ａ）に示されているように、径がｔ１（ｔ１＜ｔ’）の開口２５ａを有するダイ３１を使用し、保持具３５によりリドローダイ３１に保持し、パンチ３７を用い、カップ状成形体１１をダイ３１の開口２５ａ内に押し込むことにより、有底筒状の絞り成形体１３を得る。この絞り成形で得られる絞り成形体１３の外径は、上記開口２５ａの径ｔ１に相当し、上記カップ状成形体１１（或いはスラグ３）の径ｔ’よりも小さい。

尚、上記の絞り成形において、ダイ３１の開口の上端のコーナー部（カップ状成形体１１を保持している側）にはアール（曲率部）が形成されており、カップ状成形体１１が速やかに且つ折れることなく、ダイ３１の開口２５ａ内に押し込まれるようになっており、パンチ３７の外径は、カップ状成形体１１のほぼ厚みの２．５倍に相当する分だけ、開口２５ａの径ｔ１よりも小さく設定されている。即ち、この絞り加工では、薄肉化はほとんど行われない。
このような再絞り成形は、必要に応じて複数回行われ、これにより、さらなる小径化を行うこともできる。

このようにして得られた絞り成形体１３は、図２（ｃ）に示されているしごき成形に供せられる。

かかるしごき工程では、リドローダイ３１の下方に、複数のしごきダイ３３ａ〜３３ｃが設けられており、絞り加工により成形された絞り成形体１３について、しごきパンチ３７を用いてしごき加工が行われる。

最終段のしごきダイ３３ｃの下方には、ストリッパフィンガ３９、ドーミングダイ４３が配置されており、しごき加工された成形体は、ストリッパフィンガ３９を通過して、ドーミングダイ４３によるドーミング加工が行われ、これによりドーム形状の底部が形成され、目的とする本発明の純アルミシームレス缶５０が得られる。
得られた純アルミシームレス缶５０は、パンチ３７が上昇する際に、ストリッパフィンガ３９でパンチ３７から引き抜かれる（図示せず）。

上記のようなしごき工程において、図２では、しごきダイが３個配置されており、３段でしごき加工が行われるようになっているが、このしごきダイの数は３個に限定されるものではなく、目的とする薄肉化の程度に応じて、適宜の数とすることができ、１個のダイで１段でのしごき加工とすることもできるし、２またはそれ以上の数のダイを配置して、複数段でのしごき加工とすることができる。勿論、しごきダイを複数個、加工方向に沿って配列し、しごき加工を多段で行う場合には、加工方向下流側にいくにしたがい、その内径（加工径）が小さくなっている。
何れにしろ、本発明の純アルミシームレス缶５０では、最後のしごきダイ（図２の例ではダイ３３ｃ）の内径が、最も薄肉化された胴部の外径ｔ２（ｔ２＜ｔ１）にほぼ相当する。

尚、このようなしごき加工において、上記のパンチ３７は、下方部分が先細形状となっており、このようなパンチ４３を用いてのしごき加工及びドーミング加工により、接地した状態で安定した直立形態が保持されるように、底部をドーム形状とすることができる。
また、しごき加工に際しては、潤滑液のエマルジョン等がクーラントとして使用され、このようなクーラントを流しての冷却が行われながら、しごき加工が行われることとなる。

図３に示すように、このようにして得られる本発明の純アルミシームレス缶５０は、胴部５１と底部５３とを有している。

底部５３は、胴部５１に比して厚肉となっており、上に凸の形状（即ち、ドーム形状）を有しており、中央部５３ａが上方に膨出していると共に、その周縁部は接地部５３ｂとなっており、この接地部５３ｂの外周側は若干立ち上がった曲率面５３ｃとなっている。
底部５３が、このような形態を有していることにより、この純アルミシームレス缶５０は、直立状態が安定に保持されるように設置することができる。
なお、本発明において底部５３の形状は図３に示す態様に限定されるものではなく、例えば、図４に示すように接地部５３ｂと曲率面５３ｃとの間にチャイム部５３ｄを形成することもでき、このような形態のものについても同様に考えることができる。

また、胴部５１は、その外面が上記の底部５３から上方に立ち上がった領域であり、底部５３との境界部Ｘ（曲率面５３ｃの上端に相当）は、変曲点となっている。
このような胴部５１は、上記の境界部Ｘ（変曲点）を基準位置として、この基準位置から上方に向かって厚みが漸次減少しているテーパー領域Ｙが形成されており、このテーパー領域Ｙに連なって、厚みが一定のストレート領域Ｚが形成されている。
即ち、上記のストレート領域Ｚは、最も薄肉化された部分であり、その外径ｔ２は、先にも述べたように、最後のしごきダイ（図２においてダイ３３ｃ）の内径にほぼ相当している。

胴部５１に形成されているテーパー領域Ｙは、しごきダイを多段に配置して行われるしごき加工に特有のものであり、それぞれの段で設定されるしごき率やダイとパンチのクリアランス（すきま）によっても異なるが、通常、５ｍｍから４０ｍｍ程度の長さであり、また、基準位置Ｘでの厚みの１０〜６０％程度の厚みとなるように、胴部５１のストレート領域Ｚは薄肉化されている。もしストレート領域Ｚにおいて板厚変化を設ける必要があれば対応する位置のしごきパンチの直径を若干増減させることにより板厚変化を設けることも可能である。
インパクト成形のみで容器を成形したときには、このようなテーパー領域Ｙは形成されず、胴部５１の厚みは一様である。

このようにして得られる本発明の純アルミシームレス缶５０は、アルミニウム含量が９９．０質量％以上の高純度の純アルミニウムからなり、且つ絞りしごき加工を経て成形されているため、高い金属光沢を示し、胴部５１の外面（特にはストレート領域Ｚでの外面）での６０度鏡面光沢度が、３００％以上、特に３５０％以上となっている。このような高い鏡面光沢度を示すのは、アルミ表面において、算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ−０６０１：２０１３）で表される表面粗さが０．３μｍ以下、特に０．１μｍ以下であり、且つ二乗平均平方根傾斜角△ｑで表される表面の傾斜が６°以下、特に３°以下の極めて平滑な表面になっていることに起因するためである。
先にも述べたように、このような高い金属光沢は、インパクト成形のみによって得られる缶では発現しない。

さらに、本発明の純アルミシームレス缶５０は、圧延板を用いての絞りしごき加工により得られるものではなく、ロッド１を基材とし、これを切断加工して得られたスラグについて、インパクト成形を行った後の絞りしごき加工により得られるものである。従って、この缶５０の胴部５１は、等方性を示し、胴部５１について測定したビッカース硬さは、周方向についての標準偏差が１．４以下である。圧延板を用いての絞りしごき加工により得られるシームレス缶では、胴部５１の周方向が圧延方向に対して異方性を示すため、このようなビッカース硬さについて、周方向のバラツキは大きく、その標準偏差は大きい。

このように、本発明の純アルミ製シームレス缶５０は、高い金属光沢と同時に、等方性が高く、胴部５１の周方向についての物性のバラツキが極めて小さい。

このような本発明の純アルミ製シームレス缶５０は、清涼飲料、ビール類、食品、エアゾール製品、等の缶として適用可能で、必要に応じて、トリミング、内外面塗装、外面印刷、装飾的加工、ネックイン加工、フランジ加工、ビード成形、ノズルねじ成形、等の口端部の成形を行い、内容物の充填及び蓋体の装着を行い、市販に供される。

＜実験例＞
アルミニウム含量が９９．７質量％以上の純アルミＡ１０７０製のロッド（２０ｍｍ径、長さ４ｍ）を用意し、このロッドを長さ約２０ｍｍになるようにカッティング及びプレスして、径が４８ｍｍ、厚みが約３．５ｍｍの円板状スラグを得た。
この円板状スラグを３５０℃で１時間焼き鈍しした。焼き鈍しした円板状スラグの硬さはビッカース硬さでＨＶ２０であった。この円板状スラグを、インパクト成形を行うことで、底部径が４８ｍｍ、底部の厚みが約０．９ｍｍ、側壁の平均厚みが約１．３ｍｍ、高さが約２７ｍｍのカップ状成形体を成形した。成形に際しては、絞り成形用潤滑剤を使用した。
このカップの側壁はインパクト成形特有の肌荒れが生じていた。
次いで、上記で得られたカップ状成形体に付着している潤滑剤を除去することなく再絞り成形金型により絞り成形し、底部径が約３６ｍｍ、側壁厚みが約１．４ｍｍ及び高さが約３８ｍｍの有底筒状絞り成形体を得た。
次いで、水性エマルジョンのクーラントを使用し且つ加工面にダイヤモンド膜が形成されているしごき用ダイスを使用してしごき成形を３段行い、底部径が約３５ｍｍ、側壁厚みが約０．３５ｍｍ及び高さが約１５０ｍｍの純アルミ製シームレス缶を得た。

得られた純アルミ製シームレス缶は、胴部における高さ方向に中間の位置で硬さ試験を行ったところ、ビッカース硬さの周方向に等間隔に３２点試験を行った平均値はＨＶ４０．０で標準偏差が１．２（試験機：ＡＫＡＳＨＩ製 ＭＶＫ−Ｇ３）であり、且つ胴部外面での６０度鏡面光沢度が３２０〜４１０％（測定器：スガ試験機株式会社製 測色色差計ＳＭ−４）であった。
さらに、上記成形後の残りの純アルミ製ロッドを使用し、同様の操作で純アルミ製の絞りしごき缶を繰り返し成形した。これにより、先に用意した純アルミ製ロッドの約９９％を純アルミ製シームレス缶の製造に使用することができ、材料ロスを有効に回避することができた。

１：純アルミ製ロッド
３：スラグ
１１：カップ状成形体
１３：絞り成形体
１５：しごき成形体
５０：純アルミシームレス缶
５１：胴部
５３：底部
Ｘ：胴部と底部との境界部（基準位置）
Ｙ：テーパー領域
Ｚ：ストレート領域

Claims (3)

1. アルミニウム含量が９９．０質量％以上の純アルミニウム製のシームレス缶において、
   底部及び円筒状の胴部を有しており、胴部でのビッカース硬さの周方向の標準偏差が１．４以下であることを特徴とするシームレス缶。
2. 前記胴部の外面での６０度鏡面光沢度が３００％以上である請求項１に記載のシームレス缶。
3. 前記胴部の外面と底部の外面との境界部に存在する変曲点を基準位置とし、該胴部は、基準位置から上方に向かって厚みが漸次減少しているテーパー領域と、該テーパー領域に連なり且つ厚みが一定のストレート領域とを有している請求項１または２に記載のシームレス缶。

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