東洋鋼鈑Vol.36

ポリエステル樹脂ラミネート鋼板のＤＩ製缶技術の確立−PETヘアに及ぼす材料特性の影響−
田屋慎一＊・甲斐政浩＊２・田辺純一＊３・土井博史＊４・堤悦郎＊５・佐伯則人＊６・戸丸秀和＊７

Application of Polyester Film Laminated Steel Sheet to DWI Can
Shinichi TAYA，Masahiro KAI，Junichi TANABE，Hiroshi DOI，Etsuro TSUTSUMI，Norihito SAIKI and Hidekazu TOMARU

Synopsis：Beverage cans are mainly produced through the drawing and wall ironing（DWI）process. After
DWI forming, the cans are generally washed and applied with paint-coatings.
In recent years, ecological concerns have been increasing all over the world. Therefore, one
subject for steel and can makers is to avoid using the substances in achieving reasonable costperformance. In this respect, we have tried to apply polyester ﬁlm laminated steel sheets to theconventional DWI process.
In this study, we focused on the inﬂuence of material properties, the strength of substrate andﬁlm adhesion strength and ﬁlm thickness, on PET-Hair（Filamentous trash of laminated polyester）
of DWI can using polyester ﬁlm laminated steel sheets.
Keywords：beverage can，ironing，laminated steel，environment，ecology

器用材料へのポリエステル樹脂プレコート材料の適用など１．緒言が進められている．東洋製罐グループでも同様に缶用材料と製缶技術の密接な関係を有する技術に関してTULC，地球規模での環境変化が問題として取り上げられるよう

aTULCを筆頭に容器用材料へのポリエステル樹脂プレコーになって既に久しく，問題は以前にも増して表面化し，今ト材料の適用を行い，塗装後の焼付工程で発生するCO2に日では省エネルギーや省資源化という従来の環境問題に関よる環境負荷の低減，塗料によっては塗料中に含まれるとする用語に加えて地球温暖化防止という言葉も常識としてされるBisphenol-A Diglycidyl Ether（ビスフェノールA定着している．また，日本のように工業的に発展しているジグリシジルエーテル，BADGE）等人体への影響が報告

国では地球温暖化防止に効果的なハイブリッドカーのようされている物質の低減など材料の製造プロセス（表面処理，な製品開発および製造工程での二酸化炭素排出量の低減な製缶）全体での高効率化を図ってきた１〜７）．

ど環境保護のための諸施策もまた企業の社会的責任の一つ

海外でもこれらの環境問題が顕在化しており，EUではとして既に常識となっている．

REACH法により有害物質または現時点で有害物質として飲料・食品容器の分野についても1990年代半ばから環境認定されている物質を含む製品の流通に関する規制が施

ホルモンの低減など環境保護に関わる技術開発が重視され行，また1996年以降京都議定書による温室効果ガスの削減るようになり，とくに金属容器の分野では薄ゲージ化，缶について数値目標を掲げて積極的な取組みが行われている．

側壁の薄肉化による材料利用量の低減，塗料の水性化，容本研究は,飲料缶の製造方法として最も一般的な加工方＊技術研究所 グループリーダー＊2 技術研究所 研究部長
＊3 技術研究所＊4 技術センター グループリーダー＊5 技術研究所 副主事＊6 東洋製罐㈱ 開発本部 メタル容器開発部長＊7 東洋製罐㈱ 開発本部 メタル容器開発部

15東洋鋼鈑法である絞り・しごき（Draw and Ironing，DI）加工へ

Vol.36⑵ぶりきのポリエステル樹脂ラミネート鋼板（以下，ラミネート鋼

冷延鋼板をアルカリ脱脂，硫酸酸洗後，フェロスタン浴板）の飲料缶へ適用する上で最大の課題である絞り，再絞により所定量の錫めっきを施し，電解クロム酸処理を行っり加工およびしごき加工で缶上端部に発生する糸状フィルた後，リフロー処理により錫めっき皮膜の溶融加熱処理をムくず（以下，PETヘア）について，その発生メカニズム行って供試ぶりき基材を作製した．基材のめっき皮膜構成の検証およびPETヘアに及ぼす材料特性（基材強度，基材をTable２，Fig．１⒝に示す．とPETの密着強度，被覆するポリエステル樹脂の厚み）の影響を検討した．

⑶Ni-Sn合金めっき鋼板
アルカリ脱脂，硫酸酸洗した冷延鋼板に電解によるNi-２．実験および数値解析方法

Sn合金めっきし，続いてTFSと同様のクロム水和酸化物を施して供試Ni-Sn合金めっき鋼板を作製した．基材のめっ２．１

き皮膜構成はTable２，Fig．１⒞に示すようにNi-Sn合金

供試材

２．１．１

基材

めっき皮膜中の約90％がNiである．

ラミネート金属板の基材として以下の４種類の材料を用いた．基材の化学組成および材料仕様（板厚，調質度，強⑷アルミニウム合金板度特性）をTable１に示す．

Table１に示すアルミニウム合金板（古河スカイアルミ⑴ティンフリースチール（TFS；Tin Free Steel，電解ク製）をアルカリ脱脂して，供試ラミネート金属板用の基材ロム酸処理鋼板）として用いた．

冷延鋼板をアルカリ脱脂，硫酸酸洗後，電解クロム酸処理（金属クロムめっき後，クロム水和酸化物を電解処理）⑸鋼板／アルミニウム箔およびアルミニウム板／鉄箔のクを施してTFSを作製した．基材のめっき皮膜構成をTable

ラッド材
表面活性化接合法により鋼板とアルミ箔およびアルミ板２，Fig．１⒜に示す．と鉄箔を常温接合したクラッド材料（以下，クラッド材とTable１ The speciﬁcation of testing materials

Table２ The speciﬁcation of surface treatment16

ポリエステル樹脂ラミネート鋼板のＤＩ製缶技術の確立−PETヘアに及ぼす材料特性の影響−〜Fig. １⒜Fig. １⒝ The coating composition of Tin Plate

The coating composition of TFS（Tin Free Steel，ECCS）

Fig. １⒞ The coating composition of Ni-Snalloy coating steel
Fig. １⒟ The cross section composition of sheet-foil clad materials

記す）をラミネート金属板用の基材として用いた．以下，ラフィン系ワックスを静電塗油し，製缶試験に供した．

クラッド材は接合する基材の厚い方をベース金属と見なし，鋼板とアルミ箔のクラッド材を鋼板ベースクラッド材，ア２．２

製缶試験

ルミ板と鋼箔のクラッド材はアルミベースクラッド材と記製缶試験は，ラミネート鋼板から円形のブランクを打ちす．鋼板ベースクラッド材に用いたベースの鋼板はTable抜き，浅絞りカップを作製するカッピング工程と作製した２に示したSampleT１のTFSであり，アルミ箔は純アルミ

浅絞りカップを再絞り後しごき加工するボディメーカの２系のO材である．また，アルミベースクラッド材に用いた工程からなるプレス加工により製缶を行った．以下にカッベースとなるアルミ板はTable２に示したSampleＡのアピングおよびボディメーカでの製缶工程を示す．

ルミニウム合金板であり，鉄箔（Iron Foil，IF）は電鋳箔を用いた．作製した２種類のクラッド材はともに接合した

２．２．１

カッピング

段階では箔側表面は表面処理を施していないので，基材とカッピングは，機械プレスTPL45Si（公称能力441kN，箔をクラッドした後に箔側に表面処理を施した．鋼板ベーAMADA社製）にて加工速度60spmで行った．Table３にスクラッド材のアルミ箔側にはフェノールジルコニウムのカッピング工程の加工条件を示す．

表面処理，アルミベースクラッド材の鉄箔側表面にはTFS相当のクロムめっきを施した．基材の構成をTable２，Table３ The condition of the drawing process（Cupping）

Fig．１⒟に示す．
２．１．２

ラミネート金属板製缶試験に供したラミネート鋼板は，ポリエチレンテレフタレート／イソフタレート共重合樹脂（PET ／ I）の無延伸フィルムを熱融着して作製した．これらのポリエステ

２．２．２

ボディメーカル樹脂フィルムは缶外面側には厚さ16㎛の白色フィルム，再絞りしごき加工は，ボディメーカ（型式B3 26，㈱東缶内面側には厚さ28㎛の透明フィルムを用いており，基材洋食品社製）を用いて液体潤滑剤（クーラント）を使用しと熱融着により積層してラミネート鋼板を作製した後，パないドライ条件下にて100spmの加工速度で行った．ボディ17

東洋鋼鈑Vol.36

メーカでの再絞りしごき加工はTable４の条件にて行い，２．４

しごき加工缶上端部の厚み減少率（リダクション率／％）※

２．４．１を10〜30％の間で変更した．

⑴フィルム

引張試験
供試材

※ここでの缶上端部のリダクション率は，しごき加工してラミネート前のフィルムから切出した幅５㎜ 長さ40㎜

いない再絞り缶の上端部厚みからの厚み減少率であり，一の短冊状の試験片について，引張試験機（オリエンテック

般に用いられる加工前の板厚に対するリダクション率とは製テンシロン万能試験機 RTC-1210A）を用いて，試験速異なる．

度3.3㎜/ s，温度75℃で行った．
⑵基材およびラミネート材料
基材およびラミネート材料の引張試験は，JIS Z 2241金

Table４ The condition of the redraw & wall
ironing process（Body Maker）

属材料引張試験方法によるJIS５号試験片を作製し，引張試験機（オリエンテック製テンシロン万能試験機 RTC500）を用いて，試験速度0.17㎜/ sにて室温（25℃）で行った．
２．４．２

缶側壁

⑴フィルム
２．３

フィルムの引張試験は，ラミネート前のフィルムから切評価方法

２．３．１

成形缶のPETヘア出した幅５㎜ 長さ40㎜の短冊状の試験片について，引張成形缶の評価はPETヘアの状態は目視，光学顕微鏡また試験機（オリエンテック製テンシロン万能試験機 RTC-

は電界放射型走査電子顕微鏡（FE-SEM；Field Emission1210A）を用いて，標点間距離20㎜，試験速度3.3㎜/ s，Scanning Electron Microscope）による外観観察および温度75℃で行った．

断面観察により評価した．
⑵基材
２．３．２

フィルムと基材の密着強度

基材の引張試験は，缶壁から幅15㎜ 長さ45㎜の短冊状基材に対するフィルムの密着性は，180 ピール試験によに切出し，フィルムをはく離した試験片について，引張試

り基材に対するフィルムの剥離強度を測定することで評価

験 機（ オ リ エ ン テ ッ ク 製 テ ン シ ロ ン 万 能 試 験 機 RTC-

した８）．180 ピール試験にはFig．２に示すような試験片を500）を用いて，試験速度0.17㎜/ sにて室温（25℃）で行った．

用いて，引張試験機（オリエンテック製テンシロン万能試

３．結果および考察

験機 RTC-1210A）により，試験速度0.17㎜/ sにて室温（25℃）でフィルムのみを剥離させたときの荷重をフィルムと基材の密着強度とした.

３．１

PETヘアに及ぼす材料強度の影響

Fig．３にFE-SEMにより観察した缶上端部の内面側フィルムの状態を示す．基材が鋼板，アルミ板に関わらず，何れの場合もラミネートしたフィルムが缶上端部より外側へ押出されている．基材がTFSであるSample T１〜３では，缶上端部のリダクション率の増加に伴ってラミネートしたフィルムへのダメージが大きくなっており，缶上端部リダクション率が15％以上では調質度によらず全ての条件でフィルムが破断してPETヘアが発生している．また，基材のより軟らかいT-１のラミネート鋼板（Sample T１）では，他のDRテンパーの２種類と比較してしごき成形でのラミネートフィルムの損傷が少なく，PETヘアが軽減されている．これに対して，アルミ板のラミネート材Sample Aでは同じ厚みのPETフィルムをラミネートしているにも関わFig. ２ Model of 180 peeling test

らずPETヘアは発生していない．このように缶上端部では，パンチの進行方向に対して後方側に材料を拘束するものがないため構成材料の材料強度により基材，PETフィルムの変形量が異なり，基材に比べて材料強度の低いPETフィルムが選択的に変形するものと推測される．そこで，各成形

18ポリエステル樹脂ラミネート鋼板のＤＩ製缶技術の確立−PETヘアに及ぼす材料特性の影響−工程での基材およびフィルムの強度特性を調査した．

ボディメーカにてリダクション率20％しごき成形した後のTable５に各成形工程での基材および缶側壁内面側のフィ缶上端部FE-SEM写真をFig．４に示す．鋼板ベースクラッルムの強度を示す．Fig．３のPETヘアの状態は，Table５

ド材では，缶の内面外面ともにフィルムが破断しており，の再絞り缶（Redraw can wall）の側壁強度との相関が高PETヘアが発生した．これに対して，アルミ板ベースのクく，基材強度の上昇に伴いPETヘアが発生しやすいことがラッド材では，缶の内面外面ともにリダクション率20％の分かる．また，前述の缶上端部での各構成材料の変形挙動しごき成形後もPETヘアは発生していない．Fig．５に前記と併せて考察すると，基材が鋼の場合はラミネートした

試験後の缶側壁断面の写真を示す．鋼板ベースクラッド材

フィルムと基材の強度差が大きく缶上端部近傍では基材にでは前述の通り缶内面側のフィルムが破断してPETヘアと対して強度の低いフィルムが選択的に変形し，その結果缶して脱落していることに加えて，鉄箔に比べて強度の低い上端部直下でフィルム自体が破断してPETヘアになると考アルミ箔もフィルムと同様に後方に押出されているのが分えられる．

かる．アルミ板ベースのクラッド材では，鉄箔側（内面側）

PETヘアに及ぼす材料強度の影響についての確認のための基材とフィルムの密着力が弱いため，フィルムが後方に

鋼 板 ベ ー ス ク ラ ッ ド 材（ 鋼 板 と ア ル ミ 箔 の ク ラ ッ ド

押出されているがフィルムが破断するまでには至っておら材,Sample CL-S），アルミ板ベースクラッド材（アルミ板ず，材料強度の高い鉄箔はアルミ基材よりも変形量が小さと鉄箔のクラッド材，Sample CL-A）のラミネート材をいことが分かる．

Fig. ３ SEM micrograph of the surface of can top edge（inside）
Table５ Mechanical properties of the materials after each process

I

Fig. ４ SEM micrograph of the surface of can top edge，20％ reduction ratio

19東洋鋼鈑Vol.36

Fig. ５ Sectional view of the surface of can top edge，20％ reduction ratio

３．２ PETヘアに及ぼす基材とフィルムの密着強度の影響

側壁についても十分な密着力が保たれており，密着強度はTable６に基材の表面処理を変更したラミネート供試材

フィルムの破断強度以上である．また，Fig．６にはボディについて製缶試験したときの各成形工程での基材とフィルメーカにて缶上端部のリダクション率が20％となるようにムの密着強度の関係を示す．Table６のフィルム剥離強度成形したときの缶上端部の外観写真を示す．TFS，ぶりきの値で網掛けになっている数値は，フィルムが剥離できずではしごき成形によりPETヘアが発生しており，PETヘアに破断したものであり，基材とフィルムの密着力がフィルの程度は基材とフィルムの密着力の低下とともに悪化してムの破断強度以上であることを示している．TFS，ぶりきいる．これに対して，ニッケル錫合金めっきしたラミネーのラミネート材に関しては，加工前が基材とフィルムの密ト材の場合，成形後の密着力低下がみられないサンプル

着力が最も高く，成形が進むに伴って密着強度が低下する（Sample NS２，NS３）については缶上端部のリダクショ傾向にある．とくに，ぶりきラミネート材では成形に伴うン率20％のしごき成形を行ってもPETヘアが発生しない．

基材とフィルムの密着力の低下が大きいことが分かる．

以上のような缶側壁のフィルム密着強度向上によるPETヘTFS，ぶりきに比べてニッケルと錫の合金めっきしたラミア低減の効果は，缶側壁の密着力がフィルム強度より高いネート材では，成形に伴う基材とフィルムの密着力の低下ためフィルム自体が選択的にパンチの進行方向に対して後がほとんど見られず，ボディメーカでのしごき成形後の缶方側に押出されにくいことによるものと考えられる．

Table６ Inﬂuence the adhesion speciﬁcation of surface treatment※hatching:Film breaking（Film strength＜Adhesion）

Fig. ６ Inﬂuence of surface treatment（ﬁlm adhesion）on PET-Hair（can inside）

20

ポリエステル樹脂ラミネート鋼板のＤＩ製缶技術の確立−PETヘアに及ぼす材料特性の影響−

Fig. ７ SEM micrograph of the can wall surface of substrate removed laminated ﬁlm（inside）

Fig. ８ Eﬀect of using thinner ﬁlm on reducing of PET-Hair

このようなニッケル錫合金めっきラミネート材の基材と４．結フィルムの密着力を向上させるメカニズムを検証するため

言にめっき後の基材表面およびしごき成形後の缶側壁の基材
表面をTFSのめっき表面および缶側壁の基材表面と比較しポリエステル樹脂ラミネート鋼板をDI缶へ適用にするてFE­SEMにて観察した．Fig．７に示すようにニッケル上で課題となる缶上端部の糸状のフィルムくず（PETヘア）

錫合金めっき後の基材表面には，0.3㎛以下の微細な突起に及ぼす基材強度，基材とフィルムの密着力，フィルムのが均一微細に分布している．また，缶側壁の基材表面では厚みなどの材料特性の影響について検証した．

めっき皮膜自体が極めて微細に割れている様子が観察され得られた結果をまとめると以下の通りである.

た．このようにニッケル錫合金めっきした基材の表面形態⑴缶上端部ではパンチ進行方向に対して後方側に材料を拘のアンカー効果により，しごき成形後も十分なフィルム密束するものがないため，金属である基材に比べて強度の着力が得られたものと推測される．これに対して，TFSで低いポリエステルが選択的に変形する．このような現象

はめっき皮膜が約50nmと非常に薄膜であるため，めっきは基材が鋼板の場合とくに顕著であり，ラミネート鋼板

後の基材表面形態の変化は極僅かであり，成形後の缶側壁のＤＩ成形におけるPETヘア発生の要因となる．

もまた同様である．

⑵表面処理により基材と缶側壁のフィルムの密着強度を向上させることにより，缶上端部フィルムの選択的変形を３．３軽減し，フィルムがパンチ進行方向に対して後方に押出PETヘアに及ぼすフィルム厚みの影響されにくくなるためPETヘアを低減できる．

Fig．８に厚みの異なる２種類のフィルムラミネート材のしごき成形試験結果を示す．図のようにラミネートする⑶ラミネートするフィルム厚みを薄くすることにより，しフィルム厚みを薄くすることにより，しごき成形の過程でごき成形の過程で材料強度が低く選択的に変形するフィ

材料強度が低く選択的に変形するフィルムの体積を小さくルムの体積を小さくできるため，PETヘアを低減できる．

できるため，PETヘアを低減できることが分かった．つまりフィルムと基材の密着強度が等しい場合，しごき成形によるせん断力が作用するフィルム表面と基材へのフィルム

引用

文

献の密着力を発現する基材とフィルムの接合面の距離が近い

１）わが国における缶用表面処理鋼板の技術史，日本鉄鋼協会，方がしごき成形のせん断力に対するフィルムの変形抵抗が（1998），129向上するためと考えられる．

２）志水慶一，表面科学，56（2001），93３）田中厚夫，英 哲広，古城治則，乾 恒夫，鉄と鋼，72（1986），301

21

東洋鋼鈑４）小林亮，小林具実，今津勝宏，平成５年塑性加工春季講

演会講演論文集，（1993），581
５）志水慶一，田辺純一，国繁文男，池田保之；東洋鋼鈑，32（2000），９
６）森田俊一，岩下寛之，田中厚夫，寺内文子：鉄と鋼，86（2000），
171７）田屋慎一，岩元暢宏，池田保之，有松裕治，志水慶一：東洋鋼鈑，33（2002），23
８）中林美保，石田正説，松原政信，小林聡，林田貴裕，毎田知正：東洋鋼鈑，35（2004），１22

Vol.36