JP2002285278A - 普通低炭素鋼を低ひずみ加工・焼鈍して得られる超微細結晶粒組織を有する高強度・高延性鋼板およびその製造方法 - Google Patents

普通低炭素鋼を低ひずみ加工・焼鈍して得られる超微細結晶粒組織を有する高強度・高延性鋼板およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高強度・高延性を有する普通低炭素鋼および
微量のＢを添加した普通低炭素鋼ならびにその製造方法
の提供 【解決手段】 普通低炭素鋼または０．０１％以下でマ
ルテンサイト変態促進に有効な量のＢを添加した普通低
炭素鋼を加工・熱処理しオーステナイト結晶粒を粗大化
させた後に水冷することにより得られたマルテンサイト
相が９０％以上の鋼材を低ひずみ加工、具体的には全圧
下率が２０％以上高々８０％未満の冷間圧延と５００℃
以上６００℃以下の低温焼鈍により平均結晶粒径を１．
０μｍ以下の超微細結晶粒フェライト組織とすることに
よって得られた引張強度が８００ＭＰａ以上であり、均
一伸び５％以上、破断伸びが２０％以上の高強度・高延
性低炭素鋼材、および該鋼材の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、普通低炭素鋼また
は０．０１％以下でマルテンサイト変態促進に有効な量
のＢを添加した普通低炭素鋼を加工・熱処理しオーステ
ナイト結晶粒を粗大化させた後に水冷することによりマ
ルテンサイト相が９０％以上である鋼材を得、該鋼材を
全圧下率２０％以上高々８０％未満で冷間圧延し，５０
０℃以上６００℃未満で焼鈍するような低ひずみ加工・
焼鈍により得られた引張強さが８００ＭＰａ以上であ
り、均一伸びが５％以上、破断伸びが２０％以上である
高強度・高延性低炭素鋼材、および該高強度・高延性低
炭素鋼材の製造方法に関する。本明細書において、普通
低炭素鋼とは、炭素含有量が０．２％以下（本明細書で
は特にことわらない限り重量％を意味する。）、Ｍｎが
１．６％以下、Ｓｉが０．５％以下、Ｐが０．０５％以
下、そしてＳが０．０５％以下の鋼材である。微量
（０．０１％以下）のＢを添加した普通低炭素鋼とは、
前記普通低炭素鋼に焼入れ性を向上させるために０.０
１％以下でマルテンサイト変態促進に有効な量のＢを添
加したものである。
【０００２】
【従来の技術】建築物の高層化による空間の利用性の向
上、自動車、船舶などの省エネルギー化、また、資源の
リサイクル性の向上は、鉄鋼材料にも要求されている。
前二者の要求を満たすためには鉄鋼材料を高強度・高延
性のものとする必要があり、資源のリサイクル性は、前
記高強度・高延性を合金元素の添加によることなく、普
通低炭素鋼を用いて達成することが望ましい。前記鋼材
に要求される高度な特性を満たすために、いくつかのプ
ロジェクトが設立されている。これらのプロジェクトで
は、スーパーメタル（または超鉄鋼）プロジェクトと称
して、現在の「４００ＭＰａ級組成鋼」を結晶粒径１μ
ｍ以下の超微細結晶粒化を実現して、前記２倍の強度
「８００ＭＰａ」を持ち、延性があり，かつ溶接し易い
フェライト組織鋼を作ろう、というものである。当該分
野において、鋼のフェライト結晶粒径の微細化による強
度の向上にはホールペッチ（Ｈａｌｌ−Ｐｅｔｃｈ）の
関係が成り立つこと、すなわち、鋼のフェライト結晶径
を細かくすることにより降伏応力と引張強さが上昇する
こと、またこれと同時に靱性が向上することが知られて
いる。しかし、一般に引張試験における伸びが低下する
という問題がある。
【０００３】ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ Ｖｏｌ．１１（１９
９８）１０３１−１０３４には、溶接容易な４００ＭＰ
ａ級の組成鋼から、強度を８００ＭＰａ級に上昇させた
鋼を得ることの検討の中で、フェライト−炭化物組織で
粒径１μｍ以下を達成することを目標ととすることが記
載されている。そして、その目標を達成するための具体
的手段として、厚さ８ｍｍの試料をオーステナイト化処
理（１１００℃、６０秒）後、水冷してマルテンサイト
組織を得、これに６４０℃で２軸熱間圧延（全圧下率９
０％）を施した鋼材のフェライト組織は等軸微細化し
て、公称粒径が０．７７μｍとなり、引張強さが７６０
ＭＰａに相当するビッカース硬さ２４５のものが得られ
たことを報告している。しかしながら、そのバルク鋼材
から強度試験用の試験片を作って、直接引張り強度を測
定したことの報告はないし、更に伸びについては全く言
及していない。また、ここで使用されている鋼材は、焼
入性確保のためＭｎ含有量を２．０３％に高めたもので
ある上、マルテンサイト化した鋼材の圧延を６４０℃の
熱間で行っている。
【０００４】更に、前記高強度、高靱性、高延性化の要
求を満足する鋼材の開発においては、合金元素を添加す
る固溶強化法、析出強化法，変態強化法などが研究され
ているが、合金元素を多量に含むため高価であるし、リ
サイクル性を悪くする問題がある。そこで合金元素の添
加によらない結晶粒の微細化による強化法が研究され報
告もあるが、いずれも大ひずみ加工によるものであり、
特殊な加工設備を必要とするという問題がある。本発明
者等も、出発鋼材組織がフェライト−パーライトのもの
を用いて、大ひずみ加工である室温ＡＲＢ（繰り返し重
ね接合圧延：Accumulative Roll-Bonding）と焼鈍との
組合せにより得られる組織と機械的性質の変化を検討し
たが、大ひずみ加工後もセメンタイトが存在する領域と
存在しない領域が混在する不均一な組織となるため、焼
鈍時にフェライト粒径が大きく異なる不均一な混粒組織
が生成し、所望の高強度、高延性の鋼材を得ることはで
きなかった。
【０００５】普通低炭素鋼の超微細フェライト結晶粒組
織を実現するのに、マルテンサイト組織から出発すると
いう発想は、超鉄鋼の開発を推進する、ＳＴＸ−２１プ
ロジェクトやスーパーメタルプロジェクトでも使ってお
り、新規なものとは言えない。しかしながら、その方法
で実際に引張強さ８００ＭＰａ以上で、均一伸び５％以
上，かつ破断伸びが２０％以上の高強度・高延性低炭素
鋼は実現されていない。特に、低ひずみ加工により高強
度・高延性および高延性の鋼材を得ることの発想は全く
存在しない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本願発明の課題は、前
記所望される特性を持った鋼材を、従来の鋼材の製造工
程をあまり変形することなく製造できる方法を提供する
こと、および前記所望の特性を持つ鋼材を提供すること
である。前記したように、超微細フェライト結晶粒組織
を実現するのに、マルテンサイト組織を出発組織とする
という発想は公知である。しかし、焼き入れ性の悪い普
通低炭素鋼を製造工程の中で全面的にマルテンサイト組
織とすることは困難と考えられていた。本発明者らは、
従来の製造工程の変更を少なくして、マルテンサイト鋼
を、引張強度が８００ＭＰａ以上であり、均一伸びが5
％以上で破断伸びが２０％以上の高強度・高延性普通低
炭素鋼材を製造するための原料とするために、先ず、原
料マルテンサイトと、その後の処理により得られる鋼材
の強度、延性などの特性との関連を検討する中で、オー
ステナイト結晶粒を粗大化させた後に水冷することによ
り得られたマルテンサイト相が９０％以上の鋼材は、低
ひずみ加工、すなわち、全圧下率２０％以上高々８０％
未満の冷間圧延と焼鈍により前記所望の強度、均一伸
び、破断伸びなどの特性を持った高強度・高延性低炭素
鋼材を得ることができることを発見して前記課題を解決
することができた。すなわち、該低ひずみ加工・焼鈍と
該加工・焼鈍に供する特定の鋼材との組み合わせによ
り、前記課題を解決した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の第１は、普通低
炭素鋼または０．０１％以下でマルテンサイト変態促進
に有効な量のＢを添加した普通低炭素鋼のオーステナイ
ト結晶粒を１００μｍ以上に粗大化させた後に水冷する
ことにより得られたマルテンサイト相が９０％以上の鋼
材を低ひずみ加工・焼鈍して得られた引張強度が８００
ＭＰａ以上であり、均一伸びが５％以上で破断伸びが２
０％以上である高強度・高靱性低炭素鋼材である。好ま
しくは、低ひずみ加工・焼鈍が全圧下率２０％以上高々
８０％未満の冷間圧延と５００℃以上６００℃未満の焼
鈍により平均結晶粒径を１．０μｍ以下の超微細フェラ
イト組織とするものであることを特徴とする前記高強度
・高延性低炭素鋼材である。
【０００８】本発明の第２は、普通低炭素鋼または０．
０１％以下でマルテンサイト変態促進に有効な量のＢを
添加した普通低炭素鋼のオーステナイト結晶粒を１００
μｍ以上に粗大化させた後に水冷することによりマルテ
ンサイト相が９０％以上である鋼材を得、該鋼材を全圧
下率２０％以上高々８０％未満の冷間圧延と５００℃以
上６００℃未満の焼鈍により平均結晶粒径を１．０μｍ
以下の超微細結晶粒フェライト組織とすることを特徴と
する引張強度が８００ＭＰａ以上であり、均一伸びが５
％以上で破断伸びが２０％以上である高強度・高延性低
炭素鋼材を製造する方法である。
【０００９】
【本発明の実施の態様】本発明をより詳細に説明する。 Ａ．本発明を説明するための、試験方法、測定装置など
をまとめて説明する。 １，引張試験片の形状はＪＩＳ５号試験片の１／５の大
きさ（平行部長さ１０ｍｍ×平行部幅５ｍｍ）である。 ２，光学顕微鏡、ＴＥＭの観察試料は公知の方法により
作成した。
【００１０】Ｂ、本発明の特徴を図を参照しながら説明
する。図１は一般構造用圧延鋼材（ＪＩＳ−ＳＳ４０
０）（Ｃ ０．１３％， Ｓｉ０．０１％， Ｍｎ
０．３７％， Ｐ ０．０２％， Ｓ ０．００４％,
ｓｏｌ．Ａｌ ０．０４％）の厚さ２ｍｍの熱延版（受
入材）を，１０００℃で１５分間オーステナイト化処理
してオーステナイト粒径を１００〜２００μｍに粗大化
した後に水冷して得られた焼入れ材の縦断面の光学顕微
鏡組織写真である。約４％の初析フェライトを含む粗大
なマルテンサイト組織である。
【００１１】図２は図１の焼入れ材を多パス冷間圧延に
より全圧下率５０％(a)，および７０％(b)まで圧延して
得られた冷間圧延材の縦断面の光学顕微鏡組織写真であ
る。旧オーステナイト粒界に析出した初析フェライトが
黒いコントラストで観察される。通常、炭素鋼のマルテ
ンサイトは焼入れままでは加工性が悪いとされるが、低
炭素鋼マルテンサイト、少なくとも本発明の処方により
形成されたものは７０％以上の冷間圧延が可能であるこ
とを図２は示している。
【００１２】図３は図１の焼入れ材、図２の冷間圧延材
の引張試験による公称応力-公称ひずみ曲線である。参
考のためフェライト-パーライト組織を有する受入れ材
の公称応力-公称ひずみ曲線を破線で示した。焼入れに
より引張強さは４１０ＭＰａから１１００ＭＰａに上昇
し、更に２５％冷間圧延により１３４０ＭＰａ，５０％
冷間圧延により１４７０ＭＰａ，７０％冷間圧延により
１６４０ＭＰａに上昇している。しかしながら破断伸び
は焼入れ材で約１０％、冷間圧延材では約６％である。
また冷間圧延材の均一伸びは１％以下である。
【００１３】図４は図３の５０％冷間圧延材及びそれを
各種温度で３０分間焼鈍した焼鈍材の引張試験による公
称応力-公称ひずみ曲線である。焼鈍により強度は低下
するが，５００℃以上の焼鈍により延性が回復し、５０
０℃〜５５０℃では強度があまり下がらずに破断伸びと
均一伸びが明瞭に増加している。その結果、５５０℃焼
鈍材において引張強さ８７０ＭＰａ、０．２％耐力７１
０ＭＰａ、破断伸び２１％、均一伸び８％の超高強度・
高延性鋼が得られた。
【００１４】図５は５０％冷間圧延材とその焼鈍材の引
張強さ、０．２％耐力、破断伸び、均一伸びと焼鈍温度
の関係を示す。破断伸びと均一伸びは焼鈍温度が５２５
℃を超えると急激に回復するが、引張強さは５００℃か
ら５５０℃の間で殆ど一定となっている。これが５５０
℃において超高強度・高延性鋼が得られた原因である。
【００１５】図６は５０％冷間圧延・焼鈍材の縦断面の
TEM組織写真である。４００℃焼鈍材(a)の組織は圧延材
と同様のマルテンサイトラスに由来する層状組織であ
る。５００℃焼鈍材(b)では等軸形状の粒径１００〜３
００ｎｍの超微細結晶粒が広い範囲で観察された。図に
は示さないが(b)の制限視野回折図形よりこれらの微細
等軸粒は大角粒界に囲まれており、サブグレインではな
いことが明らかになっている。５５０℃焼鈍材も同様の
超微細粒組織であるが、６００℃では粒径が数μmまで
粗大化した結晶粒と球状に析出したセメンタイトが観察
された。このセメンタイトの析出が５００℃以上で起こ
り、結晶粒成長を抑制することによって、１００〜３０
０ｎｍの超微細粒組織を発生させ、同時に均一伸びに必
要な加工硬化能を賦与したと考えられる。以上のように
低炭素鋼マルテンサイトを出発組織として、圧下率５０
％という低ひずみ加工と５５０℃焼鈍により超微細フェ
ライト結晶粒組織が得られ、超高強度・高延性低炭素鋼
が得られることが明らかとなった。
【００１６】図７に本発明の鋼であるマルテンサイトの
５０％冷間圧延・焼鈍材（○）および従来技術のフェラ
イト＋パーライト組織を出発組織とした大ひずみ加工材
（９７％冷間圧延材）（△）の強度−延性バランスを示
す。前記したように、フェライト−パーライト組織を出
発組織とし大ひずみ加工を行った場合、焼鈍により得ら
れる組織は混粒組織となり、所望の高強度・高延性は得
られなかった。これに対して、本発明のマルテンサイト
の冷間圧延・焼鈍材では強度−延性バランスは図７から
明瞭に分かるように、引張強度８００ＭＰａ以上でかつ
破断伸び２０％以上の条件を満たす実験点が得られてい
る。
【００１７】
【発明の効果】以上述べたように、０．１３％Ｃ普通低
炭素鋼（ＪＩＳ-ＳＳ４００）について本発明のマルテ
ンサイト組織を出発組織として５０％冷間圧延後焼鈍を
行うと粒径１００〜３００ｎｍの超微細フェライト結晶
粒組織が得られ、また５５０℃で３０分間焼鈍において
引張強さ８７０ＭＰａで破断伸びが２１％、均一伸び８
％と極めて優れた機械的性質を持った鋼が得られる、と
いう優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１０００℃で１５分間オーステナイト化熱処理
後水冷した普通低炭素鋼板（ＪＩＳ−ＳＳ４００，厚さ
２ｍｍ）の縦断面の光学顕微鏡組織
【図２】普通低炭素鋼（ＪＩＳ−ＳＳ４００）のマルテ
ンサイト組織を出発組織とする冷間圧延材の縦断面の光
学顕微鏡組織．(a)５０％冷間圧延，(b)７０％冷間圧延
【図３】普通低炭素鋼（ＪＩＳ−ＳＳ４００）の焼入材
と各種圧下率冷間圧延材の公称応力-公称ひずみ曲線
【図４】普通低炭素鋼（ＪＩＳ−ＳＳ４００）のマルテ
ンサイト組織を出発組織とする５０％冷間圧延材，およ
びそれを各種温度で３０分間焼鈍した材料の公称応力-
公称ひずみ曲線
【図５】普通低炭素鋼（ＪＩＳ−ＳＳ４００）のマルテ
ンサイト組織を出発組織とする５０％冷間圧延・焼鈍材
の焼鈍温度と機械的性質の関係
【図６】普通低炭素鋼（ＪＩＳ−ＳＳ４００）のマルテ
ンサイト組織を出発組織とする50％冷間圧延・焼鈍材の
縦断面のＴＥＭ組織．(a)４００℃，(b)５００℃，(c)
５５０℃，(d)６００℃，各温度３０分間焼鈍
【図７】普通低炭素鋼（ＪＩＳ−ＳＳ４００）のマルテ
ンサイト組織を出発組織とし５０％冷間圧延後各種温度
で３０分間焼鈍した材料とフェライト+パーライト組織
を出発組織としＡＲＢにより９７％冷間圧延後各種温度
で３０分間焼鈍した材料の引張強さと破断伸びの関係
（強度−延性バランス）の比較

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 普通低炭素鋼または０．０１％以下でマ
    ルテンサイト変態促進に有効な量のＢを添加した普通低
    炭素鋼のオーステナイト結晶粒を粗大化させた後に水冷
    することにより得られたマルテンサイト相が９０％以上
    の鋼材を低ひずみ加工して得られた引張強度が８００Ｍ
    Ｐａ以上であり、均一伸びが５％以上、破断伸びが２０
    ％以上の高強度・高延性低炭素鋼材。
  2. 【請求項２】 低ひずみ加工が全圧下率２０％以上高々
    ８０％未満の冷間圧延と焼鈍により平均結晶粒径を１．
    ０μｍ以下の超微細結晶粒フェライト組織とするもので
    あることを特徴とする請求項１に記載の高強度・高延性
    低炭素鋼材。
  3. 【請求項３】 焼鈍を５００℃以上６００℃未満で行う
    ことを特徴とする請求項２に記載の高強度・高延性低炭
    素鋼材。
  4. 【請求項４】 普通低炭素鋼または０．０１％以下でマ
    ルテンサイト変態促進に有効な量のＢを添加した普通低
    炭素鋼を加工・熱処理し、オーステナイト結晶粒を１０
    ０μｍ以上に粗大化させた後に水冷することによりマル
    テンサイト相が９０％以上である鋼材を得、該鋼材を全
    圧下率２０％以上高々８０％未満の冷間圧延と焼鈍によ
    り平均結晶粒径を１．０μｍ以下の超微細結晶粒フェラ
    イト組織とすることを特徴とする引張強度が８００ＭＰ
    ａ以上であり、均一伸びが５％以上、破断伸びが２０％
    以上の高強度・高延性低炭素鋼材を製造する方法。
  5. 【請求項５】 冷間圧延を全圧下率２０％以上高々８０
    ％未満で行った後、５００℃以上６００℃未満で焼鈍を
    行うことを特徴とする請求項４に記載の高強度・高延性
    低炭素鋼材を製造する方法。
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