JP2005264176A

JP2005264176A - 加工性の良好な高強度鋼およびその製造方法

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Publication number: JP2005264176A
Application number: JP2004074088A
Authority: JP
Inventors: Yasunobu Nagataki; 康伸長滝; Masaaki Fujioka; 政昭藤岡; Naoyuki Sano; 直幸佐野; Hiroshi Yaguchi; 浩家口
Original assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Corp; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2024-03-16
Also published as: JP4308689B2

Abstract

【課題】建築材料あるいは自動車の構造用部品や補強部材などへの高強度鋼の適用範囲を飛躍的に増大させることができ、建築物の耐震性向上や、自動車の軽量化への貢献による省エネルギー化を図ることができる。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０６〜０．３％、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：１〜３％、Ｃｕ：２〜５％を満たす成分を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼で、その金属組織が焼戻しマルテンサイトを主体とする組織であって、該組織中に粒径１〜１００ｎｍの微細析出Ｃｕ粒子が分散している。
【選択図】なし

Description

この発明は、加工性の良好な高強度鋼、特に、建築材料あるいは自動車の構造用部品や補強部材などに適用される、加工性の良好な高強度鋼に関するものである。

建築物の耐震性能向上あるいは自動車に対する軽量化や衝突安全性のニーズの高まりを背景として、引張強度７８０ＭＰａを超える超高強度鋼板の適用が拡大している。このような社会ニーズを背景として、加工性に優れた超高強度鋼板に関する発明が数多く開示されている。

一方、近年、自動車産業を含めて鉄鋼材料では、リサイクル事業が本格化しており、除去不可能なＣｕやＳｎといったトランプエレメントを逆に有効活用することもニーズとして高まってきている。特にＣｕについては、比較的多量のＣｕを固溶させられ、析出強化鋼の成分設計に活用し得ることから、Ｃｕ添加高強度鋼に関しては、これまで、多くの発明が開示されている。特許文献１および特許文献２にＣｕ添加高強度鋼が開示されている。

しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示されているＣｕ添加高強度鋼は、Ｃｕ添加量を高々２％、大半は１．５％程度までを検討の上限としたもので、強度レベルの面でも５９０ＭＰａクラスのものが中心である。すなわち、これまでのＣｕ添加高強度鋼は、Ｃｕの本来有する高強度鋼への適用の最大限化を必ずしも明確にしたものではない。

特開平９−２４１７９３号公報特表平１０−５０９７６８号公報

この発明は、上記先行技術の実態を鑑み、高強度鋼へのＣｕ適用の最大限化について鋭意検討し、近年各分野にて需要の高まる加工性の良好な高強度鋼板を得ることを課題とする。

本発明者らは、上述したように、高強度鋼の加工性へのＣｕ適用の最大限化について、Ｃｕ添加量、Ｃｕ粒子析出母相の影響、析出温度と時間との影響およびこれらの機械的性質に及ぼす影響について鋭意検討した。この結果、下記（１）から（４）の知見を得た。

（１）Ｃｕの析出速度、分布形態を制御するには、析出母相の転位密度制御が重要で、転位密度を上昇させることで、より速く、より均一微細にＣｕを鋼中に分散することができる。特に、鋼の高温からの急冷相変態であるマルテンサイト変態を活用することで、均一な高転位密度の導入が可能であり、これを母相とすることで、理想的なＣｕの分散状態が得られる。

（２）母相を制御する鋼成分の中では、特に焼入れ性を高めるＭｎとマルテンサイトの転位密度を高めるＣの影響が大きい。特にＣについては、ある下限値以下になるとＣｕの均一微細な析出分散が不十分となる。

（３）上述の知見より、マルテンサイト組織を母相に、特定温度にてＣｕ時効処理を施すことで、鋼中に軟質なＣｕ粒子が均一微細に分散し、かつ、同時に母相は適度に焼戻されて加工性の回復した焼戻しマルテンサイトとなり、高強度ながら延性が極めて良好な材質を得られる。ただし、適正な時効時間を過ぎて時効すると、Ｃｕ粒子の粗大化とマトリクスの過剰回復による強度の低下が著しく、良好な強度−延性バランスが保たれなくなるので、時効温度と時間については、Ｃｕ添加量に応じて精密な制御が必要である。

（４）また、上記のような延性向上効果は、Ｃｕ添加量に強く依存し、Ｃｕ添加量の増大にともない材料の強度−延性バランスは向上する。その効果は２％を超えて顕著となる。なお、析出Ｃｕ粒子の粒径は小さすぎても、粗大化しすぎても析出強化能が不十分となるため、粒径は１〜１００ｎｍが適正値である。

この発明は、上述した知見に基づきなされたものであって、下記を特徴とするものである。

請求項１記載の発明は、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．３％、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：１〜３％、Ｃｕ：２〜５％を満たす成分を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼で、その金属組織が焼戻しマルテンサイトを主体とする組織であって、該組織中に粒径１〜１００ｎｍの微細析出Ｃｕ粒子が分散していることに特徴を有するものである。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の成分を有する鋼を、Ａｒ₃変態点以上にて仕上げ圧延後、３０℃／sec以上の冷却速度で３００℃以下まで冷却し、その後、４００〜７００℃で下記（１）式によって定まる時間（ｔ(A)min）、時効処理し、かくして、金属組織が焼戻しマルテンサイトを主体とする組織であって、該組織中に粒径１〜１００ｎｍの微細析出Ｃｕ粒子が分散していることに特徴を有するものである。

{(631-14.5×Cu)-T}/(8.7×Cu+76.9)≦ln(t(A))≦{(705-7×Cu)-T}/(1.1×Cu+35.5)
---（１）
但し、（１）式において、Ｃｕ：Ｃｕ添加量（質量％）、ｔ(A)：時効時間（min）、Ｔ：時効温度（℃）である。

請求項３記載の発明は、請求項１に記載の成分を有する鋼を、Ａｒ₃変態点以上にて仕上げ圧延後、酸洗、あるいはさらに３０％以上の冷圧率で冷間圧延し、８００℃以上に均熱後３０℃／sec以上の冷却速度で３００℃以下まで冷却し、その後、４００〜７００℃で下記式によって定まる時間（ｔ(A)min）、時効処理し、かくして、金属組織が焼戻しマルテンサイトを主体とする組織であって、該組織中に粒径１〜１００ｎｍの微細析出Ｃｕ粒子が分散していることに特徴を有するものである。

この発明によれば、建築材料あるいは自動車の構造用部品や補強部材などへの高強度鋼の適用範囲を飛躍的に増大させることができ、建築物の耐震性向上や、自動車の軽量化への貢献による省エネルギー化を図ることができる。

この発明における成分限定理由について述べる。なお、各成分添加量の％は、何れも質量％である。

（Ｃ：０．０６〜０．３％）
上述した通り、Ｃは、マルテンサイト変態時に鋼中に高密度の転位を導入する上で、必須の元素である。すなわち、下限は、時効過程において析出Ｃｕ粒子を均一に分散させるために最低限必要なＣ量であり、上限は、これ以上添加しても効果が飽和するために規定する。

（Ｓｉ：２％以下）
Ｓｉは、過剰に添加すると、鋼の靭性を劣化させるため上限を２％に規定する。

（Ｍｎ：１〜３％）
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を確保してマルテンサイト組織を得るために必須の元素である。すなわち、下限は、マルテンサイト組織を得るための最低限量として、また、上限は、これ以上添加しても効果が飽和するために規定する。

（Ｃｕ：２〜５％）
Ｃｕは、この発明において極めて重要な添加元素である。上述した通り、Ｃｕ添加量が２％未満であると、析出するＣｕ量が不十分となり、所望の効果が得られなくなるため、また、５％を超えて添加しても効果が飽和するため、これを上限とする。

Ｐ、Ｓは、特に規定していないが、何れも含有量が高くなると、鋼の靭性や加工性が劣化して好ましくないので、それぞれ０．０８％以下、０．０１％以下であることが望ましい。

また、sol.ＡｌとＮとは、通常の鋼に含有される量であれば、この発明の効果を損なわず、それぞれ０．１％以下、０．００７％以下であれば良い。

上記成分組成以外の残部は、実質的にＦｅおよび不可避的不純物とする。なお、この発明の作用効果を害さない範囲で、微量元素を含有することは許される。

この発明の効果を得るには、上記のごとく鋼成分を限定した上で、前述したように組織を焼戻しマルテンサイトを主体とする組織として、均一微細にＣｕ分子を分散させる必要がある。焼戻しマルテンサイトを主体とする組織とは、焼戻しマルテンサイトの体積率が７０％以上で、残部フェライト組織から成る組織である。焼戻しマルテンサイトの体積率が７０％未満では、Ｃｕ粒子の析出が焼戻しマルテンサイトの分布に対応して不均一となり、加工性が劣化する。また、Ｃｕ粒子径については、小さすぎても粗大化しすぎても強化能が低下して、強度−延性バランスは劣化する。このため、Ｃｕ粒子径は、１〜１００ｎｍの範囲内とする。

次に、この発明の鋼板の製造法に関して説明する。

まず、鋳造後、熱間圧延を行う。加熱温度は、以降の圧延に支障をきたさなければ特段不都合は生じなく、１１００〜１３００℃の範囲内であれば良い。続く仕上げ熱間圧延では、仕上げ温度がＡｒ₃変態点未満であると、組織の不均一が助長されて加工性に悪影響を及ぼすので、下限をＡｒ₃変態点とする。仕上げ圧延後は、冷却を行うが、熱間圧延後にマルテンサイト組織を得る場合には、熱延終了後の冷却速度を３０℃／sec 以上として、３００℃以下まで冷却する必要がある。冷却速度が３０℃／sec 未満であったり、冷却停止温度が３００℃を超えると、マルテンサイト組織が十分得られなくなり、この発明の効果が得られなくなる。

熱間圧延時にマルテンサイト組織を得ずに、その後、酸洗あるいは冷間圧延を経た後、焼入れ−時効処理を行う場合には、熱延後の熱履歴は特に制限は必要ない。

熱間圧延後に酸洗あるいは冷間圧延を経た後、焼入れ−時効処理を行う場合には、まず、マルテンサイト組織を得るため、８００℃以上に均熱後、３０℃／sec以上の冷却速度で３００℃以下まで冷却する。冷却速度の下限は、これ以下ではマルテンサイト組織を得られないため規定する。均熱後の急速冷却は、均熱後に直ちに行ってもよいが、パーライトが析出しない範囲で急冷開始温度を下げても良い。この場合、急冷開始温度は６００℃を下回らないことが必要である。

なお、熱間圧延時あるいはその後の熱処理によりマルテンサイトを得る場合の冷却速度については３０℃／sec以上と規定したが、好ましくは１００℃／sec以上として、より均一なマルテンサイト組織を得ることが望ましい。

上記のように熱間圧延後、あるいはさらに酸洗・冷圧後、マルテンサイト組織を得た後、Ｃｕ粒子を均一微細に分散させるとともにマルテンサイト組織を適度に焼戻すため、所定の温度と時間で時効処理を行う。冷間圧延率は３０％以上として、組織の不均一が生じないようにする必要がある。時効温度は４００〜７００℃とするが、これは４００℃未満ではＣｕ粒子の析出およびマルテンサイトの焼戻しが不十分となり、良好な強度−延性バランスが得られなくなり、また、７００℃を超えて時効すると、析出するＣｕ粒子が極端に粗大化するとともに、マルテンサイト組織も過剰に焼戻されて強度低下が著しくなるためである。

時効時間については、Ｃｕ添加量と時効温度とによって、最適なＣｕ粒子分散形態を得るための条件が異なってくるため、仔細な制御が必要になる。この条件は、種々Ｃｕ添加量の異なる鋼を時効時間毎に特性を仔細に調査することで明らかとすることができた。

具体的には、下記（１）式にて最適時効時間が与えられる。

{(631-14.5×Cu)-T}/(8.7×Cu+76.9)≦ln(t(A))≦{(705-7×Cu)-T}/(1.1×Cu+35.5)
---（１）
但し、上記（１）式において、
Ｃｕ：Ｃｕ添加量（質量％）、
ｔ(A)：時効時間（min）、
Ｔ：時効温度（℃）
である。

上記（１）式によれば、Ｃｕ添加量が多くなるほど、また、時効温度が高くなるほど、最適時効時間は短時間側に移行する。これは、Ｃｕ添加量が多くても、また時効温度が高くても、Ｃｕ粒子の析出する速度が大きくなり、粗大化も速く進行するため、これらの条件に応じて時効処理を制御する必要があるためである。

その他、特に言及していないが、造塊あるいは連続鋳造によるスラブ製造法や、熱延での粗熱延バー接続による連続熱延、また、熱間圧延過程でのインダクションヒーターを利用した２００℃以内の昇温などは、この発明の効果に対して影響を及ぼさない。

以下に、この発明を実施例によりさらに説明する。

まず、表１に成分を示す本発明成分鋼Ａ〜Ｍと比較成分鋼ａ〜ｈとを準備し、１１００℃で加熱した後、仕上げ温度８７０℃で熱延を行った。続いて、表２に示す条件で一部は熱延終了後、一部は酸洗あるいは冷間圧延して種々の条件で時効処理を行った。また、これらの鋼材より圧延直角方向にＪＩＳ５号試験片を採取して、引張試験を行った結果、組織観察結果、および析出Ｃｕ粒子の粒径測定結果を合わせて表２に示す。図１には、強度−延性バランスの指標であるＴＳ×Ｅｌ値に及ぼすＣｕ添加量の影響を示す。

表２および図１から明らかなように、鋼成分と組織および析出Ｃｕ粒子径とを本発明範囲内に制御することにより、引張強度が１０００ＭＰａを超える超高強度とともにＴＳ×Ｅｌ値で１８０００を超える良好な加工性を有する鋼材が得られていることがわかる。これに対して、成分が本発明範囲外の鋼や、成分が範囲内にあるものの製造条件が本発明範囲外である鋼の場合、ＴＳ×Ｅｌ値は１７０００を下回っていることがわかる。

強度−延性バランスの指標であるＴＳ×Ｅｌ値に及ぼすＣｕ添加量の影響を示すグラフである。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０６〜０．３％、
Ｓｉ：２％以下、
Ｍｎ：１〜３％、
Ｃｕ：２〜５％
を満たす成分を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼で、その金属組織が焼戻しマルテンサイトを主体とする組織であって、該組織中に粒径１〜１００ｎｍの微細析出Ｃｕ粒子が分散していることを特徴とする、加工性の良好な高強度鋼。
請求項１に記載の成分を有する鋼を、Ａｒ₃変態点以上にて仕上げ圧延後、３０℃／sec以上の冷却速度で３００℃以下まで冷却し、その後、４００〜７００℃で下記（１）式によって定まる時間（ｔ(A)min）、時効処理することを特徴とする、加工性の良好な高強度鋼の製造方法。
{(631-14.5×Cu)-T}/(8.7×Cu+76.9)≦ln(t(A))≦{(705-7×Cu)-T}/(1.1×Cu+35.5)
---（１）
但し、上記（１）式において、
Ｃｕ：Ｃｕ添加量（質量％）、
ｔ(A)：時効時間（min）、
Ｔ：時効温度（℃）
である。
請求項１に記載の成分を有する鋼を、Ａｒ₃変態点以上にて仕上げ圧延後、酸洗、あるいはさらに３０％以上の冷圧率で冷間圧延し、８００℃以上に均熱後、３０℃／sec以上の冷却速度で３００℃以下まで冷却し、その後、４００〜７００℃で下記（１）式によって定まる時間(t(A)min)、時効処理することを特徴とする、加工性の良好な高強度鋼の製造方法。
{(631-14.5×Cu)-T}/(8.7×Cu+76.9)≦ln(t(A))≦{(705-7×Cu)-T}/(1.1×Cu+35.5)
---（１）
但し、上記（１）式において、
Ｃｕ：Ｃｕ添加量（質量％）、
ｔ(A)：時効時間（min）、
Ｔ：時効温度（℃）
である。