CN1322159C - 在焊缝处可成形性和性能优秀的容器用薄钢板及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种容器用的薄钢板，其特征在于：按质量计含有：C：≤0.0030%，S：≥0.020%，N：≤0.0080%，Al：≤0.040%，和O：0.0010%—0.0040%；及满足，B/N：0.40—2.70，和Al/B：≤30；及，如果需要时，满足下面公式：(以AlN存在的N量)/(以BN存在的N量)＜0.40。通过本发明，可以确保良好的可加工性，可以减少由于不良可焊性所引起的应力集中而产生的断裂，及另外，因为即使在退火温度低时各种性能也良好，所以能够实现高效生产，同时防止热翘曲发生。

Description

在焊缝处可成形性和性能优秀的容器用薄钢板及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种罐用的薄钢板及其生产方法，上述薄钢板用于一种金属罐如一种食品罐或一种饮料罐。更具体地说，本发明提供在薄钢板生产领域，尤其是，在罐制造领域中一种容器用的超薄钢板和一种用于生产超薄钢板的方法，上述薄钢板用高生产率生产，并且在使用过程中在焊缝处的可成形性和各种性能优秀。
背景技术
不言而喻，当通过成形薄钢板生产一种产品时，一种具有良好可成形性的薄钢板一般是优选的。在用薄钢板制造食品罐、饮料罐等的领域中，亦即在罐制造领域，薄钢板本身当然要求具有良好的可加工性，并且在加工如拉延、压平、穿孔拉伸、扩张，及另外折边过程中不产生任何问题，上述折边应用到一个罐桶上用于使其开口扩张，以便罐底部和罐顶部可以安装到罐桶上，和另外，在制造一种需要形成焊缝的所谓三片式罐的领域中，要求薄钢板在焊缝处具有良好的可成形性。此外，在大容器等情况下，当将一个金属把手安装到容器上时，经常采用焊接法，而有时在焊缝处的强度尤其是疲劳强度是个问题。
同时，一种容器用的薄钢板厚度，从降低成本的观点来看，已变得更薄，并且在这种情况下，该薄钢板的延性和疲劳性能往往变差。因此，即使一种超薄钢板也需要具有良好的可成形性和高强度。此外，因为超薄钢板在薄钢板生产所应用的连续退火法中易于产生称之为热翘曲的翘曲，所以钢板的带材穿料性能很差，并且由于这个原因，生产率显著降低。
为了解决上述问题，日本未经审查的专利公开No.H3-257123和No.H2-118026及其它公开中公开了一种用所谓两次压缩法(DR)法(doublereduction method)生产的DR材料，其中将一具有比最终产品厚度厚的薄钢板用退火处理，并且在退火之后最终产品的厚度通过二次冷轧法得到。
然而，因为材料的延性通过二次冷轧而急剧变差，所以在二次冷轧时不能用很高的压缩比，而结果不能得到令人满意的薄钢板。而且，在通过二次冷轧时应用高压缩比率而过度变硬的薄钢板中，由于在焊接过程中产生热量，通过材料的恢复(recovery)和再结晶而引起在焊缝处发生材料显著变软，并因此，焊缝附近的应力集中增加，及可成形性和疲劳性能变差。
此外，日本未经审查的日本专利公开No.H6-41683公开了一种抑制焊接期间在一受热影响区(HAZ)处产生裂纹和通过加Nb和B到超低碳钢中及控制晶体粒度改善拉延可成形性的技术。然而，因为所提出的技术未考虑超薄材料在退火期间的带材穿料性能及一些沉淀如各种氮化物和硫化物对HAZ变软的影响，所以再结晶温度高，并因此退火温度不能足够地降低。因此，在退火过程中带材穿料性能差，及另外焊缝处各种性能的改善不够。
本发明能用高生产率而且在退火期间不使带材穿料性能变差情况下生产一种容器用的超薄材料，并提供一种容器用的薄钢板，其中改善了在罐制造期间的可成形性和焊缝处的可成形性，并减少了由焊缝处的疲劳所产生的在使用期间是个问题的裂纹；和一种用于生产上述薄钢板的方法。
本发明一种通过适当地规定基底材料中S和其它元素的含量，来改善在加工如拉延，压平，扩张和穿孔拉伸时的可成形性、罐成形期间焊缝处的折边(凸缘)可成形性及使用期间焊缝处的疲劳强度的技术，以便不仅基底材料的材料质量，而且在折边成形或使用期间易于产生应力集中的焊缝的材料质量都可以适合于既定目的。也就是说，本发明是一种在加B的超低碳钢中，通过将各种氮化物和硫化物的形状、种类和量控制在各自合适范围内改善各种性能的技术。
发明内容
因此，本发明包括下面项目。
(1)一种在焊缝处可成形性和性能优秀的容器用的薄钢板，其特征在于：按质量计，含有，
C：≤0.0030％，
S：≥0.020％，
N：≤0.0080％，及
Al：≤0.040％；和满足，
B/N：0.40-2.70，及
Al/B：≤30。
(2)按照项目(1)所述的一种在焊缝处可成形性和性能优秀的容器用的薄钢板，其特征在于满足下式：
(以AlN存在的N量)/(以BN存在的N量)＜0.40。
(3)按照项目(1)或(2)所述的一种在焊缝处的可成形性和性能优秀的容器用的薄钢板，其特征在于：按质量计，还含有，
Mn：0.2-2.0％；及，
对于钢中的各种硫化物，满足下式：
(以Cu硫化物存在的S量)/(以Mn硫化物存在的S量)＜0.10。
(4)按照项目(1)-(3)中任一项所述的一种在焊缝处可成形性和性能优秀的容器用的薄钢板，其特征在于：按质量计，还含有，
Si：0.015-2.00％和
P：0.005-0.080％。
(5)用于生产按照项目(1)-(4)中任一项所述的一种在焊缝处可成形性和性能优秀的容器用薄钢板的方法，其特征在于：在冷轧之后将退火温度控制到690℃或低于690℃。
附图简介
图1是示出用于评价焊缝可加工性的方法的视图；
图2是示出用于测量焊缝强度的方法的视图；
图3是示出用于测量焊缝疲劳强度的方法的视图。
具体实施方式
在下面详细说明本发明。首先，下面说明各种化学成分。在说明中，每种化学成分的量都用质量百分数表示。以可加工性观点来看，C含量一般优选的是尽可能低，并因此，将其上限设定在0.0030％。尤其是，当要求具有低时效性能的良好延性时，性能可以通过将C含量降至等于或低于0.0015％而显著改善。然而，由于过度降低C含量不仅造成成本增加，而且还使薄钢板变软并因此使罐的强度变差，所以将C含量的下限设定在0.0003％。
N是用于作为本发明的重要要求的控制氮化物形成的一种重要元素。由于过高的N含量造成过多的氮化物形成，并因此不能达到本发明的目的，所以把N含量的上限设定在0.0080％。当加入B量比较少时，正如后面将要说明的，可能产生由残留溶质N所引起的具有一时效性能的问题，并因此优选的是把N含量控制到等于或低于0.0030％，以便减少时效效应。另外，如果通过充分应用真空脱气处理将N含量控制到等于或低于0.0020％，则抑制了氮化物的形成，和尤其是，改善了可成形性。当氮化物含量太少时，焊接性能变差，并因此，N含量下限优选的是设定在0.0008％。
在本发明中B作为一种必需元素而被加入，因为B影响氮化物的形成，改变焊接(缝)热影响区处的材料性能，当适当加入B时降低薄钢板的再结晶温度，从而使得能在一较低温度下给薄钢板退火，及结果改善了在退火期间带材的穿料性能。然而，过多加入B造成焊缝过度变硬，可加工性变差，及再结晶温度升高。因此，退火温度必需升高，而结果，往往会很容易发生热翘曲。重要的一点是B与N的比例，把B/N比设定在0.40-2.70，优选的是设定在0.60-2.00。本发明中的一个重要要求是控制氮化物的种类和量，并且在一种加B的超低碳钢中以AlN存在的N量和以BN存在的N量的比值理想情况是低于0.40，优选的是0.20或更低。
这里，以AlN存在的N量是一种通过分析当一薄钢板溶于碘酒溶液中时残渣中所含的Al量，和然后把全部Al量看作是AlN的组成部分计算N量所得到的值。同样，以BN存在的N量是通过分析当一薄钢板溶于碘酒溶液中时残渣中所含的B量，和然后把全部B量看作是BN的组成部分计算N量所得到的值。
如上所述，为了控制各种氮化物，加入的Al和B量，它们之间的比值，起氮化物沉淀核作用的氧化物亦即钢中的O(氧)含量，及所有生产工序自始至终的热历史(heat history)都是重要的因素。通过控制Al/B到等于或低于30，优选的是等于或低于20，及控制Al到等于或低于0.040％，优选的是等于或低于0.020％，当氮化物沉淀时，钢中过量存在的溶质N与B化合比与Al化合更优先，并且通过这样做，可以理想地控制氮化物的种类和量。
在本发明中，除了控制氮化物之外，控制硫化物的形成对改善焊缝的性能尤其重要。这里，硫化物的主要形式是MnS。为上述目的，把S含量控制到等于或大于0.020％，优选的是等于或大于0.030％，及还优选的是等于或大于0.035％。当S含量低于上述数字时，硫化物的量减少，和此外，硫化物往往由于焊接期间热的影响而不稳定和容易产生一种不希望有的形式，并且作为一种结果焊缝性能变差。本发明不规定S含量的上限，但考虑到在生产过程中薄钢板的热加工性和其它一些因素，上限通常最高约为0.10％。
Mn含量确定为0.2-2.0％。如果它的含量低于0.2％，则各种硫化物变得不稳定，并且它们由于焊接期间热的影响而采取一种不希望有的形式。另一方面，如果Mn含量超过2.0％，则溶质Mn增加，因此焊接的基底材料和受热影响区变得太硬，并因此可加工性变差。
另外，关于钢中各种硫化物，抑制Cu硫化物的形成也很重要。一般，对热轧性能来说，钢中的S必需作为各种硫化物固定。因此，在按照本发明所述的钢中，重要的是将S作为MnS固定。在本发明中，理想的是(以Cu的各种硫化物存在的S)与(以MnS存在的S)二者的比值设定在小于0.10。原因是各种Cu硫化物不仅精细地沉淀，并引起薄钢板的再结晶温度升高，而且还引起与B和Al的氮化物形成络合物(complexprecipitate)沉淀，而这种氮化物形式是不希望有的。
这里，(以Cu的各种硫化物存在的S)是通过定量测定由电解提取钢板所得到的残渣中的Cu量，和然后用公式Cu/S＝2/1将Cu量转变成S量所得到的一个值，而(以Mn硫化物存在的S)是通过定量测定由电解提取物钢板所得到的残渣中Mn量，和然后用公式Mn/S＝1/1将Mn量转变成S量所得到的一个值。
尽管在本发明中有关O(氧)量没有设定专门的限制，但O(氧)在钢中以含有Si，Al，Mn，Fe和另外一些元素如Ca，Mg等的氧化物的形式存在，当氧化物以足够的量存在时，氧有效地起各种氮化物的沉淀核作用，并因此对控制氮化物具有积极作用。然而，另一方面，钢中过量的O(氧)使氧化物变粗，起加工期间裂纹的起源作用，并因此显著地使产品质量变差。由于这个原因，O(氧)含量的理想范围为0.0010-0.0070％。
为了理想地控制如上所述氧化物的形式，和为了通过调节基底钢板的强度来改善可加工性和疲劳强度，并因此减轻焊缝附近的应力集中，可以加入Si，P等。在这种情况下，理想情况是，把加入量分别设定为：Si：0.005-2.00％和P：0.005-0.080％。当加入量未达到上述范围时，不仅基底材料由于固溶硬化而过度变硬和可加工性变差，而且氧化物的形式改变或者焊缝异常变软或变硬，并因此不能得到所希望的焊缝性能。
在本发明中，最小化Ti和Nb的量非常重要，加入Ti和Nb一般是为了在钢材要经受拉延或其它成形时改善拉延可成形性，或者是为了使晶体结构变细用于一特殊目的。因此，原则上不加入Ti和Nb，并且必需限制它们的含量为不可避免地夹杂在由铁矿石制成的钢中、混合在炼钢过程中的钢屑、和在生产过程中不可避免地夹杂的粉尘、残渣等中的Ti和Nb含量。一般，理想的Ti或Nb的含量是0.006％或更少。它们的加入量超过这个值是不理想的，因为如果它们被过多加入，则薄钢板的再结晶温度升高，在退火过程中带材穿料性能显著变差，和此外，晶体结构由于焊缝附近热的影响而可能异常变粗和变软，同时加速在这部分处的应力集中，并且在这种情况下，产品的可成形性和疲劳强度会有很大波动。
不需要规定在生产过程中的热历史等。然而，在热轧期间的板坯再加热温度(SRT)和带材卷取温度，及冷轧之后的退火温度稍微影响材料性能，并因此通过将热轧时的板坯再加热温度控制到大于或等于1100℃，将热轧时的卷取温度控制到730℃或更低，及将冷轧后的退火温度控制到700℃或更低，可以改善焊缝的可加工性和疲劳强度。对于这种情况的原因不太清楚，但可以认为，上述条件影响氮化物的形式和除氮化物之外其它沉淀的形式，并结果抑制了氮化物和沉淀过份变粗，并足以控制它们的形式。通过把冷轧之后的退火温度限制到730℃或更低，可以抑制热翘曲的发生，并因此可以改善在退火过程中的穿料性能。
尽管如上所述通过控制氮化物和硫化物的形式改善焊缝处可加工性和疲劳强度的机制作为一种现象还不是特别清楚，但可以认为，在焊缝处及其附近受热影响区处的材料硬度被适当地进行了调节，并且通过那样做，减轻了对上述各部分的应力集中，并可以得到一种理想的硬度。在焊缝处及其附近，氮化物和硫化物由于在焊接期间温度升高而溶解，并且溶质N，B，S和Mn增加，而同时，硬度由未完全溶解而留下的细氮化物和硫化物决定，细氮化物和硫化物在冷却及类似过程期间再次沉淀。因此，估计为了得到溶质N、溶质B和各氮化物的优选形式，必需在焊接之前事先控制钢中的各种氮化物形式，如本发明中所规定的。
在生产容器用薄钢板时，有一种情况是采用一种经受2CR(退火之后二次冷轧)轧制和通过在退火之后加工硬化进行硬化以用于确保容器的强度的钢板。在这种钢板中，也可以通过本发明提供改善焊缝处可加工性和疲劳强度的效果。然而，因为一种经过加工硬化的材料很可能会受上述热的影响而变软，所以理想情况是把加工硬化的范围控制到一个低水平。合适的2CR比为10％或更低。
另外，即使在加入一些元素用于改善耐腐蚀性和其它性能的情况下，本发明的效果也不会损失。即使在为了不仅改善钢板的拉延性和焊缝处各种性能，而且还改善在二次加工等时的可加工性，耐腐蚀性，在各种加工中的带材穿料性能及其它性能，而加入Sn，W，Mo，Ca，Cr，Ni，V，Sb等的情况下，本发明的效果一点也不损失。然而，因为这些元素一般使再结晶温度升高和在退火期间使带材穿料性能变差，所以它们的加入量必需限制在不出现有害影响的范围内。
按照本发明所述的钢板一般用作表面处理钢板的基材，并且在那种情况下，本发明的效果一点也不因表面处理而损失。作为对一种罐的表面处理，采用通过锡，铬(无锡)，镍，铅，铝等处理。另外，可以采用一种按照本发明所述的钢板，作为一种最近开始使用的涂覆一种有机膜的层压钢板的基材，而不损失本发明效果。
示例
首先，说明用于评价下面一些例子中钢板可加工性的方法。可加工性通过用JIS No.5拉伸试件的拉伸试验及利用钢板生产中轧制方向上的总延伸率和在与轧制方向形成0°，45°和90°角的方向上Lamkford值(r值)的平均值进行评价，上述可加工性按照下面公式计算：
{(在0°角处r值)+(在90°角处r值)+2×(在45°角处r值)}×1/4。
如图1所示，通过将一个四边形薄钢板用缝焊法焊接，并将它成形为一种圆筒形状，正如制造一种标准三片式饮料罐的罐桶情况那样，通过将一个锥形模推入开口使开口扩张，并用下面公式计算直到在开口端处产生裂纹时的变形量，来评价焊接的可加工性：
{(裂纹产生处直径)-(起始直径)}/(起始直径)。
如图2所示，通过在一个焊接电流下用点焊法焊接两块四边形钢板，并测量在拉伸试验下的最大载荷，来评价焊接的强度，上述焊接电流是刚刚低于发生焊接溅射或表面齐平时的电流。如图3所示，通过从在如图1所示形成的焊接成的圆筒形罐桶切出一20mm宽、在中心具有一焊缝的带材，并使该(窄)带材在脉动张力下经受疲劳试验，及测量承受百万次脉动循环的最大载荷，来评价焊接的疲劳强度。
因为焊缝的可加工性和性能根据本发明中所规定的条件相应值而波动，即使这些条件是在本发明中所限定的相应范围内，并且它们还受本发明中没有特别规定的化学成分和生产条件的影响，通过其绝对值来判断本发明的效果是不合适的。由于这个原因，在下述一些例子中，决定通过将一些在本发明中没有特别规定的其化学组成和生产条件基本上相同的试件进行相对比较，来评价本发明的效果。基于此，在基本上相同的示例中，一些规定的性能通过相对比较来判断，并且结果用如下标记示出：◎：很好；○：良好；△：与常规产品相同；及×：差。
热翘曲通过当具有相同厚度和宽度的冷轧卷材在再结晶温度+40℃的温度下通过一相同的连续退火生产线时是否发生翘曲进行判断，并且结果用如下标记示出：○：不发生；△：较少发生；和×：经常发生。
本发明的效果通过综合判断上述4个评价项目来进行评价，并且结果用如下标记表示：◎：很好(本发明的钢)；○：良好(本发明的钢)；△：在某些评价项目上良好(本发明的钢)；和×：与常规产品相同(对照钢)。
(例1)
将具有基本化学成分为0.002％的C，0.1％的Si，0.5％的Mn和0.01％的P及此外含有如表1所列其它成分，同时余量基本上由Fe组成的钢，铸成厚度为250mm的板坯，然后在1150℃的板坯再加热温度和650℃的卷取温度下生产厚度为2.0mm的热轧板，和然后通过酸洗，在92％的压缩比下冷轧，在670℃下退火1min和然后在2％的压缩比下光整冷轧等工序生产厚度为0.16mm的钢板，并评价所生产的钢板。正如从表2清楚看出的，在本发明规定范围内所生产的钢板在所有评价项目如钢板可加工性，焊接性能及抗热翘曲性方面都具有良好的性能。
[表1]
   钢     S     Al     N     B    B/N     Al/B
    a   0.021   0.052   0.0024   0.0006     0.25     86.67
    b   0.026   0.025   0.0022   0.0009     0.41     27.78
    c   0.031   0.021   0.0027   0.0020     0.74     10.50
    d   0.023   0.008   0.0019   0.0036     1.89     2.22
    e   0.021   0.012   0.0024   0.0048     2.00     2.50
    f   0.026   0.024   0.0016   0.0050     3.13     4.80
g 0.025 0.024 0.0060 0.0015 0.25 16.00
    h   0.013   0.024   0.0025   0.0048     1.92     5.00
[表2]
   钢  可加工性   焊接  热翘曲          判断
    a     △     △     △   ×   对照钢
    b     ◎     ○     ○   ○   本发明钢
c ◎ ◎ ◎ ◎ 本发明钢
    d     ◎     ◎     ◎   ◎   本发明钢
    e     ◎     ◎     ○   ○   本发明钢
    f     △     ◎     ×   ×   对照钢
    g     ◎     △     ×   ×   对照钢
    h     ◎     ×     △   ×   对照钢
(例2)
将具有基本化学成分为0.002％的C，0.01％的Si，0.9％的Mn，0.02％的P，0.02％的Al，0.002％的N，和0.002％的B，具有B/N比值为0.9和Al/B比值为8-12，并除此之外含有如表3所列的其它成分，同时余量基本上由Fe组成的钢，铸成厚度为250mm的板坯，然后在表3所列板坯再加热温度和620℃的卷取温度下生产厚度为2.2mm的热轧板，和然后通过酸洗，在93％的压缩比下冷轧，在670℃下退火1min，和然后在3％的压缩比下光整冷轧等工序生产厚度为0.15mm的钢板，并评价所生产的钢板。正如从表4可清楚看出的，在本发明所规定范围内所生产的钢板，在所有评价项目如钢板可加工性，焊接的性能及抗热翘曲性等项目上都具有良好的性能。
[表3]
  钢   S   O   *1   SRT
i 0.007 0.0022 0.58 1230
j 0.007 0.0018 0.37 1100
    k   0.026   0.0015    0.43   1230
    l   0.026   0.0040   0.11   1100
    m   0.027   0.0085    0.15   1100
SRT：板坯再加热温度(℃)
*1：(以AlN存在的N量)/(以BN存在的N量)
[表4]
  钢   可加工性   焊接  热翘曲         判断
i ○ × ○ × 对照钢
    j     ○     ×     ○   ×   对照钢
    k     ◎     ◎     ○   ○   本发明钢
    l     ◎     ◎     ◎   ◎   本发明钢
    m     ○     △     ○   △   本发明钢
(例3)
将具有基本化学成分为0.002％的C，0.02％的Si，0.01％的P，0.01％的Al，0.002％的N和0.0022％的B，具有B/N比值为0.9和Al/B比值为8-12，并此外含有如表5所列其它成分，同时余量基本上由Fe组成的钢进行评价。生产条件与例1中相同。正如从表6可清楚看出的，在本发明所规定范围内所生产的钢板，在所有评价项目如钢板的可加工性，焊接的性能和抗热翘曲性等都具有良好的性能。
[表5]
  钢   Mn   S   *2
    n   0.05   0.026   0.15
    o   0.22   0.025   0.08
    p   0.58   0.021   0.06
    q   0.85   0.032   0.02
    r   1.32   0.028   0.04
    s   2.21   0.044   0.02
*2(以CuS存在的S量)/(以MnS存在的S量)
[表6]
  钢  可加工性   焊接  热翘曲        判断
    n     ○     △     ◎   ○   本发明钢
    o     ◎     ○     ◎   ◎   本发明钢
    p     ◎     ◎     ◎   ◎   本发明钢
    q     ◎     ◎     ◎   ◎   本发明钢
    r     ○     ○     ◎   ○   本发明钢
    s     △     △     ○   △   本发明钢
如上所述，本发明使得能减少成形故障和在使用过程中的断裂，上述成形故障和断裂由焊接通过加工如拉延，冲孔拉伸，扩张和焊接所形成的容器引起。此外，本发明使得能高效生产容器用的超薄钢板，同时防止发生热翘曲，因为按照本发明所述的钢板即使在退火温度低时也证明有比常规钢板更好的性能。

Claims (5)

1.一种在焊缝处可成形性和性能优秀的容器用的薄钢板，其特征在于，按质量计，含有：
C：≤0.0030％，
S：≥0.020％，
N：≤0.0080％，
Al：0.012％-0.040％；和
O：0.0010％-0.0040％；及
满足，
B/N：0.40-2.70，和
Al/B：≤30。
2.按照权利要求1所述的一种在焊缝处可成形性和性能优秀的容器用的薄钢板，其特征在于满足下式：
(以AlN存在的N量)/(以BN存在的N量)＜0.40。
3.按照权利要求1或2所述的一种在焊缝处可成形性和性能优秀的容器用的薄钢板，其特征在于：按质量计，还含有：
Mn：0.2-2.0％；及，
对于钢中各种硫化物，满足下式：
(以Cu硫化物存在的S量)/(以Mn硫化物存在的S量)＜0.10。
4.按照权利要求1或2所述的一种在焊缝处可成形性和性能优秀的容器用的薄钢板，其特征在于：按质量计，还含有：
Si：0.015-2.00％和
P：0.005-0.080％。
5.一种用于生产按照权利要求1-4中任一项所述的一种在焊缝处可成形性和性能优秀的容器用的薄钢板的方法，其特征在于：在冷轧之后将退火温度控制到700℃或低于700℃。
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