CN110331335A - 具有780MPa以上的拉伸强度的高强度热轧钢板 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提供一种磁特性良好并且冲裁加工性优良的、具有780MPa以上的拉伸强度的高加工性高强度热轧钢板。一种具有780MPa以上的拉伸强度的高强度热轧钢板，其特征在于，具有如下成分组成：以质量％计，含有C：0.070～0.140％、Si：0.10～1.00％、Mn：1.00～1.80％、P：0.050％以下、S：0.0050％以下、N：0.0080％以下、Al：0.010～0.100％以及Ti：0.050～0.150％，且余量由Fe和不可避免的杂质构成，并且具有体积分数为95％以上的贝氏体组织，总析出碳化物的80％以上的碳化物分散于构成所述贝氏体组织的贝氏体铁素体的晶界，该总析出碳化物的80％以上的平均粒径为20～300nm。

Description

具有780MPa以上的拉伸强度的高强度热轧钢板
本申请是申请日为2014年3月11日、申请号为201480017116.4(国际申请号为PCT/JP2014/001379)、发明名称为“具有780MPa以上的拉伸强度的高强度热轧钢板”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种可以用于水轮发电机(hydraulic generator)的转子(rotor)的旋转机械轮缘材料(rim material for rotary machine)的具有780MPa以上的拉伸强度、磁特性(magnetic property)优良的高加工性高强度热轧钢板(high strength hotrolled steel sheet with good formability)。
背景技术
近年来，对于用于电气设备用结构部件(structural member for electricequipment)的钢板，以电器设备的高性能化为目的，除了要求机械特性(mechanicalproperty)以外，还要求磁特性、即高磁导率(magnetic permeability)和磁通密度(magnetic flux density)。特别是水力发电(hydraulic power generation)这样的大型发电机(large generator)的转子等的旋转机械轮缘用钢板等发电机用轮缘材料(rimmaterial for generator)，由于承受大的离心力(centrifugal force)，因此要求为高强度，并且具有高磁通密度。而且，由于发电机用轮缘材料大多被赋予了非常多的冲孔(punched holes)来使用，因此大多要求高冲裁加工性(punchability)。
在上述磁特性中，钢中粗大碳化物的量越少，则磁导率越高，钢中非磁性元素(nonmagnetic element)的量越少，则磁通密度越高。一直以来，磁性特性优良的钢板使用极低碳钢。然而，其无法实现需求不断提高的高强度。
专利文献1中公开了利用添加了Ti、B的Si－Mn钢的具有高磁通密度的高强度热轧钢板的制造方法。在该技术中，为了改善淬透性而添加B。然而，B在晶界偏析，抑制了铁素体相变(ferrite transformation)，进而在更低温度下引起贝氏体相变(bainitetransformation)，因此容易形成贝氏体板条(bainite-lath)中分散有碳化物的下贝氏体组织(lower bainite microstructure)。由于碳化物在冲裁加工时起到作为微小裂纹起点的作用，因此如果在贝氏体板条中分散有碳化物，则因贝氏体板条中的碳化物产生的裂纹从贝氏体板条中发展至贝氏体板条的边界。进而，该裂纹越过贝氏体板条边界继续发展，容易形成大裂纹。因此，在冲裁端面(punched surface)容易产生裂纹。因此，无法实现作为本发明目标的冲裁加工性。
专利文献2中公开了使体积分数为95％以上的铁素体组织中分散有小于10nm的碳化物的拉伸强度为590MPa以上的热轧钢板及其制造方法。在铁素体组织的情况下，材料的局部延展性高，冲裁加工性差。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭63－166931号公报
专利文献2：日本专利第4273768号公报
发明内容
发明所要解决的问题
如上所述，在专利文献1和2的任一现有技术中，均未实现作为发电机用轮缘材料的充分兼顾磁特性和冲裁加工性的高强度热轧钢板。
本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供一种磁特性良好并且冲裁加工性优良的、具有780MPa以上的拉伸强度的高加工性高强度热轧钢板。
用于解决问题的方法
本发明人们反复进行了潜心研究，结果得出如下见解：通过以贝氏体组织为基础(base)可以提高强度，通过使碳化物的粒径微细化可以提高磁特性，进而，通过使适当大小的碳化物分散于晶界可以提高冲裁加工性。本发明基于以上见解而完成，其要旨如下所述。
[1]一种具有780MPa以上的拉伸强度的磁特性优良的高加工性高强度热轧钢板，其特征在于，具有如下成分组成：以质量％计，含有C：0.070～0.140％、Si：0.10～1.00％、Mn：1.00～1.80％、P：0.050％以下、S：0.0050％以下、N：0.0080％以下、Al：0.010～0.100％以及Ti：0.050～0.150％，且余量由Fe和不可避免的杂质构成，并且具有体积分数为95％以上的贝氏体组织，总析出碳化物的80％以上的碳化物分散于构成所述贝氏体组织的贝氏体铁素体的晶界，该总析出碳化物的80％以上具有20～300nm的粒径。
[2]根据[1]所述的具有780MPa以上的拉伸强度的磁特性优良的高加工性高强度热轧钢板，其特征在于，所述贝氏体铁素体的平均结晶粒径为1.5～5.0μm。
[3]根据[1]或[2]所述的具有780MPa以上的拉伸强度的磁特性优良的高加工性高强度热轧钢板，其特征在于，以质量％计，进一步含有选自V：0.005～0.100％、Nb：0.005～0.100％中的至少1种以上。
[4]根据[1]～[3]中任一项所述的具有780MPa以上的拉伸强度的磁特性优良的高加工性高强度热轧钢板，其特征在于，以质量％计，进一步含有Cu：0.005～0.100％、Ni：0.005～0.100％、Cr：0.002～0.100％、Mo：0.002～0.100％中的至少1种以上。
[5]根据[1]～[4]中任一项所述的具有780MPa以上的拉伸强度的磁特性优良的高加工性高强度热轧钢板，其特征在于，以质量％计，进一步含有Ca：0.0005～0.0050％、REM：0.0005～0.0300％中的至少1种以上。
发明效果
根据本发明，可以得到磁特性优良并且冲裁加工性也优良的、具有780MPa以上的拉伸强度的高加工性高强度热轧钢板。本发明的高加工性高强度热轧钢板适合于大型发电机的轮缘材料等。
具体实施方式
以下，具体说明本发明。需要说明的是，涉及成分组成的“％”的表示，只要没有特别说明，则是指“质量％”。
1)成分组成
C：0.070～0.140％
C不仅是确保必要的强度的元素，而且还是形成贝氏体组织的有效元素。为了得到780MPa以上的拉伸强度(以下，有时也称为TS)和所希望的组织，必须将C量设定为0.070％以上。另一方面，如果C量超过0.140％，则碳化物粗大化，冲裁加工性下降。因此，将C量设定为0.070～0.140％。优选为0.080～0.120％。
Si：0.10～1.00％
0.10％以上的Si的添加，由于使碳化物微细化，因此对于冲裁加工性的提高是有效的。另一方面，如果Si量超过1.00％，则不仅导致表面性状的显著下降，而且难以得到所希望的组织。因此，将Si量设定为0.10～1.00％。优选为0.60～0.85％。
Mn：1.00～1.80％
Mn是通过固溶强化(solute strengthening)而确保强度和形成贝氏体组织的有效元素。为了得到780MPa以上的TS和所希望的组织，必须将Mn量设定为1.00％以上。另一方面，如果Mn量超过1.80％，则由于强度过度提高，因此冲裁加工性显著下降。此外，由于相变温度过于变低而生成下贝氏体，因而导致磁特性下降。因此，将Mn量设定为1.00～1.80％。优选为1.20～1.70％。
P：0.050％以下
如果P量超过0.050％，则由于偏析而导致冲裁加工性的下降。因此，将P设定为0.050％以下。优选为0.030％以下。
S：0.0050％以下
S由于形成硫化物而导致冲裁加工性下降，因此将其设定为0.0050％以下。优选为0.0030％以下。
N：0.0080％以下
如果N量超过0.0080％而大量含有，则在制造工序中生成大量的氮化物，导致热延性(hot ductility)变差，因此有害。此外，由于生成TiN等粗大的氮化物，因此在冲裁端面上容易产生裂纹，导致冲裁加工性下降。因此，将N量设定为0.0080％以下。优选为0.0050％以下。
Al：0.010～0.100％
Al是用作钢的脱氧剂(deoxidizing agent)的重要元素，因此必须将Al量设定为0.010％以上。另一方面，如果Al量超过0.100％，则难以铸造，而且在钢中残留大量的夹杂物，导致材质、表面性状的下降。因此，将Al量设定为0.010～0.100％。优选为0.020～0.075％。
Ti：0.050～0.150％
Ti是对于强度上升、晶粒微细化以及贝氏体组织形成有效的元素。为了形成体积分数为95％以上的贝氏体组织，必须将Ti量设定为0.050％以上。如果超过0.150％，则形成粗大的氮化物、碳化物，因此对冲裁加工性和韧性等产生不良影响。因此，将Ti量设定为0.050～0.150％。优选为0.060～0.140％。
进而，可以根据需要含有选自V：0.005～0.100％、Nb：0.005～0.100％中的至少1种以上。
V、Nb均具有再结晶抑制效果(retardation of recrystallization)，因此为了晶粒微细化的目的可以含有。均通过为0.005％以上可以得到这样的效果。由于即使含有超过0.100％，也无法获得与成本所对应的效果，因此设定为0.100％以下。优选分别为0.030％以下。需要说明的是，由于V、Nb的合金成本均比Ti高，因此可以附带性的使用。
进而，可以根据需要含有Cu：0.005～0.100％、Ni：0.005～0.100％、Cr：0.002～0.100％、Mo：0.002～0.100％中的至少1种以上。
Cu、Ni均通过含有0.005％以上而有助于强度提高。如果超过0.100％，则有可能会在热轧中引起表层裂纹(surface crack)，因此设定为0.100％以下。Cr、Mo均为碳化物形成元素(carbide-forming element)，通过设定为0.002％以上，有助于强度提高。如果超过0.100％，无法获得与成本所对应的效果，因此设定为0.100％以下。优选分别为0.050％以下。
可以含有Ca：0.0005～0.0050％、REM：0.0005～0.0300％的至少1种以上。
Ca、REM是对夹杂物的形态控制(morphological control)有效的元素，有助于冲裁加工性的提高。为了得到这种效果，优选将Ca量、REM量设定为0.0005％以上。另一方面，如果Ca量超过0.0050％、REM量超过0.0300％，则钢中夹杂物增加，材质变差。因此，优选将Ca量设定为0.0005～0.0050％，将REM量设定为0.0005～0.0300％。更优选的是，Ca量为0.0010～0.0030％，REM量为0.0010～0.0050％。
上述以外的余量为Fe和不可避免的杂质。
2)组织
在本发明中，极其重要的是具有体积分数为95％以上的贝氏体组织，总析出碳化物的80％以上的碳化物分散于构成贝氏体组织的贝氏体铁素体(bainitic ferrite)的晶界，总析出碳化物的80％以上具有20～300nm的粒径。从确保780MPa以上的拉伸强度的观点考虑，贝氏体组织是有效的。此外，从磁特性的观点考虑，由于在多相组织中磁通的移动在相界(phase boundary)受到阻碍，因此最优选为单相组织，并且优选尽可能地减少第二相。然而，即使为单相，像下贝氏体(lower bainite)这种在低温下相变的贝氏体的位错密度(dislocation density)极高，磁特性变差。另一方面，如果在高温下铁素体相变，则生成珠光体等粗大的碳化物，它们也会导致磁特性下降。
在本发明中，通过在较高温度下(但是比铁素体相变的温度更低)引起贝氏体相变(bainite transformation)，大致形成贝氏体单相组织。由于在较高温度下相变，因此贝氏体中的位错密度不太高，磁特性不变差。进而，由于在较高温度下进行贝氏体相变，因此与下贝氏体不同，碳化物主要在贝氏体铁素体晶界析出。通过使总析出碳化物的80％以上分散于贝氏体铁素体晶界，并且总析出碳化物的80％以上为具有20～300nm粒径的碳化物，不会导致磁特性变差，可以确保冲裁加工性。需要说明的是，此处所谓的贝氏体组织，是指上贝氏体(upper bainaite)。上贝氏体是碳化物和/或岛状马氏体(MA)存在于构成贝氏体的贝氏体铁素体的晶界的组织。贝氏体铁素体和渗碳体和/或岛状马氏体(MA)整体作为1个组织称为上贝氏体。需要说明的是，下贝氏体是贝氏体铁素体中析出了渗碳体的组织，渗碳体的析出位置与上贝氏体不同。上贝氏体和下贝氏体总称为贝氏体。此外，即使含有合计为5体积％以下的多边形铁素体相(polygonal ferrite phase)、珠光体等作为第二相，也属于本发明的范围。
贝氏体组织体积分数：95％以上
在本发明中，当贝氏体组织的体积分数小于95％时，不仅磁特性下降，冲裁加工性、韧性等也下降。优选贝氏体组织的体积分数为97％以上。
分散于贝氏体铁素体晶界的碳化物：总析出碳化物的80％以上
当分散于构成所述贝氏体组织的贝氏体铁素体的晶界的碳化物小于总析出碳化物的80％时，存在于贝氏体铁素体晶粒内的碳化物变多，导致冲裁端面性状变差。优选为85％以上。
具有20～300nm粒径的碳化物在总析出碳化物中所占的比例：80％以上
如果粒径超过300nm的碳化物的比例大，则会对磁特性产生不良影响。此外，如果粒径小于20nm的碳化物的比例大，则冲裁加工性变差。因此，如果具有20～300nm粒径的碳化物在总析出碳化物中所占的比例小于80％，则磁特性或冲裁加工性变差。因此，将具有20～300nm粒径的碳化物在总析出碳化物中所占的比例设定为80％以上。
贝氏体铁素体的平均粒径：1.5～5.0μm
进而，优选将构成贝氏体组织的贝氏体铁素体的平均粒径设定为1.5～5.0μm。在本发明中，贝氏体铁素体的晶界作为碳化物析出的位点(precipitation site)是重要的。如果贝氏体铁素体的粒径过大，则晶界的面积减小，碳化物在晶界析出变困难。结果，碳化物变得容易析出至晶粒内，分散于晶界的碳化物变得小于总析出碳化物的80％。因此，贝氏体铁素体的平均粒径优选为5.0μm以下。更优选为4.0μm以下。另一方面，贝氏体铁素体的晶界阻碍磁通的移动，使磁特性下降。因此，贝氏体铁素体的平均粒径优选为1.5μm以上。更优选为1.7μm以上。
3)制造方法
接着，对本发明的高加工性高强度热轧钢板的制造方法进行说明。使用具有上述成分组成的钢坯制造高加工性高强度热轧钢板。以下，对制造方法的优选条件进行说明。
钢坯的再加热温度：1150～1300℃加热
在本发明中，重要的是将上述成分组成的钢坯再加热至1150℃以上，并使钢坯阶段的碳化物再固溶。在低于1150℃的再加热时，钢坯中的Ti碳化物未再固溶，对韧性和磁特性产生不良影响。在超过1300℃的情况下，不仅表层组织粗大化，导致冲裁加工性下降，而且生成Si系氧化皮，损害表面性状，因此设定为1300℃以下。
热轧条件：Ar3相变点～(Ar3相变点+80)℃的终轧温度，并且终轧末机架的压下率为20％以上
热轧的终轧温度优选为Ar3相变点～(Ar3相变点+80)℃的范围。当低于Ar3相变点时，由于生成铁素体，因此无法得到所希望的贝氏体组织。当超过(Ar3相变点+80)℃的温度时，晶粒粗大化，冲裁加工性下降。需要说明的是，此处所谓的Ar3相变点，是通过冷却速度为10℃/秒的热加工再现试验(thermo-mechanical simulation test)求出热膨胀曲线(thermal expansion curve)，通过其转变点所求出的相变温度。此外，在本发明中，当终轧末机架的压下率小于20％时，轧制刚结束后的奥氏体粒径变大。结果，由奥氏体相变的构成贝氏体的贝氏体铁素体的粒径也变大。因此，无法得到分散于贝氏体铁素体晶界的碳化物为总析出碳化物的80％以上的组织，冲裁加工性无法提高。因此，终轧末机架的压下率优选为20％以上。更优选为25％以上。
热轧后的平均冷却速度：30℃/秒以上
结束热轧后，立即、优选在1.5秒以内开始强制冷却，并在卷取温度下停止冷却，卷取为卷材状。如果从轧制结束温度到卷取温度的平均冷却速度小于30℃/秒，则生成铁素体相，难以使热轧钢板的贝氏体相为95％以上。因此，优选将热轧后的平均冷却速度设定为30℃/秒以上。进一步优选为40℃/秒以上。平均冷却速度的上限没有特别规定。另一方面，如果平均冷却速度过大，则在更低温度下发生贝氏体相变，容易生成下贝氏体。因此，难以确保所希望的组织。因此，优选将平均冷却速度设定为150℃/秒以下。需要说明的是，上述平均冷却速度是钢板表面的平均冷却速度。
卷取温度：380～480℃
当卷取温度超过480℃时，生成珠光体，无法确保95％以上的贝氏体组织。当低于380℃时，形成下贝氏体或马氏体等位错密度高的组织，无法满足磁特性。
其他制造条件可以在通常的条件下进行。例如，在转炉、电路、感应炉等中进行具有所希望组成的钢的熔炼。然后，在真空脱气炉(vacuum degassing furnace)中进行二次精炼(secondary smelting)来制造。从生产率、品质的观点考虑，之后的铸造优选使用连铸法进行。需要说明的是，还可以采用开坯轧制(blooming rolling)的方法。铸造的钢坯可以为厚度为200～300mm左右的通常的钢坯，也可以为厚度为30mm左右的薄钢坯。如果制为薄钢坯，则可以省略粗轧。铸造后的钢坯可以直接进行直送热轧，也可以在加热炉中再加热后进行热轧。
此外，本发明的高加工性高强度热轧钢板，可以制为电镀锌钢板(electrolyticzinc-coated steel sheets)、热镀锌钢板(hot-dip zinc-coated steel sheets)、合金化热镀锌钢板(alloyed hot dip galvanized steel sheets)等镀覆钢板。镀覆的条件没有特别限制，只要为常规方法即可。
实施例1
将具有表1所示组成和Ar3相变点的钢坯No.A～I加热至1250℃，在表2所示的热轧条件下制作热轧钢板No.1～13。需要说明的是，表1的Ar3相变点通过上述方法求出。
通过以下方法求出贝氏体组织的体积分数、贝氏体铁素体的平均结晶粒径、在晶界析出的碳化物的比例、粒径为20～300nm的碳化物的比例。
裁取扫描型电子显微镜(SEM)用试验片，研磨与轧制方向平行的板厚截面后，进行硝酸乙醇腐蚀(nital etching)，将总板厚进行10等分，以1500倍的倍率对各部位的中央部拍摄SEM照片，通过图像处理提取多边形铁素体相(polygonal ferrite phase)、珠光体等第二相，通过图像分析处理测定从整体中减去这些相后的面积率。将这些10个视野的平均值作为本发明中贝氏体组织的体积分数。此外，根据线段法测定构成贝氏体组织的贝氏体铁素体的平均结晶粒径。
此外，对于碳化物，在与上述相同的10个视野中，以10000倍的倍率进行SEM拍照，分别测定分散于晶界的碳化物的比例、分散于晶界的平均粒径为20～300nm的碳化物的比例。
分散于晶界的碳化物的比例，是在与上述相同的10个视野的SEM照片中，数出存在于晶界上的碳化物的个数、总碳化物的个数，并作为(存在于晶界上的碳化物的个数)/(总碳化物的个数)而求出的。需要说明的是，对于存在于晶界上的碳化物，只要碳化物的一部分与晶界相接，则将其作为存在于晶界上的碳化物。此外，粒径为20～300nm的碳化物的比例，是在与上述相同的10个视野的SEM照片中，测定各个碳化物的粒径，并作为(粒径为20～300nm的碳化物的个数)/(总碳化物的个数)而求出的。
对于机械特性，裁取JIS 5号拉伸试验片(与轧制方向成直角方向)，并使用下述方法求出。根据JIS Z2241，以应变速度10mm/分钟对两根拉伸试验片进行拉伸试验，求出屈服强度(YS)和拉伸强度(TS)。拉伸强度780MPa以上为合格。
对于磁特性，通过爱泼斯坦试验(Epstein testing)求出磁通密度B50，1.48以上为合格。
对于冲裁加工性，评价下述端面性状，判断是否合格。以冲裁间隙(clearance)15％进行10mmφ的冲裁，对轧制方向(L方向)和与轧制方向正交的方向(C方向)的冲裁端面进行SEM拍照，测定从端面的断裂部整体中除去裂纹部、脆性断裂部(brittle fractureappearance)、二次剪切断面部(secondary shear section)等异常部分后的剩余正常部的比例，该正常部的比例为95％以上为合格。
将结果示于表3。
在任一发明例中，拉伸强度、磁特性和冲裁加工性均良好。

Claims (3)

1.一种具有780MPa以上的拉伸强度的高强度热轧钢板，其特征在于，
具有如下成分组成：以质量％计，含有C：0.070～0.140％、Si：0.10～1.00％、Mn：1.00～1.80％、P：0.050％以下、S：0.0050％以下、N：0.0080％以下、Al：0.010～0.100％以及Ti：0.050～0.150％，且余量由Fe和不可避免的杂质构成，
并且具有体积分数为95％以上的贝氏体组织，总析出碳化物的80％以上的碳化物分散于构成所述贝氏体组织的贝氏体铁素体的晶界，该总析出碳化物的80％以上具有20～300nm的粒径，所述贝氏体铁素体的平均结晶粒径为3.1μm以上，
板厚为3.6mm以下。
2.根据权利要求1所述的具有780MPa以上的拉伸强度的高强度热轧钢板，其特征在于，所述贝氏体铁素体的平均结晶粒径为3.1～5.0μm。
3.根据权利要求1或2所述的具有780MPa以上的拉伸强度的高强度热轧钢板，其特征在于，进一步含有选自下述A～C组中的至少任意一组：
A组：以质量％计，选自V：0.005～0.100％、Nb：0.005～0.100％中的至少1种以上；
B组：以质量％计，Cu：0.005～0.100％、Ni：0.005～0.100％、Cr：0.002～0.100％、Mo：0.002～0.100％中的至少1种以上；
C组：以质量％计，Ca：0.0005～0.0050％、REM：0.0005～0.0300％中的至少1种以上。
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