JP5071027B2

JP5071027B2 - 極低炭素鋼板、極低炭素鋼の精錬方法、および極低炭素鋼板の製造方法

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Publication number: JP5071027B2
Application number: JP2007263481A
Authority: JP
Inventors: 隆之西; 誠治古橋; 純芳賀
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2027-10-09
Also published as: JP2009091623A

Description

本発明は、極低Ａｌ濃度でかつＴｉＯ_ｘ系介在物を含み、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物比率の限定された深絞り性に優れた極低炭素鋼板、およびその制御の鍵となる溶鋼精錬方法を規定した製造方法に関する。

酸素に対する親和力が大きな合金成分による効果を得るために、一般的に溶鋼段階で酸素と強い親和力を有するＡｌを添加し鋼中酸素濃度を低減させた鋼、いわゆるＡｌ脱酸鋼が広く実用されている。薄板として自動車用の構造体に広く用いられる鋼材のうち、炭素濃度を特に低くした極低炭素鋼においても、このＡｌ脱酸鋼の使用が一般的である。

大規模製鉄所における極低炭素鋼の製造方法は、通常の製鋼法と比較して、特に溶鋼精錬方法に特徴がある。
その精錬方法を説明すると、まず、転炉など製鋼炉で炭素を除く粗脱炭を行い、炭素濃度が０．０４質量%から０．０７質量%を含む低炭素溶鋼として、未脱酸のまま取鍋に出鋼する。

次に、出鋼された溶鋼に対して、さらに真空脱ガス装置を有する精錬工程で真空脱炭処理が行われ、炭素濃度を０．０２５質量％以下含有する極低炭素溶鋼が得られる。この際の脱炭反応には溶鋼に炭素と反応する酸素を含有していることが必要であり、この時の酸素濃度を示せば０．０３質量％から０．０８質量％程度含まれている。

続いて、鋼として必要な合金成分を調整するとともに、その前後でこの合金成分調整が容易でかつ残存する酸素を除去するために、Ａｌ添加によるＡｌ脱酸が行われる。このような工程を経て、極低炭素Ａｌ脱酸鋼が製造される。

一方、上記のような通常のＡｌ脱酸を行わない薄鋼板およびその製造技術もいくつか開示されている。例えば特許文献１には、酸可溶性Ａｌ:０．００５重量％以下でＴｉ:０．００４〜０．０４０重量％を含有し、チタン酸化物、マンガン酸化物、シリコン酸化物、アルミナが複合され、かつアルミナが３０％以下である酸化物系複合介在物を含有せしめたことを特徴とする欠陥が少なくプレス成形性に優れた薄鋼板およびその製造方法が開示されている。

この文献に記載される技術は、脱酸時に添加したＡｌによって生じるアルミナが硬質であるので、圧延加工等でも塊状で残存し表面疵となって表面性状を損ない、また鋼板内部に存在するとプレス成形時に割れや疵などの欠陥の発生原因となることを踏まえ、Ａｌ脱酸行わずにＴｉを添加して脱酸を行い、さらに処理法を調整することによって酸化物系複合介在物を含有せしめることを特徴とする。

しかしながら、この技術はあくまで残存する介在物が硬質であることを回避することによって、表面性状やプレス成形性の向上を図るもので、新たな極低炭素鋼の鋼質の発現を得るものではない。

ところで発明者らは、極低炭素を含み、Ａｌ濃度を極低水準、具体的には０．００５質量％以下で、かつＴｉ等の酸素と親和力を有する合金を一定量含有する冷間圧延鋼材が、同じ強度水準に合金成分を調整しても、深絞り性の指標であるランクフォード値（以下「ｒ値」ともいう。）が高くなるとの知見を得て、その知見に基づく発明を特許出願した（特願２００７−０５４５１１）。

このような極低炭素でかつＡｌ濃度を極低水準に維持し、かつＴｉ等の酸素と親和力を有する合金を一定量含む鋼は、真空溶解炉のような実験炉あるいは小規模生産炉を用いれば、安定的に得ることが可能である。しかしながら、本発明者の検討の結果、前述したような大規模製鉄所の製鋼設備を用いると、かかる鋼を安定的に得ることは容易には達成されがたいことが明らかになった。

極低炭素濃度域までの脱炭精錬、極低Al域への濃度制御、および合金成分の調整には真空脱ガス装置の中でも二本の浸漬管を有し、溶鋼を環流させるRH式真空脱ガス装置（以下RH装置ともいう）で行われることが多い。この真空脱炭を行うような強攪拌型の精錬装置では、通常直径が数μmから数百μmの非金属介在物が懸濁することになり、この非金属介在物が種類によっては前述の極低炭素鋼の深絞り性に悪影響を及ぼすことが考えられた。そこで、この鋼材が本来有する高い絞り性を発揮できるような非金属介在物の要件について鋭意研究し、その条件を見出すに至った。さらには、その条件を実現する鉄鋼量産製造方法を前提とした製鋼条件も確立するに至り、本発明を完成した。
特許第３４３６８５７号公報

本発明は、鉄鋼量産製造法によって安定的に製造可能な極低炭素で極低Ａｌ濃度でかつ高い絞り性を有する圧延鋼板素材、およびその製造方法の提供にある。具体的には、極低炭素で極低Ａｌ濃度でかつ高い深絞り性を有する性質を有する鋼であって、大規模製鉄法で生成が不可避な非金属介在物のうち、その鋼質の発揮に悪影響を及ぼすＡｌ_２Ｏ_３を主成分とする介在物量を制限し、かつ有用なＴｉＯ_ｘを主成分とする介在物量割合を確保した冷間圧延用鋼素材、および、大規模製鉄法で用いられる設備を用いたときに上記の鋼素材を安定的に製造できる製造方法、特に精錬方法の提供にある。

大規模製鉄所における極低炭素鋼の製造方法において、転炉など製鋼炉で炭素を除く粗脱炭を行い、炭素濃度が０．０４質量％から０．０７質量％を含む低炭素溶鋼として、未脱酸のまま取鍋などの容器に出鋼する。出鋼された溶鋼は、さらにＲＨ装置等の真空脱ガス装置に搬送されて真空脱炭処理が行われ、炭素濃度を０．０２５質量％以下含有する極低炭素溶鋼となる。この際の脱炭反応には溶鋼に炭素と反応する酸素を含有していることが必要であり、その酸素濃度は０．０３質量％から０．０８質量％程度含まれている。

この真空脱炭に要する処理時間の溶鋼の温度低下を補償するために、溶鋼の加熱処理が真空脱炭処理の前後にしばしば行われる。この加熱処理には、溶鋼をＡｌ等の金属と酸素ガスとの酸化反応による加熱、および黒鉛電極から電弧を発生させて溶鋼に通電してジュール熱により熱を供給する電気加熱がある。前者は、Ａｌの燃焼によって生じるＡｌ_２Ｏ_３系介在物の多量の懸濁を生じ、また酸素ガスの供給で脱炭処理後の溶鋼中酸素濃度の変動要因を増やすことになる。またＳｉの燃焼を利用した場合も同様にＳｉＯ_２系介在物の同様の多量の懸濁を生じる。後者は前述のようなＡｌ_２Ｏ_３系介在物の多量の懸濁は生じ難いものの、電弧加熱時に取鍋スラグ等の巻き込みによって生成するスラグ系介在物が生じるなどの問題があり、さらには電気や電極といったコストや全精錬時間の長時間化といった問題も生じる。

さらに本鋼種の製造には脱炭処理後の酸素濃度の高い溶鋼に対して、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ等の合金元素の調整とＴｉ添加を行う必要がある。ＳｉおよびＭｎは酸素を除く元素、すなわち脱酸元素である。しかし、Ａｌに比較すると酸素との親和力が小さいことから、到達する酸素濃度に限界があり、また脱酸速度が遅く処理時間を要する。その結果として、脱酸状態のバラツキが生じ、Ｎｂ等の成分調整、高価な合金元素であるＴｉの収率低下も生じ、Ｔｉ制御性にも悪影響を及ぼす。

これらの問題を一挙に解決するためには、まず本鋼の必要要件であるＴｉＯ_ｘ系介在物分散および含有Ti濃度の実現に加えて、大量製造時に不可避的に混在すると考えられるＡｌ_２Ｏ_３系介在物やスラグ系介在物の存在形態や許容限界を明らかにして、本来の性能を発揮するに足る条件を見出すことが必要と考えた。

ここで、「ＴｉＯ_ｘ」とは鋼中のＴｉ酸化物の総称である。Ｔｉは価数として４価、あるいは３価を取り得るため、ＴｉＯ_２、Ｔｉ_３Ｏ_５、Ｔｉ_２Ｏ_３等の存在形態が考えられ、また非化学量論組成もあることからＴｉＯ_ｘと表記した。

次には、大規模製鉄所での大量製造においてこのような条件を実現できる考え方と理論的方法論を検討することにより、例え金属Ａｌを添加した後に酸素ガス供給をする溶鋼昇熱方法を採用しても、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物の懸濁を必要程度に抑制することを可能ならしめた。さらには、このような知見から真空脱炭処理後に酸素を多量に含む溶鋼に金属Ａｌを添加して、酸素濃度の予備的な低減を速やかに行い、しかる後のＳｉ，Ｍｎの調整およびＮｂ等の合金成分の調整を容易にならしめ、極低Ａｌ濃度を実現するとともに、Ｔｉ添加によりＴｉ濃度制御とＴｉＯ_ｘ介在物の分散を両立する方法を確立し、本発明を完成するに至った。

上記の検討の結果得られた本発明は次のとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０００５％以上０．０２５％以下、Ｓｉ:０．００３％以上０．１５％以下、Ｍｎ:０．３％以上２．５％以下、Ｐ:０．１５％以下、Ｓ:０．０２％以下、Ｎ:０．００６％以下、ｓｏｌ．Ａｌ:０．０００２％以上０．００５％以下、Ｔｉ:０．００５％以上０．０５％以下、Ｎｂ:０．０２０以上０．２０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなるとともに、Ｎｂ含有量のＴｉ含有量に対する質量比が２．０以上である化学組成を有し、介在物が下記式(1)から(3)を満たすことを特徴とする極低炭素鋼板。

Ｎ_Ｔｉ≧３０個／ｍｍ^２ (1)
Ｎ_Ｔｉ／（Ｎ_Ｔｉ＋Ｎ_Ａｌ）≧０．８０ (2)
Ｎ_Ｔｉ／Ｎ_{Ｔｏｔａｌ}≧０．６５ (3)
ここで、
Ｎ_Ｔｉ：圧延方向に平行な縦断面における長径1μm以上の介在物のうち、Ｔｉ酸化物を５０％以上含有するものの平均数密度、
Ｎ_Ａｌ：圧延方向に平行な縦断面における長径1μm以上の介在物のうち、Ａｌ酸化物を５０％以上含有するものの平均数密度、
Ｎ_{Ｔｏｔａｌ}：圧延方向に平行な縦断面における長径1μm以上の全酸化物系介在物の平均数密度
である。

（２）前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、Ｂ:０．００２％以下、Ｃｕ: １．０％以下、Ｎｉ:１．０％以下、およびＣｒ:１．０％以下からなる群から選ばれる１種または２種以上を含有する上記（１）記載の極低炭素鋼板。

（３）転炉精錬および真空精錬を経て行う上記（１）または（２）に記載される極低炭素鋼の精錬方法であって、前記真空精錬が、溶鋼を環流させる真空脱ガス装置を用い、脱炭精錬を行って溶鋼の炭素濃度を０．０２５質量％以下まで減少させた後、当該炭素濃度が０．０２５質量％以下の溶鋼にＡｌ添加を行って、該溶鋼の溶存酸素濃度を０．００３質量％以上０．０１８質量％以下に制御した後に、Ｔｉを添加して、ｓｏｌ．Ｔｉを０．００４質量％以上０．０４質量％以下とすることを特徴とする極低炭素鋼の精錬方法。

（４）前記の溶鋼の炭素濃度を０．０２５質量％以下まで減少させた後、前記の溶存酸素濃度の制御に先立って、当該炭素濃度が０．０２５質量％以下の溶鋼にＡｌ添加と酸素ガス添加を行い、その反応熱によって当該溶鋼温度を上昇させる操作を行うことを特徴とする、上記（３）記載の極低炭素鋼の精錬方法。

（５）上記（３）または（４）に記載される精錬方法により得られた溶鋼を用いて製造されたことを特徴とする極低炭素鋼板の製造方法。

本発明に係る鋼板は、深絞り性を実現するために必要なＴｉＯ_ｘ介在物と、大規模製鉄所の製鋼設備で製造する場合に不可避的に含有されるＡｌ_２Ｏ_３系介在物との存在比率が適切であるため、優れた深絞り性と高強度とを有しつつ、高い生産性を安定して実現しうる。

また、本発明に係る製造方法を採用すれば、生産効率向上の観点から大規模製鉄所で使用される場合が多い強攪拌型の精錬装置を用いても、上記の優れた深絞り性と高強度とを有する冷延鋼板を安定的に製造することが可能である。

以下に、本発明の最良の形態や製造条件の範囲およびこれらの設定理由について説明する。なお、本明細書において、化学組成を表す「％」は、特にことわりが無い限り「質量％」である。

１．化学組成
まず、本実施形態に係る鋼の化学組成について説明する。
Ｃ:０．０００５％以上０．０２５％以下
炭素はＴｉ等の炭化物形成元素と結合し、ＴｉＣ、ＮｂＣまたはその複合炭窒化析出物を形成する。このため、Ｃ含有量を適正化することにより、これら析出物の体積分率を限定して鋼の成形性を高めることができる。すなわち、これら析出物による析出強化の効果および焼鈍時の固溶炭素、固溶窒素低減による深絞り性の向上効果をもたらす。

しかしながら、Ｃ含有量が０．０００５％未満では充分な引張強度が得られない。また、溶鋼段階にあっては、炭素は溶鋼中に共存する酸素と反応し、反応物が減圧除去されることによって脱炭される。このため、Ｃ含有量を０．０００５％未満とするためには長時間の真空処理が必要となり、経済的観点からも好ましくない。

一方、炭素含有量が０．０２５％を超えると耐力が上昇し伸びが低下して、成形性が劣化する。
したがって、Ｃ含有量を０．０００５％以上０．０２５％以下とする。さらなる成形性、特にｒ値確保の観点からは、Ｃ含有量を０．０１０％以下とすることが好ましい。

Ｓｉ:０．００３％以上０．１５％以下
Ｓｉは安価な固溶強化元素であり、低コストで鋼板の高強度化ができるので、強度向上を目的として含有させることができる。しかしながら、Ｓｉが有する脱酸力は低Ａｌ濃度域ではその影響が大きくなるため、Ｓｉ濃度が０．１５％を超えると、この脱酸力によってＴｉＯ_ｘの生成が阻害される。さらには、冷延鋼板の用途によっては溶融亜鉛めっきを施す場合があり、この場合にはＳｉ含有量が０．１５％を超えるとめっき品質に悪影響を及ぼす。したがって、Ｓｉ含有量を０．１５％以下とする。０．１０％以下であればＳｉ脱酸によるＴｉＯ_ｘの生成の阻害が実質的に生じないため好ましい。また、Ｓｉによる固溶強化を必要としない場合には０．０３％以下とすることがさらに好ましい。

一方、Ｓｉは粗鋼の段階から含有されるものであり、含有量を低下させるためには所定の処理が必要となる。このため、Ｓｉ含有量を過剰に低下させることは生産性の低下を招く。したがって、Ｓｉ含有量を０．００３％以上とする。

以上をまとめると、Ｓｉ含有量は、０．００３％以上０．１５％以下、好ましくは０．００３％以上０．１０％以下、特に好ましくは０．００３％以上０．０３％以下である。

Ｍｎ:０．３％以上２．５％以下
Ｍｎは固溶強化により鋼板の高強度化する作用を有するものの、Ｍｎ含有量が０．３％未満では目的とする高強度化が図れない場合がある。一方Ｍｎ含有量が２．５％を超えると耐力の上昇と伸びの劣化が顕著になり、加工時にしわや割れが生じやすくなる。このためＭｎ含有量を０．３〜２．５％とする。高強度化の効果を確実に得る観点からはＭｎ含有量を０．４％以上とすることが好ましく、成形性を維持する観点からはＭｎ含有量を２．０％以下とすることが好ましい。

Ｐ:０．１５％以下
Ｐはｒ値の低下を押さえながら、固溶強化によって鋼板を高強度化する有用な元素であり、強度向上を目的として含有させることができる。しかしながら、Ｐ含有量が過剰になると、粒界偏析による脆化が懸念される。また、冷延鋼板の表面に溶融亜鉛めっきを施す鋼種では合金化処理性が低下してめっき密着性が低下したり、めっき表面にＰ偏析に起因するすじ模様が現れたりするといった問題が生じる。したがってＰ含有量を０．１５％以下とする。０．０６％以下とすることが好ましい。下限については、高強度化を図り製造コストの上昇を抑制する観点から、０．０３％以上とすることが好ましい。

Ｓ:０．０２％以下
Ｓは不純物として鋼板中に存在するが、その含有量が過剰であると鋼板表面にスケール疵が生じやすくなり、外観を劣化させる場合がある。そのためＳ含有量を０．０２％以下とする。０．０１％以下とすることが好ましい。

Ｎ：０．００６％以下
Ｎは過剰に含有すると、耐力が上昇したり、ストレッチャーストレインが発生したりして、加工時に鋼板の面歪みが発生しやすくなる。このためＮ含有量を０．００６％以下とする。０．００３％以下とすることが好ましい。

ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００２％以上０．００５％以下
鋼中Ａｌは、酸化物等の分析時に使用する酸に溶解しない形態と固溶あるいは窒化物等の酸に溶解する形態があり、一般にＡｌ含有量は酸に可溶な量で表し、これをｓｏｌ．Ａｌで表記する。ｓｏｌ．Ａｌ含有量は溶鋼段階での溶解Ａｌ量と関連づけられるので、鋼の脱酸に強く影響する。

本実施の形態に係る鋼板ではＴｉ脱酸によるＴｉＯ_ｘ分散を必要とし、Ａｌはこれを阻害するので、ｓｏｌ．Ａｌ含有量を０．００５％以下とする。０．００３％以下とすることが好ましい。

一方、後述するように、Ａｌ自体は溶鋼の製造工程で予備脱酸や温度調整に使用できるので、その含有量を０．０００２％以上とする。０．０００５％以上とすることが好ましい。

Ｔｉ:０．００５％以上０．０５％以下
鋼中Ｔｉは溶鋼段階では脱酸するとともに、高ｒ値を有する鋼板を得るために必要なＴｉＯ_ｘ介在物を生成させる機能を有する重要な元素である。またその一部はＴｉＮとして析出することにより、Ｎによるストッレッチャーストレインや耐力上昇を抑制して加工時の面歪みを抑制する。そのためＴｉ含有量を０．００５％以上とする。

一方０．０５％を超えてＴｉを含有させると、ＴｉＣの析出量が増加して伸びを劣化させ、加工時に面歪みや割れが生じるようになる。また溶融亜鉛めっきを施した冷延鋼板とする場合には、めっき表面にすじ模様を呈するといった問題も生じる。したがってＴｉ含有量を０．０５％以下とする。なおＴｉは比較的高価な元素で製造コストに影響するから、ｒ値維持の観点や加工時の面歪みの発生防止の観点で許容される場合には、その含有量を０．０２５％以下とすることが好ましい。

Ｎｂ:０．０２０以上０．２０％以下
Ｎｂは鋼中にあってＣと結合しＮｂＣの析出物を生成し、鋼板の機械特性を向上させる。特に４５°方向のｒ値が大きくなる。この効果を得るためには０．０２０％以上を必要とする。Ｎｂ含有量が０．０２０％未満であるとＮｂＣの析出量が不足して固溶Ｃの固定ができず、引張強度を安定して得ることが困難になる場合がある。より安定した効果を得るためには０．０４０％以上とすることが好ましい。

一方、Ｎｂ含有量が０．２０％を超えるとＣ対してＮｂが過剰な量となり、かえって耐力が上昇し伸びが低下する。したがって、Ｎｂ含有量の上限を０．２０％とする。
Ｎｂ含有量のＴｉ含有量に対する質量比：２．０以上
本実施の形態に係る鋼板では、高ｒ値を得るためのＴｉとＮｂの複合添加によるＣ,Ｎの固定を、ＴｉＯ_ｘを介在させて行う。したがって、４５°方向の高ｒ値化を確実にするためにＮｂ含有量のＴｉ含有量に対する質量比（以下、「(Ｎｂ/Ｔｉ)比」ともいう。）は２．０以上必要である。一方、上限は特に規定しないが、ＴｉおよびＮｂの含有量からは(Ｎｂ/Ｔｉ)比は４０以下であり、(Ｎｂ/Ｔｉ)比が過剰に高いと再結晶温度が上昇し、高温での焼鈍が必要となるため、２０以下が好ましい。

本実施形態に係る鋼板は次の元素を鉄の一部に換えて任意成分として含んでもよい。
Ｂ：０．００２％以下
Ｂは二次加工脆化を防止する作用を有するので含有させることが好ましい。Ｂ含有量が０．０００１％未満ではこの効果が小さく、０．００２％を超えるとｒ値が顕著に低下する。このためＢ含有量を０．００２％以下とする。０．０００３〜０．００１％とすれば、Ｂ添加の効果を効率的に享受することができる。

Ｃｕ:１．０％以下、Ｎi:１．０％以下、Ｃｒ:１．０％以下
Ｃｕ、Ｎi、Ｃｒは強度確保のために添加してもよい。過剰に添加しても効果は飽和するため、製造費用の観点から、いずれの元素についても上限を１．０％とする。

２．介在物
（１）介在物の特徴
本実施形態に係る鋼板は、上記の化学組成上の特徴に加え、鋼板の圧延方向に平行な縦断面（以下「圧延方向断面」という。）で観察される、長径が１μm以上の介在物について、次の特徴を有する。

（ア）Ｔｉ酸化物をＴｉＯ_２換算で５０質量％以上含有する第一の介在物の平均数密度Ｎ_Ｔｉが３０個／ｍｍ^２以上である（下記式(1)）。
Ｎ_Ｔｉ≧３０個／ｍｍ^２ (1)
ここで、「平均数密度」とは、断面観察で観測される所定の介在物の１ｍｍ^２あたりの個数の平均値であり、単位は個／ｍｍ^２である。

（イ）Ａｌ酸化物をＡｌ_２Ｏ_３換算で５０質量％以上含有する第二の介在物の前記断面での平均数密度Ｎ_Ａｌと前記Ｎ_Ｔｉとが下記(2)式を満たす。
Ｎ_Ｔｉ／（Ｎ_Ｔｉ＋Ｎ_Ａｌ）≧０．８０ (2)
（ウ）全酸化物系介在物の前記断面での平均数密度Ｎ_{Ｔｏｔａｌ}と前記Ｎ_Ｔｉとが下記(3)式を満たす。

Ｎ_Ｔｉ／Ｎ_{Ｔｏｔａｌ}≧０．６５ (3)
なお、以下の説明では、(3)式に係る介在物個数比率Ｎ_Ｔｉ／（Ｎ_Ｔｉ＋Ｎ_Ａｌ）をα、(3)式に係る介在物個数比率Ｎ_Ｔｉ／Ｎ_{Ｔｏｔａｌ}をβとも記す。

本実施形態に係る鋼板は、Ｔｉ脱酸によって生じるＴｉＯ_ｘを主要成分とする介在物が、高ｒ値を発現するために必要である。
ここで、「ＴｉＯ_ｘ」とは前述のように鋼中のＴｉ酸化物の総称である。ただし、濃度を求める場合にはＴｉＯ_２で換算して計算する。

また、「ＴｉＯ_ｘを主要成分とする介在物」とは、ＴｉＯ_ｘを含む介在物には、ＴｉＯ_ｘのほかＴｉおよび／またはＮｂの炭化物および／または窒化物も含むため、ＴｉＯ_ｘをＴｉＯ_２換算で５０質量％以上含むものをいう。

（２）ＴｉＯ_ｘを主要成分とする介在物の平均数密度
本実施形態に係る冷延鋼材は、第一の介在物（圧延方向縦断面で観察されるＴｉＯ_ｘを主要成分とする介在物のうち、圧延方向に伸展した長さ１μm以上のもの）が、平均数密度として３０個／ｍｍ^２以上存在することが必要であり、６０個／ｍｍ^２以上であることが好ましい。平均数密度が３０個／ｍｍ^２未満では、Ｎｂ、Ｔｉの炭窒化物が複合析出するサイトとして不十分な数密度であり、鋼板での高ｒ値化に与える影響が小さくなる。上限は高ｒ値化の観点では特に設定する必要はないが、冷間圧延鋼板の表面性状の観点からは１０００個／ｍｍ^２以下とすることが好ましい。

（３）鋼中介在物量とｒ値との関係評価実験
ところで、大量生産工程で本鋼を製造する場合には、ＴｉＯ_ｘ以外の介在物が様々な要因で鋼中に含有されうる。具体的には、大量生産工程では溶鋼を保持する耐火物や雰囲気との遮断に使用する耐火材、副原料中にＡｌおよびＡｌ_２Ｏ_３が含まれている。また、脱炭のために０．０３〜０．０８％程度含まれる鋼中酸素を部分的に除去するにあたって、安価で迅速に作用することからＡｌが添加される場合が多い。さらには、溶鋼の温度を制御する目的で、その酸化熱を用いるべくＡｌが添加される場合もある。このように、大量生産工程での製造過程では溶鋼へのＡｌ混入は避けがたく、結果的にＡｌ_２Ｏ_３を主要成分とする介在物が不可避的に存在する。ここで「Ａｌ_２Ｏ_３を主要成分とする介在物」とは、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が５０％以上を含むものであって、残部はＴｉＯ_ｘ、ＭｎＯ、ＭｇＯ等である。

介在物組成および量の測定方法については特に限定はされないが、以下のような方法が例示できる。
本発明における測定対象となる介在物は脱酸反応によって生じるもので、耐火物剥離等で含有されるマクロ介在物とは異なるものである。観察される介在物の多くは円相当の大きさでも数μmないし数十μm程度にとどまる。形状は塊状ないしその角がとれたような孤立形状で、鋳片での介在物分布を熱間圧延および冷間圧延ででも受け継ぐことになる。すなわち、前述のマクロ介在物やＡｌ脱酸時にしばしば観察される群落状介在物のように、熱間圧延および冷間圧延で破砕されて圧延長手方向に点列状で並ぶことや、熱間圧延温度域で組成変形して同方向に伸展された介在物になることはほとんどない。このような熱間圧延および冷間圧延での鋼の組成変形の影響を受けがたい塊状介在物の評価は、鋳造段階の溶鋼採取試料、鋳片、熱間圧延鋼板、冷間圧延鋼板のいずれであっても本質的な差が生じにくい。

試料の取り扱いの容易さからは、熱間圧延鋼板および冷間圧延鋼板が好適であり、介在物の観察の容易さからは熱間圧延鋼板での測定が良い。
その方法を以下に示す。試料の採取は、４．０ｍｍ程度に熱間圧延された鋼帯の幅中央から板に対して垂直な圧延方向断面が観察できるよう、長さ１０ないし２０ｍｍ程度とする。観察面積、いわいる被顕面積は任意でよいが、測定誤差を考慮すれば観察対象となる介在物が数十個ないし百数十個程度以上測定できる面積が適当であり、そのためには数ｍｍ^２程度を要する。冷間圧延鋼板で介在物を観察する場合でも、同様に鋼帯の幅中央から板に対して垂直な圧延方向断面が観察できるように長さ１０ないし２０ｍｍ程度とする。上記の数ｍｍ^２の被顕面積を要する場合には、それを複数位置から採取すればよい。

こうして得られた試験片の圧延方向縦断面を観察面として、この面に露出する介在物を観測する。その際、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて形状評価を行って、圧延方向に沿って僅かに伸展した長さ１μm以上の介在物を計測対象とする。また、ＳＥＭに付属するエネルギー分散型X線マイクロアナライザ（ＥＤＳ）を用いて第一の介在物と第二の介在物とを区別しながら個数計測を行う。さらにＳＥＭとＥＤＳとを用いて、全酸化物系介在物個数についても個数計測を行う。

そこで、Ａｌ_２Ｏ_３を主要成分とする介在物を含めた鋼中介在物量と冷延鋼板のｒ値との関係を明確にするために、以下の実験を行った。その結果、上記の第二の介在物（第一の介在物と同様の形状的特徴、すなわち、圧延方向縦断面で観察したときに圧延方向に伸展した長さ１μm以上、を有するＡｌ_２Ｏ_３を主要成分とするＡｌ酸化物）および全酸化物系介在物と第一の介在物との間に上記(1)式、および(2)式の関係を満たすときに、優れたｒ値を有する鋼板が得られることが明らかになった。以下に詳しく説明する。

まず、雰囲気調整が可能な３０ｋｇ誘導加熱炉にて、Ｃ０．００１〜０．００２％、Ｓi：０．００５〜０．０３％、Ｍｎ：０．４０〜０．４８％、Ｐ:０．０４５〜０．０５５％、Ｓ:０．００４〜０．００６％、Ｓｏｌ．Ａｌ:０．０００５〜０．００１４％、Ｔｉ:０．０１０〜０．０１５％、Ｎｂ:０．０４０〜０．０６０％を含有する鋼を作製した。このとき、(Ｎｂ/Ｔｉ)比は３．０〜４．５の範囲にあった。

この際、酸素濃度が高い状態でＡｌ_２Ｏ_３系介在物が懸濁し、かつｓｏｌ．Ａｌ濃度を低値な状態になる程度のＡｌを添加して、その後所望のＴｉ濃度になるようＴｉを添加して直ちに鋳造した。このようにして、上記成分を含有し、かつＴｉＯ_ｘ系介在物およびＡｌ_２Ｏ_３系介在物を含む母材を作製した。

この母材は１２５０℃で加熱後、９２０℃仕上げで熱間圧延に相当する鍛造を行って４．０ｍｍ厚の熱延鋼板を作製し、さらにこれを冷間圧延および焼鈍を行い、０．７ｍｍ厚の冷延鋼板とした。この冷延鋼板から圧延方向に対して４５度の方向をなすJIＳ５号試験片を採取して引張試験を行い、ｒ値を測定した。以下、この圧延方向に対して４５度方向のｒ値をｒ_４５値ともいう。

介在物個数の計測のために、次のようにしてサンプル調製を行った。厚さ０．７ｍｍ鋼板について、圧延方向縦断面が得られるように幅方向中心部で切断し、さらに圧延方向の長さが約１０ｍｍになるように切断して、圧延方向縦断面の面積が約７．０ｍｍ^２となる試験片を作製した。

こうして得られた試験片の圧延方向縦断面を観察面として、この面に露出する介在物を、ＳＥＭとＳＥＭに付属するＥＤＳを用いて第一の介在物と第二の介在物とを区別しながら個数計測を行った。さらにＳＥＭとＥＤＳとを用いて、全酸化物系介在物個数についても個数計測を行った。

こうして行った個数計測の結果に基づいて第一の介在物、第二の介在物、および全酸化物系介在物の平均数密度を求め、さらにこれらに基づいて介在物個数比率αおよびβを求めた。こうして得た介在物個数比率と別途準備し測定したＪＩＳ５号試験片のｒ_４５値との関係を評価した。なお、上記の評価に用いた鋼板は、ＴｉＯ_ｘの介在物個数がいずれも３０個／ｍｍ^２以上であった。

（４）介在物個数比率α
まず、介在物個数比率αがｒ_４５値に及ぼす影響を図１に示す。図に示すように、ｒ_４５値は、介在物個数比率αの影響を受け、αが０．８０以上でr_４５値が２．０を超える値になっていることがわかる。すなわち，ＴｉＯ_ｘ系介在物はＡｌ_２Ｏ_３系介在物よりもｒ_４５値向上効果が高く、その介在物個数比率αを８０％以上とすることで、極めて良好な深絞り性を得ることができる。また、介在物個数比率αが８２％以上であれば、極めて良好な深絞り性を安定的に得ることができる。

（５）介在物個数比率β
次に、介在物個数比率βがｒ_４５値に及ぼす影響を図２に示す。図に示すように、ｒ_４５値は、介在物個数比率の影響を受け、βが０．６５以上でｒ_４５値が２．０を超える値になっていることがわかる。また、介在物個数比率βが０．８以上であれば、２．０を超えるｒ_４５値を安定的に有することができる。

３．製造方法
（１）精錬工程

（ア）大量製造プロセスを前提とした検討
次に、そのような鋼の製造方法を、大量製造プロセスを前提として検討を行った。
大規模製鉄所における極低炭素鋼は、前述のように転炉など製鋼炉で炭素を除く粗脱炭を行い、炭素濃度が０．０４質量％から０．０７質量％を含む低炭素溶鋼として、未脱酸のまま取鍋などの容器に出鋼する。出鋼された溶鋼は、さらにＲＨ装置等の真空脱ガス装置に搬送されて真空脱炭処理が行われ、炭素濃度を０．０２５質量％以下含有する極低炭素溶鋼となる。この際の脱炭反応には溶鋼に炭素と反応する酸素を含有していることが必要であり、その酸素濃度は０．０３質量％から０．０８質量％程度含まれている。

このとき大量製造プロセスでは、不可避的にＡｌ_２Ｏ_３系介在物が生成する。その第１の理由は、鋼中Ａｌおよび周囲のＡｌ_２Ｏ_３源の存在である。すなわち、ＦｅＳｉ等の合金鉄中に含まれる金属Ａｌ分、取鍋スラグに含有されるＡｌ_２Ｏ_３分、そして前の溶鋼処理から持ち来された取鍋内壁に付着したＡｌ_２Ｏ_３源、および前の溶鋼処理から持ち来された真空脱ガス装置内部に付着したＡｌ_２Ｏ_３源である。その第二の理由は、真空脱炭処理の間に生じる溶鋼の温度低下を補償するために、溶鋼の加熱処理によって生成するＡｌ_２Ｏ_３源である。つまりこの加熱処理は、Ａｌ等の金属と酸素ガスとの酸化反応による溶鋼加熱により、不可避に生じる多量のＡｌ_２Ｏ_３系介在物である。その第三の理由は、脱炭処理後の溶鋼に残存する溶鋼中酸素濃度の迅速な除去のためのＡｌ添加であり、結果として多量のＡｌ_２Ｏ_３系介在物懸濁が不可避である。

すなわち大量製造を想定した場合、溶鋼中でのＡｌ_２Ｏ_３系介在物の懸濁は、これらＡｌ_２Ｏ_３介在物源の存在から不可避であり、Ｔｉ添加によるＴｉ脱酸前にこのような状態を回避するための方法の着想が必要となった。

（イ）介在物中の平均Ａｌ_２Ｏ_３濃度の溶存酸素濃度依存性
そこで、Ｔｉ添加前、高い溶存酸素を含有する溶鋼をＡｌ_２Ｏ_３系酸化物共存下で、精練工程に相当する時間、１８７３Ｋ程度の製鋼温度で保持し、保持後の溶鋼試料をボンブにて採取して含まれる介在物をＳＥＭおよびＥＤＳで調査した。その結果、溶鋼中のＭｎ濃度やＳｉ濃度にもよって含有量は変化するものの、（Ｍｎ、Ｆｅ）ＡｌＯ_４相および／またはＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３相が認められた。

この（Ｍｎ、Ｆｅ）ＡｌＯ_４相および／またはＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３相が懸濁した状態でＴｉを添加した後、溶鋼試料を採取し含まれる介在物を調査したところ、Ｔｉ酸化物の介在物が観測され、添加したＴｉがＴｉＯ_ｘに変化していることが確認された。

一方、先の（Ｍｎ、Ｆｅ）ＡｌＯ_４相および／またはＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３相が懸濁した状態から、さらにＡｌを添加して一旦Ａｌ_２Ｏ_３を懸濁させた後に、Ｔｉを添加し、溶鋼試料を採取して含まれる介在物を調査したところ、Ａｌ_２Ｏ_３を４０％以上含むＡｌ_２Ｏ_３系介在物にＴｉＯ_ｘやＭｇＯが含まれた介在物が多くなった。

以上の基礎的な評価に基づいて、未脱酸溶鋼またはＡｌ脱酸溶鋼、およびそれを処理するＲＨ脱ガス装置を用いて、溶鋼環流処理における溶鋼成分、酸素活量および非金属介在物組成の関係を調査した。溶鋼には、Ｓiが０．０１〜０．０４％、Ｍｎが１．１０〜１．４０％、ｓｏｌ．Ａｌが０．０００５〜０．００５％を含む鋼を用い、酸素活量の測定には固体電解質による酸素濃淡電池を原理とする酸素センサーを用いた。溶鋼は鉄製のボンブ試料で汲み上げ採取し、試料を鏡面研磨した後、その断面に観察される非金属介在物の平均組成をＳＥＭおよびＥＤＳで調査した。その結果を図３に示す。

図３に示すように、溶存酸素が酸素濃度換算で０．００３％以上であれば、介在物の平均Ａｌ_２Ｏ_３濃度は８０％以下となり、Ａｌ_２Ｏ_３を含む介在物中の組成がＭｎＯ−Ａｌ_２Ｏ_３系およびＳｉＯ_２−ＭｎＯ−Ａｌ_２Ｏ_３系介在物に変化する。溶存酸素が酸素濃度換算で０．００８５％以上であれば介在物中の平均Ａｌ_２Ｏ_３濃度は６０％以下となり、さらに確実にＴｉＯ_ｘ系介在物を生成することができ、好ましい。なお、上限は、脱酸に要するＴｉ添加量が増加して脱酸後の清浄度も悪化することから酸素濃度換算で０．０１８％以下とする。

（ウ）介在物中の平均Ａｌ_２Ｏ_３濃度とＴｉ添加後の介在物中ＴｉＯ_ｘ濃度との関係
次に、Ｔｉ添加前の介在物中の平均Ａｌ_２Ｏ_３濃度とＴｉ添加後の介在物中ＴｉＯ_ｘ濃度との関係を図４に示す。図に示すように、Ｔｉ添加前の介在物中の平均Ａｌ_２Ｏ_３濃度が８０％以下になると、ＴｉＯ_ｘ系介在物の生成比率が高まる。さらに６０％以下になると残存Ａｌ_２Ｏ_３濃度の高い介在物は認められなくなり、より確実にＴｉＯ_ｘ系介在物を生成させることが可能となるため好ましい。

（エ）介在物中の平均ＴｉＯ_ｘ濃度とｓｏｌ．Ｔｉ濃度との関係
鋼中の酸可溶性Ｔｉ濃度、すなわちｓｏｌ．Ｔｉ濃度について説明する。通常のＴｉ分析で得られるＴｉ濃度（以下「全Ｔｉ濃度」ともいう。）には酸化物として含まれるＴｉも含まれる。一般にＡｌ脱酸鋼であれば、Ｔｉが酸化物として含まれる量は無視しうる量であるので、全Ｔｉ濃度とｓｏｌ．Ｔｉ濃度はほぼ等量である。しかしながら、本発明に係る鋼は、基本的にはＴｉ脱酸鋼であるから、Ｔｉ酸化物が多量の存在することになり、酸化物以外の溶存Ｔｉ濃度と関連づけられるｓｏｌ．Ｔｉ濃度の限定は重要である。すなわち、介在物中の平均ＴｉＯ_ｘ濃度が確実に８０％以上を得るためには、ｓｏｌ．Ｔｉは０．００４％以上必要である。より望ましくはｓｏｌ．Ｔｉは０．００６％以上含まれるとよい。

（２）その他の工程
上記の精錬工程を経ることで、酸化物系介在物の量およびその組成のバランスが高度に制御された鋼を得ることが実現される。したがって、その鋼片を素材として冷延鋼板を製造する工程は公知のものを適宜採用すればよい。その一例を示すと次のようになる。

上記の真空精錬工程を経て化学組成の調整がなされた溶鋼を、連続鋳造して所定の長さの鋼片とする。この鋼片を必要に応じて加熱して所定の温度として、粗熱間圧延工程に供する。粗熱間圧延することで得られた粗鋼板に対して、所定の温度管理を行いつつ仕上熱間圧延を行い、得られた鋼板を冷却して巻き取る。この鋼板に対して冷間圧延を行って冷延鋼板を得る。この冷延鋼板には必要に応じて焼鈍処理を施してもよい。なお前述のように、本発明における酸化物系介在物は比較的硬質な塊状であるから、これらの圧延工程で破砕されたり伸展されたりすることが少なく、その鋼板中の平均数密度は、この圧延の圧延条件によって原理的には影響を受けないため、その圧延条件は特に制限されない。

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
１．実施例１
（１）鋼板の準備
溶鋼２９０ｔｏｎを転炉で脱炭精錬し、その未脱酸溶鋼を収容した取鍋をＲＨ装置へ移送し、ＲＨ装置で真空脱炭処理を行った。ＲＨ装置にて真空脱炭が終了した後、未脱酸溶鋼の予備脱酸と溶鋼の昇温操作を兼ねて金属Ａｌを添加した。Ａｌ添加後に真空槽内の溶鋼に酸素を３８Ｎｍ^３／ｍｉnで供給して適宜酸化反応による溶鋼への熱付与を実施した。その後溶鋼に酸素濃度が含有される状態で既に含有されている濃度を勘案してＴｉ以外の各種合金を添加調整し、最後にＴｉを添加調整し表１に示される化学組成になるように調整した。

これらの精錬実施後、溶鋼を収容した取鍋を連続鋳造機に搬送し、幅９６０ｍｍ〜１２００ｍｍ、厚さ２５０ｍｍのスラブ形状の鋳片を得た。さらにこのスラブを常法にて１２５０℃で加熱し、引き続いて９２０℃仕上げで板厚３．２ｍｍまで熱間圧延を行った。熱間圧延された鋼板について冷間圧延および焼鈍を実施し、厚さ０．７ｍｍの鋼板を得た。

（２）評価
この鋼板の先端部および後端部を切断して除外し、除外後の鋼板を、幅方向の中心線を含むように、圧延方向かつ厚み方向に切断した。続いて、この断面を観察できるように、圧延方向の長さが１０ｍｍの観察用試験片を切り出した。

これらの観察用試験片について、ＳＥＭ／ＥＤＳを用いて酸化物系介在物の観察および分析を行って、介在物個数比率αおよびβを求めた。
この０．７ｍｍ鋼板から圧延方向に対して４５度傾斜した方向を長手方向とするJIＳ５号試験片を採取して引張試験を行い、４５度方向のｒ値（ｒ_４５値）を測定した。

（３）結果
表２に介在物個数比率αおよびβとｒ_４５値とを示した。介在物個数比率αが０．８０以上であって、かつ、介在物個数比率βが０．６５以上を満たす場合に、ｒ_４５値は２．０以上となることが確認された。

２．実施例２
実施例１と同じ溶鋼２９０ｔｏｎを転炉で脱炭精錬し、その未脱酸溶鋼を収容した取鍋をＲＨ装置へ移送し、ＲＨ装置で真空脱炭処理を行った。ＲＨ装置にて真空脱炭が終了した後、未脱酸溶鋼の予備脱酸と溶鋼の昇温操作を兼ねて金属Ａｌを添加した。Ａｌ添加後に真空槽内の溶鋼に酸素を３８Ｎｍ^３／ｍｉnで供給して適宜酸化反応による溶鋼への熱付与を実施した。その後、溶鋼になお酸素濃度が含有される状態で安定化ジルコニア固体電解質による酸素濃淡電池を原理とする酸素濃度センサーにより酸素濃度を測定した。溶鋼に酸素濃度が含有される状態で既に含有されている濃度を勘案してＴｉ以外の各種合金を添加調整し、さらにＴｉを添加調整した。調整後の溶鋼の組成は表３のとおりである。これらの処理後溶鋼中のｓｏｌ．Ｔｉ濃度を調査するために、鉄製ボンブにて試料を汲み上げ採取した。また、このボンブ試料の断面を鏡面研磨して、ＥＤＳを装備したＳＥＭにて組成別の介在物個数を調べた。

その結果を表４に示す。実施例２−１および２−２は、溶存酸素濃度を０．００７％から０．０２％の範囲にあって、その後のＴｉ添加によりｓｏｌ．Ｔｉ濃度を０．００４％〜０．０４％の範囲にすることにより、ＴｉＯ_ｘ酸化物量に関連する比率α、βとも所望の範囲に制御できていることがわかる。

一方、比較例２−３および２−４は、溶存酸素濃度が規定の範囲から外れた場合であり、比較例２−５および２−６は、溶存酸素濃度は規定の範囲にあるがその後の[ｓｏｌ．Ｔｉ]濃度が特許請求の範囲から外れた場合である。いずれの場合も、ＴｉＯ_ｘ酸化物量に関連する比率α、β、あるいは製品Ｔｉ濃度が特許請求範囲を外れており、制御性に劣ることがわかる。

介在物個数比率αとｒ_４５値との関係を示すグラフである。介在物個数比率βとｒ_４５値との関係を示すグラフである。溶鋼中溶存酸素と介在物中Ａｌ_２Ｏ_３濃度の関係を示すグラフである。Ｔｉ添加前の介在物中Ａｌ_２Ｏ_３濃度とＴｉ添加後の介在物中ＴｉＯ_ｘ濃度の関係を示すグラフである。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０００５％以上０．０２５％以下、
Ｓｉ:０．００３％以上０．１５％以下、
Ｍｎ:０．３％以上２．５％以下、
Ｐ:０．１５％以下、
Ｓ:０．０２％以下、
Ｎ:０．００６％以下、
ｓｏｌ．Ａｌ:０．０００２％以上０．００５％以下、
Ｔｉ:０．００５％以上０．０５％以下、
Ｎｂ:０．０２０以上０．２０％以下
を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなるとともに、Ｎｂ含有量のＴｉ含有量に対する質量比が２．０以上である化学組成を有し、
介在物が下記式(1)から(3)を満たすことを特徴とする極低炭素鋼板。
Ｎ_Ｔｉ≧３０個／ｍｍ^２ (1)
Ｎ_Ｔｉ／（Ｎ_Ｔｉ＋Ｎ_Ａｌ）≧０．８０ (2)
Ｎ_Ｔｉ／Ｎ_{Ｔｏｔａｌ}≧０．６５ (3)
ここで、
Ｎ_Ｔｉ：圧延方向に平行な縦断面における長径1μm以上の介在物のうち、Ｔｉ酸化物を５０％以上含有するものの平均数密度、
Ｎ_Ａｌ：圧延方向に平行な縦断面における長径1μm以上の介在物のうち、Ａｌ酸化物を５０％以上含有するものの平均数密度、
Ｎ_{Ｔｏｔａｌ}：圧延方向に平行な縦断面における長径1μm以上の全酸化物系介在物の平均数密度
である。
前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、Ｂ:０．００２％以下、Ｃｕ: １．０％以下、Ｎｉ:１．０％以下、およびＣｒ:１．０％以下からなる群から選ばれる１種または２種以上を含有する請求項１記載の極低炭素鋼板。
転炉精錬および真空精錬を経て行う請求項１または２に記載される極低炭素鋼の精錬方法であって、
前記真空精錬が、
溶鋼を環流させる真空脱ガス装置を用い、脱炭精錬を行って溶鋼の炭素濃度を０．０２５質量％以下まで減少させた後、
当該炭素濃度が０．０２５質量％以下の溶鋼にＡｌ添加を行って、該溶鋼の溶存酸素濃度を０．００３質量％以上０．０１８質量％以下に制御した後に、
Ｔｉを添加して、ｓｏｌ．Ｔｉを０．００４質量％以上０．０４質量％以下とする
ことを特徴とする極低炭素鋼の精錬方法。
前記の溶鋼の炭素濃度を０．０２５質量％以下まで減少させた後、前記の溶存酸素濃度の制御に先立って、
当該炭素濃度が０．０２５質量％以下の溶鋼にＡｌ添加と酸素ガス添加を行い、その反応熱によって当該溶鋼温度を上昇させる操作を行うことを特徴とする、
請求項３記載の極低炭素鋼の精錬方法。
請求項３または４に記載される精錬方法により得られた溶鋼を用いて製造されたことを特徴とする極低炭素鋼板の製造方法。