(57)【要約】【課題】  耐変形性や表面特性、溶接性の劣化を防止することが可能な耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板及びその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明の鋼板は、炭素および／または窒素の濃度制御工程を経て製造される鋼板であって、質量％で、Ｃ：０．０８００％以下、Ｎ：０．０６００％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：２．０％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、前記鋼板の表面からの深さが板厚の１／８の表層におけるＣ及びＮの合計量が６０００ｐｐｍ以下であり、かつ、前記表層のＣ及びＮの合計量と前記鋼板の板厚の１／４の層厚の中心層におけるＣ及びＮの合計量との差が３０ｐｐｍ以上であることを特徴とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素および／または窒素の濃度制御工程を経て製造される鋼板であって、
質量％で、Ｃ：０．０８００％以下、Ｎ：０．０６００％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：２．０％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、
前記鋼板の表面からの深さが板厚の１／８の表層におけるＣ及びＮの合計量が６０００ｐｐｍ以下であり、
かつ、前記表層のＣ及びＮの合計量と前記極薄鋼板の板厚の１／４の層厚の中心層におけるＣ及びＮの合計量との差が３０ｐｐｍ以上であることを特徴とする耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板。
【請求項２】
前記鋼板の表面における窒化物および／または炭化物の面積率は、前記鋼板の板厚の１／４の層厚である中心層の前記表面に平行な断面における窒化物および／または炭化物の面積率の１．５倍以上であることを特徴とする請求項１記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板。
【請求項３】
前記鋼板の表面粗さ（Ｒａ）は０．９０μｍ以下であり、かつ、この鋼板の表面の長さ１インチあたりの凹凸の頂点の個数は２５０個以上であることを特徴とする請求項１または２記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板。
【請求項４】
さらに、質量％で、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．０５％以下、Ｂ：０．０１５％以下、Ｃｒ：２０％以下、Ｎｉ：１０％以下、Ｃｕ：５％以下の群から選択された１種または２種以上を含有してなることを特徴とする請求項１、２または３記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板。
【請求項５】
さらに、質量％で、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｗの群から選択された１種または２種以上を合計で０．１％以下含有してなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板。
【請求項６】
前記鋼板の板厚は０．４００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板。
【請求項７】
質量％で、Ｃ：０．０８００％以下、Ｎ：０．０６００％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：２．０％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼材に熱間圧延、冷間圧延、再結晶熱処理を順次施す鋼板の製造方法であって、
前記再結晶熱処理と同時またはその後に、炭素および／または窒素の濃度制御を行い、
前記鋼材の表面からの深さが板厚の１／８の表層におけるＣ及びＮの合計量を６０００ｐｐｍ以下、かつ、前記表層のＣ及びＮの合計量と前記鋼板の板厚の１／４の層厚の中心層におけるＣ及びＮの合計量との差を３０ｐｐｍ以上とすることを特徴とする耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【請求項８】
前記炭素の濃度制御は、浸炭処理であり、前記窒素の濃度制御は、窒化処理であることを特徴とする請求項７記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【請求項９】
前記浸炭処理は、前記鋼材の温度が５５０〜８００℃の状態にて浸炭性ガスを０．０２％以上含有する雰囲気中に１秒以上３６０秒以下保持することを特徴とする請求項８記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【請求項１０】
前記窒化処理は、前記鋼材の温度が５５０〜８００℃の状態にてアンモニアガスを０．０２％以上含有する雰囲気中に１秒以上３６０秒以下保持することを特徴とする請求項８記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【請求項１１】
前記窒化処理を行うに際し、０．１０＜浸炭性ガス濃度（体積％）／アンモニアガス濃度（体積％）＜１０とすることを特徴とする請求項１０記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【請求項１２】
前記浸炭処理、前記窒化処理のいずれか一方、または双方の、前記５５０℃以上の温度域の熱履歴における温度と時間の積を４８０００以下とし、その後、５５０℃から３００℃までの平均冷却速度を１０℃／秒以上にて冷却することを特徴とする請求項９、１０または１１記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【請求項１３】
前記再結晶熱処理の後に、０．５％以上７０％以下の圧延率にて再度冷間圧延を行うことを特徴とする請求項７ないし１２のいずれか１項記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飲料缶等の金属容器に用いて好適な耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な容器用鋼板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、容器の低コスト化のために容器用鋼板の極薄化が進行し、このような極薄の容器用鋼板で容器を製造した場合に顕在化している問題の一つに容器の変形がある。この変形は、容器の製造過程や内容物を充填した後の一般市場における容器のハンドリング時に起きる外力の作用のみならず、容器の内部圧力の増減、すなわち内容物の加熱処理時の増圧や内容物保持のための減圧処理、または炭酸飲料など内容物によっては必須となる増圧、さらには流通や保持中の温度変化に伴う内圧の変化等により生じる。
容器の耐変形性を向上させるには、容器のデザインのみならず、素材としてはより硬質なものを使用する必要がある。しかし、一般的に硬質な材料は延性が低く、缶成形時の材料破断などの問題を引き起こす。
【０００３】
一方、容器用鋼板は用途により様々な硬度の材料が造り分けられており、生産性を向上させるには上工程では同一の素材を準備し、できるだけ下工程での条件変更により材質を造り分けることが効率的である。このための方法として焼鈍後の再冷延（２ＣＲ）の圧下率によるものがある。
しかし、この方法では、再冷延（２ＣＲ）の圧下率を変えて同一の板厚の鋼板を製造するには、その前の工程での冷延板厚を造り分けておく必要があり、生産性の格段の向上は望めない。また、硬化手段として加工による転位強化を利用するため通常の固溶強化などに比べると延性の劣化が大きく缶成形の際のフランジ成形性が劣るなどの不具合も発生し易い。
【０００４】
そこで、焼鈍以降の工程で延性をそれほど阻害せずに強度調整する方法として、焼鈍時の窒化による技術が提案されている（特許文献１〜３参照）。
また、本発明者は、鋼板を窒化する技術を特に、０．４ｍｍ以下の板厚の薄い鋼板に適用するにあたり、鋼板により形成された部材の耐変形性を効率的に向上させるための技術を提案している（特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平０８−１７０１２２号公報
【特許文献２】特開平０８−１７６７８８号公報
【特許文献３】特開２００１−１０７１４８号公報
【特許文献４】特開２００４−２１８０６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の焼鈍時の窒化による技術では、窒化による表面硬度造り分けと、それによる生産性の向上を図ることはできるものの、特に表内層の硬度を制御することにより、極薄素材での耐変形性の向上が十分ではないという問題点があった。また、その製造方法については、アンモニア含有雰囲気中で保持する点は提案されているものの、表内層の材質を制御するための窒化の方法については、殆ど触れられておらず、これらの技術により本発明が目的とする極薄素材で成形した容器の耐変形性を向上させることは難しい。
また、本発明者が提案した鋼板を窒化する技術は、０．４ｍｍ以下の薄い板厚の鋼板により形成された部材の耐変形性を効率的に向上させることはできるものの、条件によっては、耐変形性のみならず、表面特性や溶接性にも問題が生じる虞がある。
【０００６】
例えば、耐変形性については、窒化処理による窒化量の割に変形性の向上効果が小さくなり、表面特性については、めっきや塗装、フィルム等の密着性等の表面処理性が低下するばかりでなく、表面光沢等の外観も悪化する虞がある。
また、溶接性については、適正な溶接電流範囲が、生産に支障をきたすほどに顕著に小さくなり、特に、表面特性の低下は、耐食性の劣化や、溶接性の劣化の原因にもなるため、大きな問題となり得る。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、極薄の鋼板を使用して製造された容器で問題となる変形を、素材の表層および内層の材質を窒化を適用することで制御し改善する際に、特に、単純に窒化のみを適用した場合に生じる耐変形性や表面特性、溶接性の劣化を防止することが可能な耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、窒化過程を経て製造される板厚０．４ｍｍ以下の鋼板の成分および窒化条件と材質との関係を検討するうちに、窒化を適用しても目的とする耐変形性の向上効果が明確でなくなり、同時に表面特性、溶接性が劣化する事例があることが分かり、さらに検討を進めた結果、成分を特定範囲に限定し、さらに浸炭雰囲気での熱処理を併用することで、鋼材の表層部および内層部の材質を制御するとともに、表面特性や溶接性に影響を及ぼす鋼板の表面状態を良好に制御することが可能になり、極薄鋼板を素材とした容器で望まれる耐変形性、表面特性および溶接性を両立しつつ大幅に改善することができることを見出し、本発明を完成するに至ったものであり、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
【０００９】
（１）  炭素および／または窒素の濃度制御工程を経て製造される鋼板であって、
質量％で、Ｃ：０．０８００％以下、Ｎ：０．０６００％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：２．０％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、
前記鋼板の表面からの深さが板厚の１／８の表層におけるＣ及びＮの合計量が６０００ｐｐｍ以下であり、
かつ、前記表層のＣ及びＮの合計量と前記鋼板の板厚の１／４の層厚の中心層におけるＣ及びＮの合計量との差が３０ｐｐｍ以上であることを特徴とする耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板。
【００１０】
（２）  前記鋼板の表面における窒化物および／または炭化物の面積率は、前記鋼板の板厚の１／４の層厚である中心層の前記表面に平行な断面における窒化物および／または炭化物の面積率の１．５倍以上であることを特徴とする（１）に記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板。
【００１１】
（３）  前記鋼板の表面粗さ（Ｒａ）は０．９０μｍ以下であり、かつ、この鋼板の表面の長さ１インチあたりの凹凸の頂点の個数は２５０個以上であることを特徴とする（１）または（２）に記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板。
【００１２】
（４）  さらに、質量％で、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．０５％以下、Ｂ：０．０１５％以下、Ｃｒ：２０％以下、Ｎｉ：１０％以下、Ｃｕ：５％以下の群から選択された１種または２種以上を含有してなることを特徴とする（１）、（２）または（３）に記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板。
【００１３】
（５）  さらに、質量％で、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｗの群から選択された１種または２種以上を合計で０．１％以下含有してなることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板。
【００１４】
（６）  前記鋼板の板厚は０．４００ｍｍ以下であることを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板。
【００１５】
（７）  質量％で、Ｃ：０．０８００％以下、Ｎ：０．０６００％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：２．０％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼材に熱間圧延、冷間圧延、再結晶熱処理を順次施す鋼板の製造方法であって、
前記再結晶熱処理と同時またはその後に、炭素および／または窒素の濃度制御を行い、
前記鋼材の表面からの深さが板厚の１／８の表層におけるＣ及びＮの合計量を６０００ｐｐｍ以下、かつ、前記表層のＣ及びＮの合計量と前記鋼板の板厚の１／４の層厚の中心層におけるＣ及びＮの合計量との差を３０ｐｐｍ以上とすることを特徴とする耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【００１６】
（８）  前記炭素の濃度制御は、浸炭処理であり、前記窒素の濃度制御は、窒化処理であることを特徴とする（７）に記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【００１７】
（９）  前記浸炭処理は、前記鋼材の温度が５５０〜８００℃の状態にて浸炭性ガスを０．０２％以上含有する雰囲気中に１秒以上３６０秒以下保持することを特徴とする（８）に記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【００１８】
（１０）  前記窒化処理は、前記鋼材の温度が５５０〜８００℃の状態にてアンモニアガスを０．０２％以上含有する雰囲気中に１秒以上３６０秒以下保持することを特徴とする（８）に記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【００１９】
（１１）  前記窒化処理を行うに際し、０．１０＜浸炭性ガス濃度（体積％）／アンモニアガス濃度（体積％）＜１０とすることを特徴とする（１０）に記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【００２０】
（１２）  前記浸炭処理、前記窒化処理のいずれか一方、または双方の、前記５５０℃以上の温度域の熱履歴における温度と時間の積を４８０００以下とし、その後、５５０℃から３００℃までの平均冷却速度を１０℃／秒以上にて冷却することを特徴とする（９）、（１０）または（１１）に記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【００２１】
（１３）  前記再結晶熱処理の後に、０．５％以上７０％以下の圧延率にて再度冷間圧延を行うことを特徴とする（７）ないし（１２）のいずれかに記載の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板によれば、前記鋼板の表面からの深さが板厚の１／８の表層におけるＣ＋Ｎの合計量を６０００ｐｐｍ以下とし、かつ、前記表層のＣ＋Ｎの合計量と前記鋼板の板厚の１／４の層厚の中心層におけるＣ＋Ｎの合計量との差を３０ｐｐｍ以上としたので、この鋼板を用いて製造された金属容器等の立体構造を有する各種部材の耐変形性、表面特性および製造の際の溶接性を向上させることができる。
【００２３】
本発明の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板の製造方法によれば、質量％で、Ｃ：０．０８００％以下、Ｎ：０．０６００％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：２．０％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼材に熱間圧延、冷間圧延、再結晶熱処理を順次施す際に、前記再結晶熱処理と同時またはその後に、炭素および／または窒素の濃度制御処理を行うので、鋼材の表層及び中心層におけるＣ及びＮの合計量を所定量以下に制御することができる。したがって、耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板を容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の耐変形性、表面特性、溶接性が著しく良好な鋼板及びその製造方法の一実施の形態について説明する。
なお、この実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために詳細に説明するものであるから、特に指定の無い限り、本発明を限定するものではない。
【００２５】
本発明の鋼板は、炭素および／または窒素の濃度制御工程を経て製造される鋼板であって、
質量％で、Ｃ：０．０８００％以下、Ｎ：０．０６００％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：２．０％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、
前記鋼板の表面からの深さが板厚の１／８の表層におけるＣ及びＮの合計量が６０００ｐｐｍ以下であり、
かつ、前記表層のＣ及びＮの合計量と前記鋼板の板厚の１／４の層厚の中心層におけるＣ及びＮの合計量との差が３０ｐｐｍ以上である。
【００２６】
ここで、鋼板の組成を上記の様に限定した理由について説明する。
Ｃは、鋼板の特性に最も顕著に効くもので、特に加工性の劣化を回避するために必要なものであり、その含有量は０．０８００％以下が好ましく、より好ましくは０．０６００％以下、さらに好ましくは０．０４０％以下である。
本発明の鋼板では、熱処理により焼鈍後にＣと同様の性質を有するＮを増量させることもできるので、強度確保などの観点で必要となるＣの含有量は低くても構わない。
【００２７】
この様な観点から設定されるＣの含有量は、０．００５０％以下でも必要な強度確保が可能であり、０．００２０％以下でも必要な強度確保が可能であれば構わない。また、Ｃの含有量を０．００１５％以下とした場合、Ｎの含有量との兼ね合いもあるが、通常の容器では規格外の極軟質材の製造も可能となる。
また、本発明で特徴的な表層硬化を浸炭雰囲気での熱処理によって行うのであれば、加工性と耐変形性および溶接性への影響、および製造条件の変動に関連したこれらの効果の安定性を考えた場合のＣの含有量は、好ましくは０．００５０〜０．０３５％、より好ましくは０．０１０〜０．０３０％、さらに好ましくは０．０１５〜０．０２５％である。
【００２８】
Ｎの含有量も、Ｃの含有量と同様、加工性の劣化を回避するために加えるもので、めっき等の表面特性の劣化を回避するために必要なものである。
Ｎの含有量の好ましい範囲は０．６００％以下、より好ましい範囲は０．３００％以下である。
また、加工性の観点からは、Ｎの含有量は低いことが好ましいことは言うまでもなく、好ましくは０．００５０％以下、さらに好ましくは０．００３０％以下である。
また、本発明で特徴的な表層硬化を窒化雰囲気での熱処理によって行うのであれば、加工性と耐変形性および溶接性への影響、および製造条件の変動に関連したこれらの効果の安定性を考えた場合のＮの含有量は、好ましくは０．００５０〜０．１００％、より好ましくは０．０１０〜０．０８０％、さらに好ましくは０．０２０〜０．０６０％である。
【００２９】
ここで注意を要するのは、後述する様に最終製品でのＣ及びＮの含有量は、缶の耐変形性効果や良好な表面特性、溶接性を付与するために存在するものであり、浸炭雰囲気での熱処理や窒化雰囲気での熱処理を行う前に存在するＣ、Ｎとは効果が異なることである。
【００３０】
Ｓｉは強度調整のために添加されるものであるが、多すぎると加工性が劣化するために、その含有量を２．０％以下とする。
本発明の鋼板では、Ｓｉは、結晶粒界にて窒化により鋼中に侵入したＣ、Ｎと炭化物、窒化物を形成し、脆性的な割れを生じさせるばかりでなく、本発明の効果を損ねる場合もあるので、鋼組成によっては、その含有量を１．５％以下、さらには１．０％以下に制限する必要が生ずることもある。
【００３１】
Ｍｎは、強度調整のために添加されるものであるから、添加することが好ましいが、多すぎると加工性が劣化するので、２．０％以下とする。
Ｐは、強度調整のために添加されるものであり、多すぎると加工性が劣化するので、０．１０％以下とする。
Ｓは、熱間延性を劣化させ、鋳造や熱間圧延の阻害要因となるので、含有量は少ないほど好ましく、０．０５％以下とする。
Ａｌは、脱酸のために添加される元素であるが、含有量が多いと鋳造が困難となり、表面の疵が増加する等の弊害が生じる虞があるので、２．０％以下とする。
【００３２】
本発明の鋼板は、上記の組成に加えて、
さらに、質量％で、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．０５％以下、Ｂ：０．０１５％以下、Ｃｒ：２０％以下、Ｎｉ：１０％以下、Ｃｕ：５％以下の群から選択された１種または２種以上を含有してなることが好ましい。
【００３３】
ここで、各元素の含有量を上記の様に限定した理由について説明する。
Ｔｉは、鋼板の再結晶温度を上げ、本発明が対象とする極薄鋼板の焼鈍通板性を著しく劣化させるので、含有量は少ないほど好ましく、０．０５０％以下とする。特に高いｒ値が必要でない通常の用途では、Ｔｉを添加する必要はなく、したがって、その含有量は０．０３％以下、さらに好ましくは０．０２％以下とする。
一方、Ｔｉは、浸炭熱処理前まで固溶状態で残存させておき、浸炭に伴い表面から鋼板に侵入するＣにより特に鋼板表層部にＴｉ炭化物を形成させ、鋼板表層のみを優先的に硬化させるという、本発明が目的とする効果をより高めることもできる。
【００３４】
本発明の鋼板は、本発明にて規定していない特性を付与するために、上記の組成に加えて、
さらに、質量％で、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｗの群から選択された１種または２種以上を合計で０．１％以下含有してなることが好ましい。
【００３５】
ここで、鋼板の板厚方向の部位の区分について図１に基づき説明する。
ここでは、鋼板の表面からの深さが板厚の１／８の表層部分を「表層１／８厚さ」と称し、鋼板の板厚の１／４の層厚の中心層部分を「中心層１／４厚さ」と称する。これら「表層１／８厚さ」及び「中心層１／４厚さ」それぞれの対応部位を図１に示す。
なお、「表層１／８厚さ」に対応する部位は、鋼板の両面に存在するが、本発明では、鋼板のどちらか一方の面について本発明の限定範囲に該当するものを対象とする。浸炭の方法や浸炭前の表面処理、さらには浸炭後の何らかの処理等により表と裏の炭素分布や表面での炭化物分布を変化させることは比較的容易であるが、本発明では、そのような表裏異材質の鋼板についても対象とする。これは片面のみでも本発明が目的とする耐変形性を得ることが可能であり、また、少なくとも浸炭を行った面については、表面特性や溶接性の向上が可能だからである。
【００３６】
ここで、「表層１／８厚さのＣ＋Ｎ量」とは、表層１／８厚さにおけるＣ及びＮの合計量のことであり、鋼板を研磨し、相当の部位のみを残存させた後、分析を行なうことで測定する。
同様に、「中心層１／４厚さのＣ＋Ｎ量」とは、中心層１／４厚さにおけるＣ及びＮの合計量のことであり、両面を研磨除去した後、相当の部位のみについての分析値を使用する。
この分析値は、成分元素の局所的な偏析や組織の不均一等により、通常、多少のばらつきが生ずるが、異常値を除外することができる程度の適当な回数の分析結果により決定される。
【００３７】
本発明の鋼板は、表層１／８厚さのＣ＋Ｎ量が６０００ｐｐｍ以下である。
表層１／８厚さの平均で６０００ｐｐｍということは、本発明の鋼材を通常の工程条件で製板した場合、最表面のＣ＋Ｎ量が１００００ｐｐｍ以上となっており、メッキ不良など表面の問題が起きやすくなるからである。
よって、表層１／８厚さのＣ＋Ｎ量の上限は、３０００ｐｐｍ以下が好ましく、より好ましくは２０００ｐｐｍ以下である。
【００３８】
本発明では、鋼板の表層部と中心層部のＣ＋Ｎ量に差をつけることが必要である。
この差は［表層１／８厚さのＣ＋Ｎ量］−［中心層１／４厚さのＣ＋Ｎ量］で規定され、この値は３０ｐｐｍ以上が好ましい。その理由は、この値が３０ｐｐｍより小さいと、本発明が目的とする耐変形性が小さくなる虞があるからである。
この値は、好ましくは５０ｐｐｍ以上、より好ましくは７０ｐｐｍ以上、さらに好ましくは１００ｐｐｍ以上、さらに好ましくは１５０ｐｐｍ以上、さらに好ましくは２００ｐｐｍ以上、さらに好ましくは３００ｐｐｍ以上である。
【００３９】
さらに、本発明では鋼板の板厚方向の特定位置に存在する炭化物または窒化物のサイズおよび数密度が規定される。以下、本発明で規定すべき炭化物または窒化物を「特定析出物」と定義する。
この特定析出物は、電子顕微鏡等の回折パターン、または電子顕微鏡に付設されたＸ線分析機器、あるいは化学分析等によっても同定が可能なものである。この特定析出物のサイズおよび面積率と数密度を制御するためには、後述する５５０〜８００℃の温度範囲で温度と時間、および５５０から３００℃までの冷却過程における冷却速度などを適当に制御することが有効であり、この影響は通常の条件であれば一般の析出物形成と同様、冷却速度が速く、低温であるほど窒化物サイズは微細かつ高密度となり、一方、冷却速度が遅く、所定の冷却温度まで長時間を要するほど、窒化物は異常粒成長し易くなり、窒化物サイズは粗大化する。
【００４０】
なお、本発明の特定析出物とは、炭化物または窒化物単独の析出物のみでなく、炭化物と窒化物の複合析出物、さらには酸化物、硫化物等との複合析出物も含まれる。
複合析出物を形成した場合、一つの析出物の種類および各化合物についてのサイズを特定することは困難であるが、明らかに一つの析出物が炭化物または窒化物である部分と、その他に分けられる場合を除いて、一つの特定析出物とする。
特定析出物の観察方法は特に限定されるものではないが、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付設されたエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＤＸ）や他の表面観察装置を用いて直接観察してもよいし、ＳＰＥＥＤ法によって得られた抽出レプリカ等を観察することも可能である。ただし、抽出レプリカ等ではレプリカが鋼板上の観察面のみの情報からなるようにレプリカ作成時に注意を払う必要がある。それは、ＳＰＥＥＤ法等による場合、電解抽出量が多すぎると板厚方向の情報が重畳することになり、鋼板を直接観察した時より、多くの析出物を観察することになるからである。
【００４１】
それ故、電解抽出量は鋼板厚さに換算して２μｍ以内にとどめるべきである。また、特定析出物が非常に微細で抽出が良好でないと思われる場合には、薄膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察してもよい。
組成の判定は、ＥＤＸにより分析を行い、主として観察される非金属元素がＣの場合を炭化物、Ｎの場合を窒化物とする。また、大きさが小さいためＣまたはＮの特性スペクトルは明瞭ではなくとも、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂ、Ｃｒ等が検出され、かつ、Ｏ、Ｓ等の明瞭なスペクトルが観察されず、かつ炭化物または窒化物と特定できる他の析出物との形態比較から特定析出物とほぼ断定できる析出物も、本発明における特定析出物とする。
【００４２】
また、析出物の定性に電子線回折パターン等を用いても良い。特定析出物の同定はＥＤＸや電子線回折パターンといった手法によるものではなく、現在性能向上が著しいどのような分析機器を使用しても構わない。要は析出物の種類とサイズおよび数密度が、妥当と認められる方法により決定できればよい。
特定析出物の下限値は、本発明の出願時における通常使用される分析機器の分解能が概ね０．０２μｍであることから、０．０２μｍを下限値とした。
【００４３】
また、形状が延伸した窒化物が見られる場合があるが、形状が等方的でないものについては、長径と短径との平均を、その析出物の直径とする。
鋼板１／４厚さ位置における断面観察においては、鋼板の研磨が必要となることは言うまでもないが、鋼板の表面を清浄にするため、または析出物を明確にし正確な観察を行うため、何らかの研磨またはエッチングを行うことも可能である。
鋼板の表面を研磨またはエッチングした場合、観察面は厳密には鋼板表面ではなくなるため、加工を行わないことが好ましいことは言うまでもなく、研磨等を必要としない何らかの方法を選択すべきである。表面を加工する場合も、加工による板厚減少量は２μｍ程度以下にとどめるべきである。
また、板の表面方向からの観察（二次元的な観察）ではなく、断面方向からの観察（表面および１／４厚さ位置に関する観察は二次元的でなく一次元的）により面積率や数密度、直径等を算出してもよい。なお、画像解析装置等を用いて窒化物の数と直径を求めることもできる。
【００４４】
本発明の特徴の一つは、鋼板表面での特定析出物の状態に差を有せしめることである。
以下、本発明の重要な要件である鋼板の表面状態について説明する。
本発明は、主に鋼板の表面の特定析出物の形態を制御するものであり、鋼板に炭素および／または窒素の濃度制御、すなわち、浸炭雰囲気での熱処理や窒化雰囲気での熱処理を施し、鋼板の表面を当該鋼板とは異なる物質で覆うことで、表面の不均一さを増大させ、目的とする表面状態に関連した特性の向上を図るものである。
また表面状態に関連した特性は、表面に形成される特定析出物の形態に依存するため、炭素および／または窒素の濃度制御、すなわち、浸炭雰囲気での熱処理や窒化雰囲気での熱処理後の熱履歴、冷却条件等によっても特定析出物についての制御を行う。
【００４５】
鋼板の表面における特定析出物の状態を限定する方法として、本発明では特定析出物の面積率を用い、鋼板の表面における窒化物および／または炭化物の面積率と、前記鋼板の板厚の１／４の層厚である中心層の前記表面に平行な断面における窒化物および／または炭化物の面積率との比、すなわち、［表面での窒化物および／または炭化物の面積率］／［板厚１／４位置の断面での窒化物および／または炭化物の面積率］、で規定でき、この比を１．５以上、好ましくは３以上、より好ましくは６以上、さらに好ましくは１０以上、さらに好ましくは３０以上、さらに好ましくは１００以上とする。
この比が１．５を下まわると、本発明の効果が小さくなり、目的とする鋼板が得られない。一方、この比が大きいほど、基本的には本発明の効果が大きくなることは言うまでもない。
【００４６】
この特定析出物の面積率は、最終製品の鋼板と、浸炭雰囲気での熱処理や窒化雰囲気での熱処理を施す以前の鋼板とを比較することによっても、同様に規定することができる。この場合、最終製品の鋼板における表面の窒化物および／または炭化物の面積率と、浸炭雰囲気での熱処理や窒化雰囲気での熱処理を施す以前の鋼板における表面の窒化物および／または炭化物の面積率との比、すなわち、［最終製品板の表面での窒化物および／または炭化物の面積率］／窒化処理前や浸炭処理前の鋼板の表面での窒化物および／または炭化物の面積率］、で規定でき、この場合も上記と同様に、この比を１．５以上、好ましくは３以上、より好ましくは６以上、さらに好ましくは１０以上、さらに好ましくは３０以上、さらに好ましくは１００以上とする。
この比が大きいほど基本的には本発明の効果が大きくなることは言うまでもない。
【００４７】
この特定析出物が鋼板全面を覆っていても問題はない。ただし、膜状に形成した特定析出物は、破壊し易く、製造工程での通板においては少なからず破壊する。そこで、注意を要するのは、表面の特定析出物の膜が非常に厚い場合で、鋼板の破断の起点になったり、何らかの表面欠陥として認識される場合もある。したがって、鋼材にＣ、Ｎを過剰に添加することで生じる鋼板の表面におけるＣ、Ｎの高濃度化は避けるべきである。
さらに、表面の特定析出物の形態としては、粗大なものがまばらに分散するよりも、ある程度微細なものが均一に分散することが好ましい。
ただし、あまりに微細なものは本発明が目的とする表面改質効果に対する寄与が小さくなる場合もあるので、直径０．１０μｍ以上のものを対象とする。
【００４８】
本発明の特徴の他の一つは、鋼板の表面粗度を制御することである。
以下、本発明の鋼板の表面粗度の制御について説明する。
鋼板の表面粗度については、様々なものが考えられるが、本発明では、表面粗さ（Ｒａ）と、長さ１インチあたりの凹凸の頂点の個数（ＰＰＩ）を採用することとする。
表面粗さ（Ｒａ）およびＰＰＩの測定方法は特に限定するものではないが、触針式、レーザー式などの方法、二次元、三次元測定など通常行われる方法を用いる。
【００４９】
本発明では、鋼板の表面粗さ（Ｒａ）が０．９０μｍ以下、かつ、そのＰＰＩが２５０個以上であることを特徴とする。
ここで、表面粗さ（Ｒａ）が０．９０μｍを超えるか、または、ＰＰＩが２５０個未満であると、本発明が目的とする色調、密着性、溶接性などの表面凹凸に起因する特性が劣化する。
この表面粗さ（Ｒａ）は、好ましくは０．８０μｍ以下、より好ましくは０．７０μｍ以下、さらに好ましくは０．６０μｍ以下、さらに好ましくは０．５０μｍ以下である。
また、このＰＰＩは、好ましくは３００以上、より好ましくは３５０以上、さらに好ましくは４００以上、さらに好ましくは４５０以上、さらに好ましくは５００以上である。
【００５０】
定性的には、高さの揃った凹凸が高密度で存在することが好ましい。
表面粗さ（Ｒａ）の下限は、特に限定されるものではなく、窒化・浸炭条件や調質圧延条件等により目的に応じた値に制御される。この下限値は、現実的には０．０２μｍ以上である。
また、ＰＰＩの上限も限定されるものではなく、目的に応じて窒化・浸炭条件や調質圧延条件等により制御される。
【００５１】
基本的には、上述の独立した特定析出物または独立して露出した鋼表面部を微細に分散させた方が、表面粗さ（Ｒａ）は低く、ＰＰＩは高くなる。
具体的には、高濃度のアンモニア雰囲気中で短時間の窒化を、高濃度の浸炭性雰囲気中で短時間の浸炭を、それぞれ行い、その後の冷却を高速で行うことになる。もちろん、表面の状態はそれ以前の鋼成分や結晶粒径、焼鈍温度や冷延条件、さらには窒化・浸炭後の調質圧延時の圧下率やパス数、ロール粗度、金属めっきを行う場合はめっき条件等にも影響されるので、特定の範囲に限定することは困難であるが、基本的な制御は通常行われるものと同様である。
【００５２】
従来の技術では、鋼板の表面粗度を制御するために、焼鈍後の調質圧延において圧延ロールの凹凸を転写したり、特殊な電解処理やめっき等により表面被覆する金属の形態を制御したり、さらには、粗度は金属めっきなどの鋼板表面への付着の状態にも強く依存するため、めっきによる被覆物の形態等が精緻に行われてきた。
一方、本発明においては、これらの条件をほとんど受けることがないため、生産上の多大な利点を享受することができる。
【００５３】
例えば、圧延ロールの凹凸については、従来は圧延により圧延ロールの凹凸が摩滅してしまうため、鋼板表面の凹凸を好ましい範囲に規定するために圧延ロールの取り替え、凹凸加工を頻繁に行う必要があるばかりでなく、その管理のために生産を中断する等、生産性、労力の面でも過大な負荷を生じていた。
これに対し、本発明においては、鋼板の表面状態は調質圧延の方法にはほとんど影響されず、圧延ロールの凹凸の摩滅をほとんど管理することなく大量の処理を行うことが可能となる。
【００５４】
また、金属めっきの形態についても、特にめっき条件等を精緻に制御することなく、非常に微細で形状が揃った金属めっき被覆物を均一に分散させることが可能になる。これにより、鋼板の生産性を大幅に向上させることが可能となる。
なお、一般的に、焼鈍後には調質圧延が行われる場合がほとんどであるが、本発明では、通常の連続焼鈍ライン内を通板させる際のハースロールの曲げによっても鋼板表面に微細な亀裂、凹凸が形成されるため、調質圧延が必須となるものではない。
【００５５】
このように、鋼板の表面粗度がその粗度を生じさせる手法、条件にほとんど影響を受けない理由は明確ではないが、粗度を生じる原因が鋼板そのもの、つまり鋼表面での特定析出物の分散状態にあるためと考えられる。以下、このメカニズムについて説明する。
本発明の鋼板は、鋼板表面の通常に比べれば非常に大きな部分を特定析出物で覆うことにより、通常の基本的に均質なＦｅである鋼板とは異なった状態にしていることが基本的な点である。鋼板の表面が特定析出物で部分的に覆われている場合には、特定析出物の部分と鋼板が露出している部分とで表面特性に差が生じている。
【００５６】
この特定析出物は、鋼を構成する成分とは変形特性が大きく異なるものであるから、スキンパスや鋼板製造時の通板に伴う曲げ加工による変形は、ミクロな領域で特定析出物部分と鋼板露出部分で異なる。
これにより、本発明の鋼板の製造過程では、表面粗度についてはスキンパスなどの加工条件の影響が緩和され、鋼板表面の特定析出物の状態のみに強く依存したものとなる。また、ほぼ全面が特定析出物で覆われた場合にも、この特定析出物は鋼板製造時の際のわずかな変形により微細化され、均一な表面粗度を形成するようになる。
【００５７】
さらに、このような特定析出物は、例えば、メッキ等の表面処理における被覆物質との濡れ性、反応性が通常の鋼板とは大きく変化する。そのため、表面処理における被覆物質は、鋼板表面の特定析出物の存在状態に依存して不均一性を示すようになる。そこで、鋼板製造時に、鋼板の表面に形成される特定析出物または露出した鋼表面を微細化しておけば、表面処理による被覆物質を表面処理条件等に関わらず微細化することができる。
【００５８】
本発明の鋼板は、
質量％で、Ｃ：０．０８００％以下、Ｎ：０．０６００％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：２．０％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼材に熱間圧延、冷間圧延、再結晶熱処理を順次施す際に、再結晶熱処理と同時またはその後に、炭素および／または窒素の濃度制御を行い、前記鋼材の表面からの深さが板厚の１／８の表層におけるＣ及びＮの合計量を６０００ｐｐｍ以下、かつ、前記表層のＣ及びＮの合計量と前記鋼板の板厚の１／４の層厚の中心層におけるＣ及びＮの合計量との差を３０ｐｐｍ以上とすることにより得ることができる。
【００５９】
ここで、炭素の濃度制御は、浸炭処理が好ましく、浸炭処理は、浸炭雰囲気での熱処理が好ましい。また、窒素の濃度制御は、窒化処理が好ましく、窒化処理は窒素雰囲気での熱処理が好ましい。
以下、本発明の重要な要件である浸炭処理の条件、および必要に応じて適用される窒化処理の条件について説明する。
浸炭処理と窒化処理は、それぞれ単独で行っても良いし、別々に行っても良い。また、処理の順番も特に制限されない。ただし、本発明の効果が、窒化に伴う表層Ｃの脱炭の影響を浸炭により補うことにより発現し易くなるものであることや、鋼板の表層のみを硬化させるため熱処理時間を短くすることが有利であることから、窒化の後に浸炭することが好ましく、さらに好ましくは、同時に処理する、いわゆる浸炭・窒化雰囲気で処理することが好ましい。
【００６０】
注意すべき点は、これらの熱処理前後で、鋼板のＣ含有量およびＮ含有量の双方が増加する必要はない。
例えば、浸炭処理を適用する場合、特殊な場合においては、本発明が規定する浸炭処理の前に何らかの工程で大幅な脱炭が起きており、鋳片から最終製品におよぶ全工程を考えると、鋼板平均でのＣ含有量は減少しているものの鋼板表層では顕著なＣ増量が生じ、結果として、本発明の鋼板を得ることができるからである。窒化処理とＮ含有量に関しても同様であり、結果として、本発明で主たる目的である耐変形性や表面特性、溶接性に関しては、鋼板平均でのＣおよびＮの各々の量は、本発明においては重要な意味を有しないこととなる。
【００６１】
以上のような理由から、本発明では単に「浸炭処理」という表現が行われている場合にも、例えば、窒化処理と同時に行われる場合には、結果として窒化に起因すると考えられるＣ量の減少量が大きく、処理前後でＣ量が減少する場合もある。このような事例を考え、本発明では、より厳密な表現が必要と考えられる部分では、単に「浸炭処理」ではなく、「浸炭雰囲気での熱処理」といった表現を用いる。すなわち、熱処理雰囲気によっては、浸炭性ガスを含む雰囲気中での熱処理であるにもかかわらず脱炭が起きる場合が考えられるが、その場合にも、浸炭性ガスを含まない雰囲気において熱処理を行った場合と比較すれば、脱炭量は小さく抑えられているからである。
【００６２】
本発明で重要な点は、浸炭雰囲気で熱処理を行うことで、目的にとって非常に好ましい濃度分布、鋼板表面を含む表層での特定析出物分布を得ることである。
例えば、窒化雰囲気での熱処理を行わない場合や、窒化による材質変化が小さい場合には、浸炭雰囲気での熱処理が上記の分布を制御するための主要な手段となる。また、上記の分布を主として窒化により制御する場合には、浸炭雰囲気での熱処理は、主として窒化に伴う脱炭に起因する、耐変形性や表面特性、溶接性の不具合を抑制・改善するための主要な手段となる。
【００６３】
なお、本発明で特に耐変形性に関して目的とする強度を達成するには、基本的には、浸炭処理によるよりも、窒化処理によるほうが好ましい。その理由は、ＣよりＮの方が鋼中への固溶限が大きく、大きな固溶体強化の効果を利用できることや、高温からの急速冷却熱処理により多量かつ微細な析出物を得やすいことによるからである。よって、発明の最も好ましい形態としては、窒化により必要な耐変形性を付与し、その際に不可避的に起きる可能性がある表面Ｃ状態の変化に起因する表面特性および溶接性への悪影響を、浸炭処理を行うことにより回避するとともに、好ましい炭化物形態を実現することで、表面特性や溶接性を浸炭処理を行わないもの以上に向上させるものとなる。
【００６４】
以下、本発明では、「浸炭雰囲気での熱処理」および「窒化雰囲気での熱処理」を包括する用語として「特定熱処理」を用いる。
この特定熱処理は、冷延後の再結晶焼鈍と同時またはその後に、再結晶焼鈍と連続して行なうことが生産性の観点からは好都合である。焼鈍の方法はバッチ式または連続焼鈍を問わずに適用が可能である。ただし、特定熱処理の生産性およびコイル内材質の均一性の観点からは連続焼鈍法がはるかに有利である。
また、本発明が規定するように表内層の材質を制御し大きな効果を得るには特定熱処理時間およびその後の熱履歴が長時間化するのは不利となることからも、少なくとも特定熱処理は連続焼鈍設備で行なわれることが好ましい。また、特別な理由がない場合は連続焼鈍材に適用されるものとする。
特に、連続焼鈍工程において炉中の雰囲気を部分的に制御し、前半で再結晶、後半で特定熱処理する工程は生産性や材質の均一性、浸炭または窒化状態の制御のし易さなど多くのメリットがある。
【００６５】
また、再結晶が終了する前に特定熱処理を行なうと、再結晶が著しく抑制されて未再結晶組織が残り、加工性の顕著な劣化が起こる場合があり注意が必要である。この限界は、鋼成分や特定熱処理条件、再結晶焼鈍条件などで複雑に決定されるものであるが、未再結晶組織が残存しない条件を適度な試行の後に見出すことは容易である。また、特定熱処理の条件は、特定熱処理による鋼板のＣ、Ｎ量の変化のみならず、鋼成分や再結晶焼鈍条件、さらには特定熱処理後の熱履歴等も考慮し、Ｃ、Ｎの鋼板表面から内部への拡散や板表面での特定析出物の形態変化を考えて決定する必要がある。単にロックウェル硬度で決定される材質だけを指標にしたのでは本発明が目的とする好ましい耐変形性や表面特性、溶接性を得ることはできない。
【００６６】
特定熱処理の条件は、詳細には適当な回数の試行結果を参考とし決定する必要があるが、基本的な考え方は以下のようであり、それに基づき本発明を規定する。
すなわち、特定熱処理は板温度が５５０〜８００℃の状態で行なわれることが好ましい。これは通常の焼鈍のように特定熱処理の雰囲気をこの温度にしておきその雰囲気中を鋼板を通過させることで板温度をこの範囲にして行なうことも可能であるし、特定熱処理の雰囲気そのものはより低い温度としておき、この範囲の温度に加熱した鋼板をその中に侵入させることで特定熱処理を進行させてもよい。
【００６７】
特定熱処理における雰囲気をこの温度に昇温する場合には、鋼板の特定熱処理とは無関係な雰囲気の変質および分解により鋼板の特定熱処理の効率が低下する場合があるので５５０〜７５０℃とする。好ましくは６００〜７００℃、さらに好ましくは６３０〜６８０℃である。また、特定熱処理の雰囲気については、例えば、窒化処理の場合には、窒化性ガスとして体積比でアンモニアガス等の窒化性ガスを０．０２％以上含んだものとすることが好ましく、また、浸炭処理の場合には、浸炭性ガスとして体積比でアセチレン、エチレン、メタン、ブタン、エタン等の炭化水素ガスを０．０２％以上含んだものとすることが好ましい。
【００６８】
これらのガスや雰囲気の種類は、窒化処理または浸炭処理と同等の効果を有するものであれば、特に限定されるものではなく、残部は水素ガス、窒素ガス、二酸化炭素ガス、アルゴン等、各種の比較的不活性なガスが可能である。特に、アンモニアガスは窒化効率を上げるために効果が高く、所定の窒化量を短時間で得ることが可能となるため鋼板中心へのＮの拡散を抑制し、本発明にとって好ましい効果を得ることができる。特定熱処理のための窒化性ガスの濃度は０．０２％以下でも十分であるが、好ましくは０．１％以上、さらに好ましくは０．２％以上、さらに好ましくは１．０％以上、さらに好ましくは５％以上であり、さらに１０％以上とすれば５秒以下での熱処理でも十分な効果を得ることが可能となる。
【００６９】
また、浸炭性ガスの濃度も同様に、好ましくは０．１％以上、さらに好ましくは０．２％以上、さらに好ましくは１．０％以上、さらに好ましくは５％以上であり、さらに１０％以上とすれば５秒以下での熱処理でも十分な効果を得ることが可能となる。また、通常の焼鈍においては窒素ガスと水素ガスを主体とした雰囲気中で焼鈍が行なわれるが、露点の変化や、酸素や水蒸気等が通常の熱処理等と同程度に混入し、浸炭や窒化が影響を受けることも考慮して、適当な試行の後に、好ましい範囲に制御が可能である。
【００７０】
特定熱処理の時間は特に限定されるものではないが、５５０℃以上という本発明の温度条件に絡んで、最大０．４００ｍｍ程度の鋼板厚さを想定すると、特定熱処理中の鋼中のＣまたはＮの拡散を考慮しても、本発明が目的とする特定析出物分布等が得られなくなることを考え、３６０秒を上限とする。また、特定熱処理効率を向上させても本発明が必要とする鋼板板厚方向の濃度分布、表面での特定析出物分布、表面粗度等を得るには１秒は必要である。好ましくは２〜６０秒、さらに好ましくは３〜２０秒である。
【００７１】
鋼板板厚方向の濃度分布、表面での特定析出物分布、表面粗度等を制御するには、特定熱処理後の鋼板の熱履歴も重要となる。対象となる鋼板の板厚および鋼中でのＣまたはＮの拡散を考慮すると、高温での長時間保持は好ましくないが、この熱処理によりＣまたはＮ分布を適当になだらかにすることで本発明の効果をより顕著にすることも可能になるので、このためには５５０℃以上の温度域での履歴が重要で、この温度域での温度と時間の積を４８０００以下とすることが好ましい。
【００７２】
この４８０００という数値は、６００℃で８０秒、８００℃で６０秒に相当するが、温度が連続的に変化するときは、その効果が適当に評価されるように５秒程度ごとの時間領域に分割し温度変化を記録し、各領域についての温度と時間の積の和を求めることでも可能である。もちろん、ある温度幅をもった温度領域に分割して温度と時間の積の和を求めてもよい。温度と時間の積の値は、好ましくは２４０００以下、さらに好ましくは１２０００以下で、通常は特定熱処理終了時点で鋼中ＣまたはＮの分布がほぼ決定するように特定熱処理条件を設定しておくことが好ましい。
【００７３】
上記の熱履歴に絡んで、特定熱処理後の冷却速度が発明の効果に大きく影響する。すなわち、ＣまたはＮ分布がほとんど変化しない低温短時間においても、冷却過程での特定析出物の形成状態が大きく変化するため、特定析出物の分布には顕著な差が見られる場合がある。５５０℃から３００℃までの平均冷却速度を１０℃／秒以上とすることで、高温での保持過程で形成した特定析出物の状態を保持するとともに、固溶ＣまたはＮをより多く残存させ表層部を中心層に比し相対的に硬質にし耐変形性を向上させることが可能となる。好ましくは２０℃／秒以上、さらに好ましくは５０℃／秒以上である。ただし、固溶ＣまたはＮを過度に残存させると用途によっては時効性が問題となる場合があるので注意が必要である。
【００７４】
上記の熱処理条件の意味するところは、以下のようである。
特定析出物の分散状態は、特定析出物を形成する初期の状態、言い換えれば特定析出物の核形成時の状態と、その後の特定析出物の成長挙動に大きく依存する。そして、窒化物の核形成は通常の鋼中での析出等と同様に、低温で析出元素が過飽和に固溶した状態で高密度かつ微細に核形成が起きる現象であると考えられる。つまり、過飽和な固溶元素は何らかの析出物を形成しようとするが、その際の温度が低いと十分な拡散が起きず拡散距離が短くなるため微細な析出形態となる。
【００７５】
本発明では、窒化処理でＮが過飽和な状態に制御するためには、アンモニアガス濃度が高いことが好ましいことになる。ただし、温度は低すぎると十分な窒化が起きなくなり、アンモニアガス濃度が高くても十分な過飽和状態に制御できなくなる場合もある。また、その後、特定熱処理中に特定析出物の成長が起きる。一般に析出物は、高温、長時間であるほど成長するが、本発明鋼における特定熱処理中には、表面からＣ、Ｎが供給されると同時に、鋼板内部へのＣ、Ｎの拡散が起き、必ずしも平衡状態にあるとは限らないため、均質な成分を有する鋼板中での析出物の成長挙動がそのまま当てはまらないことに注意する必要がある。
【００７６】
このような状況を、完全に数式化し最適条件を正確に提示することは現時点では困難であるが、基本的には上記のような考えに従い、本発明のような製造条件になる。最適な状況としては、ある程度の窒化・浸炭が十分に起き、かつ拡散が過度には起きない温度域で、本発明で想定している雰囲気中での熱処理の場合には５５０〜８００℃程度の温度域で、比較的高めのガス濃度で窒化・浸炭し、鋼板表面での特定析出物の核形成、成長を行うことが好ましい。
【００７７】
特に、成長について時間的な因子を考えれば、より拡散を抑制した低温においては長時間保持しても微細化を行うことは可能である。
この制御に対する考え方は、特定ガスでの窒化・浸炭に限定されるものではないため、雰囲気ガスは特定のガスに限定されるものではないことは言うまでもない。一般的に知られている核形成・成長現象のメタラジーを用いて析出核を微細化する方向での制御を行うものであり、特定の熱処理方法に応じて好ましい条件を設定することは容易なことである。
【００７８】
本発明は、浸炭処理のみによって達成することも可能であるが、上述のように窒化処理を伴うことが効果の観点からは好ましく、また、浸炭処理の効果は、特性制御にとってより効果の大きい窒化処理を施した際の、脱炭による特性劣化を浸炭によって補う場合に、非常に好ましく働くため、窒化処理と浸炭処理の両方が行われる場合が好ましい。
このような場合、特定熱処理における浸炭性ガス濃度とアンモニアガス濃度の比を特定範囲内に制御することで、発明の顕著な効果を得ることが可能となる。
すなわち、窒化に対して浸炭の効果が小さすぎる場合は、脱炭による悪影響を回避することが困難となり、一方、浸炭の効果が大きすぎる場合は、窒化との複合的な効果が得られなくなる。
【００７９】
そこで、本発明においては、窒化処理を行うに際しての条件として、浸炭性ガス濃度（体積％）／アンモニアガス濃度（体積％）をＲＥとすると、０．１０＜ＲＥ＜１０とすることが好ましく、より好ましくは０．２０＜ＲＥ＜８であり、さらに好ましくは０．３０＜ＲＥ＜５、さらに好ましくは０．４０＜ＲＥ＜３、さらに好ましくは０．４０＜ＲＥ＜２である。
ここで、浸炭性ガス濃度およびアンモニアガス濃度は、熱処理炉内の雰囲気を採取して決定することも可能であるが、炉内の雰囲気は炉壁や鋼板での分解により濃度が変化し、場所的な不均一性も大きくなる虞があることから、本発明では炉内に導入される浸炭性ガスおよびアンモニアガスそれぞれの流量から求める。
【００８０】
このように、特定熱処理により、耐変形性への悪影響が抑制されるメカニズムは、単純に脱炭に起因する表層硬化の劣化を浸炭により補うと考えることも可能であるが、定量的には、単に脱炭量と浸炭量では説明できない点もあり、窒化との相互作用による硬化メカニズムの変化、析出物形態の変化等の影響も考えられるが、本発明の特徴はむしろ、表面特性や溶接性への好ましい影響である。
【００８１】
本発明により顕著な表面特性および溶接性向上効果が得られる理由は、表面が硬質化していることに起因する表面粗度、凹凸の差、または、表面に多量に形成される特定析出物によるものである。これらは、溶接性時には、例えば、接触抵抗を変化させ、また、表面処理時には被覆物質との界面反応を変化させ、直接的に好ましい効果を及ぼすのみならず、例えば、表面でのメッキ形態が変化することで溶接性が好ましい方向に変化するといった、相互作用的な効果をも示すものである。
【００８２】
特に、薄手の容器用鋼板の製造においては、硬度調整や板厚調整のために再結晶焼鈍の後に再冷延を行なう場合がある。この圧下率は、形状調整のために行なわれるスキンパスに近い１％程度から、冷延と同様の５０％以上までがあり、本発明においても、従来鋼と同様の再冷延の適用が可能である。
例えば、形状矯正等を目的とする場合は、０．５％から１．５％程度の範囲で圧延が行われ、本発明鋼も、通常は、この程度の圧延が行われる。
【００８３】
本発明鋼で特に注意を払う必要が生ずるのは、高強度化や薄手化のため１．５％を超えるような高い再冷延率を適用した場合である。単純に考えると表層が硬く内層が軟らかい本発明鋼において再冷延を適用すると軟らかい内層のみが優先的に加工硬化し、本発明で耐変形性を高めるために付与している表層のみの優先的な硬化が消失してしまうようにも考えられるが、実際には、本発明鋼においては、通常程度の再冷延率であれば再冷延により、むしろＣ、Ｎ含有量が高く硬質な表層部の方が優先的に硬質化し、本発明鋼で形成される表内層の硬度差はより明瞭になる。
【００８４】
この理由は、表層は多量の固溶Ｃ、Ｎおよび特定析出物のため加工硬化しやすくなっており、一方、内層は表層により拘束されているため優先的に変形することができないためであり、表層を大きく上回るように選択的に硬化することはない。とはいえ、再冷延率が顕著に高くなれば、鋼板自体が十分に硬質化し本発明技術のように板厚方向の材質分布を制御せずとも十分な缶強度を得ることが可能となり、同時に、本発明の特徴である表面粗度の制御を介した表面特性や溶接性の向上効果が小さくなる傾向もあるため、通常の適用範囲を大幅に越えてまで再冷延率を高める意義は小さい。
【００８５】
また、再冷延率が高くなると、加工性が低下することから、不用意な高圧下の適用は避けるべきである。以上のことから、本発明鋼に再冷延を適用する場合は７０％程度までとすることが好ましい。再冷延の時期は、生産性の観点から好ましい工程である、再結晶焼鈍と特定熱処理を連続的に行なう工程においては特定熱処理の後になるが、再結晶焼鈍と特定熱処理を別の工程で行なう場合には特定熱処理の前に行なうことも可能である。
また、溶接部を考えた場合、通常の材料では、溶接の熱により材料が局部的に軟化し、フランジ成形等において加工歪が集中し、成形性を劣化させる虞があるが、表層部にＣまたはＮを多量に含有した本発明鋼では、この溶接熱による軟化も抑制されるため、溶接部の成形性についても向上させることが可能となる。
【００８６】
本発明の鋼板の厚みの好ましい範囲は、０．４００ｍｍ以下である。
これは、鋼板の厚みがこれより厚い場合には、成形部材の変形は問題となり難いからである。また、鋼板の厚みが厚い場合には、特定熱処理による表層硬化の厚さが相対的に小さくなり、発明の効果が現れ難くなるためでもある。
鋼板の厚みのより好ましい範囲は０．３００ｍｍ以下、さらに好ましくは０．２４０ｍｍ以下、さらに好ましくは０．２００ｍｍ以下であり、特に、板厚が０．１８０ｍｍ以下の鋼板では、非常に顕著な効果を得ることが可能となる。
【００８７】
本発明の効果は、鋼材の成分調整以降、焼鈍前の熱履歴、製造履歴によらない。熱延を行う場合のスラブはインゴット法、連続鋳造法などの製造法には限定されず、また熱延に至るまでの熱履歴にもよらないため、スラブ再加熱法、鋳造したスラブを再加熱することなく直接熱延するＣＣ−ＤＲ法、さらには粗圧延などを省略した薄スラブ鋳造によっても本発明の効果を得ることができる。
また、熱間圧延の条件にもよらず、仕上げ温度をα＋γの二相域とする二相域圧延や、粗バーを接合して圧延する連続熱延によっても本発明の効果を得ることができる。
【００８８】
また、本発明鋼を溶接部を有する容器用素材として用いる場合には、熱影響部の軟化を抑制、特にＣ、Ｎ濃度が高い表層部が急冷され硬化するため溶接部の強度を向上させる効果も有する。これは、Ｂ、Ｎｂ等、通常においても熱影響部の軟化を抑制する元素が添加された場合には、さらに顕著となる。一方、絞り成形やしごき成形等を経て製造される、いわゆる２ピース缶においては、板表面が硬質化するため成形金型との摩擦係数が低下し成形性が向上する硬化も有する。
さらには、表層を硬質化し曲げ変形に対する抵抗性を高めているため、成形中の鋼板の曲げ座屈が生じ難くなる、すなわち、しわの発生を抑制する効果も現れる。
【００８９】
本発明は、容器用鋼板として分類される板厚が比較的薄い鋼板を対象としたものであるが、用途は、容器に限定されるものではなく、何らかの立体構造を有する部材であればよい。これらの部材では、めっき等の表面処理性の向上、成形後の外力による変形抑制、色調などの外観の向上、塗装等の被覆の密着性向上、溶接性の向上などの効果を期待する用途で、発明の効果が発揮される。
【００９０】
通常、本発明の鋼板は、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なん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）ニッケルなどが施される。また、近年使用されるようになっている有機皮膜を被覆したラミネート鋼板用の原板としても、本発明の効果を損なうことなく使用できる。
また、結晶粒径や集合組織等にもよらず、十分な効果を得ることが可能である。
本発明鋼板を得る手段としては、窒化・浸炭処理に限定されるものではなく、液体、プラズマ、イオン注入等で行うことも可能である。
【００９１】
本発明は、表面の少なからざる領域を特定析出物で覆うことを条件とするものであるから、何らかの方法で表面にＣ、Ｎを高濃度化させるものであれば適用することが可能である。特に、鋼板のＣおよびＮ各々の含有量の合計量を増加させることなく、鋼板の板厚方向のＣ、Ｎ分布を変化させ、表面のみにてＣ、Ｎを高濃度化させ、特定析出物を形成させるようなプロセスであれば、鋼板の加工性等の変化も小さくなり好都合である。また、鋼板を窒化、浸炭するプロセスに限らず、何らかのＣ、Ｎ含有物質を鋼板表面に付着させることで、鋼板表面を改質するプロセスでも本発明の実現は可能である。特に鋼板との反応性が低い何らかの特定析出物を表面に付着させれば、鋼板母材そのものの加工性等の特性への影響が小さくなるため好都合である。
【実施例】
【００９２】
次に、本発明の鋼を実施例及び比較例にて説明する。
ここでは、表１に示す実施例及び比較例各々の成分の鋼について、熱間圧延、冷間圧延、特定熱処理を伴う焼鈍後、スキンパスまたは再冷延を施して鋼板を製造し、その後、これらの鋼板の表面にＳｎめっきを施し、容器用鋼板として最も一般的なものの一つであるＳｎめっき鋼板を作製した。
次いで、実施例及び比較例各々のＳｎめっき鋼板について、色調、表面被覆の密着性、溶接性の評価を行なった。
密着性は、エポキシフェノール系塗料を２５ｍｇ／ｍ２両面塗布し焼付乾燥した２枚の鋼板を、ナイロン系接着剤で加熱圧着して試験片とし、この試験片を水道水で濡らした状態でＴ型剥離試験を行い、剥離強度を測定した。
【００９３】
ここでは、剥離強度の高いものを密着性が良好とし、優劣を判定した。
色調は、透明なポリエステル樹脂を１０μｍ塗布、乾燥後、分光測色計を用いて得られるＬ値により評価した。Ｌ値は、その値が高いほど色調が優れていることを示し、この値で優劣の判定を行った。
溶接性は、通常３ピース缶で適用されているシーム溶接において溶接電流を変えて溶接を行い、溶接時のスプラッシュ発生（チリ発生）、ピールテスト（ハインテスト）による溶接部強度、溶接時の鋼板表面と極輪間のアーク電流による溶接部表面損傷から溶接可能電流範囲を求め、範囲の広さと下限値により溶接性の優劣を判定した。こでは、特に良好なものを「◎」、良好なものを「○」、通常のものを「△」、不良なものを「×」とした。範囲の広さは、広いほうが製造上の安定性が高くなるため好ましく、下限が低いほうが溶接部の温度上昇によるめっき剥離や材質変化が生じ難いため好ましい。
【００９４】
耐変形性は、２つの方法により評価を行った。３ピース缶相当の評価は、実施例及び比較例各々の試作材で製造した３ピース缶の胴部を直径：１０ｍｍ、長さ：４０ｍｍの円柱金型で押し込んだ際の、金型の押し込み量と押し込み荷重の相関において、降伏に相当する変極点となる荷重（レオメーター強度）を耐変形性の指標とした。
また、２ピース缶相当の評価は、上記の試作材で製造した、缶底が凹形状となっている２ピース缶の内圧を高め、缶底が凸形状にバックリングする際の圧力を、耐変形性の指標とした。この圧力の値は、高いほど外力による変形が小さくなり耐変形性が良好ということになる。なお、粗度はレーザー式三次元粗度計を用いて測定した。
【００９５】
なお、板厚方向の成分変化については、特定熱処理前の時点では各サンプルとも、通常の方法で製造されているため、板厚方向の元素の変化はごくわずかで本発明の効果にとって無視できる程度のものであった。
実施例及び比較例各々の熱延、冷延、焼鈍、特定熱処理条件等を表１に示す。特定熱処理は全て焼鈍の中盤以降で行なわれており、特定熱処理による浸炭または窒化が起きる前に再結晶は完了していたものと考えられる。
なお、表１でのＣ、Ｎ量は製品である鋼板の板厚平均の値である。
実施例及び比較例各々の鋼の特性を表２に示す。
【００９６】
表１中、「Ａ」は、５５０〜８００℃における温度と時間の積であり、「Ｂ」は、５５０〜３００℃における冷却速度であり、「Ｃ」は、窒化および浸炭の同時処理であり、「Ｄ」は、窒化処理後、浸炭処理であり、「Ｅ」は、浸炭性ガス濃度／アンモニアガス濃度である。
また、表２中、「Ｆ」は、［表層１／８厚さのＣ＋Ｎ量］−［中心層１／４厚さのＣ＋Ｎ量］であり、「Ｇ」は、［表面での炭化物または窒化物の面積率］／［板厚１／４位置での炭化物または窒化物の面積率］である。
また、「Ｈ」は、缶形状が３Ｐの場合は缶胴挫屈加重（ｋｇｆ）、２Ｐの場合は缶底挫屈圧力（ｋｇｆ／ｃｍ２）であり、表２では、３Ｐ缶を無印、２Ｐ缶を「＊」で示している。
【００９７】
【表１】
2006219717.tif 000002
【００９８】
【表２】
2006219717.tif 000003
【００９９】
本発明の製造法により板厚方向の状態を本発明の範囲内に制御することで、良好な耐変形性と溶接性が得られていることが確認できた。窒化のみを行ったものの一部は脱炭量が大きく、特性の劣化が見られるものもあった。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、鋼材の成分を特定範囲に限定し、さらに浸炭雰囲気での熱処理を併用することで、鋼材の表層部および内層部の材質を制御するとともに、表面特性や溶接性に影響を及ぼす鋼板の表面状態を良好に制御したものであるから、容器用鋼板はもちろんのこと、何等かの立体構造を有する部材用鋼板として広く適用可能であり、その産業上の利用価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】鋼板の板厚方向の部位の区分を示す模式図である。
【図１】
2006219717.tif 000004