JP2005015909A

JP2005015909A - 高強度低比重鋼板およびその製造方法

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Publication number: JP2005015909A
Application number: JP2003355229A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Fujita; 展弘藤田; Masaharu Oka; 正春岡; Manabu Takahashi; 学高橋; Takehide Senuma; 武秀瀬沼; Yuichi Taniguchi; 裕一谷口
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-10-15
Also published as: JP4235077B2

Abstract

【課題】高強度低比重鋼板，及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】質量％で，Ｃ：０．０１超〜５％，Ｓｉ：３．０％以下，Ｍｎ：０．０１〜３０．０％，Ｐ：０．1％以下，Ｓ：０．０１％以下，Ａｌ：３．０〜１０．０％、Ｎ：０．００１〜０．０５％を含有し，残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、比重＜7.20で、引張り強度：ＴＳ(MPa)と破断伸び：Ｅｌ(%)の積の値:ＴＳ×Ｅｌが10000MPa・%以上であることを特徴とする高強度低比重鋼板。
【選択図】なし

Description

本発明は，自動車部品などに用いられる高強度低比重鋼板及びその製造方法に関するものである。

近年，環境問題への対応のため炭酸ガス排出低減や燃費低減を目的に自動車の軽量化が望まれている。自動車の軽量化のためには鋼材の高強度化が有効な手段であるが，部材の剛性によって板厚が制限されている場合には，高強度化しても板厚を低減することができず，軽量化が困難であった。上記の場合に軽量化を達成する手段としては鋼材にくらべて比重の低いアルミ合金板の使用が考えられるが，アルミ合金板は高価格であることに加え鋼材にくらべて加工性や溶接性に問題があることから，自動車部材への適用は限定されたものとなっている。そこで，鋼板とアルミ合金板の長所を兼ね備えたものとして鉄にアルミを多量に添加した高Ａｌ含有鋼板が考えられる。しかしこのような高Ａｌ含有鋼板は、１）製造性、特に圧延時の割れ発生が生じること、２）Ａｌ自体の固溶強化能が小さいこと、などの理由から自動車用鋼板として適用することは極めて困難であった。また，多量のＡｌを含有すると熱間および冷間加工性が大幅に劣化し，特許文献１にあるように比較的高温長時間の焼鈍（６５０〜１２００℃で５〜６００分加熱）により鋼板を製造する技術があるものの、通常の薄鋼板製造プロセス、例えば連続焼鈍などで高Ａｌ含有鋼板を製造することや良好な強度および延性レベルを確保することは困難であった。

高Ａｌ含有鋼板の延性を向上させる技術として，例えば，特許文献２にはＡｌ：４〜９．５％，Ｔｉ：０．５〜２．０％，Ｍｏ：０．５〜２％，Ｚｒ：０．１〜０．８％，Ｃ：０．０１〜０．５％及び残余Ｆｅを含有するアルミニウム含有鉄基合金の技術が提案されているが，本発明者らの試験では低比重に関する言及は無く、Ｃなどの含有量が比較的少ない上重量元素であるＭｏやＺｒが必須となっており、低比重化に考慮しているとは言えない。また，製造性についても鍛造することや温間圧延を行うこととしており、いわゆる溶解から熱間圧延、冷間圧延へと至る広く工業的に行われている製造方法・製造設備を用いた製法とは異なる。

以上のように，従来の技術では，製造性および高強度化を図った低比重圧延鋼板の工業規模での製造は困難であった。

特開平3-140439号公報特開平8-253844号公報

本発明は、上記したような問題点を解決しようとするものであって、高強度低比重鋼板，及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鉄ベースで多量のＡｌを含有し，成分の異なる種々の素材について，強度及び熱間・冷間加工性を改善するための方法について成分と製造法の両面から研究を重ねた結果，高Ａｌ含有鋼の製造性および高強度化改善には、その鋼板自体の靭性、特に粒界脆化の抑制が重要であることを見出した。また高強度化を図ることは脆化を助長する結果となるため特に注意が必要である。すなわち、Ｓ及びＰを極低化し，さらにある程度のＣ添加および重量元素の制限により高強度化（440ＭＰa超）しても，製造性を確保しつつ高強度低比重鋼板を得ることができることを見出した。

本発明はこのような知見に基づいて構成したものであり，その要旨は，
（１）質量％で，
Ｃ：０．０１超〜５％，
Ｓｉ：３．０％以下，
Ｍｎ：０．０１〜５．０％，
Ｐ：０．1％以下，
Ｓ：０．０１％以下，
Ａｌ：３．０〜１０．０％
Ｎ：０．００１〜０．０５％
を含有し，残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、比重＜7.20で、引張り強度：ＴＳ(MPa)と破断伸び：Ｅｌ(%)の積の値: ＴＳ×Ｅｌが10000MPa・%以上であることを特徴とする高強度低比重鋼板。
（２）さらに、質量％で，Ｎｂ：０．００５〜1％を含有することを特徴とする（１）記載の高強度低比重鋼板。
（３）さらに、質量％で，Ｃｒ：０．０１〜５．０％，Ｎｉ：０．０１〜５．０％，Ｍｏ：０．０１〜５．０％の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）または（２）記載の高強度低比重鋼板。
（４）さらに、質量％で，Ｔｉ：０．００５〜1％，Ｖ：０．００５〜1％、Ｔa：０．００５〜1％、Ｚｒ：０．００５〜１％、Ｈｆ：０．００５〜１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の高強度低比重鋼板。
（５）さらに、質量％で，Ｃｏ：０．０１〜５．０％，Ｃｕ：０．０１〜５．０％、Ｗ：０．０１〜５．０％の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の高強度低比重鋼板。
（６）さらに、質量％で，Ｃａ：０．００１〜０．０１％，Ｍｇ：０．０００５〜０．３％，ＲＥＭ：０．００１〜０．５％，Ｙ：０．００１〜０．１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項に記載の高強度低比重鋼板。
（７）さらに、質量％で，Ｂ：０．０００２〜０．１％を含有することを特徴とする（１）〜（６）のいずれか１項に記載の高強度低比重鋼板。
（８）質量％で，Ｍｎ：０．０１〜３０．０％，Ｎｉ：０．０１〜１５．０％の１種または２種を満たすことを特徴とする（１）〜（７）のいずれか１項に記載の高強度低比重鋼板。
（９）（１）〜（８）のいずれか１項に記載の高強度鋼板を製造する方法であって，（１）〜（８）の何れか１項に記載の成分からなる鋼スラブを１０００℃以上１２２０℃以下の温度域に加熱し，７５０℃以上の仕上げ圧延温度で熱間圧延し，４００〜９００℃の温度域まで２０℃／秒以上で冷却して４００〜９００℃の温度域で巻き取ることを特徴とする高強度低比重鋼板の製造方法。
（１０）（９）にて製造した熱延鋼板を７００〜１１００℃の温度域にて焼鈍することを特徴とする高強度低比重鋼板の製造方法。
（１１）熱延時に鋼板を巻き取り、酸洗した後、２０℃以上で１パス当たりの圧延率を５％以上１５％以下の冷延を行った後、６００〜１１００℃の温度範囲で焼鈍を行うことを特徴とする高強度低比重鋼板の製造方法。

本発明により、高Ａｌ添加鋼板の製造性を改善し、高強度低比重鋼材およびその製造方法を得ることができる。

以下に，本発明における各要件の意義及び限定理由について具体的に説明する。

まず，本発明における高強度鋼板の成分限定理由について説明する。

Ｃ：Ｃは粒界強度を向上させ、比重を下げるために必須の元素である。特に強度レベルが440MPaを超えると脆化挙動が顕在化してくるため０．０１％超とした。また、過剰の添加は多量の炭化物および/またはグラファイトの析出による脆化を助長するため、５％以下とした。

Ｓｉ：Ｓｉは固溶強化により鋼板の強度を増大させるのに有用な元素であるが，３．０％を超える過剰の添加は熱間加工性を低下させるとともに熱間圧延で生じるスケールの剥離性や化成処理性を著しく劣化させる。また、炭素やＡｌ添加量によっては著しいパーライト生成を促すため製造性や加工性を劣化させるため３．０％以下とした。

Ｍｎ：ＭｎはＭｎＳを形成して固溶Ｓによる粒界脆化を抑制するために有効な元素である。０．０１％未満ではその効果が発現されず，３．０％を超える過剰の添加は加工性を劣化させる。従って，Ｍｎ含有量は０．０１〜３．０％とした。しかしながら、多量添加はオーステナイトやマルテンサイト生成には特に有効で、Ａｌ量が比較的多い場合には、組織強化による高強度化に特有効である。このため、３０％を上限として添加できる。

Ｐ：Ｐは粒界に偏析して粒界強度を低下させ，靱性を劣化させる不純物元素であり，可及的低レベルが望ましいが，現状精錬技術の到達可能レベルとコストを考慮して，上限を０．1％とした。

Ｓ：Ｓは熱間加工性及び靭性を劣化させる不純物元素であり，可及的低レベルが望ましいが，現状精錬技術の到達可能レベルとコストを考慮して，上限を０．０１％とした。

Ａｌ：Ａｌは低比重を達成するための必須の元素である。3％未満では比重＜7.20を満たすことが出来ないので下限を3％とした。１０．０％を超えると金属間化合物の析出が顕著となり，これに伴い脆化も助長されるため１０．０％を上限とした。

Ｎ：ＮはＣ同様の効果がある。特に高強度化には有効であることから、０．００１％以上の添加とした。一方で、溶接時にブローホールが生成することやＡｌとの親和力が強くＡｌＮ析出に伴う脆化も招くことから、０．０５％を上限とした。

Ｎｂ：炭窒化物形成に有効で低Ｃ側での成形性向上、高強強化や結晶粒微細化による靭性向上に有効であることから、０．００５％以上の添加とした。一方で、多量添加は析出量の増加に伴う製造性、靭性や加工性の劣化につながるため上限を１％とした。また、鉄に比べ重量が重いため、靭性と高強度化に特に有効な範囲として0.5％未満が望ましい。

Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ：高強度化および強靭化に有効な添加元素であるため、単独または複合で０．０1％以上の添加とした。一方で、多量添加は硬質相の多量生成に伴う製造性、靭性や加工性の劣化につながるため、単独または複合で上限を５．０％とした。また、Ｍｏに関しては、鉄に比べ重量が重いため、靭性と高強度化に特に有効な範囲として0.5％未満が望ましい。

しかしながら、Niはオーステナイトやマルテンサイト生成には特に有効でMn同様、Ａｌ量が比較的多い場合には、組織強化による高強度化に特有効である。このため、１５％を上限として添加できる。

Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ：Ｎｂ同様、炭窒化物形成に有効で低Ｃ側での成形性向上、高強強化や結晶粒微細化による靭性向上に有効であることから、単独または複合で０．００５％以上の添加とした。一方で、多量添加は析出量の増加に伴う製造性、靭性や加工性の劣化につながるため上限を１％とした。また、Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆに関しては、鉄に比べ重量が重いため、靭性と高強度化に特に有効な範囲として0.1％未満が望ましい。

Ｃｏ、Ｃｕ、Ｗ：高強度化および強靭化に有効な添加元素であるため、単独または複合で０．０1％以上の添加とした。一方で、多量添加は硬質相や析出物を多量に生成して製造性、靭性や加工性の劣化につながるため、単独または複合で上限を５．０％とした。また、Ｗに関しては、鉄に比べ重量が重いため、靭性と高強度化に特に有効な範囲として0.1％未満が望ましい。

Ｃａ、Ｍｇ、Ｒｅｍ（Rare Earth Metalの略称でランタノイド系元素を指す）、Ｙ：硫化物や酸化物を生成する元素である。特に高Ｃ系においてグラファイトを析出させる場合の核生成サイトとしてこれら元素の硫化物および/または酸化物が有効で、グラファイトや炭化物の形態制御に有効で、靭性向上に大きく寄与するため、単独または複合でＣａ：０．００１％、Ｍｇ：０．０００５％、Ｒｅｍ：０．００１％、Ｙ：０．００１％以上とした。一方で、過剰添加は介在物の密度や大きさを増大させ、靭性および加工性を劣化させることから、上限をそれぞれＣａ：０．０１％、Ｍｇ：０．３％、Ｒｅｍ：０．５％、Ｙ：０．１％とした。また、Ｒｅｍ，Ｙに関しては、鉄に比べ重量が重いため、靭性と高強度化に特に有効な範囲として0.01％未満が望ましい。

Ｂ：粒界強化に特に有効な元素であるため、０．０００２％以上とした。一方で、過剰添加は加工性劣化を招くため０．１％を上限とした。

比重は同一板厚で10％以上の軽量化のため、７．２０以下とする。また、更ななる軽量化のためには強度が高く比重が小さいことが特に有効であることから引張り強度で440MPa以上、比重で6.6以下が望ましい。尚、比重の測定は水中置換法やピクノメータをもちいて測定できる。

次に製造条件の限定理由について説明する。

本鋼板の製造性を確保する目的で下記のような製造方法とするのが望ましい。

まず、熱延時の加熱温度は変形抵抗や脆化相生成を抑制する観点から1000℃以上とした。また、高温加熱すぎると粒粗大化やスケール形成の増大などの問題があるため1220℃以下とする。また、脆化相生成を抑制する観点からは1100℃超が望ましい。

熱間圧延では粒にひずみが過度に加わったり、脆化相の生成を抑制する観点から、熱間圧延を仕上げ温度750℃以上で行う。仕上温度の上限は特に定めないが、粒の粗大化やグラファイトや炭化物析出をなるべく抑制して熱間での割れを抑制するためには、850℃超950℃以下とすることが好ましい。

また、仕上げ後は脆化相生成を抑制する観点から、仕上温度から４００〜９００℃の温度域までの冷速を20℃/s以上とする。冷速の上限は特に定めないが、局部的な硬質相形成の懸念から、100℃／ｓ以下とすることが好ましい。

巻き取り温度については、高温にすれば再結晶や粒成長が促進され、加工性の向上が望まれるが、熱間圧延時に発生するスケール生成も促進され酸洗性が低下するので、400〜900℃の範囲とした。

一方で低温巻き取りの場合には、十分に再結晶せずに加工性劣化になるため、再結晶やグラファイトや炭化物析出制御の観点から焼鈍を700〜1100℃の範囲で行っても良い。

冷延板を作成する場合には、熱延巻き取り後酸洗し、冷間圧延は、板温度が20℃以上となるようにし、1パスの圧下率も15％以下とする。これは冷延時の割れを防止する目的で行う。特に、冷延の１パス目の圧下率と温度が重要で、５〜15％の圧下および20℃以上の温度域が望ましい。冷間圧延温度の上限は特に定めないが、生産性の低下を極力避けるためには、300℃以下とすることが好ましい。一方、1パスの冷延率が５％よりも低いと鋼板の形状劣化を招くことからこれを下限とした。

その後、再結晶焼鈍のために、600〜1100℃で焼鈍することとした。焼鈍温度が600℃よりも低い場合には、脆化相の析出や未再結晶・未回復であることが懸念される。一方、1100℃を超えると粒の粗大化が顕著となり、粒界脆化を助長する。

次に本発明を実施例に基づいて説明する。

表１、表２（表１のつづき）に示すような組成の鋼板を、1000〜1220℃に加熱し、750〜950℃で熱延を完了し，４００〜9００℃の温度域まで20〜100℃／ｓで冷却し、４００〜9００℃で巻き取った。
一部の熱延鋼板は、巻取り後、７００〜１１００℃の温度域にて焼鈍して、熱延焼鈍板を作成した。また、一部の熱延板は、巻取り、酸洗後、１パス当りの圧延率5〜15％で総圧下率30〜80％の冷延を板温度が２０〜100℃とした後冷延を開始した。その後、６００〜１１００℃の温度範囲で５分未満の保持にて焼鈍を行った。

これらの熱延板、熱延焼鈍板および冷延焼鈍板を各種試験に供した。JIS５号引張り試験片を採取して、機械的性質および比重を測定した。比重はピクノメータにて測定した。

表１、表２（表１のつづき）に各鋼の化学成分を示す。また表３、表４（表３のつづき）及び表５、表６（表５の続き）に各製造条件と材質について示す。本発明の要綱を満たす発明鋼は、製造性が良好で、比重＜7.20を満たし、かつ、発明鋼においては引張強度が440MPaを超える材質が得られている。また、発明鋼においては引張強度：ＴＳ(MPa)と破断伸び：Ｅｌ(%)の積の値: ＴＳ×Ｅｌが１２０００MPa・%以上であった。

一方、本発明の条件から外れる比較例は、製造できなかったり、比重が高い値となっており、製造性、材質および高強度低比重を同時に達成していない。

Claims

質量％で，
Ｃ：０．０１超〜５％，
Ｓｉ：３．０％以下，
Ｍｎ：０．０１〜５．０％，
Ｐ：０．1％以下，
Ｓ：０．０１％以下，
Ａｌ：３．０〜１０．０％、
Ｎ：０．００１〜０．０５％
を含有し，残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、比重＜7.20で、引張り強度：ＴＳ(MPa)と破断伸び：Ｅｌ(%)の積の値: ＴＳ×Ｅｌが10000MPa・%以上であることを特徴とする高強度低比重鋼板。
さらに、質量％で，Ｎｂ：０．００５〜1％を含有することを特徴とする請求項１記載の高強度低比重鋼板。
さらに、質量％で，
Ｃｒ：０．０１〜５．０％，
Ｎｉ：０．０１〜５．０％，
Ｍｏ：０．０１〜５．０％，
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載の高強度低比重鋼板。
さらに、質量％で，
Ｔｉ：０．００５〜1％，
Ｖ：０．００５〜1％、
Ｔa：０．００５〜1％、
Ｚｒ：０．００５〜１％、
Ｈｆ：０．００５〜１％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高強度低比重鋼板。
さらに、質量％で，
Ｃｏ：０．０１〜５．０％，
Ｃｕ：０．０１〜５．０％，
Ｗ：０．０１〜５．０％，
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高強度低比重鋼板。
さらに、質量％で，
Ｃａ：０．００１〜０．０１％，
Ｍｇ：０．０００５〜０．３％，
ＲＥＭ：０．００１〜０．５％，
Ｙ：０．００１〜０．１％，
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の高強度低比重鋼板。
さらに、質量％で，Ｂ：０．０００２〜０．１％を含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の高強度低比重鋼板。
質量％で，
Ｍｎ：０．０１〜３０．０％，
Ｎｉ：０．０１〜１５．０％，
の１種または２種を満たすことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の高強度低比重鋼板。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の高強度鋼板を製造する方法であって，請求項１〜８の何れか１項に記載の成分からなる鋼スラブを１０００℃以上１２２０℃以下の温度域に加熱し，７５０℃以上の仕上げ圧延温度で熱間圧延し，４００〜９００℃の温度域まで２０℃／秒以上で冷却して、４００〜９００℃の温度域で巻き取ることを特徴とする高強度低比重鋼板の製造方法。
請求項９記載の方法にて製造した熱延鋼板を７００〜１１００℃の温度域にて焼鈍することを特徴とする高強度低比重鋼板の製造方法。
請求項９記載の方法にて製造した熱延鋼板を酸洗した後、１パス当たりの圧延率を５％以上１５％以下の冷延を２０℃以上で行った後、６００〜１１００℃の温度範囲で焼鈍を行うことを特徴とする高強度低比重鋼板の製造方法。