JP2007119889A - 高靭性高張力鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.05〜0.15%、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.4〜2.0%、Cr:0.03〜1.0%、Mo:0.05〜0.80%、Al:0.005〜0.1%、N: 0.007%以下を含有する組成の鋼片を、1000℃以上1300℃以下の温度に加熱し、製品板厚となるまで熱間圧延し、引続き鋼板の平均温度がAr3変態点以上の温度から(Ms点+40℃)〜(Ms点−100℃)の温度範囲の温度まで冷却し、冷却停止する。冷却停止から30秒間以上空冷または徐冷した後、表面の最高到達温度が400℃以上Ac1変態点以下の温度に急速加熱する焼戻処理を施す。これにより、板厚方向のいずれの位置においても所望の強度を有し、靭性に優れた高張力鋼板を高い生産能率で製造できる。
【選択図】なし
Description
このような要求に対し、例えば、特許文献1には、C、Si、Mn、Nb、Ti、Cu、Ni、Al、Nを適正量に調整した鋼を、加熱したのち、900℃以下の温度で累積圧下率50%以上の圧下を加え、900℃〜Ar3変態点の温度で圧延を完了し、直ちに580〜300℃の温度まで加速冷却し、冷却後該温度域で等温保持、または該温度域で0.5℃/s以下の冷却速度で冷却し、ついでAc3変態点〜(Ac3変態点+100℃)の温度域に再加熱したのち焼入れし、その後焼戻す、780MPa級高張力鋼の製造方法が提案されている。しかし、特許文献1に記載された技術では、900℃以下の温度で累積圧下率50%以上という通常より低い温度で負荷の大きい圧延が必要であるとともに、これら一連の複雑な処理を必要とするため、生産能率が低下し製造コストが増大するという問題があった。
(1)質量%で、C:0.05〜0.15%、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.4〜2.0%、Cr:0.03〜1.0%、Mo:0.05〜0.80%、Al:0.005〜0.1%、N:0.007%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、表面および裏面からそれぞれ鋼板の板厚(mm)×0.2の範囲の表層部が、焼戻マルテンサイト相を主相とし、表層部全体の平均で下部ベイナイト相を5体積%以上含む組織を有し、前記表層部以外の中央部が、40体積%超えの下部ベイナイト組織を有することを特徴とする引張強さが780MPa以上の高靭性高張力鋼板。
a群:Ni:0〜3.5%、Cu:0.1〜1.0%、V:0.005〜0.1%、B:0.0005〜0.003%のうちから選ばれた1種または2種以上、
b群:Ti:0.005〜0.03%、Nb:0.005〜0.05%のうちから選ばれた1種または2種、
c群:Ca:0.0005〜0.01%、
のうちから選ばれた1群または2群以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項1に記載の高靭性高張力鋼板。
(5)(3)または(4)において、前記組成に加えてさらに、質量%で、次a群〜c群
a群:Ni:0〜3.5%、Cu:0.1〜1.0%、V:0.005〜0.1%、B:0.0005〜0.003%のうちから選ばれた1種または2種以上、
b群:Ti:0.005〜0.03%、Nb:0.005〜0.05%のうちから選ばれた1種または2種、
c群:Ca:0.0005〜0.01%、
のうちから選ばれた1群または2群以上を含有する組成とすることを特徴とする高靭性高張力鋼板の製造方法。
C:0.05〜0.15%
Cは、高張力鋼板としての母材強度確保に有効な元素であり、本発明では0.05%以上の含有を必要とする。C含有量が0.05%未満では、焼入れ性が低下し、強度確保のために、Cu、Ni、Cr、Moなどの焼入性向上元素の多量含有を必要とし、溶接性が低下するとともに、製造コストの高騰を招く。一方、0.15%を超える含有は、溶接性を著しく低下させることに加え、溶接継手部の靭性低下を招く。このため、Cは0.05〜0.15%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.08〜0.14%である。
Siは、母材強度および溶接継手強度を確保する上で有効な元素であり、本発明では0.05%以上の含有を必要とする。しかし、0.50%を超える多量の含有は、溶接性の低下と溶接継手部の靭性低下を招く。このため、Siは0.05〜0.50%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.05〜0.40%である。
Mnは、母材強度および溶接継手強度を確保する上で有効な元素であり、本発明では0.4%以上の含有を必要とする。しかし、2.0%を超える多量の含有は、溶接性を低下させ、必要以上の焼入性向上をもたらし、母材靭性および溶接熱影響部の靭性を低下させる。このため、Mnは、0.4〜2.0%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.5〜1.7%である。
Crは、焼入性を高め、鋼板の強度確保のために有効な元素であり、本発明では0.03%以上の含有を必要とする。一方、1.0%を超える過剰な含有は溶接熱影響部を硬化させ、溶接性および溶接熱影響部の靭性を低下させる。このため、Crは0.03〜1.0%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.1〜0.7%である。
Moは、焼入性を向上させ、さらに析出物を形成して鋼板の強度確保に有効な元素であり、本発明では0.05%以上の含有を必要とする。しかし、0.80%を超える多量の含有は、溶接性を低下させ、必要以上に焼入性を向上させる。このため、Moは0.05〜0.80%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.05〜0.75%である。
Alは、鋼の脱酸剤として作用するとともに、Nと結合し結晶粒を微細化し、母材靭性の向上に寄与する元素であり、脱酸剤としては0.005%以上の含有で効果が認められるが、結晶粒微細化のためには0.010%程度以上の含有を必要とする。しかし、0.1%を超える含有は、母材靭性を低下させる。このため、Alは0.005〜0.1%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.010〜0.06%である。
Nは、不可避的に混入するが、Alと反応して析出物(AlN)を形成し、結晶粒を微細化し、母材靭性を向上させる。また、Nは、他の合金元素と結合して析出物(窒化物、炭窒化物)を形成し、鋼板強度向上に寄与するため、このような目的で添加するようにしてもよい。一方、0.007%を超える含有は、むしろ母材靭性および溶接熱影響部の靭性を低下させる。このため、Nは0.007%以下に限定した。
a群:Ni:0〜3.5%、Cu:0.1〜1.0%、V:0.005〜0.1%、B:0.0005〜0.003%のうちから選ばれた1種または2種以上
a群のNi、Cu、V、Bはいずれも、鋼板の母材強度を向上させる元素であり、選択して含有できる。
Vは、鋼板の母材強度を向上させる元素である。このような効果は0.005%以上の含有で顕著となる。一方、0.1%を超える含有は溶接性を低下させる。このため、Vは、含有する場合には0.005〜0.1%の範囲とすることが好ましい。
b群のTi、Nbはいずれも、組織微細化に寄与する元素であり、必要に応じて選択して含有できる。
Tiは、析出物を形成し、組織を微細化させる元素であり、このような効果は0.005%以上の含有で顕著となるが、0.03%を超える含有は、鋼板の母材靭性を低下させる。このため、Tiは、含有する場合には0.005〜0.03%の範囲とすることが好ましい。
c群のCaは、MnS等の、靭性に悪影響を及ぼす硫化物の形態を、圧延方向と垂直な方向の靭性向上に有利な球状に近い形態に制御する作用を有する元素であり、含有する場合には0.0005%以上とすることが好ましい。一方、0.01%を超える含有は、鋼の清浄性を低下させるとともに、内部欠陥発生の原因となる。このため、Caは、含有する場合には0.0005〜0.01%の範囲とすることが好ましい。
Pは、母材靭性および溶接熱影響部の靭性を低下させるため、できるだけ低減することが望ましいが、0.02%までは許容できる。また、Sは、介在物となり、清浄度を低下するとともに靭性を低下させる有害な元素であり、できるだけ低減することが望ましいが、0.005%までは許容できる。0.005%を超えて過剰に含有すると、清浄度が低下するとともに、Sを無害化するために必要なCa量が増加する。
表層部を上記した組織とすることに加えて、さらに本発明鋼板では、表層部以外の中央部を、40体積%超えの下部ベイナイト組織とする。なお、所望の母材強度に調整するために下部ベイナイト相は、焼戻された下部ベイナイト相とすることが好ましい。
まず、上記した組成の溶鋼を公知の溶製方法で溶製し、連続鋳造法、造塊−分塊圧延等の公知の方法で鋼片(スラブ)とする。得られた鋼片(スラブ)を出発素材とし、鋼片に、該鋼片を加熱し所望板厚の鋼板とする熱間圧延と、該熱間圧延後直ちに、該鋼板を冷却する冷却処理と、さらに該冷却処理に引き続き鋼板を再加熱する焼戻処理と、を順次施す。
熱間圧延は、鋼片(スラブ)を1000〜1300℃の温度に加熱し、所望板厚の鋼板に圧延する処理とする。鋼片(スラブ)の加熱温度が、1000℃未満では、鋼中の成分を均一化し、Mo、V、Nbなどの析出強化元素を固溶させることが不十分となり、所望の強度、靭性が確保できない。一方、鋼片(スラブ)の加熱温度が、1300℃を超えて高温になると、結晶粒が粗大化し、母材の靭性低下を招くおそれがある。このため、鋼片(スラブ)の加熱温度は1000〜1300℃とするのが好ましい。なお、より好ましくは1200℃以下である。本発明では、加熱温度以外の熱間圧延の条件はとくに限定する必要はないが、母材靭性を向上させ、安定的に維持する観点から、1050℃以下の温度域で累積圧下率20%以上の圧延を行うのが好ましい。これにより、オーステナイト(γ)粒の再結晶が促進され、組織が細粒化し、母材靭性の向上および安定化が図れる。なお、同様の効果を得るために、各圧延パス毎の圧下率を5%以上、好ましくは10%以上としてもよい。
熱間圧延後直ちに行う冷却処理は、鋼板の平均温度で、Ar3変態点以上の温度から冷却を開始し、(Ms点+40℃)〜(Ms点−100℃)の範囲の温度で冷却を停止したのち、冷却を停止してから30s間以上空冷または徐冷する処理とする。熱間圧延後の冷却開始温度は、鋼板の平均温度でAr3変態点以上の温度とする。冷却開始温度がAr3変態点未満の温度では、冷却開始前にフェライト変態が開始して、鋼板組織を所望の組織とすることができず、したがって、所望の母材強度および母材靭性を確保することができなくなる。なお、「平均温度」とは、板厚、表面温度および冷却条件等から、シミュレーション計算等により求められるものを用いることができるが、本発明では、差分法を用いて、板厚方向の温度分布を平均化することにより得られた温度を用いるものとする。
また、鋼板の冷却速度は、冷却によって、所望の焼入れ組織が得られる冷却速度であればよく、とくに限定する必要はないが、フェライトや上部ベイナイトが析出しない冷却速度である、上部臨界冷却速度以上の冷却速度とすることが好ましい。上部臨界冷却速度は、概ね5℃/sであるが、鋼板組成によって決まるため、予め実験などにより把握しておくことが好ましい。なお、この冷却速度は、鋼板の平均温度における冷却速度とする。
(ここで、C、Mn、Cr、Ni、Mo:各元素の含有量(質量%))
冷却処理においては、冷却を停止したのち、30s間以上、空冷または炉冷することが好ましい。これにより、下部ベイナイト変態が略完了し、鋼板中央部を、40体積%超えの下部ベイナイト組織とすることができる。なお、Ms点以下に冷却された場合には、一部、マルテンサイト変態が生じたのち、下部ベイナイト変態がほぼ完了するため、中央部の組織はマルテンサイト相を含む下部ベイナイト相を主相とする組織となる。冷却停止後の空冷または炉冷の時間が30s未満では、下部ベイナイト変態がほぼ完了しないため、その後の急速加熱焼戻処理により、未変態オーステナイトが高温で変態し、上部ベイナイト、島状マルテンサイトを生成するため、靭性が低下する。冷却停止後の空冷または炉冷の時間は、長時間としてもとくに問題はなく、上限を限定する必要はない。しかし、空冷または炉冷が長時間に及ぶと、鋼板の温度が低下しすぎて、その後の焼戻処理において、より多くのエネルギーを必要とするうえ、生産能率が低下する。このため、冷却停止後の空冷または炉冷の時間は、240s程度を上限とすることがより好ましい。
冷却処理に引続き、本発明では鋼板に焼戻処理を施す。本発明における焼戻処理では、表面の最高到達温度が400℃以上Ac1変態点以下の温度に急速加熱する急速加熱焼戻処理を施す。本発明では、鋼板に急速加熱焼戻処理を施し、とくに、冷却に際して生成された鋼板表層部のマルテンサイト相を主相とする組織を十分に焼戻し、焼戻マルテンサイト相を主相とする組織とする。急速加熱とすることにより、マルテンサイト相中にセメンタイトなどの炭化物が微細に析出し、徐加熱する場合より焼戻処理後の靭性向上は顕著となる。本発明で、とくに表層部を十分に焼戻すのは、鋼板中央部の組織が、下部ベイナイト相を主相とする組織であるため、焼戻処理を施さなくても優れた靭性を有しているためである。これにより、靭性が顕著に向上するとともに、780MPa級以上の高張力鋼板としての適正な母材強度が確保できる。
なお、鋼板の中央部は下部ベイナイト相を主相とする組織であるため、焼戻さなくても良好な靭性が得られるが、所望の母材強度を得るために、焼戻に際して適正な中心部温度とすることが好ましい。
(1)組織調査
得られた各厚鋼板の板厚1/2t部(中央部)、および表面から(板厚×0.2)の領域(表層部)から、試験片を採取し、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡を用いて、組織観察を行い、各部における組織分率(体積%)を求めた。組織分率(体積%)は、顕微鏡観察により得られた面積分率(面積%)を体積分率(体積%)に変換することにより求めた。なお、下部ベイナイト相は、セメンタイトの分散状態から、マルテンサイト相(焼戻マルテンサイト相)と区別した。
得られた各厚鋼板の板厚1/2t部から、引張試験片(JIS4号試験片)を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、降伏強さYS、引張強さTSを求めた。
(3)シャルピー衝撃試験
得られた各厚鋼板の表面下6mm、および板厚1/2tの位置を中心として、シャルピー衝撃試験片(Vノッチ試験片)を採取し、JIS Z 2242−2005の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を実施し、破面遷移温度vTrsを求めた。
冷却の停止温度が本発明の好適範囲を高く外れた比較例(鋼板No.4、No.22)は、鋼板の表層部および中央部で所定の下部ベイナイト相分率が確保できず、強度、靭性がともに低下している。また、冷却の停止温度が本発明の好適範囲を低く外れた比較例(鋼板No.7、No.8、No.23)は、鋼板の表層部および中央部で所定の下部ベイナイト相分率が確保できず、マルテンサイト相主体の組織となっているため、強度は高いが、靭性が低下している。
また、冷却停止後、焼戻処理を施さず空冷した比較例(鋼板No.15)は、とくに表層部のマルテンサイト相が急速加熱焼戻処理を受けておらず、表層部の靭性の低下が著しい。なお、この製造工程では空冷時間が長いため、生産能率が低下する。
2 バーナ炎
10 誘導加熱装置
30 テーブルローラ
Claims (5)
- 質量%で、
C:0.05〜0.15%、 Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.4〜2.0%、 Cr:0.03〜1.0%、
Mo:0.05〜0.80%、 Al:0.005〜0.1%、
N:0.007%以下
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、表面および裏面からそれぞれ鋼板の板厚(mm)×0.2の範囲の表層部が、焼戻マルテンサイト相を主相とし、表層部全体の平均で下部ベイナイト相を5体積%以上含む組織を有し、前記表層部以外の中央部が、40体積%超えの下部ベイナイト組織を有することを特徴とする引張強さが780MPa以上の高靭性高張力鋼板。 - 前記組成に加えてさらに、質量%で、下記a群〜c群のうちから選ばれた1群または2群以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項1に記載の高靭性高張力鋼板。
記
a群:Ni:0〜3.5%、Cu:0.1〜1.0%、V:0.005〜0.1%、B:0.0005〜0.003%のうちから選ばれた1種または2種以上、
b群:Ti:0.005〜0.03%、Nb:0.005〜0.05%のうちから選ばれた1種または2種、
c群:Ca:0.0005〜0.01% - 鋼片に、該鋼片を加熱し所望板厚の鋼板とする熱間圧延と、該熱間圧延後直ちに、該鋼板を冷却する冷却処理と、さらに該冷却処理に引き続き鋼板を再加熱する焼戻処理と、を順次施す高張力鋼板の製造方法において、前記鋼片を、質量%で、
C:0.05〜0.15%、 Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.4〜2.0%、 Cr:0.03〜1.0%、
Mo:0.05〜0.80%、 Al:0.005〜0.1%、
N:0.007%以下
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼片とし、
前記熱間圧延を、前記鋼片を1000〜1300℃の温度に加熱し、所望板厚の鋼板とする熱間圧延を行う処理とし、
前記冷却処理を、前記鋼板の平均温度でAr3変態点以上の温度から冷却を開始し、(Ms点+40℃)〜(Ms点−100℃)の範囲の温度で冷却を停止したのち、該冷却を停止してから30s間以上空冷または徐冷する処理とし、
前記再加熱処理を、表面の最高到達温度が400℃以上Ac1変態点以下の温度に急速加熱する急速加熱焼戻処理とすることを特徴とする引張強さが780MPa以上の高靭性高張力鋼板の製造方法。 - 前記冷却処理における冷却を、上部臨界冷却速度以上で行う処理とし、前記焼戻処理における前記急速加熱を、板厚中心部で、1℃/s以上の加熱速度で行う処理とする、ことを特徴とする請求項3に記載の高靭性高張力鋼板の製造方法。
- 前記組成に加えてさらに、質量%で、下記a群〜c群のうちから選ばれた1群または2群以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項3または4に記載の高靭性高張力鋼板の製造方法。
記
a群:Ni:0〜3.5%、Cu:0.1〜1.0%、V:0.005〜0.1%、B:0.0005〜0.003%のうちから選ばれた1種または2種以上、
b群:Ti:0.005〜0.03%、Nb:0.005〜0.05%のうちから選ばれた1種または2種、
c群:Ca:0.0005〜0.01%
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