(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３ピース缶の缶胴溶接部およびその周辺に存在する板厚方向に硬度差を有する領域が、板厚方向の硬度分布について溶接部硬度が素材硬度との関係で下記（１）式を満たす層の厚みａと下記（２）式を満たす層の厚みｂが下記（３），（４）式を満たすことを特徴とするフランジ成形性に優れた３ピース缶。
０．８≦（溶接部硬度）／（素材硬度）≦１．２        ………（１）
０．８＞（溶接部硬度）／（素材硬度）あるいは
（溶接部硬度）／（素材硬度）＞１．２        ………（２）
ａ／（ａ＋ｂ）≧０．０５                            ………（３）
ｂ／（ａ＋ｂ）≧０．０５                            ………（４）
【請求項２】
板厚方向の硬度分布が鋼板中心に対称であることを特徴とする請求項１記載のフランジ成形性に優れた３ピース缶。
【請求項３】
請求項１の（１）式を満たす層が表層に存在することを特徴とする請求項１または２記載のフランジ成形性に優れた３ピース缶。
【請求項４】
３ピース缶の缶胴溶接部およびその周辺に存在する板厚方向に硬度差を有する領域が、板厚方向の硬度分布について溶接部硬度が素材硬度との関係で下記（１）式を満たす層の厚みａと下記（５）式を満たす層の厚みｃ、および下記（６）式を満たす層の厚みｄが下記（７），（８）式を満たすことを特徴とするフランジ成形性に優れた３ピース缶。
０．８≦（溶接部硬度）／（素材硬度）≦１．２        ………（１）
０．８＞（溶接部硬度）／（素材硬度）                ………（５）
１．２＜（溶接部硬度）／（素材硬度）                ………（６）
ｃ／（ａ＋ｃ＋ｄ）≧０．０５                        ………（７）
ｄ／（ａ＋ｃ＋ｄ）≧０．０５                        ………（８）
【請求項５】
板厚方向の硬度分布が鋼板中心に対称であることを特徴とする請求項４記載のフランジ成形性に優れた３ピース缶。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は食品缶、飲料缶に代表される容器に利用される３ピーススチール缶に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
飲料缶、食品缶については、安価な製缶設備コスト、缶強度などの点から、缶胴部を溶接、接着などによる円筒で形成し、これに缶蓋、缶底を接合する３ピース缶が広く用いられている。缶蓋、または缶底と胴部との接合は通常、捲き締めにより行われるため、胴部の開口端は缶胴の直径外側に向かい延伸されるフランジ成形と呼ばれる加工を受ける。この成形の際には、フランジ部に内容物漏れの原因となる割れ、一般にフランジクラックと呼ばれている欠陥を生じにくいことが求められる。３ピース缶では缶胴の形成時に溶接または接着部において鋼板の重なりが生じ板厚の変動が大きくなるためフランジ成形時に板厚が薄い部分に応力が集中し割れが発生し易い。特に溶接缶では溶接時の発熱により溶接部の材料特性が変化し、フランジ成形性を劣化させる原因となっている。
【０００３】
一方、容器用鋼板は低コスト化の観点から薄手化の方向にあり、鋼板の延性は劣化することとなるため極薄でもフランジ成形性の良好な鋼板が求められている。また、極薄材は連続焼鈍時にヒートバックルと呼ばれる鋼板の腰折れを起こし易いため通板性が非常に悪く、生産性が著しく阻害されている。
【０００４】
この課題を解決するため、焼鈍時は板厚を最終製品より厚くして通板し、焼鈍後に再冷延で目標とする板厚を得る、いわゆるＤＲ法（ダブルレデュース法）によるＤＲ材が特開平３−２５７１２３号公報、特開平２−１１８０２６号公報などに開示されている。しかし、再冷延による鋼板の延性劣化は避けられないためフランジ成形性の点では不利であり、特に溶接部においては溶接時の発熱のため材料の回復、再結晶による材料の軟化が起きフランジ成形時の応力集中を大きくし、フランジ成形性が劣化する場合もある。
【０００５】
このＤＲ材での溶接部の軟化に対しては特開昭５８−１６４７５２号公報、特開昭５９−８９７１８号公報などに素材の粒径を粗大化することで再結晶すなわち軟化を抑制してフランジ成形性を向上する方法が開示されている。また、特開平２−１１８０２８号公報には固溶Ｃ，Ｎの低減やランクフォード値の向上によるフランジ成形性の向上策が開示されている。また、特開昭６３−８９６２５号公報においてはＮｂ，Ｂの添加により粒径を微細化してフランジ成形性を向上させる技術が開示されている。さらに特開昭６１−３４１５９号公報にはセメンタイトを微細化してフランジ成形性を向上させる技術が、特開昭６３−３１０９２２号公報には過時効熱処理条件を特定してフランジ加工性を向上させる技術が開示されている。一方、特開昭６３−３１７６２５号公報には自動車用鋼板のスポット溶接において溶接による熱影響部の軟化が割れの原因であるとして、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｂ添加による溶接部の強度を上げてこれを回避する技術が開示されているが、極薄材料では溶接部強度が高いと素材部での割れが顕著になりフランジ成形性は劣化してしまう。
【０００６】
以上のようにフランジ成形性の向上については特性の向上メカニズムが明確でなく様々な対策がとられているが、これらの方法では粒径の制御や固溶元素の固定、ランクフォード値を上昇させるなど材質の造り込みに制約があり、また要求されるフランジ成形性を十分に満足しているとはいえない。
また、今後、素材の低コスト化、焼鈍工程の生産性向上のため特願平６−１５５９４６号で出願したような圧延ままの素材（フルハード材）を３ピース缶用に使用する場合にはＤＲ材以上に溶接部での軟化が大きく、より激しいフランジ成形性の劣化が懸念される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は３ピース缶のフランジ成形時に問題となる応力集中に注目し、これに起因した溶接部での割れを低減しフランジ成形性を向上させるものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、３ピース缶のフランジ成形時に応力集中が起き易い溶接部およびその周辺の材質について素材に応じた溶接条件を適切に設定し、溶接部およびその周辺の領域に板厚方向に硬度差を生じさせることで、円周方向の応力集中を緩和し、フランジ成形性を向上させるものである。
【０００９】
【作用】
以上、本発明を詳細に説明する。
本発明は３ピース缶として用いられる素材に応じ、溶接時の電流、速度、極輪の温度、溶接直後の冷却などの条件を適当に制御し、３ピース缶用胴部として溶接後の溶接部において板厚方向に材質的な差異を生じさせることによりフランジ成形性を向上させるものである。材質の評価としては断面硬度が適当と考えれられるので以下、断面硬度を指標とした。
【００１０】
図２には通常の３ピース缶で見られる溶接部断面（図１参照）での硬度分布の一例を示す。素材は低炭素アルミキルド鋼の焼鈍、調質圧延板で溶接部は高温への加熱後にかなり早い速度で冷却されるため焼入れにより硬化している。同じ低炭素アルミキルド鋼でもＤＲ材においては素材自体は圧延による加工硬化のため硬質化しており、溶接部周辺は溶接時の熱影響により再結晶、粒成長のため軟化するのが溶接中心部は焼入れにより硬化するため、溶接部周辺に軟化した部位が現れる。また、極低炭素鋼のフルハード材を素材とした場合は、溶接部は再結晶のため大きく軟化したような硬度分布になる。これら従来の方法によるものでは、いずれの場合もフランジ成形時に硬度変化が大きい部位に応力集中が起き、軟らかい材料側で亀裂が発生し、フランジ成形性を低下させる要因となる。
【００１１】
これらに対して本発明においては溶接条件を制御し、鋼板表面での硬度を低下または上昇させ、溶接部の板厚方向に材質差を有するようにすることでフランジ成形性を向上させる。すなわち本発明による方法では材料板厚方向に応力集中を緩和するような硬度差を持つ領域の存在による缶周方向での応力集中の緩和を狙う。単純な場合を考えると、溶接部が全体として素材より軟化している場合に、表層を硬化することで溶接部の変形が抑制され成形性の向上をもたらす。逆に溶接部が硬化する場合は、表層を軟化することで溶接部の延性を向上させ割れの発生を抑制する。これらは板厚平均で考えれば、溶接部表層を軟化または硬化させることにより板厚平均として素材との強度差を小さくすることで応力の集中を緩和しているといえる。一例として焼きが入りにくい極低炭素成分のフルハード材を素材とし溶接中心部で再結晶による軟化が起き易い場合には、溶接極輪の冷却を良好にすることで、溶接時に極輪と接している溶接部表層の温度上昇を最小限にとどめ、表層部の回復、再結晶による軟化を抑止する方法がある。この場合の硬度分布の例を図３に示す。また、焼鈍後、調圧程度の圧下だけが施された比較的軟質な低炭素アルミキルド鋼の場合には溶接部での焼入れによる硬度上昇が起き易くなるが、表層の温度上昇をＡ３  変態点以下に抑えることで焼入れを回避し表層部の軟質化を図ることが有効となる。
【００１２】
さらに様々な板厚方向硬度分布について検討した結果、フランジ成形性向上効果を十分に得るには、硬質層または軟質層は全体の板厚の５％以上必要であることがわかった。また、溶接部が全体として硬化または軟化する場合に、応力集中を緩和するため特定深さに形成される層は全体としての傾向と逆、すなわち全体が硬化するなら軟化層、全体が軟化するなら硬化層というように素材以上に過度に軟化または硬化しているよりも素材硬度に近い硬度を持つ方が成形性は向上することが明らかになった。この場合の素材に近い硬度は素材硬度との差が素材硬度の２０％以内が良好となる。さらに、上記のように応力集中を緩和するために形成する層は板の内部より表層にある方が、また板中心について対称である方が効果が大きくなり望ましいことを知見した。
【００１３】
以上のような板厚方向に材質差を形成するには様々な方法が考えられるが、最も簡便なものとして、例えば溶接後の冷却速度を変化させる方法が考えられる。これについては溶接極輪直後の冷却用極輪による方法や冷却媒の吹き付けなどが考えられるが、これも含めて板厚方向に硬度差を生じさせる方法は特に限定されるものではない。
【００１４】
素材となる鋼板については特に限定されるものではない。上記のように成分系としてアルミキルド鋼、極低炭素鋼または必要により特定の元素を添加しても、また製造工程の違いとしても焼鈍材、ＤＲ材、フルハード材にかかわらず本発明のごとく溶接部の板厚方向に適当な材質差を生じさせることにより効果は得られる。素材は必要とされる缶強度、コスト、板厚および鋼板製造工程での生産性などにより任意に選択が可能である。
【００１５】
また、通常、本発明鋼板は表面処理鋼板用の原板として使用されるが、表面処理により本発明の効果は何ら損なわれるものではない。缶用表面処理としては通常、錫、クロム（ティンフリー）などが施される。また、近年使用されるようになっている有機皮膜を貼ったラミネート鋼板用の原板としても発明の効果を損なうことなく使用できる。
【００１６】
【実施例】
表１に示す各成分の鋼について表２に示す製造工程により最終板厚０．２０ｍｍ〜０．１０ｍｍの鋼板を製造した。３ピース缶での缶胴の溶接は、本発明者らの実験室の缶成形機により実際の缶成形と同様の工程で行った。溶接した缶胴について、ネック成形およびフランジ成形を行った。ネック成形性についてはネック成形時のしわ発生割合およびその程度を同時に成形した従来材と比較した。フランジ成形性についてはスピンフランジング成形法によりフランジ出しを行い、図３に示すフランジクラックの発生までの限界フランジ出し長さを従来材と比較した。表２に結果を示す。
【００１７】
尚、表２において、
「冷延率」は熱延後の一次冷却、「再冷延率」は焼鈍後行った圧延の圧下率で、公称歪（％）。
「鋼種」はＳＰ／焼鈍、調圧材、ＤＲ／ＤＲ材、ＦＨ／フルハード材。
「全体」は通常の溶接条件において溶接部が素材に比較し硬／溶接部硬化、軟／溶接部軟化。
「構造」は溶接部での板厚方向硬度分布において、下に述べるａ層、ｃ層、ｄ層により
Ｉはａ層とｃ層、またはａ層とｄ層の二層構造。
ＩＩはａ層、ｂ層、ｃ層の三層構造。
すなわち「ａ」「ｃ」「ｄ」は
０．８≦（溶接部硬度）／（素材硬度）≦１．２…ａ層
０．８＞（溶接部硬度）／（素材硬度）        …ｃ層
１．２＜（溶接部硬度）／（素材硬度）        …ｄ層
とし、各層の全厚に対する比を％で示す。
「対称」は溶接部の板厚方向硬度分布が板厚中心について対称／○、非対象／×。
「表層」は二層構造の場合、ｃ層またはｄ層が表層に存在する場合に○。
「フランジ成形」はスピンフランジング成形法におけるフランジクラック発生までの限界フランジ出し長さ（ｍｍ）である。
【００１８】
同一素材について硬度分布が異なるものは主として溶接条件、特に溶接後の冷却速度により溶接部の硬度を制御したもので、急冷により硬化、緩冷により軟化させた。これらの結果から明らかなように溶接部における板厚方向の硬度分布が本発明の範囲内となるように製造されたものは良好なフランジ成形性を示している。
【００１９】
【表１】
0003553162.tif 000002
【００２０】
【表２】
0003553162.tif 000003
【００２１】
【発明の効果】
以上述べたごとく本発明によれば、素材によらずフランジ成形性が良好な３ピース缶を得られる。また、本発明によれば溶接部が変形を受ける際の応力集中が緩和されるためネック加工におけるしわの発生も低減する。また、本発明は素材に応じた溶接条件の制御により発明の効果を得ることができる、すなわち素材を限定する必要がないため、極薄容器用材料など難製造材についても鋼板の製造側は生産性が最適な製造工程を選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】３ピース缶溶接部断面形状を示す模式説明図である。
【図２】溶接部近傍の缶周方向の硬度分布を表す図である。
【図３】溶接部近傍の鋼板表面から１／１６ｔ，１／８ｔ，１／２ｔの深さの缶周方向の硬度分布を表す図である。
【図４】３ピース缶のフランジ成形を示す図である。
【図１】
0003553162.tif 000004
【図２】
0003553162.tif 000005
【図３】
0003553162.tif 000006
【図４】
0003553162.tif 000007