JP4818755B2

JP4818755B2 - 溶接缶用鋼板

Info

Publication number: JP4818755B2
Application number: JP2006056644A
Authority: JP
Inventors: 茂平野; 健次上村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-03-02
Also published as: JP2007231394A

Description

本発明は、製缶素材として、特に溶接性、塗料密着性、フィルム密着性、耐食性に優れた溶接缶用鋼板に関するものである。

溶接缶は、ワイヤーシーム溶接法により製缶され、国内では主にコーヒー等のレトルト飲料用途として実用に供されてきた。ワイヤーシーム溶接法はスードロニック社（スイス）によって開発され、溶接缶胴部の接合技術として、急速に進展し、この溶接法により製造された缶は、飲料缶分野で巾広く実用化されている。ワイヤーシーム抵抗溶接法とは、被溶接部を０．３〜０．５ｍｍに重ね合わせ、銅ワイヤーが巻き付けられた２つの円形電極間に一定圧力で挟み込み、交流電流を通電し、板−板間の電気抵抗による発熱で接触している鋼板−鋼板界面を、溶融あるいは半溶融状態にせしめ、缶胴部を接合させる溶接方法である。

この溶接法の特長の一つは、通電する交流電流の波形や周波数、電極間の圧力を調整することにより、６００〜８００缶／分の高速溶接を安定して行うことが出来ることである。また、この溶接法では、被溶接鋼板表面の電気的な接触抵抗値が低い程、電極間で均一な電流分布が生じ、均一な溶接を行うことが出来るため、低接触抵抗を有する鋼板は溶接性に優れていると言われている。その為、この種の溶接には多くの場合、耐食性に優れ、また、接触抵抗を大幅に低下せしめる効果のあるＳｎをめっきした鋼板が発明され、例えば特開昭６０−２０８４９４号公報（特許文献１）や特開昭６０−１３０９８号公報（特許文献２）が実用に供されている。

その一方で、例えば特開昭５６−１６９７８８号公報（特許文献３）や特開昭５９−１９７５９７号公報（特許文献４）に開示されているように、Ｓｎのめっきせず、その代わりにＮｉをめっきした鋼板も発明されている。Ｎｉは耐食性に優れているものの、Ｓｎ程の接触抵抗を低下せしめる効果を有していないが、鍛接性（融点以下の温度で接合する特性）に優れて得ることから、実用に供されている。

特開昭６０−２０８４９４号公報特開昭６０−１３０９８号公報特開昭５６−１６９７８８号公報特開昭５９−１９７５９７号公報

これらのめっき鋼板の缶内相当側に、塗装あるいはフィルムがラミネートされ、缶外面相当側に、塗装、印刷あるいは印刷が施されたフィルムがラミネートされた後に、１缶相当分の大きさに切出され、溶接工程、ネック―フランジ加工等の工程を経て、溶接缶が製造される。最近では、外観の綺麗さと製缶工程のコストダウンに有利なラミネート缶が主流になっている。

溶接缶は容器市場において、アルミ缶やＰＥＴボトルあるいは紙容器と言った素材と競合しており、コストダウンの要請と軽量の市場ニーズが相俟って、鋼板の板厚を薄くする傾向にある。以前は０．２ｍｍ以上の板厚であったが、近年は、板厚が０．２ｍｍを下回り、０．１９、０．１８、０．１７ｍｍの溶接缶が実用に供されている。ワイヤーシーム溶接法では板厚が薄くなると溶接が難しくなることが知られており、特に、０．１９ｍｍ以下になると、格段に溶接が困難になる。これは、板厚が薄くなると上下電極間に流れる電流の通電域が狭くなることが原因であり、狭い通電域で安定した溶接性を確保する為には、接触抵抗が低いＳｎ系の鋼板が有利であることから、Ｎｉめっき鋼板の使用が減少していた。

ところが、最近では溶接缶の商品力を向上させるため、缶胴の一部にエンボス加工を施したエンボス缶や、缶胴を樽状にエキスパンド加工を施した樽缶、更には、リシール機能を付与する為、ネジ加工が行なわれたリシール缶等の張り出し加工を施した缶が登場している。このような加工に対してＳｎめっき鋼板を適用した場合、柔らかいＳｎが大きく塑性変形或いは一部損傷し、最表層の塗装やフィルムとの密着性が不十分となり、加工の厳しい箇所で、疵付きや剥離が生じ易くなる課題が認められるようになった。

Ｎｉめっき鋼板は、Ｓｎのように柔らかくないので加工によっても、塗装やフィルムとの密着性が保たれ、疵付きや剥離等の問題は発生していない。従って、先述のエンボス缶や樽缶及びリシール缶等に対しては、Ｎｉめっき鋼板が適しており、板厚が薄く０．１９ｍｍ以下でも良好な溶接性が確保されるＮｉめっき鋼板が強く求められていた。

発明者らは、先ず、Ｎｉめっき鋼板の溶接性を改善する為、板厚が０．１９ｍｍ以下になるとＮｉめっき鋼板の溶接性が著しく劣化する原因を検討した。ワイヤーシーム溶接法における溶接性は、適正溶接電流範囲広さで評価される。適正溶接電流範囲は、溶接電流を徐々に増加させ、接合強度が十分に確保され始めた電流を下限電流とし、更に溶接電流を増加させ、散りが発生し始めた電流を上限電流として決められている。

この適正溶接電流範囲が広い程、溶接性に優れた材料であると言われている。Ｎｉめっき鋼板の場合、０．１９ｍｍ以下になると適正溶接電流範囲が急激に狭まり、０．１８、０．１７ｍｍとなると殆ど適正溶接電流範囲が無くなってしまう。この時の溶接ナゲットを観察した結果、下限電流での溶接ナゲットは板厚が薄くなると大きく変化し、接合し難くなり、また、上限電流でのナゲットも大きく変化し、溶接電流が少し増加しても大きく発熱し、散りが発生し易くなっている事を知見した。

その上で、適正溶接電流範囲と表面の粗度との関係を調査した結果、板厚が０．２ｍｍ以上では粗度を変えても適正溶接電流範囲に大きな影響は認められなったが、板厚が０．１９ｍｍ以下では、粗度が変化すると適正溶接電流範囲も大きく変化する事を発見した。即ち、板厚が０．１９ｍｍ以下では、粗度が大きい場合、適正溶接電流範囲が狭くなるが、小さく適正な粗度にすると、適正溶接電流範囲は狭くならない事を見出すに至ったのである。

この機構について詳細は明らかにされていないが、表面の粗度に過度な凹凸が存在すると高い凸部に電流集中が生じ、散りが発生し易くなり、また、深い凹部は接合せず欠陥となり、接合強度が確保されないことが原因であると推定される。
発明者らは、今回見出した現象を基に、工業生産的に有利な高圧下調質圧延を可能にするスクラッチ圧延で、鋭意、検討を重ねた結果、生産性、溶接性及び密着性、耐食性を兼備したＮｉめっきによる溶接缶用鋼板として、以下の発明に至ったものである。

すなわち、本発明は、
（１）板厚０．１９ｍｍ以下のめっき原板に、２００〜１２００ｍｇ／ｍ ² のＮｉめっき層を有し、更に最表層に金属Ｃｒ換算量で、２〜２０ｍｇ／ｍ ² のクロメート皮膜を有し、圧延方向に対して直角方向の粗度が中心線平均粗さで０．１〜０．３μｍ、高さ０．２５μｍ以上のピークが２０〜２００個／ｃｍであることを特徴とした溶接性、塗料密着性、フィルム密着性、耐食性に優れた溶接缶用鋼板。

（２）オイルピットの面積率が１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の溶接性、塗料密着性、フィルム密着性、耐食性に優れた溶接缶用鋼板。
（３）胴部の軸方向の中心線平均粗さが０．１〜０．３５μｍ、高さ０．２５μｍ以上のピーク数が５０〜４００個／ｃｍのスクラッチロールを用いて調質圧延を施した板厚０．１９ｍｍ以下のめっき原板に、２００〜１２００ｍｇ／ｍ² のＮｉめっきを施し、更に最表層に金属Ｃｒ換算量で、２〜２０ｍｇ／ｍ² のクロメート皮膜を付与することを特徴とした溶接性、塗料密着性、フィルム密着性、耐食性に優れた溶接缶用鋼板の製造方法。

（４）めっき原板のオイルピットの面積率を１０％以下とし、胴部の軸方向の中心線平均粗さが０．１〜０．３５μｍ、高さ０．２５μｍ以上のピーク数が５０〜４００個／ｃｍのスクラッチロールを用いて調質圧延を施した板厚０．１９ｍｍ以下のめっき原板に、２００〜１２００ｍｇ／ｍ² のＮｉめっきを施し、更に最表層に金属Ｃｒ換算量で、２〜２０ｍｇ／ｍ² のクロメート皮膜を付与することを特徴とした溶接性、塗料密着性、フィルム密着性、耐食性に優れた溶接缶用鋼板の製造方法である。

以上述べたように、本発明により製造された溶接缶用鋼板は、優れた溶接性、塗料密着性、フィルム密着性、耐食性を有するものである。

以下、本発明について詳述する。
本発明で用いられる板厚０．１９ｍｍ以下の原板は、熱間圧延、酸洗、冷間圧延後、焼鈍された鋼板に、円周方向に溝が加工されたスクラッチロールを用いた調質圧延によって製造される。板厚０．１９ｍｍ以下の原板は極薄材と言われ、単位時間当たりの生産量（重量）が低く、製造コストが高くなる為、高い生産性で鋼板を製造出来る高圧下による調質圧延が経済的には有利である。しかし、スクラッチロールで高圧下すると、粗度が深く転写され、高い凸部と深い凹部が多数存在し、溶接性は確保されない。

そこで、２回のスクラッチ圧延を行い、２回目の圧延は１回目の圧延によって発生した凹凸を打ち消すべく、鋼板の凸部と圧延ロールの山部が重なるように圧延することによって、高圧下と低粗度が実現される。３回以上の調質圧延する時も同様に直前に付与した凹凸を打ち消すようにロール位置を微調整し圧延すれば良い。更に、スクラッチ圧延に用いるロールはスクラッチ研磨が為されているが、そのスクラッチの間隔は同一のロールを用いた方が、幅方向に均一な粗度を形成できる。また、生産性には不利であるが、１回の調質圧延でも軽圧下すれば、所定の粗度を得る方法や高価になるが粒状クロムめっきを施したスクラッチロールを用いて調質圧延する方法も存在する。

上記の方法を用いて、スクラッチロールによる調質圧延を施す事により、圧延方向に対して直角方向の粗度が中心線平均粗さで０．１〜０．３μｍ、高さ０．２５μｍ以上のピークを２００個／ｃｍ以下なるように圧延方向に平行に線状の凹凸を付与させる。圧延方向に対して直角方向の粗度が中心線平均粗さで０．３μｍを超える、または、高さ０．２５μｍ以上のピークが２００個／ｃｍを超えると、溶接時に散りが発生しやすくなり、適正溶接電流範囲が狭く、工業的に安定した溶接を行う事は出来ない。

しかし、低粗度化により徐々に溶接性の改善が認められ、平均中心線粗さで０．３μｍ以下、０．２５μｍ以上のピークを２００個／ｃｍ以下にする事により、溶接散りの抑制効果が顕在化し始め、溶接の製造を工業的に安定して行う事が出来る。更に、粗度が低下すると高い溶接電流でも溶接散りが抑制させる様になり、適正溶接電流範囲が広くなり、溶接性が良好になるが、中心線平均粗さで０．１μｍを下回ると、溶接散りの抑制効果が飽和する上、圧延コストも上昇するため、経済的には不利益を被る。従って、圧延方向に対して直角方向の粗度が中心線平均粗さで０．１〜０．３μｍ、高さ０．２５μｍ以上のピークを２００個／ｃｍ以下なるように圧延方向に平行に線状の凹凸を付与させる必要がある。

また、オイルピットは、１０μｍ以上の深さを持つものが多く、オイルピットの面積率が増加すると溶接時に接合部の欠陥となり、通常以上の溶接電流が必要になり、下限電流が上昇する傾向がある。従って、オイルピットは少なくする方が良く、面積率で１０％以下にすると下限電流値は上昇せず広い適正溶接電流範囲が得られる。オイルピットを減少させるには、冷間圧延に使用する圧延油の粘性を０．７０〜１．２０ｃＰにする、あるいは、冷延率を低下させる事等が有効である。調質圧延でもオイルピットを減少させることができる。２回以上の調質圧延で圧下率を４〜１４％に制御する事や圧延速度を５００ｍｐｍから６００ｍｐｍに制御する事等が効果がある。

上記に説明によって作製されためっき原板は、脱脂、酸洗に引続き、Ｎｉめっきが施される。Ｎｉめっきを行う目的は、溶接性と耐食性の確保である。実用上、優れた溶接性と耐食性を確保するためには、鋼板表面のＮｉめっき量は、２００ｍｇ／ｍ²以上必要である。Ｎｉめっき量が増加するに従い、溶接性や耐食性の向上効果も徐々に増加するが、Ｎｉめっき量が１２００ｍｇ／ｍ²を超えると、その向上効果も飽和するため、経済的にも不利である。従って、Ｎｉめっき量は、２００〜１２００ｍｇ／ｍ²に規制される。

Ｎｉめっきをする方法については特に規制しない。電気めっき法や気相めっき法などを用いれば良いが、経済的には電気めっき法が生産性が高く有利である。Ｎｉめっきの上層には、優れた耐食性や塗料密着性を確保するために水和酸化Ｃｒあるいは金属Ｃｒと水和酸化Ｃｒから構成されるクロメート皮膜を付与するためにクロメート処理が行われる。耐食性はクロメート被膜を構成する金属Ｃｒまたは水和酸化Ｃｒが優れた化学的安定性を有する事から、クロメート皮膜量に比例して向上し、また、水和酸化Ｃｒは塗膜の官能基と強固な化学的な結合を行うことによって優れた密着性を発揮することから、その付着量が多くなる程、密着性が向上する。

実用上、十分な耐食性、密着性を発揮せしめるには、金属Ｃｒ換算量で２ｍｇ／ｍ²以上のクロメート皮膜が必要である。クロメート皮膜量の増加により耐食性、密着性の向上効果も増加するが、クロメート皮膜中の水和酸化Ｃｒは電気的に絶縁体のため電気抵抗が非常に高いので、溶接性を劣化せしめる要因になり、クロメート皮膜量は金属Ｃｒ換算で２０ｍｇ／ｍ²を超えると極めて溶接性が劣化する事から、クロメート皮膜量は金属Ｃｒ換算で２０ｍｇ／ｍ²以下にしなければならない。

クロメート処理方法は、各種のＣｒ酸のナトリウム塩、カリウム塩、アンモニウム塩の水溶液による浸漬処理、スプレー処理、電解処理などいずれの方法で行っても良いが、特に陰極電解処理が優れている。とりわけ、Ｃｒ酸にめっき助剤として硫酸イオン、フッ化物イオン（錯イオンを含む）あるいはそれらの混合物を添加した水溶液中での陰極電解処理を施すことが工業的に最も優れていると思われる。

以下に本発明の実施例及び比較例について述べ、その結果を表１に示す。
冷間圧延後、焼鈍された板厚０．２〜０．３ｍｍ鋼板を以下に記載した方法で０．１９ｍｍ以下のめっき原板を作製し、その後、Ｎｉめっき、クロメート処理を行い、試料を作製した。

（１）調質圧延
中心線平均粗さが０．３５μｍ、高さ０．２５μｍ以上のピーク数が２５０個／ｃｍのスクラッチロールを用いて５５０ｍｐｍで圧延し、鋼板に線状の粗度を付与した後、引続き、粗度の凸部と圧延ロールのスクラッチの凸部が、ほぼ重なるように位置を調整して、５５０ｍｐｍで２回目の圧延を行い、最終的な圧下率が５〜４０％になるように圧下率を調整して、０．１９ｍｍ以下のめっき原板を作製した。所定の表面粗度および板厚を得る為に、圧下率を適宜設定した。また、圧延を安定して行う為、適宜、圧延油を使用した。

（２）Ｎｉめっき
Ｎｉイオン：５〜４５ｇ／ｌ、硫酸イオン：１５ｇ／ｌ、塩素イオン：１０ｇ／ｌ、ホウ酸：２０ｇ／ｌからなる４０℃のＮｉめっき浴中に浸漬し、１５Ａ／ｄｍ²で電解することによりＮｉめっきを施した。Ｎｉめっき量は電解時間を調整し制御した。
（３）クロメート処理
酸化Ｃｒ：４０ｇ／ｌ、硫酸イオン：０．８ｇ／ｌからなる４０℃のクロメート処理中に浸漬し、３〜１５Ａ／ｄｍ²で電解する事により、クロメート処理を行った。クロメート皮膜の付着量は、電解時間を調整することによって制御した。

上記処理材について、以下に示す（Ａ）〜（Ｄ）の各項目について性能評価を行った。（Ａ）シーム溶接性
２００℃、３０ｍｉｎの空焼きを行ったの試験片を、以下の溶接条件でシーム溶接性を評価した。ラップ代０．５ｍｍ、加圧力４５ｄａＮ、溶接ワイヤースピード６０ｍ／ｍｉｎの条件で、電流を変更して溶接を実施し、十分な溶接強度が得られる最小電流値と散りなどの溶接欠陥が目立ち始める最大電流値からなる適正電流範囲の広さから総合的に判断し、４段階（◎：非常に広い、○：実用上問題無い程度に広い、△：やや狭い、×：狭い）で評価した。

（Ｂ）耐食性
耐食性は、以下の条件で行ったＵＣＣ（アンダーカッティングコロージョン）評価テストで実施した。試験片に厚さ２０μｍのエポキシフェノール系の樹脂を塗布し、２００℃、３０ｍｉｎで焼き付けを行い、その後、地鉄に達するまでクロスカットを入れ、１．５％クエン酸−１．５％食塩混合液からなる試験液中に大気開放下５５℃×４日間浸漬した。試験終了後、速やかにスクラッチ部および平面部をテープで剥離して、スクラッチ部近傍の腐食状況、スクラッチ部のピッティング状況および平面部の塗料の剥離状況を４段階（◎：剥離が無く腐食も認められない、○：実用上問題無い程度の極僅かな剥離が有るが腐食は認められない、△：僅かな剥離があり微小な腐食が認められる、×：大部分で剥離し激しい腐食が認められる）で評価した。

（Ｃ）フィルム密着性
試験片に１５μｍのＰＥＴフィルムをラミネートし、ラミネート面を内面にして、底蓋のＥＮＤ加工を行い、１２５℃、３０ｍｉｎのレトルト処理を実施した。その後、フィルムの剥離状況を４段階（◎：剥離が全く無い、○：加工部で僅かな剥離が認められる、△：加工部の半分以上で剥離が認められる、×：加工部及び平板部に剥離が認められる）で評価した。

（Ｄ）塗料密着性
試験片に厚さ２０μｍのエポキシフェノール系の樹脂を塗布し、２００℃、３０ｍｉｎで焼き付けを行い、その後、１ｍｍ間隔で碁盤目上に地鉄に達するまでのクロスカットを入れ、テープ剥離を行い、樹脂の剥離状況を４段階（◎：剥離が全く認められない、○：極僅かな剥離が認められる、△：半分程度の面積で剥離が認められる、×：大部分で剥離が認められる）で評価した。

特許出願人新日本製鐵株式会社
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

板厚０．１９ｍｍ以下のめっき原板に、２００〜１２００ｍｇ／ｍ ² のＮｉめっき層を有し、更に最表層に金属Ｃｒ換算量で、２〜２０ｍｇ／ｍ ² のクロメート皮膜を有し、圧延方向に対して直角方向の粗度が中心線平均粗さで０．１〜０．３μｍ、高さ０．２５μｍ以上のピークが２０〜２００個／ｃｍであることを特徴とした溶接性、塗料密着性、フィルム密着性、耐食性に優れた溶接缶用鋼板。
オイルピットの面積率が１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の溶接性、塗料密着性、フィルム密着性、耐食性に優れた溶接缶用鋼板。
胴部の軸方向の中心線平均粗さが０．１〜０．３５μｍ、高さ０．２５μｍ以上のピーク数が５０〜４００個／ｃｍのスクラッチロールを用いて調質圧延を施した板厚０．１９ｍｍ以下のめっき原板に、２００〜１２００ｍｇ／ｍ² のＮｉめっきを施し、更に最表層に金属Ｃｒ換算量で、２〜２０ｍｇ／ｍ² のクロメート皮膜を付与することを特徴とした溶接性、塗料密着性、フィルム密着性、耐食性に優れた溶接缶用鋼板の製造方法。
めっき原板のオイルピットの面積率を１０％以下とし、胴部の軸方向の中心線平均粗さが０．１〜０．３５μｍ、高さ０．２５μｍ以上のピーク数が５０〜４００個／ｃｍのスクラッチロールを用いて調質圧延を施した板厚０．１９ｍｍ以下のめっき原板に、２００〜１２００ｍｇ／ｍ² のＮｉめっきを施し、更に最表層に金属Ｃｒ換算量で、２〜２０ｍｇ／ｍ² のクロメート皮膜を付与することを特徴とした溶接性、塗料密着性、フィルム密着性、耐食性に優れた溶接缶用鋼板の製造方法。