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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