JP2005089821A

JP2005089821A - 高炭素鋼板の製造方法

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Publication number: JP2005089821A
Application number: JP2003324772A
Authority: JP
Inventors: Shigeto Sasaki; 成人佐々木; Teruo Fujibayashi; 晃夫藤林; Yoichi Motoyashiki; 洋一本屋敷; Yoshiro Tsuchiya; 義郎土屋; Masakazu Muraki; 正和村木
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: JP4333299B2

Abstract

【課題】熱延段階にて、板厚が５ｍｍ以上の高炭素鋼板においても、鋼板の板厚方向全ての領域において均一な組織を造り込み、且つ初析フェライトを発生させることなく、打ち抜き端面の割れが発生しにくい伸びフランジ性に優れた高炭素鋼板の製造方法を提供する。
【解決手段】Ｃを０．２〜０．７質量％含有する鋼で熱間圧延後の板厚が５ｍｍ以上の鋼板について、仕上温度（Ａｒ₃変態点−２０℃）以上で熱間圧延後、鋼板の表層部および板厚中央部ともに冷却速度１５０℃／秒以上とする強冷却を、強冷却中の表層部の最低温度３５０℃以上、強冷却停止温度４５０〜５７０℃、且つ鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織が同じとなるような冷却条件で行い、さらに強冷却停止から巻取りまでの温度を４５０〜５７０℃の範囲内且つ変態開始時の鋼板の組織が変化しない温度範囲で保持することを特徴とする高炭素鋼板の製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱間圧延された高炭素鋼板の製造方法に関するものである。

一般に、熱延鋼板は、加熱炉においてスラブを所定の温度に加熱し、加熱されたスラブを粗圧延機で所定の厚みに圧延して粗バーとし、ついでこの粗バーを複数基のスタンドからなる仕上圧延機において仕上圧延して所定の厚みの熱延鋼板とし、この熱延鋼板をランナウトテーブル上の冷却スタンドにおいて冷却した後、コイラーで巻取ることにより製造される。仕上圧延後、熱延鋼板が冷却される際には、通常、鋼板の上面は円管上のパイプラミナーにより冷却し、鋼板の下面は搬送ロール間に設置したスプレーにて冷却される。このような冷却方法では、冷却速度は５０℃／秒程度である。こうして製造された熱延鋼板の組織は、実質的にフェライトとパーライトの混相組織となっている。

工具あるいは自動車部品（ギア、ミッション）等に使用される高炭素鋼板は、打ち抜き、成形後、焼き入れ焼き戻し等の熱処理が施される。これらの部品加工を行うユーザーの要求の１つに、打ち抜き後の成形において穴広げ加工（バーリング）性の向上がある。この穴広げ加工性は、プレス成形性としては伸びフランジ性で評価されている。そのため、伸びフランジ性の優れた材料が望まれている。

このような、高炭素鋼板の伸びフランジ性の向上については、いくつかの技術が検討されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。

特許文献１および特許文献２には、冷間圧延を経たプロセスにおいて伸びフランジ性に優れた中・高炭素鋼板を製造する方法が提案されている。この技術は、Ｃ：０．１〜０．８質量％を含有する鋼からなり、金属組織が実質的にフェライト＋パーライト組織であり、必要に応じて初析フェライトの面積率がＣ（質量％）により決まる所定の値以上で且つ、パーライトラメラの間隔が０．１μｍ以上の熱延鋼板に、１５％以上の冷間圧延を施し、ついで３段階または２段階の温度範囲で長時間保持する３段階または２段階焼鈍を施すというものである。

さらに、初析のフェライトを発生させない方法としては、伸びフランジ性に優れた高炭素鋼板の製造方法に関して、熱延段階での組織の造り込みに関する技術が検討されている（例えば、特許文献３参照。）。

特許文献３には、冷却速度１２０℃／秒以上で冷却し、冷却停止温度を６５０℃以下として巻取り温度を６００℃以下とするか、または冷却停止温度を６００℃以下として巻取り温度を５００℃以下とする方法が示されている。
特開平１１―２６９５５２号公報特開平１１―２６９５５３号公報特開２００３―１３１４４号公報

しかしながら、上記した従来技術には次のような問題がある。

特許文献１および２に示された技術では、フェライト組織が初析フェライトからなり、炭化物を含まないため柔らかく延性に優れているが、伸びフランジ性は必ずしも良好ではない。それは、打ち抜き加工時に打ち抜き端面の近傍で初析フェライトの部分が大きく変形するため、初析フェライトと球状化炭化物を含むフェライトでは変化量が大きく異なる。その結果、これら変形量が大きく異なる粒の粒界付近に応力が集中し、球状化組織とフェライト界面にボイドが発生する。これがクラックに成長するため、結果的には伸びフランジ性を劣化させると考えられる。

また、特許文献３に示された技術を用いることにより、従来に比べ、初析フェライトの発生の少ない、伸びフランジ性に優れた高炭素鋼板の製造は可能となる。しかし、高炭素鋼板を製造する際には急速冷却停止後の変態発熱が顕著となり、上記の温度範囲に温度を制御することは非常に困難である。また、冷却速度１２０℃／秒で冷却後から巻取りまでの変態発熱を考慮した温度の制御方法については何ら記載されていない。

さらに、熱延の仕上圧延後においてフェライト変態の開始を回避することが可能な冷却速度にて冷却を行う必要があるが、一般に熱延の冷却設備による鋼板の冷却は、鋼板の表面に冷却水を噴射することにより冷却されるため、冷却速度が大きく、鋼板の板厚が厚い場合、表層部と板厚中央部で温度差が大きくなり板厚方向で均一な組織の作りこみが困難となるが、板厚方向の温度均一化による組織の造り込みについても何ら示されていない。

本発明の目的は、上記のような従来技術の問題点を解決し、熱延段階にて、板厚が５ｍｍ以上の高炭素鋼板においても、鋼板の板厚方向全ての領域において均一な組織を造り込み、且つ初析フェライトを発生させることなく、打ち抜き端面の割れが発生しにくい伸びフランジ性に優れた高炭素鋼板の製造方法を提供することにある。

本発明者等は、高炭素鋼板の製造において、冷却速度が大きく、鋼板の板厚が厚い場合に、板厚方向で均一な組織の作りこみが困難となる理由について検討した。

図２は、板厚５ｍｍ以上の高炭素鋼板の冷却曲線および等温変態線図の概念図の一例であって、ａは鋼板板厚中央部の冷却曲線、ｂはフェライト変態開始線、ｃはパーライト変態終了線、ｄはパーライト変態開始線、ｅはマルテンサイト変態開始線、ｆはベイナイト変態開始線、ｇはベイナイト変態終了線である。

図２において、板厚中央部の冷却曲線ａは、強冷却停止後、ベイナイト変態開始線ｆとＡ点にて交わっている。すなわち、この例では、上部ベイナイト域であるＡ点にて変態が開始しており、板厚中央部の組織は上部ベイナイトとなる。

一方、鋼板表層部は板厚中央部よりも冷却速度が大きくなる。図２に、鋼板表層部の冷却曲線ｈを示しているが、板厚中央部の冷却曲線ａよりも急激に温度低下し、強冷却停止後に復熱して温度上昇し、ベイナイト変態開始線ｆとＢ点にて交わっている。つまり、表層部が板厚中央部と同じ組織となるためには、ベイナイト変態開始前に充分に復熱して、Ａ点とＢ点とが同じ組織となる領域、この例ではＢ点も上部ベイナイト域となる必要がある。

ところが、本発明者等は、冷却速度が増加するにつれ、鋼板の変態開始時間が短時間側にシフトすることを知見した。すなわち、図２に示す表層部のベイナイト変態開始線ｉは、板厚中央部のベイナイト変態開始線ｆよりも短時間側へシフトしており、表層部の温度が充分に復熱する前に、表層部の冷却曲線ｈがベイナイト変態開始線ｉと交わる可能性があることがわかった。表層部の冷却曲線ｈがベイナイト変態開始線ｉと交わる点をＣ点とする。図２の例では、Ｃ点は下部ベイナイト域にあり、上部ベイナイト域にあるＡ点とは異なるために、表層部と板厚中央部とが異なる組織となってしまう。

そこで、板厚が厚い場合には、鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織が同じとなるような強冷却条件を考慮する必要がある。

本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その特徴は以下の通りである。
（１）Ｃを０．２〜０．７質量％含有する鋼で熱間圧延後の板厚が５ｍｍ以上の鋼板について、仕上温度（Ａｒ₃変態点−２０℃）以上で熱間圧延後、鋼板の表層部および板厚中央部ともに冷却速度１５０℃／秒以上とする強冷却を、強冷却中の表層部の最低温度３５０℃以上、強冷却停止温度４５０〜５７０℃、且つ鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織が同じとなるような冷却条件で行い、さらに強冷却停止から巻取りまでの温度を４５０〜５７０℃の範囲内且つ変態開始時の鋼板の組織が変化しない温度範囲で保持することを特徴とする高炭素鋼板の製造方法。

（２）鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織が同じとなる強冷却中の冷却水の水量密度の範囲を予め求めておき、該水量密度範囲内で強冷却を行うことを特徴とする上記（１）に記載の高炭素鋼板の製造方法。

（３）鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織が同じとなる強冷却中の鋼板表層部の冷却速度の範囲を予め求めておき、該鋼板表層部の冷却速度範囲内となるように、冷却を複数回に分割して各冷却の間で冷却を休止する間欠的な強冷却を行うことを特徴とする上記（１）に記載の高炭素鋼板の製造方法。

（４）Ｃを０．３〜０．５質量％含有する鋼で熱間圧延後の板厚が５ｍｍ以上の鋼板について、仕上温度（Ａｒ₃変態点−２０℃）以上で熱間圧延後、鋼板の表層部および板厚中央部ともに冷却速度１５０℃／秒以上とする強冷却を、強冷却中の表層部の最低温度３５０℃以上、強冷却停止温度５００〜５７０℃、且つ表層部の冷却速度が６００℃／秒以下となるような冷却条件で行い、さらに強冷却停止から巻取りまでの温度を５００〜５７０℃の範囲で保持することを特徴とする高炭素鋼板の製造方法。

以下に本発明の構成要素について説明する。
［Ｃ含有量：０．２〜０．７質量％］
Ｃは、炭化物を形成し、焼き入れ後の硬度を付与する重要な元素である。Ｃ含有量が０．２質量％未満では、熱延後の組織において、初析フェライトの生成が顕著となり炭化物の分布が不均一となる。さらにその場合、焼き入れ後も機械構造用部品として充分な強度を得られない。Ｃ含有量が０．７質量％を超えると、焼鈍後でも充分な加工性が得られない。また、その場合、熱延後の鋼板の硬度が高く脆いため、取り扱いに不便であり焼き入れ後の強度も飽和する。従って、Ｃ含有量を０．２〜０．７質量％に規定する。
［仕上温度：（Ａｒ₃変態点−２０℃）以上］
熱間圧延の仕上温度が（Ａｒ₃変態点−２０℃）未満では、一部でフェライト変態が進行するため炭化物を含まないフェライト粒が増加し、伸びフランジ性が劣化する。そこで（Ａｒ₃変態点−２０℃）以上の仕上温度で仕上圧延する。これにより、組織の均一化を図ることができ伸びフランジ性の向上が図れる。
［仕上圧延後の強冷却条件：冷却速度１５０℃／秒以上］
仕上圧延後に徐冷であった場合、オーステナイトの過冷度が小さく初析フェライトが生成する。冷却速度が１５０℃／秒未満の場合、初析フェライトの生成が顕著となり伸びフランジ性が劣化する。従って、仕上圧延後の冷却速度を１５０℃／秒以上とする。
［仕上圧延後の強冷却条件：冷却中の表層部の最低温度３５０℃以上］
冷却中の表層部の最低温度が３５０℃未満の場合、熱延段階において焼き入れ組織が非常に顕著となる。このため表層部の最低温度は３５０℃以上とする。
［仕上圧延後の強冷却条件：冷却停止温度４５０〜５７０℃］
仕上圧延後の冷却の冷却停止温度が高い場合、巻取りまでの冷却中にフェライトが生成するとともに、パーライトのラメラ間隔が粗大化する。そのため、焼鈍後に微細炭化物が得られなくなり伸びフランジ性が劣化する。冷却停止温度が５７０℃超えの場合、フェライト生成およびパーライトのラメラ間隔の粗大化が顕著となり伸びフランジ性が劣化する。冷却停止温度を５７０℃以下の場合、フェライトの生成を抑制することが可能であり、且つパーライトのラメラ粗大化の抑制も可能となる。

４５０℃以上の理由は、後述する［強冷却停止から巻取りまでの温度：４５０〜５７０℃保持］の項の説明と同様である。
［仕上圧延後の強冷却条件：鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織を同じにする］
鋼板の表層部と板厚中央部を同じ組織とするためには、例えば、板厚中央部が上部ベイナイト域で変態開始したとすれば、表層部も上部ベイナイト域で変態開始する必要がある。つまり、強冷却による温度低下が著しい表層部温度が、強冷却停止後、変態開始時間までに上部ベイナイト域まで復熱する必要がある。

ここで、前述したように、冷却速度が増加するにつれ、鋼板の変態開始時間が短時間側にシフトする。鋼板表層部は、板厚中央部よりも冷却速度が速いために変態開始までの時間が短く、板厚中央部よりも低い温度（下部ベイナイト域）にて変態が開始してしまい、板厚中央部と異なる組織となる恐れがある。

よって、このような表層部と板厚中央部の変態開始時間の差も考慮して、鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織を同じにするような強冷却条件とする。

なお、板厚中央部が下部ベイナイト域で変態開始する場合には、表層部も下部ベイナイト域で変態開始するような強冷却条件とすればよい。
［強冷却停止から巻取りまでの温度：４５０〜５７０℃保持］
高炭素鋼板では、変態開始から終了までの発熱が顕著であり、例えば冷却停止温度を５５０℃とした場合でも、巻取りまでの間に５０℃程度変態発熱してしまう。変態発熱による温度上昇を抑制せず、５７０℃超えとなってしまった場合、パーライトのラメラ間隔の粗大化を促進してしまうため伸びフランジ性が劣化する。また、強冷却停止から巻取りまでの間で温度を４５０℃未満にすると鋼板の形状が劣化してしまう。以上より、強冷却停止から巻取りまでの温度を４５０〜５７０℃の範囲で保持する。
［強冷却停止から巻取りまでの温度：変態開始時の鋼板の組織が変化しない温度範囲で保持］
強冷却停止温度を上部ベイナイト域で停止させ、温度保持の間に下部ベイナイト域の温度になった場合、および、強冷却停止温度を下部ベイナイト域で停止させ、温度保持の間に上部ベイナイト域の温度になった場合には上部ベイナイトと下部ベイナイトの混相組織となって、均一な組織とならない。

よって、強冷却停止から巻取りまでの温度制御については、鋼のＣ含有量ごとにあらかじめ上部ベイナイトと下部ベイナイトの境界温度を求めておき、強冷却停止から巻取りまでの温度制御は、変態が開始する時点での組織を保持する温度範囲にて行うことが必要である。すなわち、強冷却停止から巻取りまでの温度を、４５０℃〜境界温度の範囲か、または境界温度〜５７０℃の範囲で保持する。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば次のような効果を得ることができる。高炭素鋼板にて、初析フェライトを発生させない冷却速度で、鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織が同じとなるような強冷却を行い、さらに巻取りまでで変態発熱による温度上昇を抑制した制御を行い、組織の造り込みを行うことにより、板厚方向で均一な組織を造り込むことが可能となり、且つ焼鈍後に伸びフランジ性に優れた鋼板を製造することが可能となる。

図１は、本発明の高炭素鋼板の製造方法の実施に供する熱間圧延設備の一例を示す側面図である。

図１に示す熱間圧延設備は、仕上圧延機１と、仕上圧延機１の出側に冷却速度が１５０℃／秒以上の強冷却が可能な冷却装置９と、冷却装置９の下流側に設置された、巻取りまでの間に変態発熱による温度上昇を抑制して所定の温度にまで冷却するための冷却装置２と、仕上圧延機出側の鋼板の表面温度を測定する温度計６と、冷却装置２の中間位置での鋼板の表面温度を測定する温度計７と、コイラー５により鋼帯を巻取るときのコイラー巻取り温度を測定するための温度計８とを備えている。

前記冷却装置９は製造する高炭素鋼板の全ての板厚に対して冷却速度が１５０℃／秒以上の能力を有する。これは、高炭素鋼板の代表例であるＳＣ材（機械構造用炭素鋼）において初析のフェライトを析出させないためには、例えば図３に示すＳＣ材の等温変態線図より、時間的に最短でフェライトへの変態開始が始まるのは、冷却開始から２．５秒であり、初析フェライトの析出を回避するには、２．５秒以内に５７０℃以下にする必要がある。２．５秒以内に５７０℃まで冷却するためには、冷却速度が１５０℃／秒以上の能力を有する冷却装置が必要となる。

前記冷却装置２は、緩冷却を行うことが可能な冷却装置で、通常冷却速度が１００℃／秒以下の能力を有する。

本発明の高炭素鋼板の製造方法を実施する場合には、鋼板の表層部および板厚中央部とも冷却速度１５０℃／秒以上の強冷却を、強冷却中の表層部の最低温度３５０℃以上、強冷却停止温度４５０〜５７０℃、且つ鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織が同じとなるような冷却条件で行う。さらに強冷却停止から巻取りまでの温度を４５０〜５７０℃の範囲内且つ変態開始時の鋼板の組織が変化しない温度範囲で保持する。

本実施形態では、板厚５ｍｍでＣを０．３〜０．５質量％含有する高炭素鋼板について、初析フェライトを発生させることなく、鋼板の表層部と板厚中央部で均一な上部ベイナイト組織を造り込むための強冷却条件について説明する。

まず、水量密度を変化させることによって鋼板の表層部および板厚中央部の冷却速度および組織変化を求め、鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織を同じとするのに最適な冷却条件を見出した。

表１は、水量密度ごとの鋼板表層部および板厚中央部の冷却速度、冷却中の表層部最低温度、表層部および板厚中央部の変態開始時間と変態開始時の温度、表層部および板厚中央部の組織の一覧を示す。また、水量密度と表層部および板厚中央部の冷却速度の変化の一例を図４に、水量密度と冷却中の表層部最低温度の変化の一例を図５に示す。表１の冷却条件は、強冷却開始温度８５０℃、強冷却停止温度および強冷却停止から巻取りまでの温度は、上部ベイナイト組織とするために５００〜５７０℃とした。

表１によれば、鋼板を連続冷却する場合、水量密度１７００[l/min・m²]以下では、冷却速度が１５０℃／秒未満となって、冷却中にフェライト変態が開始してしまい初析フェライトが生成してしまう。また、図５に示すように、水量密度が９８００[l/min・m²]以上では、冷却中に表層部の温度が３５０℃未満となり、マルテンサイトへの変態が起こってしまい鋼板組織は鋼板表層部と板厚中央部で異なる組織となる。

冷却速度が２０００〜９６００[l/min・m²]の範囲でも、水量密度の増加に伴い、図４に示すように表層部と板厚中央部での冷却速度差が大きくなるが、前述したように冷却速度が増加するにつれて鋼板の変態開始時間が短時間側にシフトするために、鋼板の表層部と板厚中央部での変態開始時間が変化する。

図６は、冷却速度と変態開始時間との関係の一例について求めたもので、冷却速度が大きくなるにつれ、変態開始時間が短くなる。表１において、水量密度が７３００[l/min・m²]以上の場合に鋼板表層部と板厚中央部で組織が異なっているのは、鋼板表層部と板厚中央部の変態開始時間のズレにより、変態開始時の温度が表層部と板厚中央部で異なり、その結果表層部は下部ベイナイト組織となり、板厚中央部は上部ベイナイト組織となって組織が変わってしまうからである。

以上より、本実施形態において、強冷却を連続冷却により行う場合には、水量密度２０００〜７０００[l/min・m²]の範囲内に調整した強冷却を行うことにより、均一な組織を造り込むことができる。

次に、水量密度７０００[l/min・m²]を超えた範囲でも均一な組織を造り込む方法について以下に示す。

例えば、水量密度が９６００[l/min・m²]の冷却装置を用いて鋼板を冷却する場合、連続冷却を行う場合には、先に述べたように、鋼板表層部と板厚中央部にて異なる組織となる。組織を均一化させるためには表層部の冷却速度を小さくする必要があるが、その方法として、連続的な冷却ではなく、冷却を複数回に分割して各冷却の間で冷却を休止する間欠的な強冷却を行うことにより、表層部の冷却速度を小さくすることができる。

もちろん、上述した間欠的な強冷却は、水量密度７０００[l/min・m²]を超えた範囲のみならず、冷却速度等の他の条件を満たせば、水量密度７０００[l/min・m²]以下の範囲内であっても行うことも可能である。

ここで、間欠的な冷却を行うときの冷却速度とは、鋼板表層部と板厚中央部共に、冷却開始時点から複数回の間欠冷却後の最後の冷却停止時点までの温度降下量と経過時間との比と定義する。

表２は、間欠時間を変化させた場合の鋼板表層部および板厚中央部の冷却速度、鋼板表層部および板厚中央部の変態開始時間、変態開始時の温度、変態開始時の組織を示しており、図７に示すように連続冷却の際の冷却時間を２回に分割した場合の一例である。

表２に示すt2/t1は１段目の冷却時間と間欠時間の比を示しており、例えばt2/t1＝２とは、冷却を休止する間欠時間が１段目の冷却時間の２倍とした場合である。

表２の冷却条件は、水量密度は８０００[l/min・m²]、冷却開始温度８５０℃、強冷却停止温度および強冷却停止から巻取りまでの温度は、上部ベイナイト組織とするために５００〜５７０℃である。

表２に示すように、間欠時間の短いt2/t1＝１の場合には、表層部の冷却速度が速いために鋼板表層部で下部ベイナイト組織が発生してしまい組織が不均一となる。それに対して、間欠時間の長いt2/t1＝７．５の場合には、板厚中央部での冷却速度が１５０℃／秒未満となり、表層部での変態開始時の温度が５７５℃となるために表層部、板厚中央部にてフェライトが生成してしまう。

表１および表２に示す連続冷却および間欠冷却それぞれの冷却条件から、表層部の温度が３５０℃以上で、板厚中央部で上部ベイナイト組織となる場合について、表層部の変態開始時間と変態開始時の表層部温度の関係を求めると図８のようになる。図８より変態開始時間が１．０秒未満の場合、変態開始時点での表層部の組織は下部ベイナイトとなり、板厚中央部と異なった組織となる。表層部と板厚中央部で均一な組織を造り込むためには、表層部の変態開始時点での温度は、５００℃以上にする必要があり、そのためには変態開始時間を１．０秒以上となるように冷却をする必要がある。

変態開始時間を１．０秒以上となるように冷却をするには、図６より、連続冷却を行う場合には、表層部の冷却速度が６００℃／秒以下となるように冷却装置の水量密度を調整した冷却を行うか、または、間欠冷却を行う場合には、冷却装置の水量密度および各冷却の間に冷却を休止する間欠時間、間欠の回数は、表層部の冷却速度が６００℃／秒以下となる条件にて冷却を行えばよい。

つまり、本実施形態では、連続冷却を行う場合においても、間欠冷却を行う場合においても表層部の冷却速度が６００℃／秒以下となる条件で冷却すればよい。

次に、強冷却停止から巻取りまでの温度制御について説明する。

本実施形態の場合、仕上圧延後、１５０℃／秒以上の冷却速度で５００〜５７０℃の範囲まで強冷却した後、強冷却停止から巻取りまでの間で一切冷却を行わないとすると、高炭素鋼板では変態の進行とともに発熱が顕著となり、例えば冷却停止温度が５５０℃のときに、巻取りまでに５０℃程度発熱する。変態発熱により、鋼板の組織はパーライトへ変化し、パーライトのラメラ間隔の粗大化が顕著となり伸びフランジ性が劣化する。パーライトへの変態を抑制するためには、強冷却停止後の変態発熱による温度上昇を抑制し、鋼板温度を５００〜５７０℃で保持して温度を制御する。つまり、強冷却停止から巻取りまでの間は、強冷却停止から変態が開始した時点での鋼板の組織を保持する温度範囲で制御することが必要である。

そこで、冷却速度１５０℃／秒以上で強冷却した後に、遅延時間、変態発熱量、変態発熱時間に応じて、発熱する温度分を冷却するように冷却量を設定することにより、下流の冷却装置２により変態発熱による温度上昇の抑制を行う。

ここで、遅延時間、変態発熱量、変態発熱時間と冷却停止温度との関係は以下に示すとおりである。

図９は板厚５ｍｍ、冷却停止温度４７０〜５７０℃での冷却停止温度と遅延時間との関係の一例を示すグラフである。遅延時間とは、冷却停止から変態発熱開始までの時間である。図９によれば、冷却停止温度が高くなるほど遅延時間は短くなることが判る。遅延時間はこのように冷却停止温度では変化するが、別の調査によれば冷却速度には依らずほぼ一定となる。

また、図１０は、冷却停止温度と変態発熱による温度上昇量との関係の一例を示すグラフである。図１０によれば、冷却停止温度ごとに変態発熱による温度上昇量が異なるが、冷却停止温度４５０〜５７０℃の範囲では、巻取りまでの間に変態発熱により４５〜８５℃程度温度上昇してしまい、これに伴い熱延の組織もパーライト組織へと変態してしまう。

さらに、図１１は、冷却停止温度と変態発熱時間（変態発熱の持続時間）との関係の一例を示すグラフである。図１１によれば、冷却停止温度が高くなるほど変態発熱時間は短くなることが判る。

このような遅延時間、変態発熱量、変態発熱時間を考慮して、すなわち、遅延時間は空冷し、その後、変態発熱時間の間、変態発熱量に見合うだけの冷却を行うことにより、強冷却停止後の変態発熱による温度上昇を抑制し、鋼板温度を５００〜５７０℃で保持してパーライトへの変態を抑制して、上部ベイナイト組織の均一化を実現することができる。

なお、本実施形態の説明では、板厚５ｍｍでＣを０．３〜０．５質量％含有する高炭素鋼板について、鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織が同じの上部ベイナイトとするのに最適な冷却条件について求めたが、板厚が変化した場合、Ｃ含有量が変化した場合、鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織が下部ベイナイト同士になる場合等、も同様にして最適な冷却条件について求めることができる。

また、Ｃ含有量が変化した場合、上部ベイナイトと下部ベイナイトの境界温度も変化する。よって、強冷却停止から巻取りまでの温度制御についても、鋼のＣ含有量ごとにあらかじめ上部ベイナイトと下部ベイナイトの境界温度を求めておき、強冷却停止から巻取りまでの温度制御は、変態が開始する時点での組織を保持する温度範囲にて行うことが必要である。すなわち、強冷却停止から巻取りまでの温度を、４５０℃〜境界温度の範囲か、または境界温度〜５７０℃の範囲で保持する。

本発明に用いる鋼は、Ｃ含有量を０．２〜０．７質量％とする他は特に規定せず、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎなどの元素が通常の範囲で含有されていても問題はない。

［本発明例１］
図１に示す熱間圧延設備を用いて、Ｃを０．３５質量％含有する板厚５ｍｍの高炭素鋼板（Ｓ３５Ｃ材）を製造した。製造方法は、仕上温度８５０℃で熱間圧延後、連続冷却による強冷却を行った。

連続冷却による強冷却を行う際には、強冷却停止時点で板厚方向に均一な組織となるようにするために、冷却設備の水量密度を設定する必要がある。本発明例１では、連続冷却の場合、水量密度を設定するにあたり、あらかじめ表層部と板厚中央部の冷却中の最低温度、冷却速度を算出し、冷却中の表層部の最低温度については、マルテンサイトに変態しない３５０℃以上となる条件で、且つ、冷却速度から表層部および板厚中央部の変態開始時間を求め、変態開始時間での表層部、板厚中央部温度を算出し、変態開始時点での温度が表層部と板厚中央部で同一の組織となる条件を求めた。

本発明例１では連続冷却時の水量密度は、３６００[l/min・m²] となるように設定した。このとき、表１に示すように、冷却中の表層部の最低温度は、４８０℃であり、表層部および板厚中央部の冷却速度は、それぞれ２４２℃／秒、１５８℃／秒である。また、変態開始時点での表層部、板厚中央部の温度はそれぞれ、５５４℃、５５４℃であり、変態開始時点での組織は表層部および板厚中央部ともに上部ベイナイトである。

強冷却停止後は、図９に示したように、冷却停止温度が５６０℃の場合の変態開始までの遅延時間が約０．９秒であることがあらかじめ求められているので、０．９秒間は空冷し、強冷却停止後０．９秒より変態発熱分の冷却を開始した。ここで、図１１より変態発熱時間は約５秒間継続で、図１０より発熱量としては約５０℃程度であることがあらかじめ求められているので、変態発熱開始点から５秒間だけ冷却装置により冷却することによって、発熱する温度分を冷却するように冷却量を設定することにより、変態発熱による温度上昇を抑制した温度制御を行った。また、Ｓ３５Ｃの上部ベイナイトと下部ベイナイトの境界温度は約５００℃であることがあらかじめ求められており、巻取りまでの温度制御範囲としては、本発明例では変態が開始する時点での組織が上部ベイナイトであるので、巻取りまで上部ベイナイトの組織を保持するために５００〜５７０℃の温度を保持するように制御を行った。

その結果、フェライトの生成を抑制することができ且つ、パーライト変態を抑制することが可能となり炭化物を微細に且つ均一に分散させることが可能となった。この鋼板を酸洗後、焼鈍させたところ、鋼板の穴広げ率が７５％程度と非常に伸びフランジ性の高い鋼板が得られた。
［本発明例２］
本発明例１と同一の設備と同一の材料を用いて、高炭素鋼板（Ｓ３５Ｃ材）を製造した。製造方法としては、仕上温度８５０℃で熱間圧延後、間欠冷却による強冷却を行った。

本発明例２は、水量密度が８０００[l/min・m²]で、強冷却を２回に分割し、１回目の強冷却と２回目の強冷却の間の間欠時間は、１回目の強冷却時間の１．５倍とした。

表２に示すように前述の条件にて間欠冷却した場合、表層部および板厚中央部の冷却速度は、それぞれ５２４℃／秒、２７３℃／秒である。また、変態開始時点での表層部、板厚中央部の温度はそれぞれ、５４０℃、５５７℃であり、変態開始時点での組織は表層部および板厚中央部共に上部ベイナイトである。

強冷却停止後は、本発明例１と同様に巻取りまで温度制御した。その結果、フェライトの生成を抑制することができ且つ、パーライト変態を抑制することが可能となり炭化物を微細に且つ均一に分散させることが可能となった。この鋼板を酸洗後、焼鈍させたところ、鋼板の穴広げ率が７５％程度と非常に伸びフランジ性の高い鋼板が得られた。
［比較例１］
図１に示す熱間圧延設備を用いて、Ｃを０．３５質量％含有する板厚５ｍｍの高炭素鋼板（Ｓ３５Ｃ材）を製造した。製造方法としては、仕上温度８５０℃で熱間圧延後、強冷却を行ったが、その際に、まずＣを０．３５質量％を含有する高炭素鋼板の場合、等温変態線図より、フェライトへの変態が開始するまでの最短時間は冷却開始から２．５秒であるので、冷却開始から２．５秒以内に５６０℃となるように水量密度８０００[l/min・m²] に設定し、連続冷却にて強冷却を実施した。

強冷却後は、変態発熱による温度上昇を考慮して後段の冷却装置にて変態発熱分を冷却し巻取りを行った。このときの冷却曲線および等温変態線図を図１２に示す。変態発熱による温度上昇を抑制するように冷却制御した場合、フェライトの生成を抑制することが可能で且つ、パーライト変態を抑制することが可能となり炭化物を微細に且つ均一に分散させることが可能となったが、焼鈍後の鋼板表層部に粗大粒が発生しており、板厚方向での組織が不均一であった。これは、冷却の際の鋼板の板厚方向での冷却速度の違いにより、表層部と板厚中央部で変態開始時間が異なり、変態開始時の組織が変化したためである。

本比較例１では、表層部と板厚中央部の冷却速度はそれぞれ、６７７℃／秒、３１８℃／秒と異なっている。図６および図８に基づき、板厚中央部では５７０℃付近の上部ベイナイト域にて変態が開始するのに対し、鋼板の表層部では変態開始が短時間側へシフトすることに伴い、４２０℃付近の下部ベイナイト域での変態開始となった。この鋼板を巻取り、酸洗の後焼鈍した場合、鋼板の表層０．３ｍｍ付近まで粗大粒が発生していた。以上に述べたように、表層部と板厚中央部にて、冷却速度が異なる場合には、鋼板の表層部で組織が異なってしまう。本比較例１の場合の鋼板を酸洗の後、焼鈍した鋼板の穴広げ率は、６０％程度であった。
［比較例２］
図１３に示す、従来の熱間圧延設備を用いてＣを０．３５質量％含有する板厚５ｍｍの高炭素鋼板（Ｓ３５Ｃ材）を製造した。

図１３に示す熱間圧延設備は、仕上圧延機１と、鋼板の上面は円管上のパイプラミナーにより冷却し、鋼板の下面は搬送ロール３間に設置したスプレー４にて冷却する冷却装置２と、仕上圧延機１の出側の鋼板の表面温度を測定する温度計６と、冷却装置２の中間位置での鋼板の表面温度を測定する温度計７と、コイラー５により鋼帯を巻取るときのコイラー巻取り温度を測定するための温度計８とを備えている。

仕上圧延後、ランナウトテーブル上にて、鋼板の上面は円管上のパイプラミナーにより冷却され、鋼板の下面は搬送ロール間に設置したスプレー４にて冷却された。板厚５ｍｍの高炭素鋼板の冷却曲線および等温変態線図を図１４に示す。パイプラミナーによる冷却では、冷却速度が５０℃／秒程度と低いために、冷却中にフェライトが析出し、その後パーライト変態が起こった。

このような鋼板においては、初析のフェライトの生成が顕著であり、酸洗、焼鈍後の鋼板の穴広げ率は、４０％程度と低いものであった。
［比較例３］
図１に示す熱間圧延設備を用いて、Ｃを０．３５質量％含有する板厚５ｍｍの高炭素鋼板（Ｓ３５Ｃ材）を製造した。ただし、緩冷却を行うことが可能な冷却装置２は使用しなかった。

比較例３では連続冷却時の水量密度は、７０００[l/min・m²] となるように設定した。このとき、表１に示すように、冷却中の表層部の最低温度は３９０℃であり、表層部および板厚中央部の冷却速度は、それぞれ５６２℃／秒、２８７℃／秒である。また、変態開始時点での表層部、板厚中央部の温度はそれぞれ、５４６℃、５４７℃であり、変態開始時点での組織は表層部および板厚中央部ともに上部ベイナイトである。

このとき得られた板厚５ｍｍの高炭素鋼板の冷却曲線および等温変態線図を図１５に示す。フェライトの変態開始にかかることなく冷却を停止させることが可能であったが、強冷却停止後は巻取りまで冷却しなかったので、変態発熱により鋼板の温度が５０℃程度上昇してしまい、パーライトへの変態が顕著となった。このような鋼板においては、パーライトのラメラ間隔の粗大化が顕著であり、酸洗の後、焼鈍した鋼板の穴広げ率は、５５％程度と低いものであった。

表３に本発明例１、２および比較例１、２、３における冷却速度、冷却停止温度、中間温度、巻取り温度、穴広げ率の比較を示す。

表３において、本発明例では、冷却装置の中間位置に設けた温度計位置で変態発熱分の冷却が終了していた。そこでこの温度計設置以降は空冷により巻取り温度５００℃となった。これに対して、比較例３では、冷却装置の中間位置に設けた温度計位置で変態発熱終了後の温度が６０５℃となって５７０℃を越えており、パーライトへの変態が顕著となった。

本発明の高炭素鋼板の製造方法の実施に供する熱間圧延設備の一例を示す側面図板厚５ｍｍ以上の高炭素鋼板の冷却曲線および等温変態線図の概念図の一例を示すグラフ板厚５ｍｍの高炭素鋼板の冷却曲線および等温変態線図を示すグラフ水量密度と表層部および板厚中央部の冷却速度との関係の一例を示すグラフ水量密度と冷却中の表層部最低温度との関係の一例を示すグラフ冷却速度と変態開始時間との関係の一例を示すグラフ連続冷却の際の冷却時間を２回に分割した場合、すなわち間欠冷却を１回行った場合の鋼板温度の経過時間に対する変化の一例を示すグラフグラフ表１および表２に示す連続冷却および間欠冷却それぞれの冷却条件から求めた、表層部の変態開始時間と変態開始時の表層部温度との関係の一例を示すグラフ板厚５ｍｍ、冷却停止温度４７０〜５７０℃での冷却停止温度と遅延時間との関係の一例を示すグラフ冷却停止温度と変態発熱による温度上昇量との関係の一例を示すグラフ冷却停止温度と変態発熱の持続時間との関係の一例を示すグラフ比較例１での板厚５ｍｍの高炭素鋼板の冷却曲線および等温変態線図を示すグラフ従来の熱間圧延設備の一例を示す側面図比較例２での板厚５ｍｍの高炭素鋼板の冷却曲線および等温変態線図を示すグラフ比較例３での板厚５ｍｍの高炭素鋼板の冷却曲線および等温変態線図を示すグラフ

符号の説明

１仕上圧延機
２冷却装置
３搬送ロール
４スプレー
５コイラー
６温度計
７温度計
８温度計
９冷却装置

Claims

Ｃを０．２〜０．７質量％含有する鋼で熱間圧延後の板厚が５ｍｍ以上の鋼板について、仕上温度（Ａｒ₃変態点−２０℃）以上で熱間圧延後、鋼板の表層部および板厚中央部ともに冷却速度１５０℃／秒以上とする強冷却を、強冷却中の表層部の最低温度３５０℃以上、強冷却停止温度４５０〜５７０℃、且つ鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織が同じとなるような冷却条件で行い、さらに強冷却停止から巻取りまでの温度を４５０〜５７０℃の範囲内且つ変態開始時の鋼板の組織が変化しない温度範囲で保持することを特徴とする高炭素鋼板の製造方法。
鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織が同じとなる強冷却中の冷却水の水量密度の範囲を予め求めておき、該水量密度範囲内で強冷却を行うことを特徴とする請求項１に記載の高炭素鋼板の製造方法。
鋼板の表層部と板厚中央部で変態開始時の鋼板の組織が同じとなる強冷却中の鋼板表層部の冷却速度の範囲を予め求めておき、該鋼板表層部の冷却速度範囲内となるように、冷却を複数回に分割して各冷却の間で冷却を休止する間欠的な強冷却を行うことを特徴とする請求項１に記載の高炭素鋼板の製造方法。
Ｃを０．３〜０．５質量％含有する鋼で熱間圧延後の板厚が５ｍｍ以上の鋼板について、仕上温度（Ａｒ₃変態点−２０℃）以上で熱間圧延後、鋼板の表層部および板厚中央部ともに冷却速度１５０℃／秒以上とする強冷却を、強冷却中の表層部の最低温度３５０℃以上、強冷却停止温度５００〜５７０℃、且つ表層部の冷却速度が６００℃／秒以下となるような冷却条件で行い、さらに強冷却停止から巻取りまでの温度を５００〜５７０℃の範囲で保持することを特徴とする高炭素鋼板の製造方法。