TWI493053B - 三片式罐體及其製造方法 - Google Patents

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Description

三片式罐體及其製造方法
本發明是關於：高強度的三片式罐體及其製造方法。
罐用鋼板為了對應於筒罐的降低成本(輕量化)、環保的考量，乃不斷地發展鋼板厚度的薄型化。又，作為製罐素材來使用的鋼板，必須要具有對應於其板厚度的強度，為了要確保鋼板薄型化之後的罐強度，必須具有約440MPa以上的降伏強度。因為擔心到鋼板厚度的減少所導致的罐強度的降低，以往曾經有人針對其對策進行了許多的研究開發。係有例如：為了提高鋼板的強度，而添加C達到0.08質量%以上，以謀求確保鋼板的強度；或者在冷軋後的退火處理之後，又進行第二次的冷軋，利用加工硬化來提昇鋼板強度(DR鋼板(double reduced steel sheet))之類的技術方案。但是，這些技術方案都還是有其問題點。C含量若是高達0.08質量%以上的話，在連續鑄造的凝固時，將會落在亞包晶領域的成分領域，所以將會產生因包晶反應所引起的鋼胚裂隙現象。又，若是DR 鋼板的話，鋼板的強度會上昇。但是，同時又會引起因加工硬化所導致的伸長率的降低，而成為在進行凸緣加工時之發生裂隙的原因。此外，作為飲料罐、食品罐頭的蓋子，係廣泛地使用EOE易開罐蓋(Easy Open End)。在製造EOE易開罐蓋的時候，必須利用：外凸加工以及縮徑加工來形成用以安裝拉環(tab)的鉚釘(rivet)，要進行這種加工時所需的材料的延性，係相當於拉伸試驗中的約12%的伸長率。
又，將上蓋及底蓋安裝到罐筒部之由三片構件所組成的三片式飲料罐的罐筒材，先被成形為筒狀之後，為了將上蓋及底蓋牢牢地捲住固定，乃在罐筒部的兩端實施了凸緣加工，因此，同樣地在罐筒部的端部也需要有約12%的伸長率。
以往所採用的DR鋼板，是利用加工硬化，可讓強度上昇。但是，因為加工硬化，同時也會導致伸長率變差，而有加工性變差的問題。
此外，鋼板經過表面處理工序之後，被當成罐用鋼板出貨之後，又會受到：塗裝、開隙縫工序、輥製成形加工之後，才利用焊接機進行焊接。然後，又會受到焊接部的修補塗裝所造成的加熱、頸部凸緣加工、安裝底蓋、內面塗裝、以及塗裝烘烤工序之後，才會成為製品。此外，將內容物充填進去，安裝了上蓋之後，利用高壓加熱處理來進行加熱殺菌。當執行這種高壓加熱殺菌時，罐筒部的內部是負壓，但是該罐筒部必須維持足以抵抗高壓加熱蒸氣 所造成的外部壓力的罐體強度。如果罐體強度低於外部壓力的話，罐體表面將會產生凹陷之類的不良現象。近年來，為了達成考慮到環保的罐體輕量化，罐用素材都不斷地薄型化，想要維持罐體強度的話，就必須使用到以DR鋼材為首的高強度材。然而，使用薄皮高強度材的作法，會使得形狀凍結性變差，在進行過輥製成形加工之後，有時會發生無法形成圓筒形狀的狀況。
專利文獻1所揭示的圓筒部的真圓度不易變形且形狀維持性優異的罐用鋼板及其製造方法之技術方案，該鋼板的特徵為：含有C：0.01~0.10質量%、Mn：0.1~1.0質量%，且楊格率(彈性率)E是170GPa以下。專利文獻2所揭示的凸緣成形性優異的高強度焊接罐用薄鋼板及其製造方法之技術方案，該鋼板的特徵為，以質量%計，係含有C：超過0.04%且是0.08%以下、Si：0.02%以下、Mn：1.0%以下、P：0.04%以下、S：0.05%以下、Al：0.1%以下、N：0.005~0.02%以下，而且固熔在鋼板中的固熔C以及固熔N的合計為50ppm≦固熔C+固熔N≦200ppm；且鋼板中的固熔C是在50ppm以下，鋼板中的固熔N是在50ppm以上的範圍，其餘部分是由鐵以及不可避免的雜質所組成的。
[先前技術文獻]
專利文獻1：日本特許3663918號
專利文獻2：日本特許4276388號
然而，上述的習知技術都有下列的問題點。
專利文獻1所揭示的鋼板，為了要降低楊格率(彈性率)，在熱軋的最終精製輥軋時，必須執行在變態點以下的溫度條件的輥軋，輥軋負荷會上昇，所以難以製造。又，在寬度方向上的材質的均一性也會明顯變差。專利文獻2所揭示的鋼板，為了使強度上昇，在一次冷軋以及退火後，必須以高輥軋率來進行二次冷軋，因此無法避免地會增加成本。此外，如果是DR鋼板的話，在退火後又進行二次冷軋，會使伸長率降低，無法確保在鋼帶捲的寬度方向以及長度方向上的所有部位都可達到12%以上的伸長率。
本發明是有鑒於這種情事而進行開發完成的，其目的是在於提供：加工性優異的三片式罐體及其製造方法，係將適合作為三片式罐筒材料之降伏強度為440MPa以上，且伸長率為12%以上的鋼板，加工成：罐成形後的罐體真圓度為0.34mm以下之近乎真圓的圓筒形狀。
為了解決上述課題，本發明人等，進行了努力的研究，終於獲得下列的創見。
(1)藉由添加適量的N以資賦予強度，並且以再結 晶溫度以上的溫度進行退火之後，再進行急速冷卻的話，可確保過飽和的C、N，因此可以確保強度與伸長率。
(2)藉由使用高N鋼，並且使用由C、N所產生的變形時效硬化作用，在進行輥製成形加工時，其降伏強度較低，因此可形成真圓度良好的圓筒形狀，在進行輥製成形加工之後，又受到焊接部修補塗裝、罐體內面塗裝時的烘烤處理所產生的變形時效硬化的作用，因而可使得強度受到提昇。
(3)由於上述(2)的因素，素材的輥製成形加工性也趨於良好，所以可很容易調整焊接時的入口(gate)而可製造出真圓度優異的罐體。
(4)藉由界定了罐體的真圓度，當進行高壓加熱殺菌處理而承受到外部壓力時，可避免發生因為壓力集中在真圓度不佳的部位而發生罐體凹陷的情事。
此外，所謂的「變形時效硬化」，係指：增加鋼板中的固熔C、固熔N的量，利用調質輥軋之類的加工來導入變形，藉此而產生轉位，因而發生應力場，C、N原子集中在轉位的周邊，使得轉位受到固定，而使得強度上昇的硬化手法。
本發明是根據以上所述的創見而開發完成的，其要旨如下。
(1)一種三片式罐體，係具有：將鋼板成形加工而成的罐體真圓度為0.34mm以下的罐筒部，上述鋼板，以質量%計，係含有： C：0.020%以上0.100%以下，Si：0.10%以下，Mn：0.10%以上0.80%以下，P：0.001%以上0.100%以下，S：0.001%以上0.020%以下，Al：0.005%以上0.100%以下，N：0.0130%以上0.0200%以下，其餘部分係由Fe以及不可避免的雜質所組成，其降伏強度是440MPa以上，伸長率是12%以上。
(2)一種三片式罐體之製造方法，其特徵為：係將鋼板成形加工成罐體真圓度為0.34mm以下的罐筒部，上述鋼板，以質量%計，係含有：C：0.020%以上0.100%以下，Si：0.10%以下，Mn：0.10%以上0.80%以下，P：0.001%以上0.100%以下，S：0.001%以上0.020%以下，Al：0.005%以上0.100%以下，N：0.0130%以上0.0200%以下，其餘部分係由Fe以及不可避免的雜質所組成，其降伏強度是440MPa以上，伸長率是12%以上。
此外，在本說明書中，表示鋼的組成分的%，全部都是質量%。再者，在本發明的罐用鋼板中，所稱的高強度，係指：降伏強度為440MPa以上；所稱的高加工性，係指：伸長率為12%以上。
根據本發明，係可提供加工性優異的三片式罐體及其製造方法。
以下，將詳細說明本發明的實施方式。又，在以下的說明當中，鋼的組成分的各個元素的含量的單位都是「質量%」，在以下的說明當中，都只用「%」來表示。
本發明的三片式罐體的特徵是具備：以具有特定的組成分，且降伏強度為440MPa以上，伸長率為12%以上的鋼板進行成形加工而形成的罐體真圓度為0.34mm以下的罐筒部。
而這種鋼板係藉由使用含有：0.0130%以上0.0200%以下的N的鋼，利用將其在熱軋後的捲取溫度及調質輥軋率、以及退火溫度、冷卻速度設定在適度的條件，就可以製造出來。藉由提昇退火溫度，可以提昇鋼板的延性，因此可改善罐的加工性。
其次，說明本發明的罐用鋼板的組成分。
C：0.020%以上0.100%以下
在本發明的罐用鋼板中，除了可以藉由提高N含量，來確保高強度之外，亦可藉由提高C含量來發揮高強度。C含量若未達0.020%的話，無法獲得：想要得到因為鋼板的薄型化所帶來的顯著經濟效果所必須的440MPa的降伏強度。因此，將C含量的下限設定為0.020%。另一方面，C含量若超過0.100%的話，C含量將會落在亞包晶領域而成為過度硬質化，鑄造時的熱間延性會變差，很容易發生鋼胚裂隙等現象，難以製造出具有良好的加工性的薄 鋼板。因此，將C含量的上限設定為0.100%。更好是0.020%以上0.080%以下。
Si：0.10%以下
Si含量若超過0.10%的話，將會引起表面處理性變差、耐腐蝕性惡化之類的問題，所以將其上限設定為0.10%。另一方面，若未達0.003%的話，精煉成本變得太大，所以其下限是0.003%為宜。
Mn：0.10%以上0.80%以下
Mn係可防止因含有S所引起的熱軋中的赤熱脆性，且具有將結晶粒予以細微化的作用，所以是用來確保所期望的材質之不可或缺的元素。此外，想要利用薄型化的材料來符合罐強度的話，必須將材料予以高強度化。為了對應這種高強度化，乃將Mn含量的下限設在於0.10%。另一方面，Mn含量過多的話，耐腐蝕性會惡化，而且鋼板會太過硬質化，所以將上限設為0.80%。
P：0.001%以上0.100%以下
P是可使鋼變成硬質化，使得加工性惡化，同時也會使耐腐蝕性惡化之有害的元素。因此，將上限設為0.100%。另一方面，P含量若未達0.001%的話，脫磷所耗費的成本太大。因此將下限設為0.001%。
S：0.001%以上0.020%以下
S是當作中介物存在於鋼中，是會造成延性變差、耐腐蝕性惡化之有害的元素。因此，將其上限設為0.020%。另一方面，S含量若未達0.001%的話，脫硫所耗費的成本太大。因此將下限設為0.001%。
Al：0.005%以上0.100%以下
Al是製鋼時作為脫氧材所必須的元素。添加量太少的話，脫氧不夠充分，中介物會增加，加工性會惡化。因此，只要其下限是0.005%的話，就可充分進行脫氧。另一方面，Al含量若超過0.100%的話，將會增加：因氧化鋁的叢集等的緣故所導致的表面缺陷的發生次數。因此，將Al含量的上限設為0.100%。
N：0.0130%以上0.0200%以下
N量添加太多的話，鑄造時的氮氣氣泡會集中在鋼胚表層，因此會增加氣孔的數量，產生表面缺陷而有降低表面的品質之傾向，熱軋延性會惡化，在連續鑄造中的鋼胚會發生裂隙。因此，將其上限設在0.0200%。又，基於維持鋼板強度的觀點考量，將N含量的下限設在於0.0130%。更好是0.0150%以上0.0180%以下。藉由將N含量設在0.0180%以下，可特別用來抑制表面品質降低以及熱間延性的惡化，若將N含量設在0.0150%以上的話，可特別容易維持鋼板強度，所以較適宜。
此外，其餘部分是鐵以及不可避免的雜質。
其次，說明本發明的罐用鋼板的機械性質。
將降伏強度選定在440MPa以上。如果降伏強度未達440MPa的話，為了要確保可當作製罐鋼板來使用的鋼板強度，就無法將鋼板的厚度予以薄型化到達可獲得顯著的經濟效益的程度的薄度。因此，乃將降伏強度選定在440MPa以上。
將伸長率選定在12%以上。如果伸長率未達12%的話，在進行三片式罐體的凸緣加工時，會發生裂隙。此外，應用在EOE易開罐(罐蓋)的情況下，在進行鉚釘加工時也會產生裂隙。因此，乃將伸長率選定在12%以上。
又，上述的拉伸強度以及上述的伸長率，係可利用「日本工業規格JIS Z 2241」所規定的金屬材料拉伸試驗方法來進行測定。
其次，說明罐體的真圓度。
在本發明中，罐體的真圓度是選定在0.34mm以下。藉由將罐體的真圓度是選定在0.34mm以下，即使在高壓加熱殺菌結束之後，還是可以將罐體維持在不被外部壓力所壓潰的0.147MPa以上的罐體強度。用來控制罐體的真圓度的控制要素，係包含(1)藉由改變罐筒部加工過程中的輥製成形時的應力，所進行的形狀控制；藉由改變N含量所達成的罐筒部加工後的回彈量的控制；以及(2)藉由調整在進行焊接時之用來一邊維持罐體形狀一邊將罐 體予以送出的入口滾子(gate-roller)與罐筒部之間的間隙，來進行控制。又，在本發明中的罐體的真圓度，係如「日本工業規格JIS B 0621」所規定地，將圓筒形狀(罐筒部)以兩個同心的幾何圖形圓予以夾住時，在兩個同心圓的間隔趨於最小的情況下，從兩個圓的半徑的差值，即可求出來，將罐筒部的圓周方向(罐的筒部剖面)的真圓度，當作罐體真圓度。
此外，罐體的真圓度，亦可使用「日本工業規格JIS B 7451」所規定的真圓度測定裝置，依據「日本工業規格JIS B 0621」以及「日本工業規格JIS B 0021」所規定的真圓度測定方法來進行測定。進行真圓度測定時，係使用已經安裝了上蓋和底蓋後的罐體，針對於罐筒部的高度方向的中央部的圓周方向進行測定。又，針對於回彈量的試驗方法，係採用「日本工業規格JIS G 3303」所規定的方法，並且使用回彈角度θ (°)來作為評量指標。
在本發明中，係使用高氮鋼，並且可藉由利用C、N所產生的變形時效硬化，來使得強度更提昇。亦即，將C、N在本發明所界定的組成分的範圍內，增加固熔C、固熔N的含量，並且利用調質輥軋等方式來導入變形，使鋼板金屬組織內產生轉位而產生應力場，C、N原子集中在轉位的周邊，將轉位加以固定而可使得強度上昇。
其次，說明使用在本發明的三片式罐體的鋼板的製造方法。
使用在本發明的三片式罐體的鋼板，係使用根據連續 鑄造所製造的由上述的組成分所構成的鋼胚。將這種鋼胚進行熱軋之後，以未達620℃的溫度進行捲取，接下來，以超過85%的一次冷軋的輥軋率來執行一次冷軋。在620℃以上780℃以下的均熱溫度的條件下，進行退火之後，以80℃/秒以上300℃/秒以下的冷卻速度進行冷卻，接下來，再以未達5%的輥軋率進行調質輥軋，藉此而製造出來的。此外，進行退火時，是以再結晶溫度以上的溫度進行退火，以結束再結晶。
熱軋後的捲取溫度：未達620℃
如果熱軋後的捲取溫度是620℃以上的話，原本為了使降伏強度上昇而確保下來的固熔N又會變成AlN而再度晶析出來，有時候會導致降伏強度的下降。因此，將熱軋後的捲取溫度設定在未達620℃為宜。較好是590℃以下；更好是560℃以下。
一次冷軋的輥軋率：超過85%
一次冷軋的輥軋率很小的話，最終想要獲得極薄的鋼板的話，必須加大熱軋的輥軋率。然後，加大熱軋的輥軋率的作法，是將熱軋材製作成較薄，如此將會促進冷卻，而使最終精製加工溫度的確保變得困難，所以並不適當。基於上述的理由，係將一次冷軋的輥軋率設為：超過85%為宜。更好是90%以上92%以下。
退火處理
退火處理時，係加熱到達再結晶溫度以上。基於作業效率以及防止薄鋼板在進行退火中發生斷裂的觀點考量，是將均熱溫度設定在620~780℃為宜。此外，為了達到400MPa以上的目標降伏強度，在加熱之後，以80℃/秒以上300℃/秒以下的冷卻速度來實施急速冷卻為宜。如此一來，可確保具有過飽和的C、N。更好的冷卻速度是80℃/秒以上130℃/秒以下。此外，係可使用噴氣裝置來進行冷卻。
調質輥軋的輥軋率：5%以下
調質輥軋的輥軋率係設在5%以下為宜。調質輥軋的輥軋率若超過5%的話，調質輥軋的軋輥的荷重會增大，加工負載會太大。此外，容易發生鋼板的打滑現象或彈跳現象，而難以執行調質輥軋。因此，將調質輥軋的輥軋率設在5%以下為宜。更好是0.5%以上3.5%以下。
進行完畢調質輥軋之後，依照一般常用的方法，實施表面處理等的工序，予以精製成為罐用鋼板。
本發明的三片式罐體的製造方法，是將依據上述方法所製得的罐用鋼板，實施鍍覆、疊層之類的表面處理之後，因應需求又進行印刷、塗裝。接下來，將所製得的素材裁切成預定的尺寸，當成長方形胚片。然後，係可利用對於這個長方形胚片進行輥製成形加工之後，將端部予以接合的方法來製造成罐筒部。對於這個罐筒部進行安裝上 蓋與底蓋即可作成三片式罐體。
[實施例1]
利用轉爐熔製出：含有表1所示的組成分，其餘部分是由鐵和不可避免的雜質所構成的鋼，利用連續鑄造法製作成鋼胚。將所製得的鋼胚以1250℃進行再加熱之後，依據表2所示的條件，實施了熱軋、一次冷軋、連續退火處理、調質輥軋。熱軋時的最終精製輥軋的溫度是設定為890℃，輥軋之後，又進行酸洗。
對於上述所製得的鋼板的兩面，連續地進行鍍錫處理而成為雙面鍍錫鋼板(馬口鐵)，單一面上的鍍錫層的附著量是2.8公克/m2 。
針對於以上述方式所製得的鍍錫鋼板(馬口鐵)，執行了相當於以210℃的溫度實施10分鐘的塗裝烘烤的熱處理之後，進行拉伸試驗。拉伸試驗是使用日本工業規格JIS 5號尺寸的拉伸試驗片，以10mm/分鐘的拉伸速度測定了降伏強度以及伸長率。
此外，依據下列的方法，測定了罐強度。罐強度是會受到降伏強度以及真圓度的影響。罐強度的測定方式，是先將鋼板厚度為0.185mm的樣品形成罐筒部直徑為63mm的罐子之後，將罐子放入測定室內，將壓縮空氣導入測定室內部，並且測定了罐筒部產生變形時的壓力。如果內部 壓力到達0.147MPa的情況下，罐筒部還沒有變形的話，就認定為◎；如果內部壓力到達0.137MPa以上且未達0.147MPa的情況下，罐蓋就變形的話，就認定為○；如果內部壓力未達0.137MPa的情況下，罐蓋就變形的話，就認定為×。
加工性的評量方式，是以目視觀察，在輥製成形之後，如果在罐筒部上，若未形成：具有與罐高方向平行的折線的皺屈(buckling)的話，就認定為○；若有形成的話，就認定為×。
真圓度的評量方式，是使用東京精密(株)會社所製造的真圓度測定機(RONKOM 50A-310)，根據日本工業規格「JIS B 0621」以及「JIS B 0021」所規定的方法進行測定所獲得的數值。
回彈角度θ(°)的評量方式，是根據日本工業規格「JIS G 3303」所規定的方法進行評量，未達105。的話，就認定為合格。
將試驗結果標示於表2、表3中。從表1~表3可以看出：本案的發明例之No.6~10；No.12~16係可達成良好的加工，作為三片式罐體的強度很優異。尤其是發明例No.10，其真圓度為0.21mm，數值非常地小，因此，罐強度很優異。
另一方面，比較例不是罐強度不佳就是加工性欠佳。比較例的No.1、3、11、17，真圓度為0.35mm，數值太大，因此，罐強度不佳。比較例的No.1是C含量太少， 所以降伏強度不足。又，比較例的No.2是C含量太多，所以進行調質輥軋之後，延性變差，伸長率不足。比較例的No.3是Mn含量太少，所以降伏強度不足。比較例的No.4是Mn含量太多，所以進行調質輥軋之後，延性變差，伸長率不足。比較例的No.5是N含量太少，所以降伏強度不足。比較例的No.11是捲取溫度太高，結晶粒變粗大而強度不足。
[產業上的可利用性]
本發明的三片式罐體，罐強度優異，所以可利用在被要求罐強度的各種用途。又，這種材料亦可作為上蓋、底蓋、EOE易開罐、或者二片式罐體的用途。

Claims (2)

  1. 一種三片式罐體，係具有：將鋼板成形加工而成的罐體真圓度為0.34mm以下的罐筒部，上述鋼板，以質量%計，係含有：C：0.020%以上0.100%以下，Si：0.10%以下，Mn：0.10%以上0.80%以下，P：0.001%以上0.100%以下，S：0.001%以上0.020%以下，Al：0.005%以上0.100%以下，N：0.0130%以上0.0200%以下，其餘部分係由Fe以及不可避免的雜質所組成，其以210℃實施10分鐘之熱處理後的降伏強度是440MPa以上490MPa以下，伸長率是12%以上。
  2. 一種三片式罐體之製造方法，其特徵為：係將鋼板成形加工成罐體真圓度為0.34mm以下的罐筒部，上述鋼板，以質量%計，係含有：C：0.020%以上0.100%以下，Si：0.10%以下，Mn：0.10%以上0.80%以下，P：0.001%以上0.100%以下，S：0.001%以上0.020%以下，Al：0.005%以上0.100%以下， N：0.0130%以上0.0200%以下，其餘部分係由Fe以及不可避免的雜質所組成，其以210℃實施10分鐘之熱處理後的降伏強度是440MPa以上490MPa以下，伸長率是12%以上。
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