JP4335035B2 - 異方性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、飲料缶および食缶用エンド、とくに負圧缶用エンドとして好適に用いられる異方性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板、およびその製造方法に関する。

飲料缶のうちビール缶、炭酸を含む清涼飲料缶のように内部から圧力を加えて充填する陽圧缶の缶蓋（エンド）には、Ｍｇ４〜５％を含有するＡ５１８２合金が使用され、果汁やコーヒーなど炭酸を含まない飲料缶のように充填後缶内部が負の圧力を受ける負圧缶のエンドには、陽圧缶ほどの強度が要求されないため３％以下のＭｇを含有するＡ５０５２合金、ＡＡ５０２１合金が使用されている。これらの飲料缶の缶胴（ボディ）にはスチールが適用されている。

上記の缶エンド材のうち、負圧缶のエンドとして使用されるＭｇの含有量の少ないＡ５０５２合金板、ＡＡ５０２１合金板においては、熱間圧延で典型的な再結晶集合組織であるＣｕｂｅ方位が強く発達し過ぎるため、硬質板とするために高い冷間圧延加工度を加えても、最終製品において０−１８０°耳が高くなり、取り扱い難く、量産使用に支障を来していた。

負圧缶エンドなどエンド用アルミニウム合金板については多くの提案がなされているが、いずれも、薄肉高強度化に対応して、熱間圧延後に中間焼鈍を介することなく冷間圧延した場合には、０−１８０°耳を小さくすることができない場合が多く、なお問題が残されている。

例えば、開缶性の向上を目的として、板表面におけるＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物の面積占有率を０．５〜１．５％、Ｍｇ−Ｓｉ系晶出物の面積占有率を０．１〜１．０％とした負圧缶のエンド用Ａｌ−Ｍｇ−Ｍｎ系合金板が提案されている（特許文献１参照）が、Ｆｅ量とＭｎ量との組合わせが適切でないため、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物量が少なく、熱間圧延でＣｕｂｅ方位の発達を十分に抑制することができず、０−１８０°耳を抑えることが困難である。

リサイクル性に優れた負圧缶エンド用アルミニウム合金板として、Ｍｎ＋Ｓｉの含有量を０．２５〜０．５％とし、Ｆｅ：０．１０％以上０．４０％未満を含有するＡｌ−Ｍｇ−Ｍｎ系合金板も提案されている（特許文献２参照）が、Ｆｅ＋Ｍｎ量が少ないためＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物量が少なく、耐落下強度に優れたＡｌ−Ｍｇ−Ｍｎ系缶蓋用アルミニウム合金板も提案されている（特許文献３参照）が、Ｆｅ：０．３０％以下と少なく、いずれも熱間圧延でのＣｕｂｅ方位を抑制することができない。

また、カーリング性および巻き締め性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板（特許文献４参照）、形状凍結性に優れた缶蓋用アルミニウム合金硬質板（特許文献５参照）、食缶の缶蓋のように塩素イオンの存在する環境下で使用して孔食の生じないアルミニウム合金板（特許文献６参照）も提案されているが、これらのＡｌ−Ｍｇ−Ｍｎ系合金板は、いずれもＭｇ量が多いため冷間圧延時に板耳部に割れが生じ易く、中間焼鈍することなく冷間圧延する場合には生産性を低下させる。また、特許文献６のものは、Ｓｉ量が多いため、成形時に割れが発生し易く、開口性も不安定となる。
特開２０００−２７３５９３号公報 特開２０００−１６０２７３号公報 特開２０００−８１３３号公報 特開平１１−２２９０６６号公報 特開平５−３３９６８５号公報 特開平５−２４７６１１号公報

発明者らは、缶エンド材、とくに負圧缶用エンド材における上記従来の問題点を解消するために、上記従来技術をベースとして、合金成分、合金マトリックス中の晶出物の分布と熱間圧延でのＣｕｂｅ方位の発達、絞り成形時の０−１８０°耳発生の関連についてさらに試験、検討を行った結果、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物、Ｍｇ−Ｓｉ系晶出物の分布密度に影響するＭｎ、Ｆｅ、Ｓｉの含有量の調整、とくにＭｎとＦｅの含有量の関係を特定することにより、熱間圧延でのＣｕｂｅ方位の発達が抑制されて、冷間圧延後の０−１８０°耳を４５°耳と同様に小さく抑制することができ、成形された缶エンドの積み重ね、搬送時におけるスタッキング性が良く、且つ、缶ボディに巻き締める際の巻き締めの均一性に優れ内容物漏洩のおそれがない材料が得られることことを見出した。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その目的は、絞り成形時における０−１８０°耳の小さな異方性に優れた缶エンド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にある。当該アルミニウム合金板は、熱間圧延後に、中間焼鈍など何らの熱処理を行うことなしに最終製品まで冷間圧延することにより製造することを可能とするものである。また、リサイクル材としても使用し易い組成特性をそなえたものとなる。

上記の目的を達成するための本発明の請求項１による異方性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板は、Ｍｇ：２．０％を越え３．４％以下、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｆｅ：０．２８％以上０．６０％未満、Ｓｉ：０．０４〜０．２０％、Ｃｒ：０．０１％以上０．３０％未満、Ｃｕ：０．０１％以上０．２０％未満を含有し、且つＦｅとＭｎの合計含有量が０．６〜１．０％であり、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金硬質板であって、板表面におけるＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物の面積占有率が１．０％を越え３．０％未満、Ｍｇ−Ｓｉ系晶出物の面積占有率が０．２％未満であり、絞り成形時の４５°耳率が４．０％未満、０−１８０°耳率が４．０％未満であることを特徴とする。但し、４５°耳率および０−１８０°耳率は下記の式で求められる。
４５°耳率（％）＝〔（山高さ平均−谷高さ平均）／{（山高さ平均＋谷高さ平均）／２}〕 ×１００、０−１８０°耳率（％）＝{（０°、１８０°山高さ平均−全体の高さ平均）／全体の高さ平均}×１００

請求項２による異方性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板は、請求項１において、前記アルミニウム合金硬質板が、Ｍｇ：２．０％を越え３．０％未満、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｆｅ：０．３１％以上０．６０％未満、Ｓｉ：０．０４〜０．２０％、Ｃｒ：０．０１％以上０．３０％未満、Ｃｕ：０．０１％以上０．２０％未満を含有し、且つＦｅとＭｎの合計含有量が０．６〜１．０％であり、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。

請求項３による異方性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板の製造方法は、請求項１または２に記載のアルミニウム合金板を製造する方法であって、熱間圧延後、中間焼鈍することなく、８５％以上９５％未満の圧延率で最終製品厚さまで冷間圧延することを特徴とする。

請求項４による異方性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板の製造方法は、請求項３において、前記熱間圧延をタンデム圧延機により行うことを特徴とする。

請求項５による異方性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板の製造方法は、請求項３または４において、前記熱間圧延を、３００℃以上の材料温度で終了させることを特徴とする。

本発明によれば、絞り成形時における０−１８０°耳の小さな異方性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板およびその製造方法が提供される。当該アルミニウム合金板は、熱間圧延後に、中間焼鈍など何らの熱処理を行うことなしに最終製品まで冷間圧延することにより製造することが可能である。また、リサイクル材としても使用し易い組成特性をそなえたものとなる。

本発明の缶エンド用アルミニウム合金板における合金成分の意義および限定理由は以下のとおりである。

Ｍｇ：缶エンドとして必要な強度を得るために基本的な合金成分であり、用途に応じて含有量が調整される。Ｍｇの好ましい含有量は２．０％を越え３．４％以下の範囲であり、この範囲において、Ｍｇ含有量が多いほど、熱間圧延時に転位網が形成され、これを核として種々の方位の再結晶粒が形成されるため、熱間圧延終了時点でＣｕｂｅ方位への集中が抑制され、結果として冷間圧延後の０−１８０°耳を抑制することができる。Ｍｇ含有量が２．０％以下では十分な強度が得難く、３．４％を越えると、Ｍｇ−Ｓｉ系晶出物が多くなり、また、冷間圧延で板耳部に割れが生じ易く生産性を低下させる。冷間圧延時の板耳部の割れをなくし安定した冷間圧延を行うためには、Ｍｇの含有範囲を２．０％を越え３．０％未満とするのが望ましい。さらに、強度を得るためにはＭｇ含有量の下限値を２．５５％とすることが好ましい。

Ｍｎ：強度を高めるよう機能する。Ｍｎの好ましい含有量は０．２０％以上０．５０％以下の範囲であり、この範囲において、Ｍｎの含有量が多いほど、Ｆｅとともに数μｍ程度までの大きさの金属間化合物、すなわちＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物を形成し、これが熱間圧延時の再結晶核となって種々の方位の結晶粒を形成し、このため熱間圧延終了時点で、Ｃｕｂｅ方位への集中を抑制することができる。Ｍｎ含有量が０．２０％未満では上記の効果が十分でなく、０．５０％を越えると、前記の金属間化合物が増え過ぎて缶蓋の開口の安定性が低下し易い。Ｍｎのより好ましい含有範囲は０．３６〜０．５０％である。

Ｆｅ：Ｍｎとともに数μｍ程度までの大きさの金属間化合物、すなわちＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物を形成し、これが熱間圧延時の再結晶核となって種々の方位の結晶粒を形成し、このため熱間圧延終了時点で、結晶粒の方位がＣｕｂｅ方位へ集中するのを抑制することができる。Ｆｅの好ましい含有量は０．２８％以上０．６０％未満の範囲であり、Ｆｅ含有量が０．２８％未満では上記の効果が十分でなく、０．６０％以上では、前記の金属間化合物が増え過ぎて缶蓋の開口の安定性が低下し易い。Ｆｅのより好ましい含有範囲は０．３１％以上０．６０％未満、さらに好ましい含有範囲は０．３６％以上０．６０％未満である。

Ｓｉ：Ｓｉは不可避元素であり、ＭｇとともにＭｇ₂ Ｓｉを形成し、またＭｎ、ＦｅとともにＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ晶出物を形成する。Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ晶出物は、熱間圧延時の再結晶核となって種々の方位の結晶粒を形成し、このため熱間圧延終了時点で、結晶粒の方位がＣｕｂｅ方位へ集中するのを抑制する。Ｓｉは０．０４％以上含有させるのが好ましい。しかしながら、Ｍｇ−Ｓｉ系晶出物、Ｍｇ₂ Ｓｉの形成はＭｇ固溶量を低下させるため強度を低下させ、またＭｇによるＣｕｂｅ方位への集中の抑制効果を低下させ、さらにＳｉ含有量の増加は前記金属間化合物の生成を多くし、成形性の低下や缶蓋の開口の安定性を害するので、Ｓｉ含有量の上限は０．２０％とするのが好ましい。Ｓｉ含有量が０．０４％未満では、高純度地金を使用しなければならないため工業生産上望ましくない。

Ｆｅ＋Ｍｎ：ＦｅとＭｎは、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物を形成し、このＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物は、熱間圧延終了時点で結晶粒の方位がＣｕｂｅ方位へ集中するのを抑制する効果を有する。Ｆｅ＋Ｍｎ含有量は０．６〜１．０％の範囲とするのが好ましく、０．６％未満では上記の抑制効果が十分でなく、１．０％を越えると、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物の生成が多くなり過ぎ、缶蓋の開口の安定性を害する。

Ｃｒ：強度を増大させるために選択的に添加する。好ましい含有量は０．０１％以上０．３０％未満の範囲であり、０．０１％未満ではその効果が小さく、０．３０％以上では、粗大な金属間化合物が生成し易くなる。

Ｃｕ：強度を増大させるために選択的に添加する。好ましい含有量は０．０１％以上０．２０％未満の範囲であり、０．０１％未満ではその効果が小さく、０．２０％以上では、熱間圧延時に割れが生じ易くなる。Ｃｕのさらに好ましい含有範囲は０．０２％以上０．１０％未満である。

不純物：不純物として、０．３％以下のＺｎ、鋳塊の結晶粒微細化材として通常添加されるＴｉ：０．２％以下、Ｂ：０．１％以下が含有されていても、本発明の効果に影響することはない。

Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物の面積占有率：Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物は熱間圧延終了時点で結晶粒の方位がＣｕｂｅ方位へ集中するのを抑制し、結果として冷間圧延後の０−１８０°耳を抑制するよう機能する。板表面におけるＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物の面積占有率は１．０％を越え３．０％未満の範囲とするのが好ましく、１．０％以下ではその効果が小さく、３．０％以上では缶蓋の開口の安定性が低下する。なお、本発明において、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物には、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ晶出物のみでなく、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ晶出物も包含される。

Ｍｇ−Ｓｉ系晶出物の面積占有率：Ｍｇ−Ｓｉ系晶出物、Ｍｇ₂ Ｓｉの形成は缶蓋の開口性を向上させるが、Ｍｇ固溶量を低下させるため強度を低下させ、また、Ｍｇ−Ｓｉ系晶出物が多過ぎると不均一に分布し易く、逆に缶蓋の開口性を阻害するので、板表面におけるＭｇ−Ｓｉ系晶出物の面積占有率は０．２％未満とするのが好ましく、より好ましくは０．１５％未満とする。

本発明による缶エンド用アルミニウム合金板は、前記の組成を有するアルミニウム合金をＤＣ鋳造し、得られた鋳塊を常法に従って均質化処理後、熱間圧延、冷間圧延を経て製造されるが、熱間圧延はタンデム圧延機により行うことが望ましい。タンデム圧延機で熱間圧延することにより、熱間圧延での加工度を大きくとることができ、再結晶時の駆動力となる加工歪みが蓄積し易く、また、加工熱により熱間圧延時の温度低下を抑制することができる。

熱間圧延終了時の材料温度は３００℃以上とするのが好ましく、３００℃未満では十分な再結晶組織が得られず、製品の４５°耳が高くなり、缶胴との巻き締め不良が生じ易くなる。また、強度が高くなり過ぎて成形性が低下する。

熱間圧延後、冷間圧延を行うが、本発明においては、熱間圧延後に中間焼鈍を行うことなく、また、冷間圧延の途中で中間焼鈍などの熱処理を行うことなしに、圧延加工度８５％以上９５％未満の冷間圧延を行ってＨ１９調質相当の強度を有する硬質圧延板とし、焼鈍時に使用するエネルギーを削減して製造コストの低減を図るのが好ましい。冷間圧延加工度が９５％以上では、冷間圧延パス数が増加し、板端部に割れが生じスリット工程が必要となるため製造上好ましくない。

得られたアルミニウム合金硬質圧延板は、缶エンドに絞り成形するが、絞り成形時、上記の圧延工程によって圧延集合組織が発達して、４５°耳が成長することにより相対的に０−１８０°耳が小さくなる。冷間圧延加工度が８５％未満では、絞り成形時、４５°耳は小さくなるが０−１８０°耳は小さくなり難い。

本発明の缶エンド用アルミニウム合金板においては、絞り成形時の４５°耳率は４．０％未満であり、０−１８０°耳率は４．０％未満、望ましくは３．０％未満、さらに望ましくは２．０％未満である。但し、４５°耳率および０−１８０°耳率は以下の式で求められる。４５°耳率（％）＝〔（山高さ平均−谷高さ平均）／｛（山高さ平均＋谷高さ平均）／２｝〕×１００、０−１８０°耳率（％）＝｛（０°、１８０°山高さ平均−全体の高さ平均）／全体の高さ平均｝×１００

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、その効果を立証する。なお、これらの本実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例１、比較例１
表１に示す組成のアルミニウム合金を半連続鋳造により造塊し、得られた鋳塊を表面切削後、５００℃で８時間の均質化処理を施し、タンデム圧延機で所定の板厚まで熱間圧延した。熱間圧延終了時の材料温度を表２〜３に示す。

ついで、表２〜３に示す冷間圧延工程に従って冷間圧延を行い、板厚０．２５ｍｍの冷間圧延板を得、得られた冷間圧延板に、缶蓋内面に相当する面に７μｍ厚さの塗装を施し、所定の温度で焼付けを行い、得られた塗装板を試験材として、板表面におけるＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物の面積占有率、Ｍｇ−Ｓｉ系晶出物の面積占有率、絞り成形時の４５°耳率、０−１８０°耳率を測定し、評価を行った。結果を表３に示す。なお、表１、表４において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。

表４に示すように、本発明に従う試験材Ｎｏ．１〜７はいずれも、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系晶出物およびＭｇ−Ｓｉ系晶出物の面積占有率が適正で、０−１８０°耳率は４．０％未満であった。

これに対して、試験材Ｎｏ．８はＭｎ量およびＦｅ＋Ｍｎ量が多いため、また試験材Ｎｏ．９はＦｅ量が多いため、いずれもＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物が多く、缶蓋の開口の安定性が低下するという問題があり、缶エンド材として十分な特性を有していない。試験材Ｎｏ．１０はＭｇ量が少ないため、缶エンドとして強度面で問題があり、また０−１８０°耳率も高くなっている。

試験材Ｎｏ．１１はＳｉ量が多いため、また試験材Ｎｏ．１２はＭｇ量が多いため、いずれもＭｇ−Ｓｉ系晶出物が多く且つ不均一に分布するため、缶蓋の開口の安定性が低下する。試験材Ｎｏ．１３はＭｎ量が少ないため、また試験材Ｎｏ．１４はＦｅ量が少ないため、いずれもＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物が少なくなる結果、熱間圧延終了時点で、結晶粒の方位がＣｕｂｅ方位へ集中するのを抑制する効果が小さく、０−１８０°耳率が高くなっている。

試験材Ｎｏ．１５はＭｇ量が少ないため、熱間圧延終了時点でのＣｕｂｅ方位への集中を抑制しきれず、０−１８０°耳が高くなるところであるが、冷間圧延の途中で中間焼鈍を行ったために０−１８０°耳を低く抑えることができている。しかし、Ｍｇ量および圧延加工度が小さいために、缶エンドとして十分な強度が得られない不具合がある。試験材Ｎｏ．１６は熱間圧延終了時の材料温度が低く十分に再結晶しないため、４５°耳が高くなっている。

Claims (5)

1. Ｍｇ：２．０％（質量％、以下同じ）を越え３．４％以下、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｆｅ：０．２８％以上０．６０％未満、Ｓｉ：０．０４〜０．２０％、Ｃｒ：０．０１％以上０．３０％未満、Ｃｕ：０．０１％以上０．２０％未満を含有し、且つＦｅとＭｎの合計含有量が０．６〜１．０％であり、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金硬質板であって、板表面におけるＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系晶出物の面積占有率が１．０％を越え３．０％未満、Ｍｇ−Ｓｉ系晶出物の面積占有率が０．２％未満であり、絞り成形時の４５°耳率が４．０％未満、０−１８０°耳率が４．０％未満であることを特徴とする異方性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板。但し、４５°耳率および０−１８０°耳率は下記の式で求められる。
   ４５°耳率（％）＝〔（山高さ平均−谷高さ平均）／{（山高さ平均＋谷高さ平均）／２}〕 ×１００、０−１８０°耳率（％）＝{（０°、１８０°山高さ平均−全体の高さ平均）／全体の高さ平均}×１００
2. 前記アルミニウム合金硬質板が、Ｍｇ：２．０％を越え３．０％未満、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｆｅ：０．３１％以上０．６０％未満、Ｓｉ：０．０４〜０．２０％、Ｃｒ：０．０１％以上０．３０％未満、Ｃｕ：０．０１％以上０．２０％未満を含有し、且つＦｅとＭｎの合計含有量が０．６〜１．０％であり、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項1記載の異方性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板。
3. 請求項１または２に記載のアルミニウム合金板を製造する方法であって、熱間圧延後、中間焼鈍することなく、８５％以上９５％未満の圧延率で最終製品厚さまで冷間圧延することを特徴とする異方性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板の製造方法。
4. 前記熱間圧延をタンデム圧延機により行うことを特徴とする請求項３記載の異方性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板の製造方法。
5. 前記熱間圧延を、３００℃以上の材料温度で終了させることを特徴とする請求項３または４記載の異方性に優れた缶エンド用アルミニウム合金板の製造方法。