JP2014084473A - 缶ボディ用アルミニウム合金板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形性に優れるとともに均質化処理の処理性に優れる缶ボディ用アルミニウム合金板およびその製造方法、ならびに該缶ボディ用アルミニウム合金板を得ることができる缶ボディ用アルミニウム合金材を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｆｅ：０．３０〜０．６０％、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．８０〜１．２０％、Ｍｇ：０．５０〜１．７０％、Ｚｎ：０．３０％以下、Ｔｉ：０．１５％以下を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金材に、保持温度５６５±１０℃、保持時間４〜１０時間の条件で均質化処理を施す。
【選択図】なし

Description

本発明は、飲料缶などの缶ボディに使用される缶ボディ用アルミニウム合金板およびその製造方法に関する。

アルミニウム合金材のスラブ鋳造に際しては、ミクロ偏析の均質化、過飽和固溶体の析出・成長、準安定相の相変態などを目的として、均質化処理（ＨＯＭＯ処理）と呼ばれる加熱処理が行われている。
飲料缶などの缶ボディに使用される缶ボディ用アルミニウム合金材についても、一般的に上記均質化処理が行われている（例えば特許文献１〜３参照）。

缶ボディ用アルミニウム合金材の場合、鋳造時に生じた晶出物であるＡｌ_６（Ｆｅ，Ｍｎ）相が、均質化処理により硬いα−Ａｌ_１２（Ｆｅ，Ｍｎ）_３Ｓｉ相へ相変態するα化が十分に進行しないと、例えば、ＤＩ（Drawing and Ironing）加工による製缶時に、ゴーリング（かじり）、胴切れなどの不具合が発生することが知られている。

特開平８−６０２８３号公報 特開平ｌ−９６３４６号公報 特開２０００−２４８３２６号公報

しかしながら、従来の缶ボディ用アルミニウム合金材は、ＤＩ加工などの際の成形性の更なる向上が求められている。また、均質化処理について、高い生産性かつ低消費エネルギーで実施することが可能であるなど、処理性の向上が求められている。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、成形性に優れるとともに均質化処理の処理性に優れる缶ボディ用アルミニウム合金板およびその製造方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の缶ボディ用アルミニウム合金板は、質量％で、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｆｅ：０．３０〜０．６０％、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．８０〜１．２０％、Ｍｇ：０．５０〜１．７０％、Ｚｎ：０．３０％以下、Ｔｉ：０．１５％以下を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなる組成を有し、α化率が８９％以上であることを特徴とする。

本発明の缶ボディ用アルミニウム合金板の製造方法の発明は、前記記載の組成を有するアルミニウム合金材に、保持温度５６５±１０℃、保持時間４〜１０時間の条件で均質化処理を施すことを特徴とする。

他の形態の本発明の缶ボディ用アルミニウム合金板の製造方法は、前記記載の組成を有するアルミニウム合金材に、保持温度５６５℃±１０℃、保持時間２時間以上の条件で複数回の均質化処理を施すことを特徴とする。

前記複数回の均質化処理の合計の保持時間は４〜１０時間であるのが望ましい。

また、前記均質化処理完了後、熱間圧延および冷間圧延を行い、前記熱間圧延後または冷間圧延途中で１回以上の中間焼鈍を行うことができる。

以下に、本発明に規定する組成などの条件について説明する。
まず、缶ボディ用アルミニウム合金材および合金板の構成部分について説明する。なお、以下で説明する各成分の含有量はいずれも質量％で示される。

Ｓｉ：０．４０％以下
Ｓｉは、同時に含有されるＭｇとともに化合物を形成し、固溶硬化、析出硬化、分散硬化作用を及ぼすほか、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅなどとも金属間化合物を形成して、しごき成形時にダイスに対する焼き付きを防止する効果を発揮する。Ｓｉ含有量が０．４０％を超えると脆くなり加工性が劣化するため、Ｓｉ含有量を０．４０％以下とする。なお、同様の理由により、Ｓｉ含有量の上限を０．３５％とすることが好ましい。なお、Ｓｉ含有量が０．２０％未満ではしごき成形時のダイスに対する充分な焼付け防止効果が得られないため、Ｓｉ含有量の下限は、０．２０％とすることが好ましい。

Ｆｅ：０．３０〜０．６０％
Ｆｅは、結晶を微細化する効果と、しごき成形加工時にダイスに対する焼き付きを防止する効果とを発揮する。Ｆｅ含有量が０．３０％未満では所望の効果が得られず、一方、Ｆｅ含有量が０．６０％を越えると脆くなり加工性が劣化する。このため、Ｆｅ含有量は、０．３０〜０．６０％とする。

Ｃｕ：０．１０〜０．５０％
Ｃｕは、Ｍｇと金属間化合物を形成し、固溶硬化、析出硬化、分散硬化作用を及ぼす。Ｃｕ含有量が０．１０％未満ではこれらの効果が乏しく、またＣｕ含有量が０．５０％を越えると加工性が劣化する。このため、Ｃｕ含有量は、０．１０〜０．５０％とする。

Ｍｎ：０．８０〜１．２０％
Ｍｎは、Ｆｅ、Ｓｉ、Ａｌとともに金属間化合物を形成し、晶出相および分散相となって分散硬化作用を発揮するとともに、しごき成形加工時にダイスに対する焼き付きを防止する効果を発揮する。Ｍｎ含有量が０．８０％未満では、所望の硬化特性が得られず、一方、Ｍｎ含有量が１．２０％を越えると脆くなり加工性が劣化する。このため、Ｍｎ含有量は、０．８０〜１．２０％とする。

Ｍｇ：０．５０〜１．７０％
Ｍｇは、固溶体強化作用を有し、圧延加工時に加工硬化性を高めるとともに、前記ＳｉやＣｕと共存することで分散硬化と析出硬化作用を発揮する。Ｍｇ含有量が０．５０％未満ではこれらの作用効果が十分発揮されず、またＭｇ含有量が１．７０％を越えると加工性が劣化し、特にカール加工性が低下する。このため、Ｍｇ含有量は、０．５０〜１．７０％とする。

ＺｎおよびＴｉ Ｚｎ：０．３０％以下、Ｔｉ：０．１５％以下
Ｚｎは、析出するＭｇ、Ｓｉ、Ｃｕの金属間化合物を微細化する作用を有するが、Ｚｎを含む場合は原料として使用済みアルミ缶やリサイクル材料を有効に利用できる。Ｚｎ含有量が０．３０％を超えると加工性および耐食性が劣化するため、Ｚｎ含有量を０．３０％以下とする。なお、Ｚｎ含有量が０．０５％未満では上述した効果が充分に得られないため、Ｚｎ含有量の下限を０．０５％とすることが好ましい。
Ｔｉは、結晶粒を微細化し、加工性を改善する効果を発揮する。Ｔｉ含有量が０．１５％を超えると粗大な金属間化合物が形成されることにより加工性が劣化し、また靭性が低下してピンホールが生じやすくなるため、Ｔｉ含有量を０．１５％以下とする。なお、Ｔｉ含有量が０．０３％未満では上述した効果が充分に得られないため、Ｔｉ含有量の下限を０．０３％とすることが好ましい。
またその他の元素を不純物として０．０５％以下含有していても差し支えない。

前述のとおり、缶ボディ用アルミニウム合金板では、鋳造時に生じた晶出物であるＡｌ_６（Ｆｅ，Ｍｎ）相が、均質化処理により硬いα−Ａｌ_１２（Ｆｅ，Ｍｎ）_３Ｓｉ相へ相変態するα化が十分に進行することにより、良好な成形性が得られる。α化が十分に進行していないと、ＤＩ加工による製缶時に、ゴーリング（かじり）、胴切れなどの不具合が発生する。このため、金属間化合物であるＡｌ_６（Ｆｅ，Ｍｎ）相がα−Ａｌ_１２（Ｆｅ，Ｍｎ）_３Ｓｉ相へ相変態する程度を示すα化率を所定の値以上とすることが必要である。

上記α化率は、粉末Ｘ線回折法により測定されるピーク強度を用いて下記式（１）により算出することができる。なお、下記式（１）における各ピーク強度は、Ｂｒａｇｇの回折条件を満たす回折Ｘ線から各相のピークの回折強度（カウント数）を用いる。
α化率（％）＝（Ａｌ（Ｆｅ、Ｍｎ）Ｓｉのピーク強度）／（Ａｌ（Ｆｅ、Ｍｎ）Ｓｉのピーク強度＋Ａｌ（Ｆｅ、Ｍｎ）のピーク強度）×１００…（１）

本発明の缶ボディ用アルミニウム合金板は、上記式（１）により算出されるα化率が８９％以上になっている。このように十分に高いα化率を有するため、本発明の缶ボディ用アルミニウム合金板は、ＤＩ加工による製缶時には、ゴーリング（かじり）、胴切れなどの不具合の発生を抑制することができ、ＤＩ加工などの際の成形性に優れたものとなっている。

均質化処理：５６５±１０℃×４〜１０時間
本発明では、上記組成のアルミニウム合金材に均質化処理を施すことでα化率を効果的に高めている。Ａｌ_６（Ｆｅ，Ｍｎ）金属間化合物のα−Ａｌ_１２（Ｆｅ，Ｍｎ）_３Ｓｉ相への変態を行わせるには適した温度域が存在し、それより温度が高過ぎてもが低すぎてもα変態は不十分となる。また均質化処理温度が５７５℃を超える高い温度となると、水素ガス吸収にともなう膨れ状の内部欠陥が発生する危険性があり、この場合ＤＩ製缶後の缶表層の一部が剥離して外観欠陥となる。以上のことから、均質化処理の温度は５５５〜５７５℃とすることが必要である。また均質化処理の時間については、４時間未満とするとα化が十分に進まず、ＤＩ成形性で不具合が生じる。また均質化処理の時間が１０時間を超えると、生産性を阻害し、消費エネルギー増加となる。

複数回の均質化処理
また、本発明では、均質化処理を複数回に亘って行うようにしても良く、均質化処理を行ったアルミニウム合金材をそのまま保管して、時間を空けてさらに均質化処理を行うことができ、連続して複数回の均質化処理を行うことを必要としない。
なお、複数回の均質化処理では、保持時間を各回２時間以上の条件とする。
均質化処理を複数回に亘って行う場合、先に行った均質化処理後の冷却過程において、缶ボディ用アルミニウム合金材として必要な焼付け塗装時のベークハード特性に寄与する微細な析出物が発生してしまうが、これはその後に行う均質化処理において再溶解してキャンセルされる。この際、後続の均質化処理の保持時間が２時間より短いと再溶解が不十分となるため、各回の保持時間は２時間以上であることが必要である。
また均質化処理を複数回に亘って行う場合も保持温度は５５５〜５７５℃とする。また、複数回の均質化処理の合計の保持時間は４〜１０時間とすることが望ましい。これらの理由は上記均質化処理：５６５±１０℃×４〜１０時間とする場合について述べた通りである。

本発明の缶ボディ用アルミニウム合金材は、質量％で、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｆｅ：０．３０〜０．６０％、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．８０〜１．２０％、Ｍｇ：０．５０〜１．７０％、Ｚｎ：０．３０％以下、Ｔｉ：０．１５％以下を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなる組成を有し、高いα化率を有するので、成形性に優れる。

また、本発明の缶ボディ用アルミニウム合金板の製造方法の一形態は、上記本発明のアルミニウム合金組成を有するアルミニウム合金材に、保持温度５６５±１０℃、保持時間４〜１０時間の条件で均質化処理を施すので、均質化処理の処理性に優れるとともに、α化率を効果的に高めることができる。

均質化処理の保持時間とα化の程度との関係の一例を模式的に示すグラフである。 均質化処理を行っていない合金板および均質化処理の保持時間の異なる合金板について、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による面分析によりＳｉをマッピングした像を示す図である。

本発明のアルミニウム合金板は、以下の方法により製造することができる。
上記本発明の組成からなるアルミニウム合金は、通常は、溶解、鋳造、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍、最終冷間圧延の各工程を経て板材とする。中間焼鈍は、熱間圧延後または冷間圧延途中に１回以上実施することができる。また、強度をさらに高めるために最終冷間圧延後に時効処理を施すことも可能である。また、均質化処理と熱間圧延との間に、均熱処理を施すことも可能である。

上記均質化処理は、保持温度５６５±１０℃、保持時間４〜１０時間の条件で実施する。
図１は、上記均質化処理の保持時間と上記式（１）で算出されるα化率（α化程度）との関係の一例を模式的に示すグラフである。図示するように、α化程度は、保持時間の増加に従って、上側に凸の曲線を描きながら増加していき、α化が完了したことを示す最大値で飽和することになる。

また、図２は、均質化処理を行っていない熱間圧延板および均質化処理の保持時間の異なる熱間圧延板について、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による面分析によりＳｉをマッピングした像を示す図である。これら熱間圧延板の組成は、Ｓｉ：０．３０％、Ｆｅ：０．４５％、Ｃｕ：０．４０％、Ｍｎ：１．００％、Ｍｇ：１．２５％、Ｚｎ：０．１０％、Ｔｉ：０．０５％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるものである。

なお、図２（ａ）は均質化処理を行っていない合金板について得られた組成像であり、図２（ｂ）〜図２（ｇ）はそれぞれ保持時間が２時間、４時間、５時間、６時間、７時間、および８時間の均質化処理を行った合金板について得られた像である。また、図２（ａ）および図２（ｂ）の左側の像はそれぞれＳＥＭ組成像であり、図２（ａ）および図２（ｂ）の右側の像はそれぞれ同視野でのＳｉ検出濃度を示す面分析マッピング像である。また、図２（ｃ）〜図２（ｇ）の像は、それぞれＳｉ検出濃度を示す面分析マッピング像である。各図からは、保持時間が増加するに従って、α−Ａｌ_１２（Ｆｅ，Ｍｎ）_３Ｓｉ相に含まれる元素であるＳｉ量が増加し、α化が進行していることが分かる。

また、前記のような均質化処理は、複数回で実施することもできる。この場合、各回の保持温度を５６５℃±１０℃、保持時間を２時間以上とする。また、複数回の均質化処理の合計の保持時間を４〜１０時間とすることが望ましい。

上記の熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍、および最終冷間圧延の各工程の条件は、特に限定されるものではなく、常法の条件で行うことができる。中間焼鈍は、熱間圧延後または冷間圧延途中で１回以上行うことができる。また最終冷間圧延後に時効処理を行うことも可能である。

上記のようにして得られた本発明の缶ボディ用アルミニウム合金板は、例えば板厚が０．２１０〜０．４７０ｍｍであり、塗装焼付け後の耐力が２３０〜３２０Ｎ／ｍｍ^２となっている。
本発明の缶ボディ用アルミニウム合金板は、ＤＩ加工などにより飲料缶などの缶ボディに成形されて使用される。この際には、優れた成形性を示す。

以下に、本発明の実施例について説明する。
表１に示す組成（残部はＡｌおよび不可避的不純物）でアルミニウム合金を溶解鋳造してアルミニウム合金の鋳塊を得た。次いで、得られた鋳塊に対し、上記実施形態のアルミニウム合金板の製造方法により、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍および最終の冷間圧延を実施して、板厚０．３０ｍｍの各供試材のアルミニウム合金板を得た。なお、各工程の条件は表２に示す通りである。なお、試料Ｎｏ．比較Ｇにおける均質化処理の保持時間０時間とは、目標温度到達後速やかに冷却に移ったことを意味する。

（機械的性質）
上記合金Ｎｏ．１、２を用いた試料Ｎｏ．Ｂ〜Ｅ、比較Ｇのアルミニウム合金板について、ＪＩＳ５号試験片を作製して引張試験を行い、機械的性質を調べた。なお引張試験方法はＪＩＳ Ｚ ２２４１に則って行い、またベーキング後の引張試験については２１０℃で１０分加熱後に引張試験を行った。その結果は表３に示す通りとなり、これらにおいて機械的性質は明瞭な差異が認められない。

（α化率）
上記合金Ｎｏ．１を用いた試料Ｎｏ．Ａ〜Ｃ、Ｅ、比較Ｆ、比較Ｇ、比較Ｈのアルミニウム合金板について、粉末Ｘ線回折法を用いて（１）式によりα化率（％）を求めた。その結果は表４に示す通りとなった。試料Ｎｏ．比較Ｆの均質化処理なし、比較Ｇの５６５℃×０時間の均質化処理ではα化率が８９％未満と不十分であるが、試料Ｎｏ．Ａの５６５℃×４時間以上の均質化処理の実施により８９％以上のα化率が得られている。

（ＤＩ成形性）
上記合金Ｎｏ．１を用いた試料Ｎｏ．Ａ、Ｃ、比較Ｇのアルミニウム合金板について、ＤＩ加工による製缶を行った。その際、胴切れが発生した缶数、および胴切れが発生した缶数の製缶数に対する割合である胴切れ率は、表５に示す通りとなった。なお、ＤＩ加工の条件は、金型クリアランスを調整して３段目しごき条件を厳しくして胴切れが発生しやすい条件とした。均質化処理の保持時間０時間の場合は胴切れ発生率が高いが、４時間以上の保持時間では胴切れ発生率に差異が認められないことが分かる。

（ＤＩ缶表面の剥離状欠陥）
また、上記合金Ｎｏ．１を用いた試料Ｎｏ．Ｃ、比較Ｉのアルミニウム合金板について、ＤＩ加工による製缶を行い、その表面の剥離状欠陥の発生の有無について目視検査を行った。その結果は表６に示す通りであり、均質化処理の保持温度５６５℃の場合は製缶数１，２００缶に対して発生なしであるが、５９０℃の場合は１，２００缶に対して４７缶の発生が認められた。

Claims (5)

1. 質量％で、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｆｅ：０．３０〜０．６０％、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．８０〜１．２０％、Ｍｇ：０．５０〜１．７０％、Ｚｎ：０．３０％以下、Ｔｉ：０．１５％以下を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなる組成を有し、α化率が８９％以上であることを特徴とする缶ボディ用アルミニウム合金板。
2. 請求項１記載の組成を有するアルミニウム合金材に、保持温度５６５±１０℃、保持時間４〜１０時間の条件で均質化処理を施すことを特徴とする缶ボディ用アルミニウム合金板の製造方法。
3. 請求項１記載の組成を有するアルミニウム合金材に、保持温度５６５±１０℃、保持時間２時間以上の条件で複数回の均質化処理を施すことを特徴とする缶ボディ用アルミニウム合金板の製造方法。
4. 前記複数回の均質化処理の合計の保持時間が４〜１０時間であることを特徴とする請求項３記載の缶ボディ用アルミニウム合金板の製造方法。
5. 前記均質化処理完了後、熱間圧延および冷間圧延を行い、前記熱間圧延後または冷間圧延途中で１回以上の中間焼鈍を行うことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の缶ボディ用アルミニウム合金板の製造方法。