TWI541363B - Cap steel plate and method for manufacturing the same - Google Patents

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TWI541363B TW104105830A TW104105830A TWI541363B TW I541363 B TWI541363 B TW I541363B TW 104105830 A TW104105830 A TW 104105830A TW 104105830 A TW104105830 A TW 104105830A TW I541363 B TWI541363 B TW I541363B
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Katsumi Kojima
Hiroki Nakamaru
Masami Tsujimoto
Toshihiro Kikuchi
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Description

瓶蓋用鋼板及其製造方法以及瓶蓋
本發明是關於：使用在啤酒瓶等的瓶子上之在瓶蓋成形時的形狀均一性優異的瓶蓋用鋼板及其製造方法以及瓶蓋。
近年來基於減少環境負荷以及降低成本的觀點，降低被使用在啤酒瓶蓋等用途之瓶蓋用鋼板的厚度(薄型化)的作法正在普及當中。一般而言，薄型化的鋼板係有下列兩種類。也就是，在實施了熱軋、冷軋、退火之後，進行調質輥軋的SR(Single Reduce)材、以及進行二次冷軋的DR(Double Reduce)材。就瓶蓋用鋼板的情況而言，對於板厚度為0.20mm以下的鋼板的需求量正在擴大當中，因此，是以實施了可以利用其具有能夠彌補因鋼板薄型化所導致的耐壓強度下降的加工硬化效果之二次冷軋的DR材為佳。但是一般而言，DR材是較SR材更為硬質，因此是有加工性較差的問題。
在進行瓶蓋成形時，在成形初期，中央部將會受到某種程度的勒緊，然後，外緣部被成形成皺褶形 狀。若是加工性較差的鋼板的話，會有發生皺褶形狀不均一之形狀不良的情事。皺褶形狀不均一的瓶蓋即使被壓設在瓶口，也無法獲得所需的耐壓強度，因而導致內容物洩漏，而會有無法發揮其瓶蓋功能的問題。此外，即使皺褶形狀是均一的瓶蓋，若鋼板強度較差的話，則因為耐壓強度不足而有導致瓶蓋脫落的危險性。
極低碳鋼(IF鋼；Interstitial Free Steel)， 是業界熟知的具有良好的加工性之鋼板。例如：專利文獻1~3所揭示的許多的技術方案，都是針對於使用極低碳鋼的DR材，謀求其兼具有：加工性的提昇以及薄型化的兩種效果之技術方案。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
專利文獻1：日本特開平7-11333號公報
專利文獻2：日本特開平5-287445號公報
專利文獻3：日本特開2010-255021號公報
然而，將上述習知技術應用在瓶蓋的情況下，都還是存在著：無法確保作為瓶蓋所需的性能之問題點。
本發明是有鑒於上述情事而開發完成的，其 目的是要提供：能夠解決上述習知技術的問題，且加工性優異的瓶蓋用鋼板及其製造方法以及瓶蓋。
本發明人等，為了解決前述技術課題，不斷 地努力進行研究。以極低碳鋼作為基礎，針對於化學成分、熱軋條件、冷軋條件(一次、二次)、連續退火條件進行檢討，終於找到了一種創見，就是：只要藉由將平均塑性變形比(平均r值)提高，而且將屈服強度(YP)控制在適正值，即可減少瓶蓋的形狀不良率以及確保耐壓強度。
本發明係依據上述的創見而開發完成的，其要旨如下所述。
〔1〕一種瓶蓋用鋼板，其組成分以質量%計，是含有C：0.0005~0.0050%、Si：0.020%以下、Mn：0.10~0.60%、P：0.020%以下、S：0.020%以下、Al：0.01~0.10%、N：0.0050%以下、Nb：0.010~0.050%，其餘部分是由Fe以及不可避免的雜質所組成，平均塑性變形比(平均r值)為1.30以上，屈服強度(YP)為450MPa以上650MPa以下。
〔2〕如上述〔1〕所述的瓶蓋用鋼板，其中的肥粒鐵展伸度為4.2以下。
〔3〕一種瓶蓋用鋼板的製造方法，係將具有如上述〔1〕所述的化學組成分之鋼胚，以胚料再加熱溫度為 1150℃以上，精製輥軋溫度為870℃以上的條件來實施熱軋之後，以捲取溫度為600℃以上的條件，進行捲取，酸洗之後，進行第一次冷軋，以再結晶溫度以上且790℃以下的退火溫度進行退火，然後，以軋縮率為10%以上50%以下的條件進行第二次冷軋。
〔4〕一種瓶蓋，是將上述〔1〕或〔2〕所述的瓶蓋用鋼板進行成形加工而形成的。
再者，在本發明中，用以表示化學組成分的比率之%，全都是質量%。
根據本發明，係可獲得：平均塑性變形比(平均r值)為1.30以上，屈服強度(YP)為450MPa以上650MPa以下之加工性優異的瓶蓋用鋼板。藉由使用本發明的瓶蓋用鋼板，可提昇用於啤酒瓶之類的瓶子上之瓶蓋的形狀均一性，而且可獲得充分的耐壓強度。
1‧‧‧瓶蓋上表面
2‧‧‧皺褶部分
L‧‧‧皺褶的高度
第1圖是顯示瓶蓋的皺褶形狀的圖。
以下將詳細說明本發明。首先，說明其化學組成分。
〔C：0.0005~0.0050%〕
C雖然是可以提高鋼的強度之元素，但卻會使加工性變差。鋼板中的固溶C的量多的話，屈服拉伸量將會變大，很容易成為導致時效硬化和加工時的拉伸變形紋(Stretcher-Strain)的原因。因此，利用連續退火法的本發明，在製鋼階段中必須將C含量控制成極低。若殘留固溶C量增加的話，鋼板會變硬質化，在瓶蓋成形初期很容易發生皺紋，形狀不良率會變高。此外，C是會對於再結晶集合組織造成影響的元素。C量愈少的話，在退火鋼板的集合組織中，<111>方向與鋼板面法線方向保持平行的結晶方位群的密集度會變高，平均塑性變形比(平均r值)會提昇。因為平均塑性變形比(平均r值)提昇，可以提昇拉延性，而得以改善瓶蓋的形狀不良。基於上述理由，將C含量設定為0.0050%以下。為了更為提高形狀均一性，設定為0.0035%以下更好，0.0023%以下更優。另一方面，過度的脫碳將導致製鋼時的成本上昇，所以將下限設在0.0005%。
〔Si：0.020%以下〕
Si添加量太多的話，將會導致鋼板的表面處理性變差及耐腐蝕性變差，因此將其設定為0.020%以下。
〔Mn：0.10~0.60%〕
Mn是基於要防止熱間脆性之目的而添加的元素。它也具有可防止因為鋼中含有S而引起的熱間延性變差的效果。想要獲得這些效果，Mn的添加量必須在0.10%以上。另一方面，在日本工業規格JIS G 3303所規定的熔鋼 分析值和美國材料檢驗協會規格(ASTM A623M-11)所規定的熔鋼分析值中，使用於一般的食品容器之馬口鐵鋼板(鍍錫鋼板)的含Mn量的上限是規定為0.60%以下。 基於上述理由，將本發明中的Mn含量的上限設定為0.60%以下。基於加工性的觀點考量，Mn含量是在0.45%以下為佳。
〔P：0.020%以下〕
P的添加量太多的話，鋼會變硬質化而使得加工性變差，此外，也會引起耐腐蝕性的變差。因此，將P的上限設在0.020%。
〔S：0.020%以下〕
S會在鋼中與Fe相結合而形成FeS，降低鋼的熱間延性。為了防止這種問題，乃將S含量設在0.020%以下。另一方面，如果S含量太低的話，發生孔蝕的可能性會昇高，因而S含量設在0.008%以上為宜。
〔Al：0.01~0.10%〕
Al是當成脫氧劑來進行添加的元素。又，Al會與N形成AlN，因而具有減少鋼中的固溶N之效果。但是，若Al含量未達0.01%的話，就無法獲得充分的脫氧效果和減少固溶N的效果。然而，若超過0.10%的話，不僅上述的效果趨於飽和，氧化鋁之類的夾雜物會增加，並不適宜。因此，將Al含量設定在0.01%以上0.10%以下的範圍。
〔N：0.0050%以下〕
N若增加的話，會因為變形時效硬化使得鋼變硬質化，因而使得加工性變差。此外，不得不增加為了將固溶N予以固定起來而又添加的元素，因此會導致成本上揚。 因而將N含量的上限設定在0.0050%以下。另一方面，要將N含量穩定地減少到未達0.0010%的作法很難，製造成本也會上昇，所以N含量是在0.0010%以上為宜。
〔Nb：0.010~0.050%〕
Nb是可將鋼板中的固溶C變成NbC而固定下來以減少固溶C，因而能夠提昇平均塑性變形比(平均r值)之元素。平均塑性變形比(平均r值)愈高的話，愈可提昇拉延性，對於抑制形狀不良具有效果。Nb含量太少的話，其提昇平均塑性變形比(平均r值)的效果會變少，因此將Nb含量的下限設在0.010%。另一方面，若Nb添加量增加的話，再結晶溫度會上昇，退火之後，會有產生未再結晶的可能性。這種現象是造成材質不一致的原因，所以將Nb含量設在0.050%以下。
其餘部分是Fe以及不可避免的雜質。
此外，亦可在不損及本發明的效果之範圍內，含有Cu、Ni、Cr、Mo。
根據美國材料檢驗協會規格ASTM A623M-11的規定，將Cu含量設在0.2%以下，將Ni含量設在0.15%以下，將Cr含量設在0.10%以下，將Mo含量設在0.05%。將其他元素設在0.02%以下。
此外，亦可在不損及本發明的效果之範圍 內，含有Sn。
〔Sn：未達0.0050%〕
Sn多量存在的話，會使平均塑性變形比(平均r值)降低，因此Sn含量是設在未達0.0050%為宜。
〔鋼板的組織〕
本發明的瓶蓋用鋼板的組織，是選定為再結晶組織。 如果在退火之後還有未再結晶的話，材質會不一致，機械特性也會產生不一致。但是，如果未再結晶面積率為5%以下的話，則對於材質的一致性幾乎不會有影響，因此可以容許。而且再結晶組織係以肥粒鐵相為佳，肥粒鐵相以外的金相是未達1.0%為佳。並且，基於抑制第二次冷軋時的異方性之觀點考量，肥粒鐵的展伸度是在4.2以下為佳。鋼板的肥粒鐵粒的展伸度若超過4.2的話，有時候很難以獲得在圓周方向上的形狀一致的皺褶。此外，肥粒鐵的展伸度，係可以藉由在後述的製造方法中，將第二次冷軋的軋縮率予以設定在50%以下的作法，而使得肥粒鐵的展伸度係為4.2以下。再者，肥粒鐵的展伸度，係可利用後述的實施例所記載的方法來進行測定。
其次，說明用來製得本發明之加工性優異的瓶蓋用鋼板的製造方法之一例。
對於具有上述組成分的胚料，以胚料再加熱溫度為1150℃以上、精製輥軋溫度為870℃以上的條件實施熱軋之後，在捲取溫度為600℃以上的溫度條件下進行捲取，酸洗之後，進行第一次冷軋，以再結晶溫度以上且790℃ 以下的退火溫度來進行退火，然後，以進行軋縮率為10%以上50%以下的第二次冷軋，藉此，即可獲得加工性優異的瓶蓋用鋼板。
〔胚料再加熱溫度：1150℃以上〕
熱軋前的胚料再加熱溫度太低的話，就變得難以確保最終精緻輥軋溫度，因此設定為1150℃以上。另一方面，加熱溫度太高的話，會發生：製品表面有缺陷、燃料成本上揚之類的問題，因此是以將其設定在1300℃以下為宜。
〔熱軋精製輥軋溫度：870℃以上〕
熱軋精製輥軋溫度太低的話，將會導致在鋼板表層的α粒子的粗大化，而成為材質不一致的原因。因此，將熱軋精製輥軋溫度設定在870℃以上。此外，如果熱軋精製輥軋溫度太高的話，熱軋時的鏽皮變得很厚，酸洗性會變差。因此，熱軋精製輥軋溫度是設在910℃以下為宜。此外，本發明是因為含有Nb而形成極低碳氮鋼化(IF化)，因而使得固溶元素減少，所以在進行精製輥軋之前，並不必執行碳化物等的析出處理之類的工序。因此，可以利用一般的精製輥軋來進行輥軋工作。
〔熱軋後的捲取溫度：600℃以上〕
熱軋後的捲取溫度太低的話，會發生熱軋鋼板的形狀不良。因此，將熱軋後的捲取溫度設定在600℃以上。考慮到鋼板的均一性，捲取溫度是以超過700℃為佳。另一方面，若捲取溫度太高的話，熱軋時的鏽皮變得很厚，酸 洗性會變差。因此，熱軋後的捲取溫度是設在730℃以下為佳。
酸洗條件是設定成：只要能夠將表層鏽皮除 去的話即可，並未規定特別的條件。可以利用一般常用的方法來進行酸洗。此外，雖然是以酸洗為例，來例舉出：鏽皮除去方法，但是，只要是能夠除去鏽皮的話，亦可採用酸洗以外的方法。例如：亦可採用機械方式的除去鏽皮方法。
〔第一次冷軋的軋縮率：86~89%(較佳條件)〕
第一次冷軋的軋縮率太高的話，在進行輥軋時，會有過大的荷重加諸在軋輥身上，對於設備造成很大的負荷。另一方面，若軋縮率太低的話，就必須事先將熱軋鋼板製作成很薄，在材質的控制上變得困難。因此，第一次冷軋的軋縮率是以86~89%為佳。
〔退火溫度：再結晶溫度以上790℃以下〕
退火方法，基於材質的均一性與生產性的觀點考量，係採用連續退火法為佳。連續退火時的退火溫度，必須是在再結晶溫度以上的溫度。但是，若退火溫度太高的話，結晶粒會粗大化，鋼板強度會下降而有無法獲得本發明所規定的範圍的屈服強度(YP)之可能性。此外，如果是薄形材的話，則發生爐內斷裂或翹曲的危險性變大。因此，退火溫度是設定在790℃以下。退火時的均熱時間，基於生產性的觀點考量，是設定在10秒以上90秒以下為 佳。
〔第二次冷軋的軋縮率：10%以上50%以下〕
退火後，為了謀求鋼板薄型化與強度增加，乃進行第二次冷軋。第二次冷軋是在本發明中特別重要的製造條件。若軋縮率超過50%的話，鋼板將會過度硬質化，加工性會變差。而且會引起平均塑性變形比(平均r值)的降低，△塑性變形比(△r值)的增加。所以第二次冷軋的軋縮率是設定在50%以下。另一方面，為了確保耐壓強度，係以10%以上的軋縮率來進行第二次輥軋。此外，為了確保耐壓強度，軋縮率是超過30%為佳。
依據上述的製程工序所製得的冷軋鋼板，在成形作為瓶蓋之前，先實施下列的表面處理為佳。實施了下列的表面處理後的鋼板也是本發明的瓶蓋用鋼板。
〔表面處理〕
亦可在上述第二次冷軋後的鋼板之鋼板表面實施各種的表面處理。例如可舉出：利用電鍍等的一般的鍍覆方法，來形成鍍錫、鍍鉻以及鍍鎳之其中的一種以上的電鍍層的方法。
此外，電鍍之類的表面處理的膜厚度與鋼板厚度相比較，係非常的小，所以其對於瓶蓋用鋼板的機械特性的影響也是小到得以忽視的程度。
其次，說明本發明的瓶蓋用鋼板的材質特性。
〔平均塑性變形比(平均r值)：1.30以 上〕
瓶蓋的形狀不良，主要的原因是源自瓶蓋成形初期階段的拉延成形時所產生的皺紋。因此，為了避免皺紋的產生，必須提高拉延性，也就是，必須具有高平均塑性變形比(平均r值)。平均塑性變形比(平均r值)很低的話，拉延性就低，會在瓶蓋成形初期階段產生皺紋而導致形狀不良的發生，因而，將平均塑性變形比(平均r值)設在1.30以上。為了更提昇成形初期的拉延性，將平均塑性變形比(平均r值)設在1.40以上為佳。此外，平均塑性變形比(平均r值)2.00是現實性的上限。
〔｜△r｜≦0.5(較佳條件)〕
除了成形作為瓶蓋之外，為了在圓周方向上具有均一性(一致性)地形成皺褶，係以｜△r｜≦0.5的條件為佳。更好的條件是｜△r｜≦0.4，更優的條件是｜△r｜≦0.3。△r(面內異方性)的測定，係可採用日本工業規格JIS Z 2254的附屬書JA中所規定的固有振動法。亦即，測定出對於輥軋方向呈0°、45°以及90°方向的鋼板的共振頻率，計算出楊格係數的異方性△E，再從代表△r與△E的關連性的實驗式來計算出△塑性變形比(△r值)。
〔屈服強度(YP)：450MPa以上650MPa以下〕
容器的耐壓強度係與蓋材的屈服強度(YP)成正比。鋼板的強度不足的話，就無法獲得充分的耐壓強度， 因此將屈服強度(YP)的下限設定為450MPa。又，如果屈服強度(YP)太高的話，瓶蓋皺褶部分在圓周方向的壓縮應力會昇高，在瓶蓋成形初期將會高於臨界錯屈應力，因此就很容易產生皺紋。為了防止這種形狀不良，將屈服強度(YP)的上限設定為650MPa。拉伸試驗係依據日本工業規格JIS Z 2241，使用日本工業規格JIS 5號大小的拉伸試驗片來進行的。並且係以鋼板的輥軋方向(L方向)作為試驗片的拉伸方向。
〔板厚度：0.13mm以上0.18mm以下(較佳 條件)〕
容器的耐壓強度係與蓋材的板厚度的平方成正比。板厚度太薄的話，耐壓強度變差，無法發揮作為瓶蓋的功能。因此，板厚度是在0.13mm以上為佳，0.16mm以上更好。另一方面，基於：瓶蓋用鋼板的薄型化所帶來的省資源化、降低環境負荷、降低素材成本的觀點考量，鋼板的板厚度是製作成較目前的瓶蓋用鋼板的板厚度之0.22mm更薄為佳。為了獲得這種效果，更好的板厚度是0.18mm以下。
根據上述的作法，可獲得本發明之加工性優 異的瓶蓋用鋼板。
此外，藉由將本發明的瓶蓋用鋼板進行成形 加工，可獲得形狀均一性優異且具有充分的耐壓強度之瓶蓋。瓶蓋係指：被使用在飲料用瓶等的瓶口上的蓋材，係在瓶蓋側面具有皺褶狀的突起(一般而言，皺褶的個數是 21個)，藉由將皺褶狀的溝鉚合在瓶子等的瓶口來將內容物密封起來。在瓶蓋的內面，為了提昇密封性，是具備了墊片。墊片的素材，係採用：軟木塞薄片、PVC(聚氯乙烯)、PE(聚乙烯)等。
(實施例1)
將含有表1所示的化學組成分，其餘部分是 由Fe以及不可避免的雜質所組成的鋼進行熔製而製成鋼胚。此處的Sn含量，在所有的水準中都確認出是未達0.0050%。將製得的鋼胚以表2所示的溫度條件進行再加熱之後，以表2所示的精製輥軋溫度、捲取溫度來進行熱軋。接下來，進行酸洗後，以表2所示的軋縮率進行第一次冷軋，將所製得的薄鋼板，在連續退火爐中以表2所示的退火溫度(再結晶溫度)進行退火，以表2所示的軋縮率進行第二次冷軋，製造成表2所示的最終精製板厚度的薄鋼板。
對於上述製造方法所製得的鋼板進行組織觀 察。
組織觀察是依據「日本工業規格JIS G 0551」，利用硝酸腐蝕液讓肥粒鐵粒浮現出來，使用光學顯微鏡以400倍率進行拍照。利用光學顯微鏡以目視觀察方式來確認是 否有未再結晶的存在，將尚未結束再結晶的結晶粒，判斷為未再結晶。此外，對於使用光學顯微鏡拍照下來的照片進行圖像處理，區別出未再結晶部與再結晶結束部，藉此而計算出未再結晶粒的面積率，將未再結晶為0%時，標記為◎；將未再結晶為超過0%且5%以下時，標記為○；將未再結晶為超過5%時，標記為×。肥粒鐵粒的展伸度是依據「日本工業規格JIS G 0202」所制定的方法計算出來的。
對於依據上述製造方法所製得的鋼板，實施鍍鉻(不含錫)當作表面處理之後，進行塗裝(烘烤處理條件：以210℃進行20分鐘熱處理)並且進行衝壓加工以形成瓶蓋的形狀。根據下列的試驗條件來調查其機械特性與成形性。
測定平均塑性變形比(平均r值)係採用：日本工業規格JIS Z 2254附屬書JA中所規定的固有振動法。亦即，對於輥軋方向呈0°、45°以及90°方向之鋼板的共振頻率、平均楊格係數，以計算出平均塑性變形比(平均r值)。測定△r(面內異方性)是採用：日本工業規格JIS Z 2254附屬書JA中所規定的固有振動法。亦即，先測定出對於輥軋方向呈0°、45°以及90°方向之鋼板的共振頻率，計算出楊格係數的異方性△E，再從代表△r與△E的關連性的實驗式計算出△塑性變形比(△r值)。
用來測定屈服強度(YP)的拉伸試驗，是依據日本工業規格JIS Z 2241，採用日本工業規格JIS 5號大小的 拉伸試驗片來進行的。係以鋼板輥軋方向(L方向)作為試驗片的拉伸方向。
進行成形為瓶蓋之後，對於瓶蓋皺褶形狀的均一性進行評比。瓶蓋成形時有發生斷裂的，就視為：不合格(在表3中標示成「×」)，針對於成形時未發生斷裂的瓶蓋，測定該瓶蓋的各皺褶的長度(第1圖中的L)，將L值的標準偏差σ為0.1以下的瓶蓋視為：合格(在表3中標示成「○」)；將L值的標準偏差σ超過0.1的瓶蓋視為：不合格(在表3中標示成「×」)。
此外，耐壓性(耐壓強度)則是依據日本工業規格JIS S 9017，先將瓶蓋壓設在瓶口之後，進行耐壓試驗，將耐壓強度為115 PSI以上的瓶蓋視為：合格(在表3中標示成「○」)；將耐壓強度未達115 PSI的瓶蓋視為：不合格(在表3中標示成「×」)。
將結果標示於表3。此外，形狀均一性欠佳的瓶蓋，因為無法壓設在瓶口，因此並未進行耐壓試驗。
由表3可以得知：本發明例的平均塑性變形 比(平均r值)是1.30以上，屈服強度(YP)是450MPa以上650MPa以下，並未有會造成材質不一致的原因 之未再結晶的存在，因此，形狀均一性與耐壓性都很優異。
另一方面，比較例則是在形狀均一性、耐壓性的其中一項以上係表現不佳，或者是存在著：面積率超過5%之造成材質不一致的原因之未再結晶。

Claims (4)

  1. 一種瓶蓋用鋼板，其組成分以質量%計，是含有C：0.0005~0.0050%、Si：0.020%以下、Mn：0.10~0.60%、P：0.020%以下、S：0.020%以下、Al：0.01~0.10%、N：0.0050%以下、Nb：0.010~0.050%，其餘部分是由Fe以及不可避免的雜質所組成，平均塑性變形比(平均r值)為1.30以上，屈服強度(YP)為450MPa以上650MPa以下。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的瓶蓋用鋼板，其中的肥粒鐵展伸度為4.2以下。
  3. 一種瓶蓋用鋼板的製造方法，係將具有請求項1所述的化學組成分之鋼胚，以胚料再加熱溫度為1150℃以上，精製輥軋溫度為870℃以上的條件來實施熱軋之後，以捲取溫度為600℃以上的條件，進行捲取，酸洗之後，進行第一次冷軋，以再結晶溫度以上且790℃以下的退火溫度進行退火，然後，以軋縮率為10%以上50%以下的條件進行第二次冷軋。
  4. 一種瓶蓋，是將請求項1或2所述的瓶蓋用鋼板進行成形加工而形成的。
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