JP5453884B2 - 高強度容器用鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接などの３ピース加工やDIなどの２ピース加工後に径形状の縮小や拡大加工を行う容器用素材として好適な高強度容器用鋼板およびその製造方法に関するものである。

近年、コストの低減を目的として、また、利用資材の削減や環境負荷の軽減を目的として素材である鋼材（鋼板）の製品板厚を薄くするための製品開発が進められている。
また、製品板厚を薄くすると剛性が低下するので、この剛性の低下を補うため、鋼材の高強度化を図る必要もある。しかし、鋼材の高強度化を図った場合、硬質化するため、フランジ加工やネッキング加工で割れが生じる問題がある。
上記に対して、現在、種々の製造方法が考案されている。

例えば、特許文献１には、鋼中成分を一定範囲に管理した上で、（Ar3変態点−30℃）以上で熱間圧延を終了し、その後、酸洗、冷間圧延ののち、連続焼鈍を行い、２次冷間圧延する方法が提案されている。
しかしながら、特許文献１の方法では、フランジ加工性、ネック加工性および耐蝕性を劣化させないようにPを0.02wt%以下とし、さらに２次冷間圧延の圧下率を１５〜３０％とするため薄い製品を効率的に処理することは難しく生産しにくい、また外観不良が発生しやすいといった問題がある。さらに、スラブ表層で割れが生じることがあり、製品での歩留まり低下の原因となるといった問題もある。また、安定的に製造することが難しく、改善が必要である。

また、硬質な容器用鋼板の代表的な製造方法として、下記の方法が提案されており、焼鈍種類に応じて適宜選択し用いられている（例えば非特許文献１）。
熱間圧延→酸洗→冷間圧延→箱型焼鈍(BAF)→２回目冷間圧延（圧下率：20〜50％）
熱間圧延→酸洗→冷間圧延→連続焼鈍(CAL)→２回目冷間圧延（圧下率：20〜50％）
しかしながら、上記の方法では、２回目の冷間圧延での圧下率が20〜50％と高く、圧延荷重が高いことにより操業能率は低くなる。また、圧延時の潤滑性を向上する目的で粘度の高い各種圧延油が用いられるため圧延油の濃度むらや部分的な油付着による、圧延後の外観不良の問題がある。さらに、圧延圧下率が高い場合、圧延により鋼板が伸ばされるため、鋼板の幅方向と圧延方向の耐力差が大きくなる。
これに対して、２回目の冷間圧延での圧下率を低く抑える方法が考えられる。しかし、圧下率を低くした場合は、必要とする耐力を得ることが困難となる。

特許第3108615号号公報

「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 平成10年10月30日発行 p.188

このように、製品板厚を薄い容器用鋼板を得ようとする場合、強度、加工性そして生産性の全てを満足する製造方法はなく、望まれているのが現状である。

本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、引張強度ＴＳが５００ＭＰａ以上の強度を有し、かつ板幅方向と圧延方向の耐力差が４０ＭＰａ以下であり、さらに、加工性に優れた容器用鋼板とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行った。その結果、以下の知見を得た。

成分組成としてPを一定以上確保し、従来の圧延圧下率より低い圧下率（10％以上20％未満）で２回目の冷間圧延を行うと、外観不適合が少ない上に、幅方向と圧延方向との耐力差が小さく高強度の材質を確保できることを見出した。
以上のように、本発明では、上記知見に基づき成分を管理することで高強度容器用鋼板を完成するに至った。

本発明は、以上の知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
［１］質量％で、C:0.001〜0.10％、Si:0.04%以下、Mn：0.1〜1.2%、S:0.10%以下、Al：0.001〜0.100%、N:0.10%以下、P: 0.007〜0.100%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、引張強度ＴＳが５００ＭＰａ以上、かつ板幅方向と圧延方向の耐力差が４０ＭＰａ以下である高強度容器用鋼板。
［２］質量％で、C:0.001〜0.10％、Si:0.04%以下、Mn：0.1〜1.2%、S:0.10%以下、Al：0.001〜0.100%、N:0.10%以下、P: 0.007〜0.100%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼を、仕上げ温度：（Ar３変態点温度-３０）℃以上、巻き取り温度：400〜750℃で熱間圧延し、酸洗、冷間圧延を行った後、連続焼鈍を行い、次いで、圧下率：10％以上20％未満で２回目の冷間圧延を行うことを特徴とする高強度容器用鋼板の製造方法。
なお、本明細書において、鋼の成分を示す％は、すべて質量％である。また、本発明において、「高強度容器用鋼板」とは、引張強度ＴＳが５００ＭＰａ以上である容器用鋼板である。
また、本発明の高強度容器用鋼板は、容器用素材、缶用素材を対象とする。表面処理の有無は問わず、錫めっき、ニッケル錫めっき、クロムめっき（いわゆるティンフリーめっき）あるいは、さらに有機被覆などを施され、極めて広範囲な用途に適用可能である。
さらに、板厚については特に限定しないが、本発明を最大限に活かし効果を得る点からは板厚０．３０mm以下、さらに０．２０mm以下が好ましい。とくに好ましいのは０．１７０mm以下である。

本発明によれば５００ＭＰａ以上のＴＳを有し、板幅方向と圧延方向の耐力差が４０ＭＰａ以下であり、かつ、フランジ加工やネッキング加工時に割れが生じない加工性に優れた高強度容器用鋼板が得られる。
さらに、本発明では、Ｐ成分を用いて硬質化することで２回目の冷間圧延での圧下率を低くできるため、操業効率が高くなり生産性に優れる上、圧延後の外観の問題や幅方向と圧延方向での耐力差の問題が解消される。
また、N成分を好適範囲である0.01％未満とすることで、スラブ割れを防止し、製品での歩留まり低下を抑えることができる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の容器用鋼板は、ＴＳ５００ＭＰａ以上、板幅方向と圧延方向の耐力差が４０ＭＰａ以下の高強度容器用鋼板である。そして、本発明では、Ｐの添加により2回目の冷間圧延前の強度を向上させ確保するため、2回目の冷間圧延（以下、2次冷間圧延と称することもある）での圧下率を高くすることなしに製造するので、生産性に優れた方法の提供が可能となる。

本発明の容器用鋼板の成分組成について説明する。
C:0.001〜0.10％
C成分が多いと2次冷間圧延後の鋼板を必要以上に硬質化させ、製缶性やネック加工性を劣化させる。また、溶接部の顕著な硬質化によりフランジ加工時にHAZ割れを生じさせる元素となる。Cが0.10％を超えると、これらの影響が顕著になるので、Cは0.10％以下とする。一方、C成分が極端に低くなると容器の強度を維持するために高圧下率の二次冷間圧延を施すことが必要になるためCは0.001％以上とする。0.020〜0.050％とするのが好ましい。

Si:0.04%以下
Siを多量に添加すると表面性状の劣化、耐食性の劣化などが生じる。よって、Siは0.04%以下とする。

Mn：0.1〜1.2%
MnはSによる熱間割れを防止するのに有効な元素である。そして、S量に応じて添加することにより、割れを防止する効果が得られる。また、結晶粒を微細化する作用も有している。これらの効果を発揮するためには、少なくともMnは0.1%以上の添加が必要となる。一方、多量に添加すると、耐食性が劣化する傾向を示すとともに鋼板を必要以上に硬質化させ、フランジ加工性、ネック加工性を劣化させるため、上限は1.2%とする。0.35％以下とするのが好ましい。

Ｐ：0.007〜0.100％
Ｐは、鋼を硬質化させ必要な強度を得るために必要となる成分であり、本発明において最も重要な要件である。この効果を得るためには、Pを0.007%以上含有する。一方、P成分を必要以上に、過剰な量含むことは耐食性を劣化させる。また、フランジ加工性やネック加工性を劣化させる。これらは0.100％を超えると顕著になるので、上限は0.100％とする。0.010〜0.020％とするのが好ましい。

S:0.10%以下
Sは鋼中で介在物として存在し、鋼板の延性を減少させさらに耐食性を劣化させる元素である。そのため、0.10%以下とする。好ましくは0.030％以下である。

Al： 0.001〜0.100%
Alは鋼の脱酸に必要な元素である。その量が0.001%未満では脱酸が不十分となり、介在物によるフランジ加工性の劣化やネック加工性の劣化を招く。よって、0.001%以上とする。一方、AlはN成分と結合し、固溶Nを低減させるが、固溶Nが過度に減少すると必要な強度が得られなくなる。よって、0.100％以下とする。0.020〜0.080％とするのが好ましい。

N:0.10%以下
Ｎは、溶接部の硬さ上昇を招くことなく強度を高めるのに有用な元素である。しかし、含有量が多過ぎると鋼板が著しく硬質化し、圧延素材（スラブ）に割れ欠陥を発生する危険性が顕著に増大し、かえってフランジ加工性やネック加工性を劣化させる。よって、Nは0.10％以下とする。0.05％以下とするのが好ましい。また、スラブ割れ防止の観点から、より好ましくは0.01％未満とする。さらにより好ましくは0.005%以下である。このように、Ｎを低減することで、スラブ割れを低減することができ、スラブ手入れの必要がなく歩留まりを向上させることができる。

残部はFeおよび不可避不純物とする。
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。なお、不可避的不純物としては、例えばSn：0.01％以下が許容できる。

本発明の容器用鋼板は上記組成を有するとともに、５００ＭＰａ以上のＴＳを有し、板幅方向と圧延方向の耐力差が４０ＭＰａ以下である。５００ＭＰａ以上のＴＳを有することで、板厚を薄くしても剛性が低下することがない。さらに板幅方向と圧延方向の耐力差が４０ＭＰａ以下とするので、フランジ加工やネッキング加工時に割れが生じない。

次に、本発明の高強度容器用鋼板の製造方法について説明する。
上記した組成の溶鋼を転炉等を用いた通常公知の溶製方法により溶製し、ついで、連続鋳造法等の通常公知の鋳造方法で圧延素材（スラブ）とする。ついで、これら圧延素材を用い、熱間圧延により熱延板とする。
スラブ抽出温度：1050〜1300℃（好適条件）
スラブの抽出温度を1050℃以上とすると、次工程の熱延において、十分に高い熱延終了温度を確保することができる。一方、加熱温度が1300℃以下とすると最終的に鋼板の表面性状が劣化することがない。よって、スラブ加熱温度は1050℃以上1300℃以下が好ましい。

仕上げ温度（熱間圧延終了温度）：（Ar３変態点温度-３０）℃以上
熱間圧延終了温度は、後続工程の冷間圧延性、そして製品特性を良好にするために、（Ａr3 変態点−３０）℃以上とすることが必要である。（Ａr3 変態点−３０）℃未満では、最終的な製品の金属組織が粗粒化して、製缶時に肌荒れが生じやすくなる。また、熱間圧延終了温度が低温になるとリジング現象が発生し、成形加工後の外観不良が生じやすくなる。従って、熱間圧延終了温度は（Ａr3 変態点−３０）℃以上とする。

巻き取り温度：400 〜750 ℃
巻き取り温度が低過ぎると熱延板の形状が劣化し、次工程の酸洗、冷間圧延の操業に
支障をきたすため、400 ℃以上とする。一方、高くなり過ぎると熱延母板の段階で窒化アルミが析出し、強化に十分な固溶Nを確保することができなくなる。また、熱延母板中にカ−バイドが凝集した組織が形成され、これが鋼板の耐食性に悪影響を与える。さらに、鋼板表面に生じるスケ−ル厚の増大に伴い酸洗性が劣化する。これらの不具合を回避するために、750 ℃以下とする必要がある。

このようにして製造した熱延板に、酸洗、冷間圧延を施し、冷延板とする。酸洗は常法に従い、塩酸、硫酸等の酸で表面スケールを除去すればよい。

（酸洗後の）冷間圧延における圧下率：８０％以上（好適条件）
圧下率が８０％未満では焼鈍後に組織の充分な細粒化が得られない場合があるので８０％以上が好ましい。なお、本発明のように極低炭素鋼を素材とした鋼板で、組織の充分な微細化を達成するためには、圧下率は８５％以上がより好ましい。一方、圧下率の上限については特に定める必要はなく、熱間圧延、冷間圧延の設備列の能力等を考慮し適宜設定される。

焼鈍温度：800 ℃以下の再結晶温度（好適条件）
鋼板中に未再結晶組織が残存すると、製缶時の成形性不良、外観不良等を招くので連続焼鈍により再結晶処理を施す必要がある。しかし、焼鈍温度を過度に高めると連続焼鈍時にヒートバックルや板破断等の欠陥を生じる。そして、異常な結晶粒成長により、外観特性の劣化を招く危険性が高くなる。よって、焼鈍温度は800 ℃以下の再結晶温度域で行うことが好ましい。
また、この温度範囲内であれば、とくに一定の温度に保持する必要はない。操業の安定性から10ｓ以上の均熱相当時間があれば十分である。

２次冷間圧延の圧下率：10％以上20％未満（好適には10％以上15％未満）
連続焼鈍後の２次冷間圧延は、溶接缶の耐圧強度すなわち鋼板の降伏強度を確保する
ために必要である。特に、従来材と比べて比較的軟質な極低炭素鋼を素材に用いる場合を考慮すると、２次冷間圧延の圧下率は少なくとも10％は必要である。一方、圧下率が2０％以上では、材質特性の異方性が大きくなり、板幅方向と圧延方向の耐力差が４０ＭＰａ超となる。また、新板取り法（鋼板の圧延方向が缶胴の軸方向に平行となるような板取り法）におけるフランジ加工性やネック加工性を顕著に劣化させる。さらに、製缶時の溶接によって、歪みの開放量が大きくなり、溶接熱影響部における軟化が著しくなるために、フランジ割れが発生し易くなる。よって、20％未満とする。さらに、伸びを確保して、耐フランジ割れ性および外観不良を抑えるためには、好ましくは10％以上15％未満である。

本発明では、２次冷間圧延後に、冷延鋼板の表面に（少なくとも片面）めっき層を形成し、めっき鋼板とすることができる。表面に形成されるめっき層は容器用鋼板に適用されるいずれのものも適用可能である。めっき層としては、錫めっき、クロムめっき、ニッケルめっき、ニッケル・クロムめっきが例示できる。また、これらのめっき処理後に塗装、有機樹脂フィルム等を貼ることもなんら問題ない。

表1に示す成分を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を転炉で溶製し、連続鋳造法でスラブとした。ついで、これらスラブを、スラブ抽出温度を1200℃、熱延仕上げ温度を900℃、巻き取り温度を650℃として、熱間圧延を施し仕上げ厚み2.0mmの熱延板とした。その後、これら熱延板に酸洗による脱スケール処理を施し、さらに圧下率90％の冷間圧延を施し仕上げ厚み0.20mm冷延板とし、ついで均熱温度を750℃、均熱時間を10〜30sとする連続焼鈍、表２および表３に示す圧下率の２次冷間圧延を行い、冷延鋼板とした。

以上により得られた鋼板に対して、以下の試験を行い、特性を評価した。

（ｉ）引張試験
これら冷延鋼板の幅方向の中央部から圧延（L）方向に、JIS 13号-B引張試験片を採取し、歪速度クロスヘッド速度：10mm／s で引張試験を実施し、引張強度ＴＳおよび降伏強度ＹＳを測定した。なお、引張試験は製品化後１日以内に実施した。引張試験片をJIS 13号-B試験片としたのは、標点外で破断する現象を極力低減するためである。
これら冷延鋼板について、JIS Z 2245の規定に準拠してＨＲ３０Ｔ硬さを測定した。

（ｉｉ）幅方向と圧延方向での耐力差
上記（ｉ）の引張試験により測定したＹＳと、板幅（C）方向に採取したJIS 13号-B引張試験片を（ｉ）と同様に測定したＹＳとの差を求めた。

（ｉｉｉ）ネッキング加工性
これら冷延鋼板にＳｎめっき処理（片面あたりのＳｎ付着量2.8g/m²）を行い、めっき鋼板とした。このめっき鋼板の表面に、塗装・印刷・透明ニス仕上げを行った後、プレス油を使用せずに前記鋼板を以下の条件でカップ絞り、さらに２度の再絞り加工を施す深絞り成形を１００回行い、ネックの絞りしわの発生率を調査した。
深絞り成形条件
ブランク径：200mmφ
潤滑条件：プレス油使用せず
第1絞りの絞り比：1.5
第２絞りの絞り比：1.2
第３絞りの絞り比：1.2
第１〜３絞りのしわ押さえ圧：最適条件
フランジ加工：伸び率8％
再絞りダイス肩半径：0.45mm
加工速度：0.3m/s
（ｉｖ）耐フランジ割れ性
（ｉｉｉ）の深絞り成形において、フランジ割れの発生率を調査した。

（ｖ）外観
これら冷延鋼板を目視で観察し、光沢や色調が異なると判断される部分を外観不良とした。観察した100ｍ単位の中に1箇所でも外観不良が確認されればこの100ｍを外観不良部とし、10000ｍを観察して外観不良率を求めた。

（ｖｉ）スラブ割れ
連続鋳造後のスラブ表面を目視でスラブ割れの状況を観察した。
観察した1ｍ単位の中に割れが1箇所でも確認されればこの1ｍを外観不良部とし、10ｍを観察して外観不良率を求めた。
得られた結果を表２および表３に示す。

表２および表３より、本発明例であるNo.８〜１０、No.１５〜１７、No.２２〜２４は十分な強度を有し、かつ板幅方向と圧延方向の耐力差が４０ＭＰａ以下であり、例えば、3ピース加工に必要な性能を十分に達成している。また、外観に優れ、ネックしわやフランジ割れも生じていないことが認められる。
一方、比較例のNo.１、２はPの含有量が0.007％未満であり、かつ二次冷間圧延の圧下率も低いため、No．６、７、１３、１４、２０、２１は、二次冷間圧延の圧下率が低いため強度が不足している。また、No.４、５、１１、１２、１８、１９、２５、２６は二次冷間圧延の圧下率が20％以上であるため強度は得られるが、板幅方向と圧延方向の耐力差が４０MPaを超え、ネックしわやフランジ割れの発生が顕著である。また、外観の不良も発生している。さらに、No.３はPの含有量が0.007％未満であるため、二次冷間圧延の圧下率を10％としても強度が不足する。
さらに、表3のNo. １５〜１７、No.２２〜２４は、Ｎ含有量を0.0070％、0.0025％と好適範囲：0.01％未満とした実施例である。表3より、Ｎ含有量を0.01％未満とすることで、スラブ割れが全く確認されず、スラブ割れが防止されているのがわかる。
また、二次冷間圧延の圧下率を好適範囲である10％以上15％未満とすることで、フランジ割れおよび外観不良が完全に抑えられ、さらに良好な結果となっているのがわかる。また、強度は小さくなる傾向にあるが、５００MPa以上の十分な強度が得られる。

本発明の容器用鋼板は、ネッキング加工やフランジ加工において割れを生じることなく優れた強度が得られるので、例えば、缶などの食品容器、オイルフィルターなど非食品容器、バッテリーなどの電子パーツなどを中心に容器用素材として好適に使用できる。

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．００１〜０．０５０％、Ｓｉ：０．０４％以下、Ｍｎ：０．１〜０．３５％、Ｓ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．００１〜０．０８０％、Ｎ：０．００７０％以下、Ｐ：０．００７〜０．０２０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、引張強度ＴＳが５００ＭＰａ以上、かつ板幅方向と圧延方向の耐力差が３０ＭＰａ以下である高強度容器用鋼板。
2. 質量％で、Ｃ：０．００１〜０．０５０％、Ｓｉ：０．０４％以下、Ｍｎ：０．１〜０．３５％、Ｓ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．００１〜０．０８０％、Ｎ：０．００７０％以下、Ｐ：０．００７〜０．０２０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を、仕上げ温度：（Ａｒ３変態点温度−３０）℃以上、巻き取り温度：４００〜７５０℃で熱間圧延し、酸洗、冷間圧延を行った後、連続焼鈍を行い、次いで、圧下率：１０％以上１５％未満で２回目の冷間圧延を行うことを特徴とする引張強度ＴＳが５００ＭＰａ以上、かつ板幅方向と圧延方向の耐力差が３０ＭＰａ以下である高強度容器用鋼板の製造方法。