JP2001207234A - 高延性高穴拡げ性高張力鋼板およびその製造方法 - Google Patents

高延性高穴拡げ性高張力鋼板およびその製造方法

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JP2001207234A JP2000016050A JP2000016050A JP2001207234A JP 2001207234 A JP2001207234 A JP 2001207234A JP 2000016050 A JP2000016050 A JP 2000016050A JP 2000016050 A JP2000016050 A JP 2000016050A JP 2001207234 A JP2001207234 A JP 2001207234A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プレス加工により成形される構造部材として
好適な高延性かつ高穴拡げ性を備えた高張力鋼板および
その製造方法を提供する。 【解決手段】 質量%でC:0.05〜0.30%、S
i≦2.0%、Al:0.10%を超え、2.0%以
下、Mn:0.5〜3.0%、Ni:0〜5.0%、N
b:0.020〜0.070%、P≦0.1%、S≦
0.001%、N≦0.01%、かつSi(%)+Al
(%)≧0.50およびMn(%)+(1/3)Ni
(%)≧1.0を満足し、その結晶組織が体積率で5%
以上の残留オーステナイトを含む鋼板。この鋼板は、上
記組成の鋼片を熱延後300〜720℃で巻取り、全圧
下率:30〜80%で冷間圧延し、Ac1〜Ac3に加
熱し、冷却途中の550〜350℃の領域で30秒間以
上保持するか、または該温度域を100℃/分以下の速
度で冷却する連続焼鈍を施すのがよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、絞り加工や伸びフ
ランジ加工などのプレス加工により様々な形状に成形さ
れる構造部材として好適な高延性かつ高穴拡げ性を備え
た高張力鋼板およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、自動車をはじめ各種機械・装置類
は高性能化と同時に軽量化が強く推進されている。鋼の
強度が高まるほど軽量化効果が大きくなるため、これら
の構造部材に加工される鋼板の強度も次第に高くなって
きており、例えば自動車用構造部材では引張強さが50
0MPaを超えるような高張力鋼板の適用も検討されて
いる。
【0003】延性や、穴広げ加工のような伸びフランジ
変形での成形性(穴広げ性)などで代表される鋼の加工
性は、その強度が高くなるにつれて低下する。その低下
の度合いは例えば引張強さと伸び値との積(強度−延性
バランス)や、引張強さと穴広げ率伸び値との積(強度
−穴広げ性バランス)などの強度−加工特性バランスの
大きさで評価できる。
【0004】鋼の強度を高めるには、MnやSiの含有
量を高める固溶強化法、NbやTiなどの炭窒化物の析
出を利用する析出強化法、あるいは結晶組織をマルテン
サイトやベーナイトを有するものとして強化する変態強
化法などが知られている。
【0005】固溶強化法は強度特性バランスは良好に保
てるが、得られる強度が低く、コストも高いので高強度
材の製造法としては限界がある。
【0006】析出強化鋼や変態強化鋼は製造コストは低
いが、強度上昇に伴う特性劣化が著しく、プレス加工が
困難になるという問題がある。変態強化鋼の中でも結晶
組織をフェライト+マルテンサイトの2相組織としたい
わゆる2相鋼は析出強化鋼などに比較すると延性は改善
されてはいるが穴広げ性が良くないという問題がある。
従って高い強度と良好な加工性とを兼ね備えた鋼板の実
現が強く要望されてきた。
【0007】高強度、高延性の特性が得られる鋼として
結晶組織が残留オーステナイトを含むものとし、加工時
に残留オーステナイトによる変態誘起塑性を生じさせて
加工性を改善した高張力鋼(残留オーステナイト鋼)が
知られている。
【0008】例えば特公昭62−35461号公報で
は、質量%で(以下、化学組成を表す%表示は質量%を
意味する)0.7〜2.0%のSiと0.5〜2.0%
のMnを含有する鋼板を、焼鈍過程においてフェライト
+オーステナイト2相域に加熱した後、冷却過程の65
0〜450℃の間で10〜50秒間保持することによ
り、ベイナイトおよび/またはマルテンサイト中に体積
率で10%以上のフェライトと残留オーステナイトを含
む複合組織鋼板とする方法が開示されている。
【0009】また、特開昭61−157625号公報に
は、0.4〜1.8%のSiと0.2〜2.5%のMn
を含有し、必要によりCu、Cr、Ti、Nb、V、M
o、P、Niの内の1種または2種以上を適当量含有す
る鋼板をフェライト+オーステナイト2相域に加熱した
後、冷却途中で500〜350℃の温度域に30秒〜3
0分間保持することにより前記複合組織を実現し高強度
化する方法が開示されている。
【0010】しかしながら上記のような複合組織を有す
る鋼板は一般に引張試験において良好な伸び値(全伸
び)を示したとしても局部延性(局部伸び値)が十分で
はなく、穴広げ性が良くないという問題があった。
【0011】特開平5−70886号公報には、上記の
ような複合組織を有する鋼板の欠点である穴拡げ性を改
善するために、鋼に含有されるSiの一部をAlに置換
した残留オーステナイト鋼板およびその製造方法が開示
されている。ここに開示されている鋼板は、特公昭62
−35461号公報や特開昭61−157625号公報
で開示された複合組織を有する鋼板と比較すると強度−
穴広げ性バランスが改善されているもののそのレベルは
未だ十分ではない。
【0012】また、自動車などに適用される高張力鋼鈑
の引張強さレベルは次第に高くなり、現在では780M
Paクラスの高張力鋼板の適用が検討されているが、高
強度化に伴い、強度−延性バランスが低下しないまで
も、伸びの絶対量は低下するため、高強度鋼板の加工性
を容易にするには延性のさらなる改善も必要とされてい
る。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はこれら
の問題点を解決し、プレス加工により様々な形状に成形
される構造部材として好適な高延性かつ高穴拡げ性を備
えた高張力鋼板、特に引張強さが700MPaを超える
高張力鋼板およびその製造方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】従来の製造方法に従って
引張強さが780MPaクラスの残留オーステナイト鋼
板を製造する場合には、鋼板中のC含有量を高くし、ベ
イナイトと残留オーステナイトの体積率を高めることに
より鋼板の強度を高める。このように鋼板のC含有量を
高めると生成する残留オーステナイト中のC含有量が必
然的に高くなり、残留オーステナイトは極めて安定なも
のとなる。このため、鋼板が加工された際の応力誘起変
態が生じ難くなり、変態誘起塑性をもたらすことが困難
となる。
【0015】言い換えれば、従来の方法では、高強度化
に伴う強度−延性バランスの劣化は防止できても伸び値
の絶対値が小さくなるという問題がある。さらに、ベイ
ナイトと残留オーステナイトの体積率が大きい残留オー
ステナイト鋼板では、プレス加工時の変形初期にフェラ
イトに歪みが集中する。このために鋼の延性のみならず
穴広げ性も著しく損なわれる。
【0016】本発明者らは様々な化学組成と結晶組織を
有する残留オーステナイト鋼板を実験室で作製し、強度
−特性バランスの改善方法に関して種々研究を重ねた。
その結果、残留オーステナイト鋼板の引張強さが700
MPaを超える場合は、鋼に適量のCとNbを含有させ
てそのフェライト中に適度にNbCを析出させることに
より、強度−延性バランスおよび強度−穴拡げ性バラン
スが大幅に改善されることを知見した。
【0017】その理由は必ずしも明確になっていない
が、以下のように推測される。
【0018】NbCをフェライト中に析出させて鋼を強
化することにより、鋼板中のベイナイト体積率を増大さ
せることなく、引張強さを高めることができるので、鋼
のC含有量を低く制限することが可能となる。これによ
り残留オーステナイトの安定性を適度な範囲に保つこと
ができ、残留オーステナイトの応力誘起変態を容易にす
ることができる。
【0019】また、フェライト中にNbCを析出させる
ことによりフェライトが強化されるので、引張強さを高
くしたにもかかわらずベイナイトや残留オーステナイト
とフェライトとの間の硬度差が小さくなり、変形初期の
フェライトへの歪の集中を防止することができる。これ
により引張加工を受けた際のくびれが発生し難くなり、
延性と穴広げ性をさらに改善する効果が得られる。
【0020】本発明は上記の知見を基にして完成された
ものであり、その要旨は下記(1)および(2)に記載
の高延性高穴拡げ性高張力鋼板およびその製造方法にあ
る。
【0021】(1)化学組成が質量%でC:0.05〜
0.30%、Si:2.0%以下、Al:0.10%を
超え、2.0%以下、Mn:0.5〜3.0%、Ni:
0〜5.0%、Nb:0.020〜0.070%、P:
0.1%以下、S:0.001%以下、N:0.01%
以下、かつ、Si(%)+Al(%)≧0.50および
Mn(%)+(1/3)Ni(%)≧1.0を満足し、
残部が実質的にFeおよび不可避的不純物からなり、さ
らに結晶組織が体積率で5%以上の残留オーステナイト
を含むものであることを特徴とする高延性高穴拡げ性高
張力鋼板。
【0022】(2)上記化学組成を有する鋼片を熱間圧
延して300〜720℃で巻取り、次いで脱スケール処
理した後に圧下率:30〜80%で冷間圧延し、その
後、Ac1変態点以上、Ac3変態点以下の温度域に加
熱し、冷却の途中で550〜350℃の温度領域で30
秒間以上保持するか、または該温度域を100℃/分以
下の冷却速度で冷却する焼鈍を施すことを特徴とする上
記(1)に記載の高延性高穴拡げ性高張力鋼板の製造方
法。
【0023】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を詳細に述べ
る。
【0024】a.鋼板の化学組成 C:最も強力なオーステナイト安定化元素である。オー
ステナイト安定化効果を確保するにはオーステナイト中
に1%以上のCが含有されることが必要である。しかし
ながら鋼板のC含有量としては、焼鈍のヒートサイクル
を最適化することにより、0.05%以上含有させるこ
とで十分である。従ってC含有量は0.05%以上とす
る。好ましくは0.10%以上である。
【0025】C含有量を増すことにより、より高強度の
高張力冷延鋼板を製造することができる。しかしながら
C含有量が0.30%を超えると鋼板が硬くなりすぎ、
通常の製板工程では薄鋼板に加工することができなくな
る。従ってC含有量は0.30%以下とする。好ましく
は0.20%以下である。
【0026】Si:Alと同様にフェライト安定化元素
であり、2相域温度で焼鈍する際のフェライトの体積率
を増加させることにより、平衡するオーステナイトのC
濃度を高める作用を有している。同時にSiにはフェラ
イトを強化する作用もある。しかしながらSiを過剰に
含有させるとSi含有鋼板に特有のスケールが発生して
鋼板の表面品質を損なうことがあり、これを避けるため
にSi含有量は2.0%以下とする。好ましくは1.8
%以下である。
【0027】なお、Si含有量は同様にフェライト安定
化作用を有するAlとの関係で制御するのがよく、フェ
ライト安定化において所望の効果を得るには、Si
(%)+Al(%)の値が0.50以上となるように調
整する必要がある。好ましいのは上記式の値が1.0以
上となるように調整する。
【0028】Al:Siと同様にフェライト安定化元素
であり、2相域温度で焼鈍する際のフェライトの体積率
を増加させることにより、平衡するオーステナイトのC
濃度を高める作用を有している。Siと比較するとオー
ステナイト安定化作用が強く、0.10%を超えて含有
させると局部延性を向上させる効果が得られる。従って
Al含有量は0.10%を超える範囲とする。好ましく
は0.30%以上である。Al含有量が2.0%を超え
ると鋼板中に介在物が多くなり延性を損なうため、Al
含有量は2.0%以下とする。但し、フェライト安定化
元素としての所望の効果を確保するには、Si(%)+
Al(%)の値が0.50以上となるように調整する必
要がある。なお、ここでのAl含有量はsol.Al含
有量を意味する。
【0029】MnおよびNi:Mnは鋼中のSをMnS
として固定して熱間脆性を防止する作用を有しており、
この効果を確保するためにMnを0.5%以上含有させ
る。Mnを過度に含有させると鋼板が硬くなりすぎ高延
性が得られない場合があるのでMn含有量は3.0%以
下とする。
【0030】MnはNiと共にオーステナイト安定化作
用を有するので、室温において所望の量のオーステナイ
トを得るためにこれらの元素を含有させる。Niのオー
ステナイトを安定化する作用はMnの3割程度であるう
え、Mnに比べて高価であるので、オーステナイトの安
定化は基本的にはMnによるのがよい。
【0031】連続式溶融亜鉛めっきラインを用いて鋼板
に溶融亜鉛めっきを施す場合に、鋼板にMnを大量に含
有させると鋼板表面にMn酸化物が生成してめっき濡れ
性が劣化する傾向がある。Niにはこれを防止する作用
があるので、上記めっき鋼板を製造する場合などではN
iを含有させてもよい。
【0032】これらの元素の含有量は、オーステナイト
を安定化させるために、Mn(%)+(1/3)Ni
(%)で計算される値が1.0以上になる範囲とする。
好ましくは1.3以上になる範囲である。Niは高価で
あるのでNiを含有させる場合のNi含有量の上限は
5.0%とする。
【0033】Nb:鋼中のCと結合してNbCとして析
出してフェライトを強化し、プレス加工された際の変形
初期にフェライトに歪みが集中するのを抑制する作用が
あり、特に穴広げ性が著しく改善されるという効果が得
られる。この効果を確保するためにNbを0.020%
以上含有させる。好ましくは0.025%以上である。
Nbを過剰に含有させると、フェライトのみならず残留
オーステナイトも硬化し穴広げ性改善作用がなくなるの
で、Nb含有量は0.070%以下とする。好ましくは
0.050%以下である。
【0034】P:不可避的不純物であり鋼板の延性を阻
害するので低い方が好ましい。特に0.1%を超えて含
有すると鋼板の延性が顕著に劣化する。これを避けるた
めにP含有量は0.1%以下とする。
【0035】S:不可避的不純物であり鋼板の穴広げ性
を損なうので低い方が好ましい。特に0.001%を超
えて含有するとMnSとして析出して穴拡げ性が著しく
損なわれる。これを避けるためにS含有量は0.001
%以下とする。
【0036】N:不可避的不純物であり鋼の延性を損な
うので低い方が好ましい。特に0.01%を超えて含有
するとAlNとして析出して延性を著しく損なう。これ
を避けるためにN含有量は0.01%以下とする。
【0037】b.オーステナイトの体積率 最終製品としての本発明鋼の延性は製品中に含まれる残
留オーステナイトの体積率により左右され、該体積率が
5%に満たない場合には残留オーステナイトの変態誘起
塑性による加工性改善効果が得られない。このため、残
留オーステナイトの体積率は5%以上とする。好ましく
は10%以上である。残留オーステナイトの体積率が過
度に大きくなると局部延性が劣化するので該体積率は2
0%以下とするのがよい。
【0038】c.製造方法本発明の鋼板は以下の方法で
製造するのが好適である。
【0039】上記の化学組成を有する鋼は、転炉、電気
炉などで溶製し、必要があれば真空脱ガスなどの処理を
施した溶鋼を公知の方法、例えば連続鋳造法や鋼塊にし
た後に分塊圧延するなどの方法で鋼片とし、熱間圧延す
る。溶鋼から直接鋼板を製造するいわゆるストリップキ
ャスト等の方法でも構わない。
【0040】熱間圧延前の鋼片の加熱や圧延は公知の条
件でおこなえばよい。熱間圧延後の鋼板の巻取温度を低
くしすぎると鋼に焼きが入り硬くなり、その後の酸洗や
冷間圧延が困難になる。逆に巻取温度を高くしすぎると
セメンタイトが粗大化して軟質になり、酸洗や冷間圧延
は容易になるものの、焼鈍の均熱時にセメンタイトの再
固溶に時間がかかりすぎ、残留オーステナイト生じにく
くなる。そのため、熱間圧延後の巻取りは上記不都合が
回避できる300℃以上、720℃以下の温度範囲でお
こなう。上記巻取り温度は酸洗や冷間圧延に支障のない
範囲で低い温度で巻取るのがよく、好ましくは550℃
以上、650℃以下の範囲である。
【0041】巻取り後の鋼板は酸洗し、冷間圧延し、次
いで過時効処理を伴う短時間の焼鈍を施す。酸洗や冷間
圧延は公知の方法でおこなえばよいが、冷間圧延圧下率
は全圧下率で30%以上とする。圧下率が30%に満た
ない場合にはその後の焼鈍時の再結晶が不十分となり、
延性が良くない。好ましくは50%以上である。全圧下
率が80%を超えると圧延負荷が増して冷間圧延が困難
となるので、全圧下率は80%以下とする。好ましくは
65%以下である。
【0042】焼鈍は以下の条件でおこなう。まず、鋼板
を、フェライト+オーステナイト2相組織にするために
鋼をAc1変態点以上、Ac3変態点以下の温度域に加
熱する。加熱温度が前記範囲よりも低すぎるとセメンタ
イトが再固溶するのに時間を要し、高すぎるとオーステ
ナイトの体積率が大きくなりすぎてオーステナイト中の
C濃度が低下することから、望ましいのは800℃以
上、850℃以下の温度範囲である。上記温度での均熱
時間は5秒以上であればよい。
【0043】均熱終了後はフェライトを成長させてオー
ステナイト中のC濃度を高めるために、700℃までは
10℃/秒以下の冷却速度で冷却するのが望ましい。7
00℃以下、過時効処理温度に達するまでの温度域で
は、オーステナイトのパーライト変態を抑制するため
に、冷却速度は50℃/秒以上の冷却速度で急速冷却す
るのが望ましい。
【0044】過時効処理は550℃以下、350℃以上
の温度範囲で2分以上保持するか、上記温度範囲を10
0℃/分以下の冷却速度で冷却する。これにより、オー
ステナイトをベイナイト変態させながら、オーステナイ
トへのCの濃縮を促進することができる。過時効処理温
度が550℃を上回るとベイナイト変態が生じず、35
0℃未満では下部ベイナイトになってオーステナイトへ
のCの濃縮が十分ではなくなる。過時効処理後の冷却速
度はとくに限定する必要はない。焼鈍した鋼板には、調
質圧延や、各種の電気めっき処理をおこなっても構わな
い。
【0045】
【実施例】(実施例1)実験用真空溶解炉にて表1に示
す各化学組成を有する鋼を溶製し、これらを熱間鍛造し
て厚さが25mmの実験用鋼片を得た。
【0046】
【表1】
【0047】上記鋼片を電気炉で1250℃に1時間均
熱し、実験用熱間圧延機により1150℃から930℃
の温度範囲で3パスの圧延を施して厚さが5mmの鋼板
とした。次いで巻取りシュミレーションとして、圧延終
了後直ちに強制空冷あるいは水スプレー冷却により、5
00℃まで冷却し、500℃に保持した電気炉に挿入
し、1時間保持した後に20℃/時間の冷却速度で炉冷
した。
【0048】次いで得られた熱間圧延鋼板の表面を研削
して厚さが3.2mmの鋼板とし、全圧下率56%で冷
間圧延して厚さが1.4mmの冷延板を得た。これらの
冷延板は、赤外線加熱炉にて10℃/秒の加熱速度で8
20℃まで加熱し、その温度で40秒間保持した後、7
00℃まで3℃/秒の冷却速度で冷却し、さらに50℃
/秒の冷却速度で400℃まで冷却し、その温度で3分
間保持した後、10℃/秒の平均冷却速度で常温まで冷
却して焼鈍鋼板を得た。
【0049】これらの焼鈍鋼板からJIS5号引張試験
片を採取して引張試験に供した。さらに70mm角の試
験片を採取し、クリアランスが0.1mmの金型を用い
て試験片中央部に直径が10mmの穴を打ち抜いて穴広
げ試験片を作製した。上記試験片を30kNのしわ押さ
え力で直径が36.5mmφのダイ穴を有するダイの表
面に押し付け、試験片穴部に直径が33mmφのポンチ
を押し込み、亀裂が発生する限界の穴直径を測定した。
また、各冷間圧延鋼板の残留オーステナイト量をX線反
射強度測定法により測定した。これらの結果を表2に示
す。
【0050】
【表2】
【0051】表2から明らかなように、本発明の規定す
る条件を満足する鋼1〜鋼12は優れた延性と穴広げ性
を備えていた。これに対し、本発明の規定する条件を満
たさなかった鋼13〜鋼26は、延性および/または穴
広げ性が良くなかった。
【0052】図1はNb以外の化学組成がほぼ同一であ
る鋼1〜鋼3、鋼13〜鋼15の特性をNb含有量をパ
ラメータにして示すグラフである。図1からわかるよう
に、Nb含有量が増すにつれて強度が上昇し、延性は強
度の増加に伴って若干低下するものの、穴拡げ性は顕著
に改善される。特にNbを0.02%以上含有する場合
の改善効果が顕著である。
【0053】図2はS以外の化学組成がほぼ同一である
鋼1、鋼23および鋼24の特性を、S含有量をパラメ
ータにして示すグラフである。図2に示されているよう
にS含有量を0.001%以下にすることにより優れた
穴広げ性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】鋼の特性に対するNb含有量の影響を示したグ
ラフである。
【図2】鋼の特性に対するS含有量の影響を示すグラフ
である。
【発明の効果】本発明の高張力鋼板は極めて優れた延性
と穴広げ性を有するので自動車の構造部材のように複雑
な形状への加工が容易であり、構造部材の高強度化と軽
量化を実現する材料として好適である。また本発明の鋼
板はC含有量が少ないので溶接性にも優れる。本発明の
鋼板は化学組成と熱延条件および焼鈍条件の調整によ
り、容易に製造することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4K037 EA01 EA05 EA06 EA15 EA16 EA18 EA19 EA20 EA23 EA25 EA27 EA28 EB09 FE01 FE02 FE03 FG01 FG03 FJ05 FJ06 FK01 FK02

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 化学組成が質量%でC:0.05〜0.
    30%、Si:2.0%以下、Al:0.10%を超
    え、2.0%以下、Mn:0.5〜3.0%、Ni:0
    〜5.0%、Nb:0.020〜0.070%、P:
    0.1%以下、S:0.001%以下、N:0.01%
    以下、かつ、Si(%)+Al(%)≧0.50および
    Mn(%)+(1/3)Ni(%)≧1.0を満足し、
    残部が実質的にFeおよび不可避的不純物からなり、さ
    らに結晶組織が体積率で5%以上の残留オーステナイト
    を含むものであることを特徴とする高延性高穴拡げ性高
    張力鋼板。
  2. 【請求項2】 上記化学組成を有する鋼片を熱間圧延し
    て300〜720℃で巻取り、次いで脱スケール処理し
    た後に圧下率:30〜80%で冷間圧延し、その後、A
    c1変態点以上、Ac3変態点以下の温度域に加熱し、
    冷却の途中で550〜350℃の温度領域で30秒間以
    上保持するか、または該温度域を100℃/分以下の冷
    却速度で冷却する焼鈍を施すことを特徴とする請求項1
    に記載の高延性高穴拡げ性高張力鋼板の製造方法。
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