JP6439666B2 - ロールフォーム加工性および溶接後の真円度に優れた３ピース缶用鋼板およびその製造方法、ならびに３ピース缶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、飲料品や食品の容器材料として用いられる缶容器材料に適した缶用鋼板およびその製造方法、ならびに３ピース缶の製造方法に関するものである。詳しくは、ロールフォーム加工時に成形しやすく、また、溶接後の真円度（真円からの誤差）が小さく、缶胴部変形が少ない、すなわちロールフォーム加工性および溶接後の真円度に優れる３ピース缶用鋼板およびその製造方法、ならびに３ピース缶の製造方法に関するものである。

近年、アルミ缶の使用が拡大しているため、スチール缶のコスト削減を目的として、スチール缶用鋼板の薄肉化が進められている。しかしながら、鋼板の薄肉化、すなわち、鋼板板厚の低減に伴って、ロールフォーム加工および溶接の時に、缶胴部の変形が大きく、真円度が大きくなり、缶強度の低下が懸念される。

上記問題を解決するために多くの研究が行われてきた。
例えば、特許文献１には、高Nを含有し、かつ降伏強度が440MPa以上、全伸びが12%以上の鋼板を、３ピース缶成形後の缶体真円度が0.34mm以下となるように成形した缶胴部を有する３ピース缶体およびその製造方法の技術が開示されている。

また、特許文献２では、曲げ加工による円筒成形加工が施される金属材料を設計するにあたり、金属材料を曲げ曲率半径ｒが5mm以上、曲げ角θが90度以上180度以下の条件で円筒成形加工を施したときのスプリングバック角Δθが所定値となるように、前記金属材料の降伏強度YP、ヤング率Eおよび板厚tを算出し、該算出された降伏強度YPおよびヤング率Eを有するように前記金属材料を設計することを特徴とする円筒成形加工用材料の設計方法が開示されている。

国際公開2013/183274号 特開2012−125780号公報

しかしながら、上記従来技術は、いずれも問題がある。

特許文献１の技術によって得られた鋼板は、降伏強度が高くなるが、ヤング率が低いため、ロールフォーム加工性が劣るという問題がある。

特許文献２の技術では、降伏強度（以下、YPと称することがある）が低くてもロールフォーム加工の巻幅が確保できる。しかしながら、溶接後の真円度が大きくなり、缶強度が低いという問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、上述した従来技術の問題を解決し、板厚が薄い場合でも、ロールフォーム加工性に優れ、溶接後の真円度に優れた３ピース缶用鋼板およびその製造方法、ならびに３ピース缶の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を行った。３ピース缶の缶胴は長方形平板を筒状に丸めて端部を接合したものであるため、真円度は成形後の製品の重要な形状因子であり、缶強度にも大きく影響している。鋼板板厚の低減に伴う缶強度の維持には真円度はできる限り小さいことが望ましい。YPが高くなるほど、変形しにくくなり、真円度が小さくなるので、YPを高くすることが真円度を小さくする有効手段である。一方で、YPが高すぎると、ロールフォーム加工性が劣化する。ロールフォーム加工性に対しては、ヤング率を高めることで向上できる。しかしながら、ヤング率を高めると外力として缶に付加されるエネルギーが弾性域で完全吸収できずに塑性変形してしまい、凹みが生じる問題が発生する。そのため、従来はヤング率は１７０ＧＰａ以下としている。

これらの知見をもとに、さらなる検討を行った結果、YPとヤング率を各々所定の範囲に規定しつつ、かつ、YPとヤング率と板厚の関係を規定することが、ロールフォーム加工性および溶接後の真円度の点から重要であることを知見した。Ti添加低炭素鋼をベースに化学成分、熱間圧延、冷間圧延および焼鈍条件を最適化し、高YP、高ヤング率とし、さらには、YPとヤング率と板厚に関し、所定の関係を満足させる。その結果、板厚が薄い場合でも、ロールフォーム加工性と真円度に優れた鋼板を製造することができる。

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］成分組成は、質量％で、C：0.010〜0.080%、Si：0.010〜0.100%、Mn：0.10〜1.00%、P：0.03%以下、N：0.010%以下、S：0.03%以下、Al：0.02〜0.10%、Ti：0.010〜0.150%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、降伏強度(YP)が460MPa以上680MPa以下、圧延方向、圧延方向から90°方向の少なくとも一方の方向のヤング率(E)が220GPa以上であり、以下の式(1)を満足することを特徴とするロールフォーム加工性および溶接後の真円度に優れた３ピース缶用鋼板。
YP/(E・t)≦18.0 ・・・（１）
ここで、YP：降伏強度(MPa)、E：圧延方向、圧延方向から90°方向の少なくとも一方の方向のヤング率(GPa)、t：板厚(mm)である。
［2］さらに下記（２）を満たすことを特徴とするロールフォーム加工性および溶接後の真円度に優れた上記［１］に記載の３ピース缶用鋼板。
4.5≦YP/(E・t)≦18.0 ・・・（２）
［3］上記［１］に記載の成分組成を有する鋼スラブを、850℃以上の仕上げ温度で熱間圧延し、550℃以上の巻取温度で巻取り、酸洗し、80％以上の圧下率で圧延し、700℃以上900℃以下の温度で焼鈍を行うことを特徴とするロールフォーム加工性および溶接後の真円度に優れた３ピース缶用鋼板の製造方法。
［4］上記［１］に記載の成分組成を有する鋼スラブを、850℃以上の仕上げ温度で熱間圧延し、550℃以上の巻取温度で巻取り、酸洗し、80％以上の圧下率で圧延し、700℃以上900℃以下の温度で焼鈍を行い、降伏強度(YP)が460MPa以上680MPa以下とし、ヤング率(E)が220GPa以上の方向にロールフォーム加工を行うことを特徴とする溶接後の真円度に優れた３ピース缶の製造方法。
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。

本発明によれば、ロールフォーム加工性および溶接後の真円度に優れた３ピース缶用鋼板および３ピース缶が得られる。したがって、本発明の３ピース缶用鋼板を飲料品や食品の容器材料として使用することで、鋼板の更なる薄肉化が可能になり、低コスト化を達成することができる。

図１は、ロールフォーム加工時の巻幅を示す図である。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の３ピース缶用鋼板は、成分組成が質量％で、C：0.010〜0.080%、Si：0.010〜0.100%、Mn：0.10〜1.00%、P：0.03%以下、N：0.010%以下、S：0.03%以下、Al：0.02〜0.10%、Ti：0.010〜0.150%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、降伏強度(YP)が460MPa以上680MPa以下、圧延方向、圧延方向から90°方向の少なくとも一方の方向のヤング率(E)が220GPa以上であり、以下の式(1)を満足する。
YP/(E・t)≦18.0 ・・・（１）
ここで、YP：降伏強度(MPa)、E：圧延方向、圧延方向から90°方向の少なくとも一方の方向のヤング率(GPa)、t：板厚(mm)である。
そして、このような３ピース缶用鋼板は、上記成分組成を有する鋼を、850℃以上の仕上げ温度で熱間圧延し、550℃以上の巻取温度で巻取り、酸洗し、80％以上の圧下率で冷間圧延し、700℃以上900℃以下の温度で焼鈍を行うことで製造可能となる。
また、降伏強度(YP)が460MPa以上680MPa以下とし、ヤング率(E)が220GPa以上の方向にロールフォーム加工を行うことで溶接後の真円度に優れた３ピース缶が製造可能となる。
これらは、本発明の重要な要件である。

まず、本発明の３ピース缶用鋼板の成分組成について説明する。

C:：0.010〜0.080%
Cは微細炭化物を形成し、鋼板の強度を増加する作用を有する。降伏強度(YP)を460MPa以上確保するためには、0.010%以上の含有を必要とする。一方、0.080%を超えると、降伏強度が増加しすぎ、降伏強度の上限である680MPaを超え、ロールフォーム加工性が悪くなる。このため、Cは0.010〜0.080%の範囲に限定する。好ましくはC含有量は0.040〜0.060%である。

Si：0.010〜0.100％
Siは固溶強化により鋼板の硬度を高める作用を有する元素である。降伏強度(YP)を安定的に確保するために、Siは0.010%以上の含有を必要とする。一方、Siは缶用としての耐食性に有害な元素であるので、上限を0.100%とする。

Mn：0.10〜1.00％
Mnは固溶強化により鋼板の硬度を高める作用を有する元素である。降伏強度(YP)を安定的に確保するため、Mnは0.10%以上の含有を必要とする。一方、Mn量が多くなると、原料のコストが上昇するので、Mnの上限は1.00%とする。ただし、食品容器に用いられるブリキ原板のMnの上限は0.60%以下と規定されているので、食品容器として用いる場合、好ましくは0.60%以下である。

P：0.03%以下
Pは粒界に偏析して、鋼板の延性および靱性を低下させる。また、耐食性を低下させる有害な元素でもある。以上の点から、上限は0.03%とする。なお、好ましくは0.02%以下である。一方、Pは固溶強化により鋼板の硬度を高める作用を有する元素であるため、好ましくは0.01%以上である。

N：0.010％以下
Nは多量に含まれると、過剰な窒化物が生成し、鋼板の延性や靱性が低下する。また、加工性を劣化させる。よって、上限を0.010％とする。

S：0.03％以下
Sは、Mn、Tiを含有する本発明では、Tiと結合してTiSを、Mnと結合してMnSを形成する。これらの硫化物は、表面性状を劣化させるとともに、熱間圧延での延性を低下させるため、上限を0.03%とする。好ましくは0.01%以下である。

Al：0.02〜0.10％
Alは脱酸剤として作用する有用な元素であり、その効果を得るために、0.02%以上含有する必要がある。一方、0.10%を超えると、鋼板の表面欠陥を誘発するので、上限は0.10%とする。

Ti：0.010〜0.150%
Tiは、本発明では重要な元素で、Cと結合し、微細な炭化物TiCを形成することにより、鋼板の高強度化に寄与する。また、鋼中に存在する固溶炭素の一部を固定し、鋼板の集合組織を発達させ、ヤング率の向上に効果がある。これらの効果を得るため、Ti含有量は0.010%以上にする必要がある。一方、0.150%を超えると、降伏強度(YP)が680MPaを超えて、強度が高くなりすぎて、ロールフォーム加工性が低下する。また、圧延負荷を高めるため、安定した鋼板製造が困難になる。以上の理由により、Tiは0.010〜0.150%の範囲に限定する。

残部はFeおよび不可避的不純物とする。

次に、本発明の材質特性について説明する。
本発明の３ピース缶用鋼板は、降伏強度(YP)が460MPa以上680MPa以下、圧延方向、圧延方向から90°方向の少なくとも一方の方向のヤング率(E)が220GPa以上であり、以下の式(1)を満足する。
YP/(E・t)≦18.0 ・・・（１）
ここで、YP：降伏強度(MPa)、E：圧延方向、圧延方向から90°方向の少なくとも一方の方向のヤング率(GPa)、t：板厚(mm)である。

本発明の効果を得るには、成分組成を上記の範囲に調整するだけでは不十分であり、降伏強度、ヤング率について特定条件を満足する範囲に制御することが重要となる。

降伏強度(YP)：460MPa以上680MPa以下
本発明の３ピース缶用鋼板では、降伏強度(YP)は460MPa以上680MPa以下とする。YPを460MPa以上とすることで、缶胴部が変形しにくくなり、真円度が小さくなり、缶強度が維持できる。一方、YPが680MPaを超えると、板厚の低減に伴って、ロールフォーム加工性が劣化する。ここで、降伏強度(YP)は圧延方向によりJIS5号引張試験片を切り出し、JIS Z 2241に規定された引張試験によって測定することができる。また、降伏強度(YP)は、成分組成として、C：0.010〜0.080％、Si:0.010〜0.100％、Mn:0.10〜1.00％、Ti:0.010〜0.150％、製造条件として冷間圧延における圧下率80％以上等によって460MPa以上680MPa以下とすることができる。

圧延方向、圧延方向から90°方向の少なくとも一方の方向のヤング率(E)が220GPa以上
圧延方向または圧延方向から90°方向が缶胴部の周方向になるようにロールフォームが施される容器において、缶胴部の剛性を高める観点から、圧延方向、圧延方向から90°方向の少なくとも一方の方向のヤング率を220GPa以上とする。220GPa以上とすることで、鋼板の薄肉化に伴う、内容物の加熱殺菌処理等における缶外部の圧力の増減による缶胴部の座屈変形を防ぐことができる。圧延方向のみ、圧延方向から90°方向のみ、圧延方向と圧延方向から90°方向の両方、のいずれかが220GPa以上であってもかまわないが、ヤング率が最も高い方向が缶胴部の周方向になるようにロールフォームを施すのが好ましい。
なお、圧延方向および／または圧延方向から90°方向のヤング率は、横振動型の共振周波数測定装置により測定することができる。また、ヤング率(E)は、成分組成として、Ti:0.010〜0.150％で鋼中の固溶炭素の一部を固定すること、製造条件として冷間圧延における圧下率80％以上とすることにより、鋼板の集合組織を発達させ、220GPa以上とすることができる。
更に、本発明においては、降伏強度(YP)、ヤング率(E)および板厚(t)が下記式を満足するものとする。
YP/(E・t)≦18.0
ここで、YP：降伏強度(MPa)、E：圧延方向および/または圧延方向から90°方向のヤング率(GPa)、t：板厚(mm)
YPを高めることで、缶胴部が変形しにくくなり、真円度が小さくなり、缶強度が維持できる。一方、鋼板板厚の低減に伴って、高YPによりロールフォーム加工性が悪化する。これを防止するためには、ヤング率を高める必要がある。これら全てを考慮し検討した結果、本発明では、YP/(E・t) ≦18.0とする。好ましくは4.5≦YP/(E・t)≦18.0である。YP/(E・t)を18.0以下とすることで、板厚が極薄の場合でも、ロールフォーム加工性がよく、溶接後の真円度に優れた、すなわち、ロールフォーム加工性と溶接後の真円度の両立が可能な３ピース缶用鋼板が得られる。

板厚が0.17mm以下（好適条件）
本発明の３ピース缶用鋼板は、板厚が薄い場合に、ロールフォーム加工性がよく溶接後の真円度に優れたという本発明の効果が顕著にでるため、板厚は0.17mm以下とすることが好ましい。

次に、本発明の３ピース缶用鋼板の製造方法について説明する。
本発明の３ピース缶用鋼板は、上記組成からなる鋼を、850℃以上の仕上げ温度で熱間圧延し、550℃以上の巻取温度で巻取り、酸洗し、80％以上の圧下率で冷間圧延し、700℃以上900℃以下の温度で焼鈍を行うことで製造される。
本発明では上記のように、圧延を２回行うことなく、１回の圧延でロールフォーム加工性がよく、溶接後の真円度に優れた３ピース缶用鋼板が製造できる。従来技術により１回の圧延で３ピース缶用鋼板を製造しようとした場合、強度を高めるために、冷間圧延機の圧延荷重を大きくして圧下率をあげる必要がある。また、板厚を薄くしようとすると、圧延荷重を大きくとる必要がある。そのため、変形抵抗が大きくなり、鋼板の破断率が大きくなる問題があった。しかしながら、本発明ではC:0.010〜0.080％、Si:0.010〜0.100％、Mn:0.10〜1.00％、Ti:0.010〜0.150％を添加して、かつ圧下率が80％以上の冷間圧延を行うため、前述の問題は起きない。

スラブ再加熱温度：1150〜1300℃（好適条件）
熱間圧延前のスラブ再加熱温度は、高すぎると製品表面の欠陥やエネルギーコストが上昇するなどの問題が発生する。一方、低すぎると、最終仕上圧延温度の確保が難しくなる。よって、スラブ再加熱温度は1150〜1300℃が好ましい。

熱間圧延仕上げ温度：850℃以上
仕上げ温度が850℃を下回ると、圧延方向に展伸した結晶粒が生じやすくなり、冷延鋼板の集合組織の発達が低下する。また、板厚が薄い３ピース缶用鋼板を製造する場合、コイルのエッジ側の温度が下がりやすいため、仕上げ温度は850℃以上とする。

熱間圧延巻取温度：550℃以上
巻取温度が550℃を下回ると、ベイナイトやマルテンサイトなど硬質な低温変態相の生成により、鋼板が硬質化し、その後の冷延時における荷重も高くなってしまうことから、操業上困難となる。そのため、巻取温度は550℃以上とする。一方、巻取温度が700℃を超えると熱延板段階でのフェライト粒が粗大となり、硬度が低下する。よって、好ましくは、700℃以下である。

冷間圧延における圧下率：80%以上
本発明が規定する降伏強度を達成するために80%以上とする。冷間圧延における圧下率が80%に満たないと、ヤング率を向上させる集合組織が発達しない。また、結晶粒が粗大化して材質が軟化する。そのため、冷間圧延における圧下率は80%以上とする。

焼鈍温度：700℃以上900℃以下
焼鈍温度が700℃を下回ると圧延方向に展伸したフェライト粒が残留して延性が大きく低下する。したがって、焼鈍温度は700℃以上とする必要がある。好ましくは750℃以上である。一方、焼鈍温度が900℃を上回ると、結晶粒が粗大化し、硬度が低下する。焼鈍温度は900℃以下とする。好ましくは850℃以下である。
焼鈍温度での保持時間は、特に限定するものではないが、15〜40秒が好ましい。保持時間が15秒に満たさないと、フェライト結晶粒径が不均一となりやすく、ロールフォーム加工後の缶胴部に凹みが残る可能性がある。また、保持時間が40秒を超えると、炭化物が溶けて、降伏強度が下がる可能性がある。そのため、焼鈍温度の保持時間は、15〜40秒が好ましい。

以上により、本発明の３ピース缶用鋼板が得られる。なお、必要に応じて、圧下率1〜6％の調質圧延をさらに施すことができる。

さらに、以上により、得られた３ピース缶用鋼板に対して、ヤング率(E)が220GPa以上の方向にロールフォーム加工を行うことで、３ピース缶が製造される。すなわち、上記成分組成を有する鋼スラブを、850℃以上の仕上げ温度で熱間圧延し、550℃以上の巻取温度で巻取り、酸洗し、80％以上の圧下率で圧延し、700℃以上900℃以下の温度で焼鈍を行い、降伏強度(YP)が460MPa以上680MPa以下とし、ヤング率(E)が220GPa以上の方向にロールフォーム加工を行うことで、溶接後の真円度に優れた３ピース缶が製造される。

表１に示す成分組成を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼スラブに対して、表２に示す条件で熱間圧延を行った。次いで、酸洗後、表２に示す条件で、冷間圧延、焼鈍、および圧下率３％の調質圧延を施し、板厚が0.17mm、0.35mmの調質圧延鋼板（３ピース缶用鋼板）を製造した。なお、酸洗は、塩酸等により通常の方法にて、焼鈍は、連続焼鈍炉にて保持時間30秒で行った。
上記にて得られた３ピース缶用鋼板に対して、以下に示す方法にて、各性能を測定、調査した。各試験方法および測定方法は次の通りである。

（１）ヤング率の測定
ヤング率の評価は圧延方向および圧延方向から90°方向を、それぞれ長手方向として10×35mmの試験片を切り出し、横振動型の共振周波数測定装置を用いて、American Society for Testing Materialsの基準（C1259）に従い、ヤング率（GPa）を測定した。
（２）降伏強度の測定
得られた３ピース缶用鋼板から、圧延方向に対して平行方向を引張方向とするJIS 5号引張試験片（JIS Z 2201）を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠した引張試験を行って、降伏強度を測定した。
（３）ロールフォーム加工性の測定
ロールフォーム加工性を評価するために、鋼板に対して、３ピース缶ロールフォーム加工を行った。具体的には、上記鋼板の表面に錫をメッキした鋼板を長方形平板ブランク（長さ：160mm、横：140mm）にせん断した。鋼記号Bの板を用い、図１に示すように、圧延方向を曲げ方向として、巻幅が５〜１０mmになるようにロールフォーマを調整し、ロールフォーム加工を行った。鋼記号Bの板を用いたロールフォーマの加工条件をそのまま利用し、全水準の鋼板に対してロールフォーム加工し、巻幅を測定した。巻幅５mm以上〜１０mm以下の場合を合格(○)、巻幅５mm未満および１０mmを超える場合を不合格(×)とした。
（４）真円度の測定
上記にて巻幅５〜１０ｍｍを成形した円筒状の両端を電気抵抗溶接のシーム溶接により接合し、「JIS B ７４５１」で規定された真円度測定装置を用い、缶高さ方向の中心部の真円度を測定した。本発明における缶体の真円度は「JIS B ０６２１」で示されるように、真円度は、円形形体を２つの同心の幾何学的円で挟んだとき、平行２円の間隔が最小となる場合の、二円の半径の差で表した。真円度 0.020mm未満の場合をより一層優れるとして合格(◎)、真円度0.021mm以上〜0.030mm未満の場合を合格(○)、真円度0.030mm以上の場合を不合格(×) とした。

以上により得られた結果を表３に示す。

表３より、本発明例では、ロールフォーム加工性および溶接後の真円度に優れた３ピース缶用鋼板が得られている。本発明の３ピース缶用鋼板を用いてロールフォーム加工を行う製造において、缶胴部が変形することなく、真円度が小さく、缶強度を維持することができた。

Claims (4)

1. 成分組成は、質量％で、C：0.010〜0.080%、Si：0.010〜0.100%、Mn：0.10〜1.00%、P：0.03%以下、N：0.010%以下、S：0.03%以下、Al：0.02〜0.10%、Ti：0.010〜0.150%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
   降伏強度(YP)が460MPa以上680MPa以下、
   圧延方向、圧延方向から90°方向の少なくとも一方の方向のヤング率(E)が220GPa以上であり、以下の式(1)を満足することを特徴とするロールフォーム加工性および溶接後の真円度に優れた３ピース缶用鋼板。
   YP/(E・t)≦18.0 ・・・（１）
   ここで、YP：降伏強度(MPa)、E：圧延方向、圧延方向から90°方向の少なくとも一方の方向のヤング率(GPa)、t：板厚(mm)である。
2. さらに下記（２）を満たすことを特徴とするロールフォーム加工性および溶接後の真円度に優れた請求項１に記載の３ピース缶用鋼板。
   4.5≦YP/(E・t)≦18.0 ・・・（２）
3. 請求項１に記載の成分組成を有する鋼スラブを、850℃以上の仕上げ温度で熱間圧延し、550℃以上の巻取温度で巻取り、酸洗し、80％以上の圧下率で圧延し、700℃以上900℃以下の温度で焼鈍を行うことを特徴とする、降伏強度(YP)が460MPa以上680MPa以下、圧延方向、圧延方向から90°方向の少なくとも一方の方向のヤング率(E)が220GPa以上であり、以下の式(1)を満足するロールフォーム加工性および溶接後の真円度に優れた３ピース缶用鋼板の製造方法。
   YP/(E・t)≦18.0 ・・・（１）
   ここで、YP：降伏強度(MPa)、E：圧延方向、圧延方向から90°方向の少なくとも一方の方向のヤング率(GPa)、t：板厚(mm)である。
4. 請求項１に記載の成分組成を有する鋼スラブを、850℃以上の仕上げ温度で熱間圧延し、550℃以上の巻取温度で巻取り、酸洗し、80％以上の圧下率で圧延し、700℃以上900℃以下の温度で焼鈍を行い、降伏強度(YP)が460MPa以上680MPa以下であり、以下の式(1)を満足する3ピース缶用鋼板に対して、ヤング率(E)が220GPa以上の方向にロールフォーム加工を行うことを特徴とする溶接後の真円度に優れた３ピース缶の製造方法。
   YP/(E・t)≦18.0 ・・・（１）
   ここで、YP：降伏強度(MPa)、E：圧延方向、圧延方向から90°方向の少なくとも一方の方向のヤング率(GPa)、t：板厚(mm)である。

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