JP2005120430A - 析出強化型高強度鋼板の設計方法、その製造方法、および析出強化型高強度鋼板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】鋼組織中に炭化物を析出させてなる析出強化型高強度鋼板を設計する際に、炭化物を構成する金属元素として、電気陰性度が1.8未満でかつMC型炭化物を生成する1種または2種以上の第1の金属元素M1と、電気陰性度が1.8以上の1種または2種以上の第2の金属元素M2とを、第1の金属元素M1と第2の金属元素M2との原子半径差が10%未満となるような組み合わせで選択し、第1の金属元素M1および第2の金属元素M2を含む炭化物が生成されるように第1の金属元素M1、第2の金属元素M2、およびCの添加量を決定する。
【選択図】図1
Description
本発明は、複数の炭化物生成元素を複合添加して、数nm(平均粒径10nm以下、望ましくは平均粒径5nm以下;ここでの平均粒径は、まず、透過電子顕微鏡の写真を撮影し、析出物を画像処理により認識した上で、その析出物面積から円相当直径を求め、この直径の平均値を求めることにより得られる)の微細な炭化物を大量に分散させ、これらの炭化物が強度上昇に有効である微細な大きさを維持する複合添加の組み合わせを得ることができる以下の(1)、(2)の指針に基づくものである。
微細な炭化物が鋼の強化に有効であり、析出開始までの熱処理時間が長い炭化物生成金属(電気陰性度がCに比較的近い金属元素)ほど微細な炭化物を生成しやすいが、析出開始までの熱処理時間が長すぎると、経済的に連続プロセスにて高強度鋼を製造することができない。このような不都合は炭化物生成金属の添加量を多くすることにより解消することができるが、添加量を多くすることは経済性、製造性の点で望ましくない。したがって、強い炭化物生成元素を鋼に存在する炭素の原子%と同じオーダーで添加することが、低合金炭素鋼中に微細な炭化物を生成させる上で必須となる。強い炭化物生成元素とはCとの結合が強い金属元素であり、Cとの電気陰性度の差が大きいほどその結合が強くなる。本発明では、炭素の電気陰性度2.5との差が0.7を超える、すなわち電気陰性度が1.8未満の金属元素を第1の金属元素M1として添加する。
上述したように、微細な炭化物を生成するためには、析出開始までの熱処理時間が長い炭化物生成金属が有効であり、そのために強いMC型炭化物生成元素である第1の金属元素M1に加えてM1より炭化物生成能の弱い、つまりCとの電気陰性度の差が小さい、1.8以上の電気陰性度を有する第2の金属元素M2をM1と複合添加する。この場合に、M1とM2の原子半径の差が10%以上となると複合炭化物が生成されない。例えば、電気陰性度についてはTiが上記M1に合致しCrが上記M2に合致するが、両者の原子半径が10%以上異なるため、この組み合わせでは複合炭化物が生成されない。したがって、第1の金属元素M1と第2の金属元素M2の原子半径の差が10%未満となるように組み合わせる必要がある。また、一般論として、析出物が母相に対して整合析出している場合に大きな析出強化が実現するが、TiCやNbCのような単独炭化物と比較して、このようなM1とM2との複合炭化物では母相とのミスフィット(非整合)が小さくなるため、より大きな強化が実現する。このようにM1とM2の原子半径の差が10%未満となるように組み合わせることで、(M1,M2)Cという複合炭化物が実現する。後述する具体的な元素の組み合わせでは、生成された(M1,M2)Cと地鉄との非整合は10%未満となる。
実用鋼に添加し得る炭化物生成金属元素は、Cr、V、Mo、W、Ti、Nb、Ta、Hf、Zrである。これら元素の原子半径と電気陰性度を表1に示す。なお、表1のうち原子半径はC. Kittel Introduction to Solid State
Physics 6th edition 76ページのTable9から引用し、電気陰性度は鉄鋼便覧Iの388頁、表7・4のGordyの値より引用したものである。これら元素のうちV、Ti、Nb、Ta、Hf、Zrは通常の鉄鋼製造プロセスでNaCl型の結晶構造を有するMC(Mは金属元素、Cは炭素)を生成することが知られている(鉄鋼便覧I、438頁、表7.24)。MC型炭化物は他の型の炭化物(M2C、M3C、M7C3、M23C6、M6C)と比較して、金属原子1個に対してC原子1個が結合するため、炭化物で鋼を強化する際に最も金属元素を有効に活用できる炭化物である。
(a)M1の存在により、短時間で炭化物が生成し、さらに一般的にはMC型炭化物を生成しないMoやWがMC型炭化物生成に「参加」するからである。
上述したように、炭化物には、MC、M2C、M3C、M7C3、M23C6、M6Cが存在するがMCがもっとも金属元素を効率的に活用している。Mo、Wなどでは通常、金属元素2個に炭素1個の比率のM2Cの炭化物が生成されるが、M1+M2の原子数とCの原子数の比が1の(M1,M2)Cを生成させることで、炭化物を用いた強化の際に金属元素を最大限に有効活用できる。
一般に低炭素鋼中では600〜650℃付近で炭化物が生成し、鋼の強度が上昇する。しかし、析出物はこの温度で保持されると粗大化し、強化能を失う。また、熱処理を施す温度が上昇すると粗大化する時間が短くなる。したがって、TiCのように金属元素を1種類のみ有する炭化物では、強化に有効な微細なサイズを維持できる温度と時間はきわめて狭い範囲である。これに対して、(M1、M2)C炭化物は、微細なサイズが維持される熱処理温度範囲、時間範囲が拡大し、粗大化しにくい。
(i)M1、M2の複合により、特に炭化物生成能の弱いM2が炭化物生成元素となることで、拡散が遅延し析出物の粗大化が抑制される。
(ii)(M1,M2)Cの地鉄との格子非整合が小さくなるため、析出物の粗大化が抑制され、析出物が微細なままで安定に存在できる。
Ti−Vは安価に高強度鋼を実現できる組み合わせである。従来からもTiとVを複合添加する鉄鋼材料は数多くあるが、0.1mass%以下のVは低炭素鋼では析出への関与が不明確であった。本発明のようにTiを複合MC型炭化物生成におけるM1元素、VをM2元素という役割が明確になることで、Ti、Vを適切に複合添加することによりTiおよびVを含む炭化物の析出が可能となった。
Ti−(V,Mo)もTi−Vと同様の強化能を有する。Moは原子番号の高い元素であるため、Vと同じ原子%になるように添加するためには、質量でVの1.9倍添加する必要があり、Vよりも高価である。しかし、生成する(Ti,V,Mo)Cは(Ti,V)Cよりも高温かつ長時間の熱処理に対して安定で、微細なサイズを維持するメリットがある。鋼が高温で使用される場合にも強度低下を抑制することができる。
Ti−(V,W)も、Ti−Vと同様の強化能を有する。Wは原子番号の高い元素であるため、Vと同じ原子%になるように添加するためには、質量でVの3.6倍添加する必要があり、Vよりも高価である。しかし、生成する(Ti,V,W)Cは(Ti,V,Mo)Cよりも、さらに高温かつ長時間の熱処理に対して安定で、微細なサイズを維持するメリットがあり、高温で使用される鋼の活用に適している。
Ti−Taも、Ti−Vと同様の強化能を有する。Taは原子番号の高い元素であるため、Vと同じ原子%になるように添加するためには、質量でVの3.6倍添加する必要があり、Vよりも高価である。しかし、生成する(Ti,Ta)Cは極めて微細で、粗大化しない特徴を有し、熱間圧延条件の変動に対して安定に製造することができる利点を有する。
Hf−Taは、Ti−Taと同様の強化能を有する。Hfは原子番号の高い元素であるため、Tiと同じ原子%になるように添加するためには、質量でTiの3.7倍添加する必要があり、Tiよりも高価である。また、上記のようにTaも原子番号の高い元素であるため、Vよりも高価である。したがって、本成分系は安価製造の点からは有利とはいえない。しかし、生成する(Hf,Ta)Cは高温、長時間の熱処理でも粗大化が極めて遅く、製造条件の変動の影響を受けにくい上に、600℃付近までの高温強度が低下しにくい利点を有する。
Ti:0.01〜0.27%
Hf:0.04〜0.99%
Nb:0.02〜0.53%
V:0.01〜0.28%
Ta:0.04〜1.00%
Mo:0.02〜0.53%
W:0.04〜1.01%
(全てmass%)
Si:3%以下
Mn:2%以下
P:0.1%以下
S:0.01%以下
Al:0.1%以下
N:0.01%以下
Cr:1%以下
Ni:1%以下
(全てmass%)
その他:Fe+不可避不純物
本発明では、Cと上記M1およびM2とを所定比率で含有させた鋼を溶製した後、鋼スラブとし、この鋼スラブを未溶解炭化物が生じない温度に加熱した後、適宜の条件で熱間圧延、冷間圧延、熱処理等により鋼板を製造する過程で、鋼組織中に上記(M1,M2)Cで表される微細複合炭化物を析出させる。
ここでは、以下の組成A〜Cを基本組成とし、炭化物生成元素の添加量(原子%)の合計がCの添加量(原子%)を上回るように調製した材料を実験室溶解し炭化物構成元素の組み合わせによる鋼の強化の違いを検討した。
組成A:0.025C-0.2Si-1.0Mn-0.002N-0.001S
組成B:0.045C-0.2Si-1.4Mn-0.003N-0.001S
組成C:0.070C-0.2Si-1.5Mn-0.003N-0.001S
(いずれもmass%)
本発明者らは経験的に析出強化量(σ)として
σ(MPa)=5.9√f・ln(X/0.00025)/X
f:析出物の体積分率
X:析出物の平均粒径(μm)
(参考文献 「レスリー鉄鋼材料学」 幸田監訳 熊井・野田訳 丸善 p213)
が現実と比較的よい対応を示す結果を得ている。
Claims (18)
- 鋼組織中に炭化物を析出させてなる析出強化型高強度鋼板の設計方法であって、
炭化物を構成する金属元素として、電気陰性度が1.8未満でかつMC型炭化物を生成する1種または2種以上の第1の金属元素M1と、電気陰性度が1.8以上の1種または2種以上の第2の金属元素M2とを、前記第1の金属元素M1と前記第2の金属元素M2との原子半径差が10%未満となるような組み合わせで選択する第1工程と、
前記第1の金属元素M1および前記第2の金属元素M2を含む炭化物が生成されるように前記第1の金属元素M1、前記第2の金属元素M2、およびCの添加量を決定する第2工程と
を有することを特徴とする析出強化型高強度鋼板の設計方法。 - 前記第1の金属元素M1はTi、HfおよびNbのうち1種または2種以上であり、前記第2の金属元素M2は、V、Mo、TaおよびWのうち1種または2種以上であることを特徴とする請求項1に記載の析出強化型高強度鋼板の設計方法。
- 鋼組織中に炭化物を析出させてなる析出強化型高強度鋼板の設計方法であって、
炭化物を構成する金属元素として、Ti、HfおよびNbのうち1種または2種以上の第1の金属元素M1と、V、Mo、TaおよびWのうち1種または2種以上の第2の金属元素M2とを、前記第1の金属元素M1と前記第2の金属元素M2との原子半径差が10%未満となるような組み合わせで選択する第1工程と、
前記第1の金属元素M1および前記第2の金属元素M2を含む炭化物が生成されるように前記第1の金属元素M1、前記第2の金属元素M2、およびCの添加量を決定する第2工程と
を有することを特徴とする析出強化型高強度鋼板の設計方法。 - 前記第2工程は、前記第1の金属元素M1および前記第2の金属元素M2を含む炭化物の析出強化により目的の強化量が得られるように、前記第1の金属元素、前記第2の金属元素、およびCの添加量を決定することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の析出強化型高強度鋼板の設計方法。
- 前記第2工程は、Cの含有量が0.02mass%以上0.1mass%未満の範囲であり、前記第1の金属元素M1および前記第2の金属元素M2の合計の含有量(原子%)とCの含有量(原子%)との比(M1+M2)/Cが0.8以上となるように、前記第1の金属元素、前記第2の金属元素、およびCの添加量を決定することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の析出強化型高強度鋼板の設計方法。
- 請求項1から請求項5のいずれかに記載の析出強化型高強度鋼板の設計方法に基づいて鋼成分を決定し、その成分の鋼を製造することを特徴とする析出型高強度鋼板の製造方法。
- Cの含有量が0.02mass%以上0.1mass%未満の範囲であり、さらに、電気陰性度が1.8未満でかつMC型炭化物を生成する1種または2種以上の第1の金属元素M1と、電気陰性度が1.8以上でかつ原子半径が前記第1の金属元素M1の原子半径の0.9より大きく1.1未満である1種または2種以上の第2の金属元素M2とを含む鋼スラブを未溶解炭化物が残存しない温度に加熱し、その後鋼板を製造する過程で前記第1の金属元素M1と前記第2の金属元素M2とを含む炭化物を鋼組織中に析出させることを特徴とする析出強化型高強度鋼板の製造方法。
- 前記第1の金属元素M1はTi、HfおよびNbの1種または2種以上であり、前記第2の金属元素M2は、V、Mo、TaおよびWのうち1種または2種以上であることを特徴とする請求項7に記載の析出強化型高強度鋼板の製造方法。
- 前記スラブ加熱温度を1150℃以上1250℃以下とすることを特徴とする請求項8に記載の析出強化型高強度鋼板の製造方法。
- 鋼組織中に炭化物を析出させてなる析出強化型高強度鋼板であって、前記炭化物は、電気陰性度が1.8未満でかつMC型炭化物を生成する1種または2種以上の第1の金属元素M1と、電気陰性度が1.8以上でかつ原子半径が前記第1の金属元素M1の原子半径の0.9より大きく1.1未満である1種または2種以上の第2の金属元素M2とを含むことを特徴とする析出強化型高強度鋼板。
- 鋼組織中に炭化物を析出させてなる析出強化型高強度鋼板であって、前記炭化物は、Ti、HfおよびNbのうち1種または2種以上の第1の金属元素M1と、V、Mo、TaおよびWのうち1種または2種以上であって、かつ原子半径が前記第1の金属元素M1の原子半径の0.9より大きく1.1未満である第2の金属元素M2とを含むことを特徴とする析出強化型高強度鋼板。
- Cの含有量が0.02mass%以上0.1mass%未満の範囲であり、前記第1の金属元素M1および前記第2の金属元素M2の合計の含有量(原子%)とCの含有量(原子%)との比(M1+M2)/Cが0.8以上であることを特徴とする請求項10または請求項11に記載の析出強化型高強度鋼板。
- 前記鋼組織がフェライト単相であることを特徴とする請求項10から請求項12のいずれか1項に記載の析出強化型高強度鋼板。
- フェライト単相組織中にTiとVとを含む炭化物が析出してなることを特徴とする析出強化型高強度鋼板。
- フェライト単相組織中にTiとVとMoとを含む炭化物が析出してなることを特徴とする析出強化型高強度鋼板。
- フェライト単相組織中にTiとVとWとを含む炭化物が析出してなることを特徴とする析出強化型高強度鋼板。
- フェライト単相組織中にTiとTaとを含む炭化物が析出してなることを特徴とする析出強化型高強度鋼板。
- フェライト単相組織中にHfとTaとを含む炭化物が析出してなることを特徴とする析出強化型高強度鋼板。
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