JPH0698407B2 - アルミニウム管状ケーシングの製造方法 - Google Patents

アルミニウム管状ケーシングの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は材料を成形または他の方法で加工するためのホ
イスカー強化セラミック工具の製法に関する。本発明は
特に金属加工工具、殊に管状ケーシングおよびこれに類
する物品、たとえばツーピース（two-piece）飲料缶の
製造に用いられる工具の製造に利用される。
（発明の背景） 材料に目的とする形状、模様または仕上げを付与するた
めの工具、たとえばダイ、パンチなどは著しい硬度、圧
縮強さおよび剛性を備えていなければならない。これは
金属またはこれに類する材料を造形する際に特に必要で
ある。組立てライン大量生産用の商業的材料加工工具は
反復および連続した応力および摩擦による摩耗、浸食お
よびチッピングに対して抵抗性でもなければならない。
またこれらの工具は広範な操作条件にわたって許容差に
近接しかつ寸法安定性を維持すべく設計および機械加工
しうる材料から製造されなければならない。
金属、炭化タングステンおよび通常のセラミックスを含
む各種材料からパンチ、ダイ、深絞り工具、およびこれ
らに類する材料加工工具を製造することは知られてい
る。これら既知の材料はすべて、一定の望ましくない制
限を有する。金属製品特にツーピース飲料缶などの管状
ケーシングを成形するための工具を製造する場合、従来
知られている材料がもつ問題点は特に著しくなる。
飲料缶は一般にスリーピース（three-piece）缶または
ツーピース缶として製造される。通常の三個構成飲料缶
の場合、適宜な寸法の本体ブランクを大きな金属板から
切取り、そしてはんだ付けサイドシームを有する円筒管
状に曲げる。この管の各末端にフランジを付ける。端面
クロージャー部材または蓋を本体の一端に取付ける。第
２の端面クロージャー部材は缶が充填されたのちに施さ
れる。本体および２個の端面クロージャーがスリーピー
ス缶を構成する。印刷された缶については金属板を各寸
法のブランクに切断する前に板に印刷する。
ツーピース飲料缶は一体成形された密閉端面を備えた本
体、および１個の端面クロージャー部材を有する。ツー
ピース飲料缶はスリーピース缶の場合と根本的に異なる
方法により製造される。ツーピース缶は1970年代初期以
後得られるようになったにすぎない。本発明は特にツー
ピース飲料缶の製造に際し著しい利点を与える。ただし
以下の本発明の説明から容易に理解されるように、本発
明は多種多様な形状の物品、特に管状ケーシング、たと
えば万年筆および乾電池ケーシングの製造のために幅広
い利用性をもつ。
ツーピース缶は絞りおよび側面アイアニングにより製造
され、これによりツーピース品、すなわち本体と底の組
合わせ、および端面クロージャーが得られる。一般にツ
ーピース缶は金属円板を金属板から打抜くことにより製
造される。この円板をカップ成形ダイ中に保持し、この
カップ成形ダイ中へカップ成形パンチを移動させること
により、金属“カップ”が成形される。次いでこの成形
されたカップを本体製造装置へ移し、ここでこれらは複
数の環状リング――一般に絞り用、再絞り用およびアイ
アニング用リングとして知られている――からなる本体
成形ダイ中へ本体成形パンチにより押込まれる。本体成
形パンチと複数のリングの間のクリアランスは次第に小
さくなり、その結果カップ側面は薄い切片状にアイアニ
ングされる。次いで強度を増すためにドーマー（dome
r）パンチが缶の底を凹形にプレスする。
本体が形成されたのち、缶の開放端が正確な目的の長さ
にトリムされる。次いで缶は清浄、乾燥され、そしてネ
ッキング、すなわち開放端にネックを形成する工程のた
めに調製される。ただし、ラベルを印刷すべき缶につい
ては、ネッキングの前に缶をマルチステーションプリン
ターへ移すことができる。缶はプリンターマンドレルへ
乗せられ、これが缶をペイントローラーとかみ合わせ
る。印刷後に缶は乾燥炉へ移動される。
ツーピース乾燥の形成における最終工程はネッキングお
よびフランジ付けである。これらの工程により缶の頂部
は充填後に蓋を受容すべく調製される。一般にこれは、
缶の開放端をネックインするためのネッカーダイ（neck
er die）および缶のネックインされた開放端にフランジ
を形成するためのディスクを含む多段ダイ型ネッキング
装置により行われる。このディスクは一般に“スピンネ
ッカー（spinnecker）”ディスクと呼ばれる。
ツーピース飲料缶を製造するプロセス全体において種々
の特殊な工具が必要である。許容できる缶を製造するた
めには、この工具は十分に強靱、摩擦抵抗性であり、か
つ不活性でなければならない。1986年には700億個の金
属製飲料缶が米国内で製造された。これらの缶は1200〜
2000個／分の速度で缶を製造する生産ラインで製造され
た。これらの缶のうち95％はアルミニウム製であり、残
りはスチール製である。本発明はアルミニウム缶および
スチール缶の双方、ならびに他の金属および非金属製品
の製造に使用できる。
毎年製造される飲料缶が大量であるため、製法のわずか
な改良がそれぞれ著しい節約となる。たとえば長年にわ
たって工業界では材料費を低下させるべく、缶の重量を
減少させるためにあらゆる努力がなされてきた。1965年
には1000個のアルミニウム飲料缶の重さは約23.4Kg（5
1.6ポンド）であった。これに対し1986年には1000個の
アルミニウム飲料缶の重さは約12.5Kg（27.5ポンド）で
あった。技術の進歩に伴って、強度、寸法精度、および
仕上げの質も著しく改良された。しかしなおいっそうの
改良が求められている。
ツーピース飲料缶の製造過程で用いられる各種工具――
カップ成形ダイおよびカップ成形パンチ、本体成形ダイ
および本体成形パンチ、ネッカーダイおよびスピンネッ
カーディスクを含む――のための最も一般的な材料は、
通常は焼入れされた工具用鋼本体中に保持された炭化タ
ングステンである。しかし炭化タングステン製缶用工具
はかなり摩耗し、頻繁に交換または再加工しなければな
らない。さらにアルミニウム缶を製造する際に炭化タン
グステン工具はアルミニウム缶の表面に酸化アルミニウ
ムを形成し、これは缶に飲料を充填する前に除去されな
ければならない。また特にアルミニウム缶の場合、一般
に用いられる炭化タングステン製缶用工具は缶本体の表
面に引かききずを残す。これらのきずは応力集中部位を
形成し、一般にわずか0.102mm（.004インチ）の厚さで
ある缶側面の強度を著しく低下させる。肉厚が均一であ
るほど、段積み強さは大きくなり、圧潰が少なくなり、
かつ缶からの漏出が少なくなる。これらのきずは缶の内
表および外表の仕上げをもより困難にする可能性があ
る。平滑な仕上げ面でないため、缶の内側を被覆するの
に有意に多量のエポキシ樹脂被膜を使用しなければなら
ない。缶の外側の印刷も不利な影響を受ける。
炭化タングステン部品は製缶過程で摩擦によってかなり
多量の熱をも発生する。摩擦により発生する熱は肉厚を
も含めて缶の寸法に著しい変異度を生じる。摩擦を減少
させるためには、合成潤滑剤を使用するのが一般的であ
る。しかしこれらの潤滑剤は、それらを除去するために
缶を徹底的に洗浄する必要がある。これは困難な、費用
および時間のかかる工程である。
本発明はツーピース缶の製造に際して用いられる炭化タ
ングステン部品の欠点を克服することを特に目的とす
る。ただし以下の説明から容易に理解されるように、本
発明は他の物品の製造にも幅広く利用できる。
（発明の要約） 本発明は材料の成形に用いられるホイスカー強化セラミ
ック工具の製法に関する。本発明は、アルミナマトリッ
クスを使用することよりなる。このマトリックスは好ま
しくは炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化チタン、炭化チタ
ン、窒化アルミニウムまたはアルミナよりなる群から選
ばれる単結晶“ホイスカー”によって強化されている。
本発明は単結晶ホイスカーを使用し、これらは多結晶質
のフィラメント短繊維と区別すべきである。ホイスカー
は隣接原子の結合力に相当する機械的強度をもつ一群の
単結晶材料の総称であると定義される。ホイスカーの著
しい強度は、それらが本質的に完全な結晶であるという
事実に由来する。それらはきわめて小さな直径をもつた
め、より大型の結晶の強度を低下させる欠陥の余地がほ
とんどない。
本発明の好ましい形態においては、本発明は管状ケーシ
ング、特にツーピース缶の製造に用いられる工具または
部品の製法に関する。本発明は管状ケーシングまたは缶
自体の製法にも関する。
本発明の好ましい形態は、全体に２〜40容量％の炭化ケ
イ素ホイスカーを分布含有する複合セラミック材料製の
工具からなる。本発明の好ましい実施態様に用いられる
この材料から製造された製缶部品または工具にはカップ
成形ダイ、カップ成形パンチ、本体成形ダイ、本体成形
パンチ、ドーマー素子、印刷マンドレル、ネッカーダイ
およびスピンネッカーディスクが含まれる。このマトリ
ックス材料はアルミナからなる。しかしこのマトリック
スは30容量％以下のジルコニア、イットリア、ハフニ
ア、マグネシア、ランタナもしくは他の希土類酸化物、
窒化ケイ素、炭化チタン、窒化チタン、またはそれらの
混合物を含有していてもよい。
本発明方法に用いられるホイスカー強化セラミック複合
材料部品は、匹敵する炭化タングステン部品より生じる
摩擦が少なく、従って熱が少ない。発生する熱が少ない
ため、真円度および肉厚を含めた缶の寸法の変異度が最
小限に抑えられる。肉厚の精度は缶の負荷強度に寄与
し、一方真円度は缶に対する末端クロージャーの効果的
な組立てをも容易にする。摩擦が少ないため、費用のか
かる潤滑処理を最小限に抑えることができ、場合によっ
ては完全に省くことができる。これにより潤滑剤溜めお
よびアプリケーターも不必要になるため、製缶のための
機械加工が単純化される。また潤滑剤を除去するために
缶を徹底的に洗浄する必要もない。
炭化タングステンと異なりホイスカー強化セラミック複
合材料は、本発明の場合のようにアルミナマトリックス
を用いた場合ですら、アルミニウム缶の表面に酸化アル
ミニウムを形成することはないであろう。これは製缶に
際して著しい利点である。酸化アルミニウムは缶から洗
浄除去されなければならず、また部品上に蓄積してそれ
らの性能に不都合な影響を与えるからである。アルミナ
はアルミニウムと相互作用すると考えられていたので、
アルミニウム製品の製造にアルミナマトリックスは許容
されないであろうと当初は考えられていた。しかし本発
明の好ましい形態において炭化ケイ素ホイスカー強化ア
ルミナマトリックスはアルミニウムと相互作用を示さ
ず、事実炭化タングステン部品より缶および部品または
工具の表面に形成される酸化アルミニウムが少ないこと
が見出された。
本発明に用いられるホイスカー強化セラミック材料の摩
耗速度の低下および平滑性のため、缶の内側および外側
における摩損（scoring）の量が伝統的な材料を用いた
場合に生じるものより著しく少ない。表面仕上げが改良
されることにより缶の強度が増大する。また缶の表面は
はるかに平滑な、より“艶のある”外観を呈し、内側に
おいては樹脂またはビニル被膜を施すことによる、また
外表においては表面装飾を施すことによる仕上げが、は
るかに容易に、かつ安価に行われる。さらに本発明に用
いられるホイスカー強化セラミック複合材料は一般に、
匹敵する炭化タングステン部品のものより２〜３倍長い
有効寿命をもつ。
通常の部品と比較して本発明に用いられるホイスカー強
化セラミック複合材料部品がもつ他の著しい改良点は、
部品自体が軽量であることである。より軽量であること
は、ツーピース缶を製造する際に用いられる本体成形パ
ンチなどの工具にとって特に重要である。頻繁に方向転
換しながら高速で操作される本体成形パンチは、支持機
械構造に大きな応力を生じる。より軽量なパンチほど支
持機械構造に与える応力が著しく減少する。さらにより
軽量なパンチほど、パンチがそのサイクルに従って移動
するのに伴う片持ばりのたわみの量が減少する。このた
わみは帰り行程に際して工具に損傷を与え、結果的に不
均等な摩耗および不均一な肉厚となる可能性がある。
本発明のホイスカー強化セラミック工具または部品は伝
統的な炭化タングステン製の対応品より目的とする最終
形状に研削または仕上げするのも著しく容易である。こ
れは精密機械工具を製造する際に特に重要である。
缶をホイスカー強化セラミック部品でトリムすると、炭
化タングステン部品を用いた場合――毛羽立った端が残
る――より整った。より鋭利な、またはより直線的な端
が得られることも見出された。
図面について簡単に説明する。
第１図は一般的な飲料缶の断面図である。
第２図は製缶の絞り成形およびアイアニング工程におけ
るカッピング操作を表わす図である。
第３図は絞り用、再絞り用およびアイアニング用リング
を有する本体成形ダイ、ならびにドーマー素子を含む、
缶の本体製造装置を表わす図である。
第４図は缶の外表に印刷するためのマルチステーション
プリンターのプリンターマンドレルを表わす図である。
第5Aおよび5B図はネッカーダイアセンブリーを有するネ
ックイン−ステーションおよびスピンネッカーディスク
を有するフランジ付与ステーションを含む多段ダイ型ネ
ッキングステーションを表わす図である。
第6A図は炭化タングステン製アイアニングリングを用い
て製造したアルミニウム缶の100倍拡大写真である。
第6B図は本発明によるアルタフ（ARTUFF、登録商標）ホ
イスカー強化セラミック製アイアニングリングを用いて
製造したアルミニウム缶の100倍拡大写真である。
第７図は本発明によるホイスカー強化セラミック部品の
製法を示す模式図である。
（好ましい形態の詳細な説明） 本発明をダイ、パンチその他の製缶用工具を製造するた
めの好ましい形態に関して説明する。本発明を特にツー
ピース飲料缶の製造用工具または部品に関して説明する
が、本発明は他の物品造形用工具または部品の製造にも
一般に利用される。本発明は特に管状物品、たとえばペ
ンケーシング、電池ケーシングなどの製造に利用され
る。本発明を金属、非金属および複合物体いずれの成形
または他の加工にも利用しうることは自明であろう。
本発明方法により製造された一般的ツーピース缶10の一
体成形本体の断面を第１図に示す。缶10は外側に反った
フランジ14を有するネック12を含む。端面クロージャー
（図示されていない）は飲料その他の目的とする充填物
が缶に充填されたのちフランジ14にはめられる。一般に
ネック12の肉厚は約0.178mm（.007インチ）である。
缶10は缶本体側面16を含む。缶本体側面16の厚さは約0.
102mm（.004インチ）である。缶の強度にとってこの厚
さが一定に保たれることが重要である。のちに詳述する
ように、一般に缶本体は本体成形パンチを側面アイアニ
ング用の複数のリングを備えた本体成形ダイ中へ伸ばす
ことにより形成される。通常の炭化タングステン製パン
チは約5.4Kg（12ポンド）の重量がある。このように大
きな重量を正確に移動させるのは不安定であるため、そ
のパンチは帰り行程でその目的コースからわずかにずれ
る可能性がある。このたわみによってパンチにわずかな
損傷またはチッピングが生じ、その結果不均等に摩耗
し、これによって不均等な肉厚が生じる。これに対し本
発明方法により炭化ケイ素ホイスカーを全体に分布含有
するアルミナセラミックマトリックスからなる複合材料
を用いて製造された本体成形パンチはわずか約1.4Kg
（３ポンド）の重要であり、従ってその走行コースにお
ける垂れ下りまたは位置の変動をきわめて生じにくく、
従って摩耗がより少ない。こうして製造された側面はよ
り一定の厚さをもち、より強靱である。
缶10の底18は一般に約0.305mm（.012インチ）の肉厚を
もち、強度を付加するために凹形の形状をもつ。
缶10は一般に第２〜５図に示すように絞りおよびウオー
ルアイアニング法として知られている方法により製造さ
れる。この方法は通常、大きなコイル状の薄板金からこ
れをカッピングプレスへ供給するのに伴って打抜かれた
個々のディスクから開始する。多くのツーピース缶はア
ルミニウム製であるが、本発明方法は他の金属および非
金属材料にも利用できる。一般に金属素材は約0.305mm
（.012インチ）の厚さをもつ。金属ディスクを第２図に
一般的に示すカップ成形ダイ20に取付ける。カップ成形
パンチ22がカップ成形ダイ中は移動してディスクを開放
端26、閉鎖底面28、および閉鎖底面に実質的に垂直に伸
びる一体側面30を備えた“カップ"24に成形する。こう
して成形されたカップは約8.9cm（3.5インチ）の直径、
および約3.0cm（1.3インチ）の深さ、および約0.305mm
（.012インチ）の肉厚をもつ。カップ成形ダイ20および
カップ成形パンチ22は双方とも、のちに詳述するように
ホイスカー強化セラミックマトリックスから作成するこ
とができる。
次いで、成形されたカップ24を第３図に一般的に示すよ
うに本体製造装置へ移す。本体製造装置は一般に本体成
形パンチ32、本体成形ダイ34、およびドーマー素子36か
らなる。本体成形ダイ34は一般に絞り用再絞り用および
アイアニング用リングと呼ばれる複数のリングからな
る。これらのリングは周知のように通常のダイ支持材中
に支持されている。本体成形パンチ32は絞り用再絞り用
およびアイアニング用リング中を移動して、カップ24の
側面30を薄くかつ長くする。これは一般に側面を“アイ
アニングする”と呼ばれる。絞り用、再絞り用およびア
イアニング用リングは本体成形パンチ32とのクリアラン
スを徐々に減少させ、これによりカップ24はその目的の
形状にアイアニングされる。絞り用、再絞り用およびア
イアニング用リングは缶のネック、側面および底に必要
な形状および異なる厚さを正確に与える形状および寸法
をもたなければならない。本体製造装置で成形された時
点で、カップ24はほぼ直径約6.4cm（2.5インチ）および
深さ12.7cm（5.0インチ）の缶に造形されている。
本体製造装置は缶の底に凹形の形状を付与するドーマー
素子36をも含む。
本体成形パンチ32、本体成形ダイ34――絞り用、再絞り
用および／またはアイアニング用リングを含み、これら
がダイ34を構成する――ならびにドーマー素子36はそれ
ぞれホイスカー強化セラミックマトリックスから作成し
うる。
側面をアイアニングし、底をドーム形成したのち、缶の
開放端を正確な目的の長さにトリムする。次いで缶を洗
浄し、乾燥させる。
缶に外装ラベルを印刷したい場合、第４図に一般的に示
すように缶をマルチステーションプリンターへ移すこと
ができる。缶をプリンターマンドレル33に乗せると、こ
れが缶本体を移動させてプリントローラー35と印刷状態
にかみ合わせる。プリンターマンドレル33もホイスカー
強化セラミックマトリックスから作成されていてもよ
い。
印刷が施されたのち、缶は多段ダイ型ネッキングステー
ションへ移される。一般にこのステーションは２種の機
能を行う。すなわちこれは缶の開放端にネックを形成
し、かつ缶の開放端にフランジを形成する。ネックは第
5A図に一般的に示すように、缶の開放端をネッカーダイ
38に向かって押しつけ、これにより半径の縮小したネッ
クを形成することにより形成される。多段ダイ型ネッキ
ングステーションでは、缶本体の開放端に隣接する缶本
体側面をスピンネッカーディスク40に向かって押しつけ
ることにより、ネックインした缶本体の開放端上にフラ
ンジをも形成する。スピンネッカーディスクは缶に外側
へ向かうフレアを形成する缶工具素子である。ネッカー
ダイおよびスピンネッカーダイは本発明方法に従ってホ
イスカー強化複合材料から作成することができる。
フランジ形成後に、缶の内側に適宜な被膜を吹き付け
る。次いで缶は開放端面用クロージャー素子と共に、充
填および密封のために送られる。
絞り用、再絞り用およびアイアニング用リングを含むホ
イスカー強化セラミック製の本体成形ダイは先行技術に
よる炭化タングステン製の対応品より与える摩擦が少な
いので、製造される缶の温度は有意に低く、結果的に側
面変形がより少ない。その結果、缶はそれらの形状、す
なわち真円度をより良好に維持する。さらに、製造過程
で缶に潤滑剤を使用する必要性が最小限に抑えられ、ま
たは除かれる。
ホイスカー強化セラミックは缶に優れた仕上がりおよび
平滑性を与える。これらの平滑な表面は缶の内側および
外側の双方を仕上げる際に著しい利点をもたらす。第6A
図は標準的な炭化タングステン製アイアニングリングを
用いて製造されたアルミニウム缶の側面の100倍拡大図
を示す。明らかなとおり著しい引かききずがあり、これ
らは側面の強度を低下させ、かつ平滑、均一な被膜を噴
霧するのを困難にする。第6B図は本発明による炭化ケイ
素ホイスカー強度アルミナ製アイアニングリングを用い
て製造されたアルミニウム缶側面の100倍拡大図を示
す。より平滑な表面は著しく高められた強度を与え、缶
の外側の印刷または内側の被覆の付与を容易にする。よ
り平滑な側面は、材料が捕捉される隙間がないため、洗
浄するのもより容易である。
本発明による製缶に関与する各種部品の製造に用いられ
るホイスカー強化セラミック複合材料は、ホイスカー強
化セラミックマトリックスからなる。このセラミック複
合材料は著しい硬度、圧縮強さおよび剛性、ならびに著
しく改良された靱性を合わせもつことを特色とする。こ
の材料は摩擦による摩耗および浸食に対する抵抗性を備
え、かつ熱崩壊または化学崩壊に耐える性能をもつこと
が認められた。この材料はほぼ不活性である。
セラミックマトリックスは、アルミナからなる。このセ
ラミックマトリックスは単独で（すなわち認められる不
純物を除いて、他の物質を含まない）使用するか、ある
いはこれを少量（すなわち約30％以下）の靱性強化成分
（tougheningcomponent）または焼結助剤、たとえばジ
ルコニア、イットリア、ハフニア、マグネシア、ランタ
ナもしくは他の希土類酸化物、窒化ケイ素、炭化チタ
ン、窒化チタン、またはそれらの混合物と組合わせても
よい。窒化ケイ素マトリックスも好ましい。アルミニウ
ム缶の製造における問題点の１つは酸化アルミニウムの
形成であるため、アルミナマトリックス系セラミックは
アルミニウム缶の製造には使用できないであろうと考え
られていた。アルミナマトリックスは缶のアルミニウム
に対して親和性を有し、酸化アルミニウムの存在を除く
よりむしろ高めるであろうと考えられていたからであ
る。実際にはそうでない。
強化用ホイスカーは炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アル
ミニウム、窒化チタン、炭化チタンまたはアルミナより
なる群から選ぶことができる。本発明に用いられるホイ
スカーは単結晶構造をもつ。本発明の好ましい形態にお
いては炭化ケイ素が用いられる。この種のホイスカーは
もみ殻から製造され、一般に.35〜.65μｍの直径、およ
び15〜150のオーダーの縦横比をもつ。長さは一般に70,
000Kg/cm2（100万psi）のオーダーであり、引張弾性率
は400万〜700万Kg/cm2（6000万〜10000万psi）のオーダ
ーである。炭化ケイ素ホイスカーは少なくとも1760℃
（3200°Ｆ）まで熱安定性である。
本発明に用いられる単結晶ホイスカーは多結晶質型の短
繊維材料と区別すべきである。多結晶質フィラメントま
たはチョップトファイバーは直径がはるかに大きく、た
とえば10ミクロン以上である。さらに本発明方法に用い
られる単結晶ホイスカーと異なり、多結晶質繊維は約12
50℃以上の温度では結晶粒成長のためかなりの分解が起
こり、これによって高温加工法、たとえばほぼ理論的密
度のセラミック複合材料を製造するためのホットプレス
法にこれらを用いることは著しく制限される。のちに詳
述するように、本発明はホットプレス法により部品を製
造する方法をも包含する。またこれらの多結晶質繊維が
セラミック複合材料に与える亀裂抵抗性は不十分であ
る。亀裂線または破断面を横切る繊維が有する引張強度
は、特に複合材料がホットプレスに際して高められた圧
力および温度下に置かれることにより加工されたのちに
は、亀裂が複合材料中を成長するのを阻止するのに十分
なものでないからである。従って単結晶“ホイスカー”
と多結晶質繊維には明瞭な区別が認められる。
本発明に用いられるホイスカーはマトリックスを強化す
る様式でマトリックス中に結合しなければならない。ホ
イスカー含量がホイスカー／マトリックス複合材料の約
２〜40容量％である場合に、結合は満足すべきものであ
り、好適な強化が得られる。その結果もちろんマトリッ
クス材料の割合は60〜98％となる。一般にホイスカー含
量が約40％を越えると、ホイスカーの添加が複合セラミ
ック材料の靱性にとって有害になることが見出された。
これは、ホイスカー濃厚帯域自体の靱性が制限されるほ
どに、またはマトリックスの凝集性が低下する時点をセ
ラミック材料が生じるほどにホイスカー含量が高くなる
ことによると考えられる。約２％未満ではホイスカー含
量は適切な強化を与えるのに不十分である。
本発明方法により製造されるダイ、パンチ、または他の
工具もしくは部品は、まず適切な割合の粉末状セラミッ
クマトリックスをホイスカーとブレンドすることにより
製造される。粒状固体の混合については多種多様なシス
テムが知られている。ブレンド処理はホイスカーが粒状
セラミックマトリックス材料全体に分散するものでなけ
ればならないが、ホイスカーが著しく崩解するほど激し
くてはならない。現在好ましい方法は米国特許第4,463,
058号明細書に記載されている。好ましい材料およびホ
イスカー含量範囲は、製造すべき個々の部品、およびそ
の最終用途に依存するであろう。部品の製法がコールド
プレス法またはホットプレス法のいずれであるかは、ホ
イスカー含量ならびに目的とする強度および破壊靱性に
依存するであろう。
本発明により部品を製造する際に使用する個々の方法は
主としてホイスカー含有率、ならびに目的とする強度お
よび破壊靱性に依存する。ホイスカー含量２〜12容量％
については、コールドプレス法――非加圧焼結法を含む
――を採用しうる。二個構成飲料缶を製造するための工
具の作成に関しては、コールドプレス法――非加圧焼結
法を含む――が缶本体パンチ、ドーマー素子、ダイネッ
カー、スピンネッカー、およびプリンターマンドレルの
製造に適している。これらはすべてホイスカー含量約8.
7容量％を採用することが好ましい。コールドプレス法
――非加圧焼結法を含む――を用いる場合、第７図に示
すようにホイスカー強化セラミックの適宜なブレンドを
等圧コールドプレス法または軸方向プレス法によりその
目的の形状に成形する。コールドプレスされた材料を次
いで焼結する。焼結されたコールドプレス処理材料を次
いで等圧ホットプレス処理する。この部品を次いで研削
してその目的とする最終形状にする。コールドプレスさ
れた材料を数種の方法のうちのいずれかにより成形しう
る。これを等圧コールドプレスし、そして10〜20,000ps
iの圧力下に周囲温度で成形することができる。あるい
は部品を10〜25,000psiで機械的にプレスおよび造形す
ることにより乾式プレスすることができる。部品を押出
しまたは射出成形することもできる。これら４種のコー
ルドプレス処理のいずれかののち、部品を1500〜1700℃
で加圧せずに12〜48時間焼結する。
ホットプレス法は一般にホイスカー含量12〜40容量％を
採用した部品に適している。二個構成缶の製造に用いら
れる部品に関しては、ホットプレス法はカップ成形パン
チおよびカップ成形ダイ、ならびに絞り用、再絞り用お
よびアイアニング用リングを含む本体成形ダイの製造に
適している。これらはすべてホイスカー含量約29容量％
をもつことが好ましい。
コールドプレス法およびホットプレス法共に、成形され
た部品を研削して最終形状となす。
以上に詳述されなかったが明らかに本発明の範囲内にあ
る多種多様な実施態様があることは明らかであろう。従
って以上の説明は例示にすぎず、本発明の範囲は特許請
求の範囲の記載のみによって限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
第１図は一般的な飲料缶の断面図である。 第２図は製缶の絞り成形およびアイアニング工程におけ
るカッピング操作を表わす図である。 第３図は絞り用、再絞り用およびアイアニング用リング
を有する本体成形ダイ、ならびにドーマー素子を含む、
缶の本体製造装置を表わす図である。 第４図は缶の外表に印刷するためのマルチステーション
プリンターのプリンターマンドレルを表わす図である。 第5Aおよび5B図はネッカーダイアセンブリーを有するネ
ックイン−ステーションおよびスピンネッカーディスク
を有するフランジ付与ステーションを含む多段ダイ型ネ
ッキングステーションを表わす図である。 第6Aおよび6B図はそれぞれ炭化タングステン製アイアニ
ングリングおよび本発明によるホイスカー強化セラミッ
ク製アイアニングリングを用いて製造したアルミニウム
缶の金属組織を示す100倍拡大写真である。 第７図は本発明によるホイスカー強化セラミック部品の
製法を示す模式図である。 各図において番号は下記のものを表わす。 10:缶、12:ネック、14:フランジ、16:側面、18:底面、2
0:カップ成形ダイ、22:カップ成形パンチ、24:カップ、
26:開放端、28:閉鎖底面、30:側面、32:本体成形パン
チ、33:プリンターマンドレル、34:本体成形ダイ、35:
プリントローラー、36:ドーマー素子、38:ネッカーダ
イ、40:ネッカーディスク。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−112135（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−202872（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−23528（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−2864（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−130426（ＪＰ，Ａ) 特公 昭53−45182（ＪＰ，Ｂ２) 浜野健也編「ファインセラミックスハン ドブック」（昭59−12−20）朝倉書店 Ｐ．139〜145，464，500〜504，551〜552 工業技術 25〔９〕（1984）通商産業省 工業技術院編 Ｐ．23 表３

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アルミニウム加工物を成形ダイに保持し、
    そして、成形パンチを前記成形ダイ中に移動させる各工
    程を含み： 前記成形ダイ及び前記成形パンチのうち少なくとも一方
    は、２〜40容量％の単結晶炭化珪素ホイスカーを全体に
    分布含有するアルミナを含む複合材料セラミックマトリ
    ックスを含み； 前記複合材料は前記ダイ又は前記パンチの表面上におけ
    る酸化アルミニウムの付着に寄与しないものである：ア
    ルミニウム管状ケーシングを冷間絞りによって製造する
    方法。
  2. 【請求項２】前記複合材料が60〜87容量％のマトリック
    ス及び13〜40容量％のホイスカーを含む、請求項１に記
    載の方法。
  3. 【請求項３】前記複合材料が88〜98容量％のマトリック
    ス及び２〜12容量％のホイスカーを含む、請求項１に記
    載の方法。
  4. 【請求項４】前記マトリックスが焼結助剤を更に含有す
    る、請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】アルミニウム板をカップ成形ダイに載せ、
    そして、カップ成形パンチを前記カップ成形ダイ中へ移
    動させることにより、前記板から閉鎖底面、開放端、及
    び前記閉鎖底面に対し実質的に垂直方向に伸びた一体的
    な側面を有するワンピースカップを成形し； 前記カップを本体成形ダイに載せ、そして、本体成形パ
    ンチを前記本体成形ダイ中へ移動させて前記カップの前
    記側面をアイアニングすることにより、前記カップから
    缶本体を成形し； ドーマー素子を前記缶本体の前記閉鎖底面に向かって押
    し付けることにより、前記缶本体にドーム状底面を成形
    し； 前記缶本体の開放端に近接した前記缶本体の側面をネッ
    カーダイに押し付けて直径の縮小したネックを成形する
    ことにより、前記缶本体の前記開放端にネックを成形
    し；そして、 前記缶本体の前記開放端に近接した前記缶本体の側面を
    スピンネッカーディスクに押し付けることにより、前記
    缶本体の前記開放端にフランジを成形する各工程を含
    み： 前記カップ成形ダイ、前記カップ成形パンチ、前記本体
    成形ダイ、前記本体成形パンチ、前記ドーマー素子、前
    記ネッカーダイ、及び前記スピンネッカーディスクのう
    ちの少なくとも一つの工具は、アルミナを含むマトリッ
    クスを含有し且つ２〜40容量％の単結晶炭化珪素を全体
    に分布含有する複合セラミック材料で製造されたもので
    あり、且つ、前記複合材料は、前記工具の表面における
    酸化アルミニウムの付着に寄与しないものである：冷間
    絞りによって缶を製造する方法。
  6. 【請求項６】前記マトリックスが60〜87容量％のアルミ
    ナ及び13〜40容量％のホイスカーを含む、請求項５に記
    載の方法。
  7. 【請求項７】前記マトリックスが88〜98容量％のアルミ
    ナ及び２〜12容量％のホイスカーを含む、請求項５に記
    載の方法。
  8. 【請求項８】前記マトリックスが焼結助剤を更に含有す
    る、請求項５に記載の方法。
  9. 【請求項９】アルミニウム加工物を成形ダイに保持し、
    そして、成形パンチを前記成形パンチ中に移動させる各
    工程を含み： 前記成形ダイ及び前記成形パンチのうちの少なくとも一
    方は、炭化珪素、窒化珪素、窒化チタン、炭化チタン、
    窒化アルミニウム及びアルミナからなる群から選択され
    る単結晶ホイスカーを２〜40容量％全体に分布含有する
    アルミナマトリックスを含む複合セラミックを含み；且
    つ、 前記複合材料は前記ダイ又は前記パンチの表面における
    酸化アルミニウムの付着に寄与しないものである。 アルミニウム管状ケーシングを冷間絞りによって製造す
    る方法。
  10. 【請求項１０】前記複合材料が60〜87容量％のマトリッ
    クス及び13〜40容量％のホイスカーを含む、請求項９に
    記載の方法。
  11. 【請求項１１】前記複合材料が88〜98容量％のマトリッ
    クス及び２〜12容量％のホイスカーを含む、請求項９に
    記載の方法。
  12. 【請求項１２】前記マトリックスが焼結助剤を更に含有
    する、請求項９に記載の方法。
  13. 【請求項１３】アルミニウム板をカップ成形ダイに載
    せ、そして、カップ成形パンチをカップ成形パンチ中に
    移動させて、前記板から、閉鎖底面、開放端、及び閉鎖
    底面に実質的に垂直に伸びた一体的な側面を有するワン
    ピースカップを成形し； 前記カップを本体成形ダイに載せ、そして、本体成形パ
    ンチを本体成形ダイ中に移動させることによって前記カ
    ップの側面をアイアニングして、前記カップから缶本体
    を成形し； ドーマー素子を前記缶本体の前記閉鎖底面に押し付け
    て、前記缶本体にドーム状底面を成形し； 前記缶本体の前記開放端に近接した前記缶本体の側面を
    ネッカーダイに押し付けて、縮小した直径のネックを成
    形することにより、前記缶本体の前記開放端にネックを
    成形し；そして、 前記缶本体の前記開放端に近接した前記缶本体の側面を
    スピンネッカーダイに押し付けて、前記缶本体の前記開
    放端にフランジを成形する； 各工程を含み： 前記カップ成形ダイ、前記カップ成形パンチ、前記本体
    成形ダイ、前記本体成形パンチ、前記ドーマー素子、前
    記ネッカーダイ、及び、前記スピンネッカーディスクか
    ら選択された少なくとも１つの缶工具は、アルミナを含
    み且つ炭化珪素、窒化珪素、窒化チタン、炭化チタン、
    窒化アルミニウム及びアルミナからなる群から選択され
    た２〜40容量％の単結晶ホイスカーを全体に分布含有す
    る複合セラミックマトリックスで製造したものであっ
    て； 前記複合材料は前記ダイ又は前記パンチの表面における
    酸化アルミニウムの付着に寄与しないものである： 冷間絞りによって缶を製造する方法。
  14. 【請求項１４】前記複合材料が60〜87容量％マトリック
    ス及び13〜40容量％のホイスカーを含む、請求項13に記
    載の方法。
  15. 【請求項１５】前記複合材料が88〜98容量％マトリック
    ス及び２〜12容量％ホイスカーを含む、請求項13に記載
    の方法。
  16. 【請求項１６】前記マトリックスが焼結助剤を更に含有
    する、請求項13に記載の方法。
  17. 【請求項１７】アルミニウム加工物を成形ダイに保持
    し、そして、成形パンチを前記成形ダイ中に移動させる
    各工程を含み： 前記成形ダイ及び前記成形パンチのうちの少なくとも一
    方は、アルミナ及び焼結助剤かなるマトリックスを含み
    且つ前記マトリックス中に分布された２〜40容量％の単
    結晶炭化珪素ホイスカーを更に含むものである： 冷間絞りによってアルミニウム管状ケーシングを製造す
    る方法。
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