專利名稱:冷拔和擠拉法加工罐頭盒用的簿鋼板的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于冷拔和擠拉加工(DI)罐頭盒所用的薄鋼板，尤其是改善了DI加工性，耐模具磨損性和耐腐蝕性的DI罐頭盒用的鍍錫薄鋼板。
在整個說明書中，術(shù)語“薄鋼板”指的是鍍覆前的黑色板材或鍍覆后除去鍍層的黑色板材;術(shù)語“鍍覆薄鋼板”指的是鍍覆黑色板材得到的板材;術(shù)語“DI罐頭盒”指的是通過將薄鋼板或鍍覆薄板鋼冷拔和擠拉得到的兩片罐頭盒，術(shù)語“DI加工性”指的是DI加工的難易度。
DI罐頭盒用于充裝碳酸化飲料或其它飲料。DI罐頭盒所用的鍍覆薄板是依次經(jīng)過冷軋后使覆薄鋼板退火;將退火板材通過毛面輥進(jìn)行平整;然后將其鍍覆而制造出來的。
鍍錫不僅覆予了薄鋼板耐腐蝕性，而且錫還在DI加工中起著潤滑劑的作用。近來，鍍錫量的降低對于降低DI罐頭盒的生產(chǎn)成本起到促進(jìn)作用。
對于DI罐頭盒所用的鍍覆薄鋼板，要求有優(yōu)良的DI加工性和耐腐蝕性以及減少模具的磨損，但由于鍍錫量減少，致使這些性能降低。也就是說，降低鍍錫量使?jié)櫥阅芟陆?，以致降低了DI加工性，并且由此致使模具壽命縮短，耐腐蝕性也就自然而然地降低。
為了解決這些問題，已提出了幾種方法。例如，日本專利申請公開54-150，311中提出了DI罐頭盒所用的鍍覆薄鋼板的生產(chǎn)方法，即將薄鋼板通過經(jīng)放電加工或噴丸處理得到的毛面輥進(jìn)行平整，然后再鍍錫。這篇文章公開了當(dāng)毛面輥表面粗度小于1.5μm時，加工能耗降低，但DI罐頭盒底部的外觀和防銹性變差。該篇文章還公開了當(dāng)表面凹凸(粗糙)的切割層小于1.2μm時，錫的附著力變小，以致降低了潤滑性，而超過1.30μm時，附著力肯定得到增強(qiáng)，但從經(jīng)濟(jì)的角度來看，這種增強(qiáng)作用很小，不合要求。而且，該篇文章還公開了當(dāng)表面凹凸的PPI(峰/英寸)小于200時，每峰的截面積變大，因此由于擠拉加工帶來的硬化便顯得引人注目，而且加工能耗提高，這很不利。
從上述情況看，很明顯，當(dāng)毛面輥滿足表面粗度1.50～3.50μm時，切割層1.20～1.30μm及PPI小于200時，得到的DI罐頭盒所用的鍍覆薄鋼板可提高DI加工性和模具壽命。
另外，日本專利申請公開55-158838公開了通過將DI罐頭盒所用的鍍覆薄板的表面粗度限制在不大于20M(RMS)的程度并將磨擦系數(shù)不大于0.12的油涂覆到板材上可使模具壽命和剝離性得到改善，這是因為當(dāng)鍍覆薄鋼板的表面粗度變小時，錫覆蓋率變大，模具的磨損降低，而當(dāng)表面粗度變大時，又改善了剝離性。
另一方面，日本專利申請公開55-50485公開了由于表面粗度變大，而改善了DI加工性;但在DI加工中，鐵在鍍覆薄板的凸起部位暴露出來，使耐腐蝕性降低。因此，在這篇文章中，黑色板材(薄鋼板)的表面粗度(Ra)限制到Ra≤0.4μm，而且預(yù)定深度2μm的PPI與預(yù)定深度0.25μm的PPI之比限制在不大于0.05，從而解決了上面的問題。
從以上可明顯看出，這些傳統(tǒng)的方法不是一種同時滿足所有性質(zhì)例如DI加工性、耐模具磨損性、耐腐蝕性等等的工藝技術(shù)。也就是說，如果打算通過任意一種傳統(tǒng)方法同時達(dá)到所有的性質(zhì)，那么便會產(chǎn)生以下的矛盾現(xiàn)象。
當(dāng)表面粗度變小時，由于凸起部位很少，防止了DI工件凸起部位的鐵(黑色板材)的暴露，改善了耐蝕性，同時錫的覆蓋率得到提高，減少了模具磨損，但在加工中產(chǎn)生的磨掉的錫粉夾在模具(和/或沖床)和鍍錫薄鋼板之間的接觸面上導(dǎo)致磨損，這是由于磨掉的錫粉不能脫離凹陷部位致使吸收性變差。由此，在鍍錫薄鋼板中產(chǎn)生劃傷和熔結(jié)，降低了質(zhì)量和加工性。
相反，當(dāng)表面粗度增大時，加工能耗降低，改善了DI加工性和剝離性，但錫的覆蓋率減少，致使模具磨損增大，而且由于暴露出鐵，使耐蝕性變差。當(dāng)表面粗度過大時，除了上述問題外，還會破壞罐頭盒底部的外觀。
因此，本發(fā)明的目的是解決產(chǎn)生上述矛盾現(xiàn)象的上述問題并提供改善了DI加工性、耐模具磨損性和耐蝕性的DI罐頭盒所用的薄鋼板。
為了達(dá)到上述目的和其它目的，按照本發(fā)明DI罐頭盒所用的薄鋼板滿足下述要求(ⅰ)～(ⅲ)(ⅰ)中心線平均表面粗度Ra介于0.1～4.0μm;
(ⅱ)構(gòu)成表面粗度的微觀形狀包括(a)具有平頂面的不規(guī)則四邊形凸起部位，(b)包圍全部或部分凸起部位的溝紋狀凹陷部位，以及(c)在凹陷不位外的凸起部位之間形成中間平坦部位，以高于凹陷部位的底部和低于或等于凸起部位的頂面;以及(ⅲ)滿足下列關(guān)系式1.0≤Sm/D≤1.730μm≤d≤500μm其中Sm是毗鄰的凸起部位間的平均中心距，D是在凹陷部位的外緣的平均直徑，d是在凸起部位的平頂面的平均直徑。
下面將參考本發(fā)明，其中圖1是按照本發(fā)明于平整薄鋼板的工作輥的部分放大的剖視圖;
圖2是圖1的工作輥的表面凹凸的斷面的剖視圖;
圖3是圖2的平面圖;
圖4是表明圖1-3所示的工作輥對DI罐頭盒所用的薄鋼板進(jìn)行平整的狀態(tài)的剖視圖;
圖5是表面DI罐頭盒所用的薄鋼板在平整后表面凹凸斷面的剖視圖;
圖6是圖5的平面圖;
圖7a是表明在通過傳統(tǒng)的噴丸處理毛面加工工作輥的表面中凸起高度的分布圖;
圖7b是表明在通過傳統(tǒng)的放電加工毛面加工工作輥的表面中凸起高度的分布圖;
圖8是說明用通過傳統(tǒng)的方法毛面加工工作輥平整后的毛面薄鋼板的表面斷面的剖視圖;
圖9是說明按照本發(fā)明DI罐頭盒所用的鍍錫薄鋼板受到DI加工的狀態(tài)的剖視圖;
圖10是表明按照本發(fā)明的DI罐頭盒所用的薄鋼板的形狀、其功能和效果的關(guān)系圖，圖11是部分平面圖，它表明了在按照本發(fā)明的DI罐頭盒所用的薄鋼板中凹陷部位的外緣直徑、頂面直徑和毗鄰頂面間的平均中心距的關(guān)系;
圖12是剖視圖，它表面了凹陷部位的外緣直徑、毗鄰?fù)鬼斆骈g的平均中心距和對于磨掉的粉末的吸收性的關(guān)系;
圖13是表明本發(fā)明和傳統(tǒng)方法中的中心線平均表面粗度和擠拉負(fù)荷之間的關(guān)系圖;和圖14是表明本發(fā)明與傳統(tǒng)方法的中心線平均表面粗度和鐵洗提量之間的關(guān)系圖。
按照本發(fā)明，DI罐頭盒所用的薄鋼板受到通過高密度能源(例如激光柱等)毛面加工的工作輥的平整，從而將表明表面粗糙的凸起部位的頂面制成平臺，凸起部位間形成許多中間平臺部位。因此，從各方面看毛面薄鋼板的表面優(yōu)于通過傳統(tǒng)的噴丸處理和放電加工工藝毛面粗化的表面，既使板材按如下方法鍍錫和DI加工，也是如此。
也就是說，甚至在表面粗度很大時，由于許多平臺部位存在于薄鋼板中，致使在鍍錫薄鋼板中錫覆蓋率很高，降低了模具磨損。而且，凸起部位的頂面是平臺，結(jié)果沒有因鐵的暴露引起耐蝕性下降低，而且DI加工性是令人滿意的。另一方面，即使當(dāng)表面粗度很小，由于薄鋼板中存在溝紋狀凹陷部位和中間平臺部位，致使對于磨掉的粉末的吸收性良好。另外，當(dāng)粗度變得更大時，由于薄鋼板中存在許多平臺部位，與用傳統(tǒng)噴丸工藝和放電加工工藝毛面加工的工作輥平整后的鍍錫薄鋼板相比，得到的鍍錫薄鋼板的光的不規(guī)則反射率較小，而且罐頭盒底部的外觀良好。
下面將更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
〔1〕用于制造按照本發(fā)明的DI罐頭盒所用的薄鋼板的工作棍的毛面加工。
首先，本發(fā)明將就使用的工作輥毛面加工的裝置來描述，所述毛面加工是對按照本發(fā)明DI罐頭盒所用的薄鋼板進(jìn)行平整的準(zhǔn)備階段。毛面工作輥是用來平整薄鋼板以制成按照本發(fā)明的DI罐頭盒所用的薄鋼板的輥。
用于平整的工作輥是通過高密度能源(例如，如下所述的激光)毛面加工的。
激光脈沖發(fā)射到旋轉(zhuǎn)工作輥的表面，依次熔融暴露在激光下的輥的表面部位，從而在輥表面上有規(guī)則地形成火山狀的凹凸部位。圖1剖面顯示了一部分毛面加工的輥面，其中數(shù)標(biāo)1是一個在工作輥3上形成的火山狀的凹凸部位(以下簡稱作火山口)。輥的熔融基體金屬在火山口1(周圍以環(huán)狀從輥3表面層向上隆起，形成一個凸緣狀隆起部位2(以下簡稱凸緣)。而且，連凸緣2在內(nèi)的火山口1的內(nèi)壁層是對輥的基體金屬結(jié)構(gòu)4的熱影響區(qū)。
毛面工作輥3表面的粗糙狀態(tài)示于圖2和3。從圖2和3中可看出，凸緣2外毗鄰火山口1間的部位為對應(yīng)于原軋輥表面的平坦表面6。而且，毗連火山口1間相互距離可進(jìn)行調(diào)整，其方法是針對輥3在其轉(zhuǎn)動方向上的速度而調(diào)節(jié)激光脈沖的頻率并就每一次轉(zhuǎn)動而在輥3的軸向調(diào)節(jié)激光輻射位置的移動間距。
盡管本發(fā)明是就激光用作高密度能源而進(jìn)行說明的，但用等離子體和電子束也能得到類似結(jié)果。
在這一實施方案中，工作輥用高密度能源進(jìn)行毛面加工。而且，如上述具有火山口1，凸緣2和平坦部分6的工作輥也可由其它方法制成，即本發(fā)明DI罐頭盒所用薄鋼板的特征是上述粗糙表面本身，而不是制造可加工出此粗糙表面的毛面工作輥的方法。
〔2〕用毛面工作輥平整薄鋼板以將毛面構(gòu)型轉(zhuǎn)移薄鋼板上制成DI罐頭盒用薄鋼板。
薄鋼板(如退火等之后的冷軋薄鋼板)在平整工序中用上述毛面工作輥輕軋，從而將工作輥表面上的毛面構(gòu)型轉(zhuǎn)移到薄鋼板表面上，從而形成粗糙表面。
當(dāng)觀察平整薄鋼板表面的微觀結(jié)構(gòu)時，如圖4所示，輥3表面上火山口1周圍高度均勻的凸緣2于高壓下壓向薄鋼板7的表面，于是在比輥3軟的薄鋼板7的表面上引起材料局部塑性流動并使鋼板7的金屬流入輥3上的火山口1內(nèi)(如箭頭所示)以使鋼板成粗糙狀態(tài)。
在這種情況下，火山口1內(nèi)隆起部位頂表面8如原薄鋼板表面一樣平展，而輥3上凸緣2外毗鄰火山口1內(nèi)平坦部分6所推壓的薄鋼板部分9保持原來的平展?fàn)顟B(tài)，并且前述的頂面8高于或等于后一平面9。因此，如圖5和6所示，平整后薄鋼板7的粗糙表面的微觀構(gòu)型包括具有(平頂面8的不規(guī)則四邊形凸起部位10，圍繞凸起部位形成的溝紋狀凹陷部位11，在凹陷部位11外毗鄰?fù)蛊鸩课?0之間形成的中間平坦部位9且該部位高于凹陷部位11底部并低于或等于凸起部位10頂面。
如上所述，包括凸起部位10頂面和中間平坦部位9的平面的比例在平整后的薄鋼板表面上變大了，而凸起部位10和凹陷部位11之間斜面13的比例基本上是變小了。
另一方面，如工作輥用噴丸處理法或放電加工法進(jìn)行毛面加工，則輥的粗糙表面中會含有各種不同的凸起高度，類似于圖7a或7b中的普通分布情況。因此，如圖8所示，凸起部位和凹陷部位間斜面的比例在平整后的薄鋼板7上基本上是變大了。因此，用常規(guī)工藝達(dá)到的粗糙表面構(gòu)型的結(jié)構(gòu)和形成方法完全不同于用本發(fā)明激光毛面加工工作輥進(jìn)行平整后的薄鋼板。
在這一實施方案中，凹陷部位11成連續(xù)環(huán)狀圍繞凸起部位10，但也可成不連續(xù)孤狀。
〔3〕毛面薄鋼板鍍錫后進(jìn)行DI加工。
上述DI罐頭盒用毛面薄鋼板在電鍍之后進(jìn)行DI加工，如圖9所示的是典型的DI加工，其中在毛面薄鋼板7的表面上形成鍍錫層14以制成DI罐頭盒用鍍覆薄鋼板12。與噴丸處理或放電加工法比較起來，這種鍍覆薄鋼板12中有更多的平坦部位，這樣一來單位薄鋼板面積上的表面變小。因此，如鍍錫量相同，則本發(fā)明鍍覆薄鋼板12中鍍錫層14要比用常規(guī)工藝得到的厚度和DI加工中的潤滑功效更高。
在電鍍錫過程中，已知電流增大時，凸起部位上大量沉積錫，因此，鍍錫層14具有如下關(guān)系α≤β＞γ其中α為頂面8處鍍錫層14a的厚度，β為中間平坦部位9處鍍錫層14b的厚度，而 為凹陷部位11處鍍錫層14c的厚度。也就是說，與DI加工模15接觸的鍍錫層14a最厚，因此，本發(fā)鍍覆層14的厚度分布對潤滑效果更為有利。
而且，因為頂面8是平面，所以DI加工中幾乎不會露出鐵，而磨下來的錫粉16足以被凹陷部位11所吸收，從而在薄鋼板12和模15之間決不會出劃傷。再者，鍍錫層14較厚，錫覆蓋率較高且在凸起部位并不露出鐵，所以薄鋼板7的耐蝕性得到進(jìn)一步的提高。由于薄鋼板中存在許多平坦部位，所以與用噴丸處理或放電加工法毛面加工工作輥的情況比較，不規(guī)則光反射就非常少，因而決不會在對應(yīng)于未加工部位的罐頭盒底部降低外觀質(zhì)量。
這些特點的相互關(guān)系示于圖10，其中當(dāng)本發(fā)明DI罐頭盒用薄鋼板鍍錫并進(jìn)行DI加工時，就可有效地提高耐蝕性，耐模具磨損性，DI加工性等各種性能。
〔4〕平整后DI罐頭盒用薄鋼板的表面構(gòu)型在圖11所示薄鋼板7的表面中，D為凹陷部位外園周直徑，d為頂面8直徑，Sm為毗連頂面8之間的平均中心距。
當(dāng)Sm/D＞1.0時，毗鄰凹陷部位11不會相交，而當(dāng)Sm/D＝1.0時，毗鄰凹陷部位11的外園周相互接觸，在Sm/D＜1.0時，毗鄰凹陷部位11彼此相交。
從工作輥3觀察上述現(xiàn)象時，為使Sm/D＜1.0，發(fā)射的激光脈沖就應(yīng)使毛面工作輥3的凸緣2彼此相交，這樣就很難穩(wěn)定地對工作輥3進(jìn)行毛面加工。因此，薄鋼板的表面構(gòu)型應(yīng)是Sm/D≥1.0。另一方面，當(dāng)Sm/D太大時，如圖12所示，DI加工時從鍍覆薄鋼板12上磨下來的錫粉16就會保留在模15和平坦部位19之間而不會被凹陷部位11所吸收，最后就會產(chǎn)生劃痕。而本發(fā)明人的試驗已表明，當(dāng)Sm/D超過1.7時，常常會產(chǎn)生劃傷。本發(fā)明為此將Sm/D限定在1.0～1.7范圍內(nèi)。
由于頂面8在DI加工時要承受負(fù)荷，所以若其直徑d過大，就會如同Sm/D＞1.7的情況而產(chǎn)生劃傷。本發(fā)明人的試驗證實，當(dāng)這一直徑d超過500μm時，就易于引起劃傷。為形成直徑大于500μm的頂面8，就必須使毛面工作輥3上的火山口1本身的直徑更大。在這種情況下，在激光脈沖過程中形成火山口1所需的能量就會過高，以致需要采用功率大于必須值的激光發(fā)射機(jī)或增加輥3的轉(zhuǎn)數(shù)以延長輻射時間，這從經(jīng)濟(jì)角度看也不適宜，而且會降低整個處理過程的效率和可靠性。因此，直徑d應(yīng)不大于500μm。
另一方面，當(dāng)頂面直徑d太小時，又由于在DI加工中會暴露出鐵(薄鋼板7)而會降低耐蝕性。本發(fā)明人的試驗已證實，當(dāng)直徑d小于30μm時，易于暴露出鐵。而且，當(dāng)直徑d變小時，直徑D就必須堿小。因此，隨著直徑d的減小，為滿足Sm/D≤1.7，距離Sm本身就應(yīng)當(dāng)變小，這相當(dāng)于減小了毛面工作輥3上火山口1之間的距離。為此就必須盡量減少輥3的轉(zhuǎn)數(shù)或盡量提高進(jìn)行毛面加工的激光脈沖的頻率，這從經(jīng)濟(jì)角度考慮也是不適宜的。為此應(yīng)使凸起部位10頂面8的直徑d不小于30μm。
〔5〕薄鋼板7的中心線平均表面粗度Ra如前所述，非常重要的是控制本發(fā)明DI罐頭盒所用薄鋼板7的粗糙表面的微觀構(gòu)型。此外，控制薄鋼板7的表面粗度也很重要。
也就是說，即使粗糙表面的微觀構(gòu)型按上述進(jìn)行控制，但如中心線平均表面粗度Ra小于0.1μm，則也會在DI罐頭盒所用鍍覆薄鋼板上造成劃傷，而若Ra超過4.0μm，又不會獲得明顯改善DI加工性等性能的效果，而且罐頭盒底部外觀也相當(dāng)差。因此，本發(fā)明薄鋼板7的中心線平均粗度Ra為0.1～4.0μm。
現(xiàn)給出下述非限定性實例來說明本發(fā)明。
實例將極低碳素薄鋼板進(jìn)行冷軋，連續(xù)退火后進(jìn)行平整以獲得平整度為1(49°Hg30T)的DI罐頭盒用薄鋼板(厚0.34mm)。作為平整用工作輥，分別采用激光脈沖，噴丸處理和放電加工法進(jìn)行毛面加工的軋輥，其中心線平均表面粗度Ra為4～5。
DI罐頭盒用薄鋼板兩面鍍錫＃25(28g/m2)或＃50(5.6g/m2)，從而制成DI罐頭盒用鍍覆薄鋼板。此板沒有進(jìn)行軟熔處理，但也可稍為進(jìn)行一下軟熔處理。
然后，從鍍覆薄鋼板上沖出給定尺寸的圓鋼板，冷拔之后再經(jīng)模具進(jìn)行3級擠拉以使罐頭盒側(cè)壁厚0.10mm。在這種情況下，罐頭盒生產(chǎn)速度為120個/分。
模具內(nèi)第3級擠拉的負(fù)荷和中心線平均表面粗度Ra示于圖13，從圖13中可看出，與采用常規(guī)的噴丸處理和放電加工毛面(下簡稱噴丸毛面或放電毛面)工作輥獲得的鍍覆薄鋼板比較起來，本發(fā)明中用激光脈沖毛面(以下簡稱激光毛面)工作輥毛面加工薄鋼板制得的DI罐頭盒用鍍覆薄鋼板在第3級擠拉時可降低負(fù)荷，而這與鍍錫量無關(guān)。而且，劃傷下限的粗度以中心線平均表面粗度Ra計算降到了0.1。
從制成的罐頭盒的每一側(cè)切割出1×2cm的樣品并在250ml碳酸化飲料中浸漬5天。之后，測定碳酸化飲料洗提出的鐵量，從而得到如圖14所示的鐵洗提量和中心線平均表面粗度Ra之間的關(guān)系。從圖14中可看出，與通常的情況比較起來，激光毛面薄鋼板的耐蝕性極好。更具體地講，耐蝕性隨粗度變小而提高。
如上所述，即使降低鍍錫量，按本發(fā)明的DI罐頭盒用覆薄鋼板的耐蝕性，耐模具磨損性，DI加工性，罐頭盒底部外觀等性能均極佳。
權(quán)利要求
1.冷拔和擠拉法加工的罐頭盒用薄鋼板，其特征在于其中心線平均表面粗度Ra為0.1～4.0μm，組成表明粗度的微觀構(gòu)型包括具有平頂面的不規(guī)則四邊形凸起部位，圍繞凸起部位形成的溝紋狀凹陷部位，在凹陷部位外毗鄰?fù)蛊鸩课恢g形成的中間平坦部位且該部位高于凹陷部位底部并低于或等于凸起部位頂面，而且滿足如下關(guān)系式1.0≤Sm/D≤1.730≤d≤500(μm)其中Sm是毗鄰的凸起部位間的平均中心距，D是在凹陷部位的外緣的平均直徑，d是在凸起部位的平頂面的平均直徑。
專利摘要
本發(fā)明的冷拔和擠拉法加工(DI)的罐頭盒用薄鋼板的DI加工性和耐模具磨損性得到了改善，其表面構(gòu)型中的中心線平均表面粗度范圍為0.1～4.0μm且其微觀構(gòu)型包括凸起部位，溝紋狀凹陷部位以及中間平坦部位，各部位尺寸滿足特定的關(guān)系式。
文檔編號B21B1/22GK87104503SQ87104503
公開日1988年3月23日 申請日期1987年6月29日
發(fā)明者和久井, 庸吉, 大西健男, 下山雄二, 秋月敏夫 申請人:川崎制鐵株式會社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan