JP4699850B2

JP4699850B2 - キャップ用アルミニウム合金およびその製造方法

Info

Publication number: JP4699850B2
Application number: JP2005285170A
Authority: JP
Inventors: 覚鈴木
Original assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Current assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: JP2007092151A

Description

本発明は、広口用ＰＰ（pilfer proof）キャップなどに適した絞り成形性に優れるアルミニウム（Ａｌ）合金板ならびにその製造方法に関し、特に径の大きな広口キャップなどの大きな天面強度が求められるキャップ材に係る。

ＰＰキャップは、例えば、塗装および文字印刷を施したＡｌ合金板をカップ状に絞り成形し、開口端の耳部をトリミングし、裾部に開栓を容易にするためのミシン目を入れ、胴部にネジ溝を設けて製造されている。前記ミシン目は印刷文字をまたいで入れられ開栓有無が識別できるようになっている。材料には、一般に成形性に優れたＪＩＳＡ１１００やＡ３１０５合金が用いられているが、近年キャップの広口化にともなって、天面強度低下を補う高強度のＡｌ−Ｍｇ系合金が用いられ始めている。
たとえば高強度ＰＰキャップ材としては特許文献１（特開２００３−３２８０６２号公報）に示されるような発明が開示されている。この特許文献１はＭｇ０．５〜２．１％を主成分とし、耳高さを規定したキャップ用アルミニウム合金の発明である。
特開２００３−３２８０６２号公報

高強度ＰＰキャップ材としては上記の特許文献１に示されるような発明が開示されているが、強度的には十分ではなく更なる高強度と開栓性を両立を求められている。

すなわち従来材では、口径の小さいキャップに使用する場合は問題無いものの、口径の大きな広口キャップとして用いるとキャップの天面強度が十分ではないために、内圧により天面が膨らんだり、それによりライナーの部分の密封度が低下し、密封性が低下してしまうという不具合が発生してしまう。

一方、一般に天面強度を上昇させるために素材の高強度化を行なうと、キャップをひねって開ける時の開栓トルクが上昇しすぎて、なかなか開けられない、つまりキャップの引きちぎれ性が悪くなるという問題があり、そのため極端な高強度化は不可能であった。

そのため高強度でありながら引きちぎれ性がよく開栓性の良い材料が望まれていた。
この場合、Ｍｎの添加により高強度化と開栓性を両立することが考えられるが、Ｍｎを過度に添加すると４５°耳が発達しすぎる問題が出てくる。

すなわち、ＰＰキャップはアルミニウム板の状態で文字や模様などを印刷してからキャップ形状に成形することから、キャップ用アルミニウム合金の耳率が大きいと耳が高い部分の印刷文字がその高さに対応するように曲がる（歪む）という問題もある。

そこで本発明は、極めて高強度でありながら開栓性が良く、耳率が良好で印刷文字の曲がりが無く、表面品質にも優れたＰＰキャップ用Ａｌ合金板の製造を目的とする。

そこで、更なる高強度と開栓性の両立を目指し研究した結果、本発明者等はＡｌ−Ｍｇ合金材のＭｇ含有量とＭｎ含有量をさらに高めると共に、晶出物を適正に制御することで、さらに高強度でありながら開栓性が良い事を見出した。さらにこの場合に問題になる４５°耳の発達を熱間圧延板の再結晶状態を制御することで防止できる事を見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、請求項１記載の発明は、Ｍｇを２．１％（ｍａｓｓ％、以下同じ）を超え３．０％以下、Ｆｅを０．１〜０．３％、Ｍｎを０．３％を超え０．５％以下、Ｓｉを０．０５〜０．２５％含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるＡｌ合金で、全晶出物面積率が１．５〜３．０％であり、更に抗張力が２５０〜３００ＭＰａであり、４５°耳で耳率が２％以下であることを特徴とするキャップ用アルミニウム合金板である。

また請求項２記載発明は、Ｍｇを２．１％を超え３．０％以下、Ｆｅを０．１〜０．３％、Ｍｎを０．３〜０．５％、Ｓｉを０．０５〜０．２５％含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるＡｌ合金に均質化処理を常法で行い、熱間粗圧延機と熱間仕上げ圧延機による熱間圧延を行うにあたり、仕上げ圧延開始温度を４５０℃以下、終了温度を３１０℃以下として行い、熱間圧延板の再結晶率を３０％以下とし、次いで前記熱間圧延板に冷間圧延を施したのち、中間焼鈍を４００〜５５０℃の温度で保持無し乃至２分以内保持する条件で行い、次いで仕上冷間圧延を総圧延率３０〜６５％で施し、次いで安定化処理を施すことを特徴とする請求項１記載のキャップ用アルミニウム合金板の製造方法である。

本発明によれば、きわめて高強度でありながら開栓性が良く、更に耳率が良好で印刷文字の曲がりを起こすことも無く、表面品質にも優れた広口用ＰＰキャップ用アルミニウム合金板を提供できる。

まず合金成分の添加理由について記す。

本発明において、Ａｌ合金に含有されるＭｇはキャップ用Ａｌ合金板の強度向上に寄与する。Ｍｇの含有量を２．１％を超え３．０％以下に規定する理由は、２．１％以下では高強度が求められる広口ＰＰキャップに必要な天面強度を得るためにはその効果が十分に得られず広口ＰＰキャップに使用した時の天面強度が不足し、一方３．０％を超えると強度が高くなり過ぎて開栓が困難になる場合があるためである。

Ｆｅは晶出物を形成し、開栓性の改善に寄与する。Ｆｅの含有量が０．１％未満ではその効果が十分に得られず晶出物の面積率が適正な値とならず、引きちぎれ性が不充分となり開栓性が悪化するが、０．３％を超えると４５°方向の耳が高くなり、印刷文字の曲がりを起こす場合がある。

Ｍｎは本願発明においては強度を付与し、更には晶出物を形成し開栓性改善に寄与するとともに、中間焼鈍時の過度な立方体方位の発達を抑制する効果がある。すなわち特に高強度が求められる広口ＰＰキャップに必要な天面強度を得るためにはＭｎ量を従来よりも多くして０．３％超とすることが重要である。０．３％以下では立方体方位の発達を十分抑制できず０−１８０°耳が強くなり印刷文字の曲がりを起こす。ただし０．５％を超えると強度が高くなりすぎ、また０−１８０°耳の抑制効果が強すぎて逆に４５°方向の耳が高くなり、印刷文字の曲がりを起こす。従ってＭｎ量は０．３％を超え０．５％以下とする。

ＳｉもＭｇ₂Ｓｉの晶出物形成に寄与し開栓性改善に寄与するが、０．０５％未満ではその効果がなく、０．２５％を超えるとＭｇ₂Ｓｉ晶出物が増えすぎ成形性が低下する。

その他元素は特性へ大きな影響を与えない範囲で許容される。例えば鋳造時の微細化材として添加されるＴｉやＢはそれぞれ０．０５％以下、０．０１％以下、更にＣｒやＶやＺｒは０．１％以下、Ｃｕは０．２５％以下、Ｚｎは１％以下であれば問題ない。

次に、全晶出物面積率は中間焼鈍時の立方体方位の過度な発達を抑制し、高強度材でありながら開栓性を良好に保つ役割のために重要であり、その範囲は１．５〜３．０％とする。尚全晶出物面積率とはＡｌ_６（Ｆｅ，Ｍｎ）やＭｇ_２Ｓｉなどのすべての晶出物の面積率の和を意味する。

全晶出物面積率が１．５％以上であれば、広口ＰＰキャップとして使用した場合、キャップを開栓しようとした時に、キャップに設けたミシン目からの亀裂がこの晶出物を伝わるようにして進行することにより快適な引きちぎり性が得られて、本発明の高強度材であっても容易に開栓することが可能となる。

この値が１．５％未満では十分な開栓性が得られず、また本願発明の製造方法においては中間焼鈍時の立方体方位の発達の抑制効果が十分ではなく、最終板の０−１８０°耳が高くなり印刷文字の曲がりを起こす。一方３．０％を超えるとその抑制効果が強すぎて逆に４５°耳が発達し、やはり印刷文字の曲がりを起こす。

抗張力を２５０〜３００ＭＰａとしたのは２５０ＭＰａ未満では天面強度が十分ではなく、３００ＭＰａを超えると開栓性が悪くなるからである。

４５°耳で耳率が２％以下としたのは、耳率が２％を超えると印刷文字の曲がりを引き起こすためで、また４５°耳で無いとたとえ耳率が２％以下であっても０−１８０°耳が強くなりやはりから印刷文字の曲がりを引き起こすからである。

次に製造法について説明する。

通常の半連続鋳造で製造した鋳塊を必要に応じて面削する。

次に熱間圧延を、粗圧延、仕上げ圧延からなる圧延機で行う。ここで、仕上げ圧延の開始温度を４５０℃以下としたのは４５０℃を超えると熱間圧延板の再結晶率を抑えるため熱間圧延終了温度を低温化する必要がある関係から、非常に低速の圧延と必要以上に多量のクーラントを噴射する必要が出てくるため生産性が悪くなるためである。

熱間圧延終了温度を３１０℃以下としたのは３１０℃を超えると熱間圧延終了板の再結晶率が３０％を超えてしまい、中間焼鈍時に必要な立方体方位が十分発達せず結果として最終板の４５°耳が強くなり印刷文字の曲がりが発生するためである。

熱間圧延終了板の再結晶率を３０％以下とするのは、再結晶部分が３０％を超えて残存するとその後の中間焼鈍時に立方体方位の発達が不十分になり、最終板の４５°耳が強くなり印刷文字の曲がりが発生するためである。

続いて冷間圧延を施した後中間焼鈍として４００〜５５０℃で保持無し乃至２分以内保持する焼鈍を行なうが、これは連続焼鈍炉で実施する。４００℃未満では連続焼鈍炉の場合再結晶状態とするのは難しく、最終板の強度が異常に高くなり開栓性が悪くなり、さらに４５°耳が強くなってしまう。５５０℃または保持が２分を超えると再結晶粒が粗大化し成形後肌荒れが生じる。また、この結晶粒の粗大化の際は立方体方位の結晶粒が他方位の結晶粒より速く粗大化するため立方体方位が強くなりすぎ最終板の０−１８０°耳が強くなり印刷文字の曲がりが発生する。

続いて最終冷間圧延を行なうがその圧延率を３０〜６５％としたのは３０％未満では強度が不足するとともに中間焼鈍で発達させた立方体方位に見合うだけの圧延集合組織を発達させることが出来ず０−１８０°、９０−２７０°耳が高くなってしまう。また６５％を超えると強度が高くなりすぎ開栓性が悪化する。また圧延集合組織が発達しすぎて４５°耳が強くなってしまう。

次いで工業的には安定化処理が行なわれるが、この条件については特に限定しないが通常１４０〜２５０℃で０．５〜１２ｈｒ程度で行なわれる。

以下実施例を用いて本発明を具体的に説明する。

表1に示す合金成分を常法により溶解鋳造し厚さ５００ｍｍのスラブ（板状鋳塊）を得た。次に表２に示す条件で最終板を製造した。
尚５００℃×４ｈｒの均質化処理後の熱間圧延については、粗圧延をシングルのリバース式圧延機で行い、開始温度４８０℃、終了板厚３０ｍｍで行なった。仕上げ圧延は４スタンドのタンデム式圧延機を使用した。終了板厚は２．５ｍｍとした。中間焼鈍は連続式焼鈍炉（ＣＡＬ）を用いた。仕上げ焼鈍は箱型焼鈍炉（バッチ炉）を用い２２０℃×２ｈｒの条件で行なった。最終板厚は０．２５ｍｍとした。

このようにして得られた製品板の引張試験と耳率測定、晶出物の画像解析を行なった。

さらに熱延板の結晶率は横断面を研磨後バーカー法で写真撮影を行い、全板厚中に再結晶部分の占める割合を測定した。

また、製品板に塗装処理を施し、プレス、ロール成形により直径３８φのキャップを作製した後外観観察を行い成形上の問題が無いか確認した後、容器に巻き締めその開栓トルクを測定した。

試験方法、評価基準を以下に示す。

＜引張試験＞
ＪＩＳ５号試験片を使用して圧延方向と平行方向で引張試験を実施した。

＜耳率＞
パンチ径３３ｍｍ、パンチ肩Ｒ１．５ｍｍ、ブランク径５７ｍｍ、しわ押さえ２４５２．５Ｎ（２５０ｋｇｆ）でカップ成形し、次式を用いて計算した。
耳率＝（山平均−谷平均）／カップ平均高さ×１００（％）
尚０°、９０°位置と４５°位置を比較して０°、９０°位置が高い場合をマイナス、４５°位置が高い場合をプラスで表記した。
耳率はプラスで２．０％以下である必要があり、マイナス耳は許容できない。

＜晶出物画像解析＞
板の横断面を鏡面まで研磨した後光学顕微鏡により４００倍の写真撮影し、画像解析により１μｍ以上の大きさの晶出物の面積率を測定した。測定面積は０．５ｍｍ²であった。

＜外観観察＞
目視により外観観察を行い、特に問題が無いものを○、肌荒れが生じたものは×とした。

＜開栓トルク＞
０．７３６Ｎ・ｍ（７．５ｋｇｆ・ｃｍ）以下を○、これを超えた場合は×とした。

表３から明らかなようにＮｏ．１〜４の本発明範囲内のものは全ての特性が良好であった。

一方、比較例は下記のような不具合があった。
No.５はＦｅ、Ｓｉ量が過多のため晶出物面積率が高く最終板の４５°方向の耳率が高く、印刷文字の曲がりを引き起こす。
Ｎｏ.６はＭｎ量が過小のため、強度が十分でないうえ、晶出物が少なく中間焼鈍時に立方体方位が発達しすぎて最終板の０−１８０°耳が高くなり、印刷文字の曲がりを起こす。
Ｎｏ．７はＭｎ量過多のため４５°耳が強く印刷文字の曲がりが起きる。
Ｎｏ．８はＭｇ量が過小のため強度が低い。
Ｎｏ．９はＭｇ量が過多のため強度が高すぎて開栓トルクが高くなっている。
Ｎｏ．１０は熱間仕上げ圧延開始温度、終了温度が高すぎて熱延板の再結晶率が高くなり、中間焼鈍時の立方体方位の発達が不十分で４５°耳が高くなり印刷文字の曲がりを起こす。
Ｎｏ．１１は中間焼鈍温度が低すぎて完全に再結晶とすることが出来なかったため強度が高くなりすぎ開栓トルクが高い。また４５°耳が著しく発達し、４５°位置で印刷文字の曲がりが発生する。
Ｎｏ．１２は中間焼鈍温度が高すぎて結晶粒径が粗大になったため成形品表面に肌荒れが発生した。また立方体方位の発達が過度になり０−１８０°耳が強くなりすぎて印刷文字の曲がりが発生する。
Ｎｏ．１３は中間焼鈍の保持時間が長すぎて結晶粒径が粗大になったため成形品表面に肌荒れが発生した。また立方体方位の発達が過度になり０−１８０°耳が強くなりすぎて印刷文字の曲がりが発生する。
Ｎｏ．１４は最終冷延率が低すぎて、耳率がマイナスになり、さらに強度も不足する。
Ｎｏ．１５は最終冷延率が高すぎて、４５°耳が高くなりすぎ、更に強度が高すぎて開栓トルクも高くなる。

Claims

Ｍｇを２．１％（ｍａｓｓ％、以下同じ）を超え３．０％以下、Ｆｅを０．１〜０．３％、Ｍｎを０．３％を超え０．５％以下、Ｓｉを０．０５〜０．２５％含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるＡｌ合金で、全晶出物面積率が１．５〜３．０％であり、更に抗張力が２５０〜３００ＭＰａであり、４５°耳で耳率が２％以下であることを特徴とするキャップ用アルミニウム合金板。
Ｍｇを２．１％を超え３．０％以下、Ｆｅを０．１〜０．３％、Ｍｎを０．３〜０．５％、Ｓｉを０．０５〜０．２５％含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるＡｌ合金に均質化処理を常法で行い、熱間粗圧延機と熱間仕上げ圧延機による熱間圧延を行うにあたり、仕上げ圧延開始温度を４５０℃以下、終了温度を３１０℃以下として行い、熱間圧延板の再結晶率を３０％以下とし、次いで前記熱間圧延板に冷間圧延を施したのち、中間焼鈍を４００〜５５０℃の温度で保持無し乃至２分以内保持する条件で行い、次いで仕上冷間圧延を総圧延率３０〜６５％で施し、次いで安定化処理を施すことを特徴とする請求項１記載のキャップ用アルミニウム合金板の製造方法。