JP2007321168A

JP2007321168A - 高剛性低密度鋼板およびその製造方法

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Publication number: JP2007321168A
Application number: JP2006149204A
Authority: JP
Inventors: Taro Kizu; 太郎木津; Isato Saito; 勇人齋藤; Kaneharu Okuda; 金晴奥田; Yoshihiro Hosoya; 佳弘細谷
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: JP4797807B2

Abstract

【課題】密度が低く、かつ高いねじり剛性を有し、これにより鋼板の軽量化を可能とする、高剛性低密度鋼板およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】化学成分として、mass％で、C：0.20％以下、Si：2％以下、Mn：3.5％以下、P：0.05％以下、S：0.01％以下、Al：2.5〜10.0％、N：0.01％以下を含有し、残部は鉄および不可避的不純物からなる組成を有し、密度が7.6g/cm³以下であり、（001）[0-10]方位のODF解析強度が2.5以上であることを特徴とする高剛性低密度鋼板、および前記の組成を有する鋼スラブを、熱間圧延工程において、890℃以下での総圧下率を50％以上として熱間仕上げ圧延を行なったのち、500℃以上で巻取り、次いで圧下率30〜80％で冷間圧延を行い、750〜1000℃で焼鈍を行なうことを特徴とする高剛性低密度鋼板の製造方法を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として自動車の車体用として用いるのに好適な、低密度で剛性に優れた鋼板およびその製造方法に関する。本発明の高剛性低密度鋼板は、ねじり剛性が必要な部品に広く適し、特に自動車の骨格部品、パネル部品に好適に使用できるものである。

自動車を軽量化することで、燃費や操舵性を向上させることができるため、自動車用鋼板の軽量化は重要な課題である。従来より、鋼板の高強度化（ハイテン化）による薄肉化・軽量化がおこなわれているが、一方で、薄肉化は、車体剛性の低下を招くため、衝突安全性の低下等の問題が発生する恐れがある。

そこで、鋼板の密度を小さくすることで、軽量化しようとする試みがある。例えば、フェライト安定化元素であるAlを0.5〜5.0％添加することで低密度化するとともに、オーステナイト安定元素であるC、Mnを同時に添加することで、熱間圧延時にフェライト単相になるのを避け、γ→α変態を利用することで細粒化し、成形性を向上させる成形用軽量高強度鋼板の技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、Alを3.0〜10.0％添加することで、低密度化するとともに、Al添加に伴う粒界脆化は、Pを0.1％以下、Sを0.01％以下とすることで抑制できる、高強度低比重鋼板の技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

一方で、Alを添加した軽量鋼板では、鋼板の剛性（弾性率）が低下してしまうという問題がある（例えば、非特許文献１参照。）。
特開平４−３１８１５０号公報特開２００５−１５９０９号公報 La Revue de Metallurgie-CIT October ２０００年、ｐ．１２４５―１２５３

自動車の車体用として用いる鋼板には剛性が必要であり、自動車の骨格部品、パネル部品等に用いる鋼板は、特にねじり剛性に優れていることが望ましいとされている。しかし、上記のように、鋼板の密度を低下させるためにFeにAlを添加すると、鋼板の剛性が低下してしまうため、特許文献１、特許文献２等に記載の鋼板を自動車用部品として用いる際には、剛性を確保するために、板厚を大きくする必要があることから、質量が増加してしまい、結果として鋼板の軽量化は困難である。

このように、従来技術では、低密度と高剛性を両立させることは非常に困難である。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、密度が低く、かつ高いねじり剛性を有し、これにより鋼板の軽量化を可能とする、高剛性低密度鋼板およびその製造方法を提供することにある。

本発明者らは上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、以下のような事実を見出した。

すなわち、ねじり剛性の指標である剪断弾性率は、集合組織に大きく支配され、原子の最稠密方向に応力が働く場合に最も高くなる。そして、ねじり変形の場合には（001）[0-10]方位を発達させることで、とくに、圧延方向、および、圧延直角方向の剪断弾性率を向上させることができることを知見した。

そして、Al添加により低密度化した鋼を、890℃以下のフェライト単相域で大圧下をおこない、500℃以上で巻取ることで、圧延フェライトの回復、再結晶を促進し、その後の冷間圧延で集合組織を鮮鋭化した後、再結晶焼鈍をおこなうことで、（001）[0-10]方位の組織を発達させ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きなされたもので、その特徴は以下の通りである。
（１）、化学成分として、mass％で、C：0.20％以下、Si：2％以下、Mn：3.5％以下、P：0.05％以下、S：0.01％以下、Al：2.5〜10.0％、N：0.01％以下を含有し、残部は鉄および不可避的不純物からなる組成を有し、密度が7.6g/cm³以下であり、（001）[0-10]方位のODF解析強度が2.5以上であることを特徴とする高剛性低密度鋼板。
（２）、さらに、化学成分として、mass％で、Ti：0.01〜0.20％、Nb：0.005〜0.20％、V：0.01〜0.20％のいずれか１種以上を含有することを特徴とする（１）に記載の高剛性低密度鋼板。
（３）、さらに、化学成分として、mass％で、Cr：0.05〜1.0％、Ni：0.05〜1.0％、Mo：0.05〜1.0％、B：0.0005〜0.0030％のいずれか１種以上を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載の高剛性低密度鋼板。
（４）、さらに、化学成分として、mass％で、Cu：0.1〜2.0％を含有することを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の高剛性低密度鋼板。
（５）、さらに、化学成分として、mass％で、W：0.1〜2.0％を含有することを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の高剛性低密度鋼板。
（６）、（１）ないし（５）のいずれかに記載の組成を有する鋼スラブを、熱間圧延工程において、890℃以下での総圧下率を50％以上として熱間仕上げ圧延を行なったのち、500℃以上で巻取り、次いで圧下率30〜80％で冷間圧延を行い、750〜1000℃で焼鈍を行なうことを特徴とする高剛性低密度鋼板の製造方法。

なお、本発明の鋼板は、冷延鋼板としてそのまま用いる以外に、合金化を含む溶融亜鉛めっき材や電気亜鉛めっき材などの表面処理を施した鋼板としても、使用することができる。

本発明によれば、Al添加により低密度化した鋼スラブを、熱間圧延において、890℃以下での総圧下率を50％以上としたのち、500℃以上で巻取り、冷間圧延後、再結晶焼鈍をおこなうことで、剪断弾性率の向上に有利な方位を発達させることができ、密度が低く、かつ高いねじり剛性を有する鋼板を製造できる。これにより、自動車用の鋼板を軽量化することができ、工業上有効な効果がもたらされる。

まず、本発明の鋼板の化学成分の限定理由を説明する。以下の説明において％で示す単位は全てmass％である。

C：0.20％以下とする。
Cはセメンタイトを生成することで、強度上昇に寄与するため、要求する強度レベルに応じて含有させればよい。一方、C量が多くなると、Fe、Al、Cの複合炭化物が増加し、加工性が著しく低下するため、Cの上限は0.20％とする必要があり、好ましくは0.05％以下、より好ましくは0.01％以下である。なお、C量を極度に低減するには、大きなコストアップをともなうため、この観点からは、C量の下限は現状の段階では概ね0.001％程度である。

Si：2％以下とする。
Siは、固溶強化で高強度化に寄与するとともに、Feの密度を低下させることもできるため、要求する強度レベルに応じて添加することができる。一方、Siは、多量に添加した場合には、脆化によりスラブ割れを誘発する他、冷延鋼板として使用される場合には、表面に生成するSi酸化物が化成処理性を劣化させ、溶融亜鉛めっき鋼板として使用される場合には、表面に生成するSi酸化物が不めっきを誘発する。したがって、Siの含有量は2％以下とする必要があり、表面性状を必要とする鋼板や溶融亜鉛めっき鋼板の場合には、0.5％以下とすることが好ましい。

Mn：3.5％以下とする。
Mnは、固溶強化で高強度化に寄与するため、要求する強度レベルに応じて添加することができる。一方、多量のMn添加は、熱間圧延時および冷間圧延時における圧延荷重が著しく増大することで操業上の困難が伴う。したがって、Mn添加量は3.5％以下とする必要がある。なお、Mnには固溶SをMnSとして固定し、固溶Sによる熱間割れを抑制する等の効果もあるため、0.1％以上含有することが好ましい。

P：0.05％以下とする。
Pは粒界に偏析して、鋼板の延性、靭性を低下させる。また、合金化溶融亜鉛めっき鋼板として使用される場合には、Ｐにより合金化速度が遅滞してしまう。したがって、Pの添加量は0.05％以下とする必要がある。一方、Pは固溶強化元素として高強度化に有効な元素であり、さらにSiを添加した鋼においては赤スケールの発生を抑制する作用も有する。このような作用を得るためにはPは0.01％以上含有することが好ましい。

S：0.01％以下とする。
Sは、熱間での延性を著しく低下させることで、熱間割れを誘発し、表面性状を著しく劣化させる。さらに、Sは、強度にほとんど寄与しないばかりか、不純物元素として粗大なMnSを形成することにより、延性、穴広げ性を低下させる。したがって、S量は0.0１％以下とする必要があり、好ましくは、0.005％以下である。

Al：2.5〜10.0％とする。
Alは、低密度化に寄与する元素であるとともにフェライト生成元素でもあることから、熱間圧延での、フェライト域圧延を可能とし、その後の、冷延、焼鈍で、剪断弾性率の向上に有利な結晶方位を発達させることができる。そのため、Alの含有量を2.5％以上とする必要がある。鋼板を、より低密度化するためには、Alの含有量を5.0％以上とすることが好ましい。一方、多量のAl添加は、FeとAlの金属間化合物を生成させることで脆化を助長し、熱間、および、冷間圧延時の割れを誘発することから、Al量は10％以下とする必要がある。

N：0.01％以下とする。
Nは多量に含有すると、熱間圧延中にスラブ割れを伴い、表面疵が発生する恐れがある。したがって、N量は0.01％以下とする必要がある。

上記以外の残部はFeおよび不可避的不純物からなる。また、本発明の作用・効果を損なわない限り、他の微量元素を含有することも可能である。ここで、不純物元素としては、例えばSb、Sn、Zn、Co等が挙げられ、これらの含有量の許容範囲としては、Sb：0.01％以下、Sn：0.1％以下、Zn：0.01％以下、Co：0.1％以下である。また、その他の微量元素としては、例えばCa、REM等が挙げられ、これらの元素は、硫化物系介在物の形態を制御することで鋼板の伸びフランジ性向上に寄与する。したがって、特に限定はしないが、この効果を得るためには、Ca、REMのうち1種以上を含み、これらの含有量の合計を0.001％以上とするのが好ましい。またCa、REMの含有量の合計が0.01％を超えると効果が飽和することから、これらの含有量の合計は0.01％以下とするのが好ましく、より好ましくは、0.005％以下である。また、さらに剛性や強度を向上させる場合には上記化学成分の規定に加え、必要に応じて下記の成分を１種類以上添加してもよい。

本発明では、さらに、Ti、Nb、Vのいずれか１種以上を含有してもよい。

Ti：0.01〜0.20％、Nb：0.005〜0.20％、V：0.01〜0.20％とする。
Ti、Nb、Vは微細な炭窒化物を形成することで、強度上昇に寄与することができる。また、熱間圧延における仕上げ圧延工程においては、加工されたフェライトの再結晶を抑制することで、集合組織を鮮鋭化できる。このような効果を得るため、Ti、Nb、Vはそれぞれ、0.01％、0.005％、0.01％以上添加することが好ましい。一方、過剰のTi、Nb、Vを添加しても、強度上昇、再結晶抑制効果は飽和するだけでなく、合金コストの増加も招いてしまう。したがって、Ti、Nb、Vを添加する場合の添加量の上限は、それぞれ0.20％とする必要がある。

本発明では、さらに、Cr、Ni、Mo、Bのいずれか１種以上を含有してもよい。

Cr：0.05〜1.0％、Ni：0.05〜1.0％、Mo：0.05〜1.0％、B：0.0005〜0.0030％とする。
Cr、Ni、Mo、Bは、固溶元素として、熱延、仕上げ圧延時の再結晶を抑制することから、Cr、Ni、Moはそれぞれ0.05％以上、Bは0.0005％以上添加することが好ましい。一方、過剰に添加しても、再結晶抑制効果は飽和するだけでなく、熱間圧延時および冷間圧延時における圧延荷重が増大することで操業上の困難が伴うことから、Cr、Ni、Mo添加量の上限はそれぞれ1.0％、B添加量の上限は0.0030％とすることが好ましい。

本発明では、さらに、Cuを含有してもよい。

Cu：0.1〜2.0％とする。
Cuは微細な析出物を形成することで高強度化に寄与することができる。この効果を得るためには、Cuを0.1％以上添加することが好ましい。一方、過剰なCu添加は熱間での延性を低下させ、熱間圧延時の割れにともなう表面欠陥を誘発ことから、2.0％以下で添加することが好ましい。

本発明では、さらに、Wを含有してもよい。

W：0.1〜2.0％とする。
Wは固溶元素や炭化物として存在することで、剪断弾性率を向上させることができる。この効果を得るためには、Wを0.1％以上添加することが好ましい。一方、多量のW添加は、合金コストが増加することから、Wは2.0％以下で添加することが好ましい。

上記の化学成分を有する本発明の鋼板の密度は、7.6g/cm³以下とする。

Alを2.5〜10.0％含有することで、本発明の鋼板は、7.6g/cm³以下の低密度とすることができる。

さらに、本発明の鋼板の集合組織は、（001）[0-10]方位のODF解析強度が2.5以上であるものとする。

（001）[0-10]方位のODF解析強度が強い、（001）[0-10]方位の発達した鋼板では、圧延方向、および圧延直角方向の剪断弾性率が向上する。（001）[0-10]方位のODF解析強度が2.5以上の集合組織とすることで、剪断弾性率を90GPa以上にすることができ、ねじり剛性を高めることができる。

次に本発明の高剛性低密度鋼板の製造条件について説明する。

本発明の高剛性低密度鋼板は上記の成分組成を有する鋼を用い、熱間圧延工程において、890℃以下での総圧下率を50％以上として熱間仕上げ圧延を行なったのち、500℃以上で巻取り、次いで圧下率30〜80％で冷間圧延を行い、750〜1000℃で焼鈍を行なうことで製造できる。

仕上げ圧延：890℃以下での総圧下率を50％以上とする。
熱間圧延工程における仕上げ圧延では、フェライトの低温域で大圧下をおこない、歪みを蓄積し、集合組織を発達させる必要がある。そのため、仕上げ圧延における890℃以下での総圧下率を50％以上とする必要がある。さらに、800℃以下での総圧下率を50％以上とするとより好ましい。なお、890℃以下での総圧下率の上限は、特に規定するものではないが、圧延負荷増大による製造コスト増加を抑制する観点からは95％以下とすることが好ましい。また、仕上げ圧延は、巻取り温度以上で終了することが好ましく、圧延後の回復・再結晶を促進させるためには、700℃以上で終了することがより好ましい。

巻取り温度：500℃以上とする。
圧延後の回復・再結晶を促進することで、冷間圧延時の荷重を低減するとともに、集合組織を鮮鋭化することができる。そのため、巻取り温度は500℃以上とする必要があり、好ましくは、600℃以上である。

冷間圧延：圧下率30〜80％とする。
冷間圧延により、集合組織を鮮鋭化させ、その後の再結晶焼鈍で、剪断弾性率の向上に有利な結晶方位を発達させることができる。そのため、冷間圧延の圧下率は30％以上とする必要がある。一方、80％を超えて冷間圧延を行なっても、結晶方位は安定化して、集合組織はさらに発達しないだけでなく、圧延荷重が増大し、操業上の負荷も大きい。したがって、冷間圧延の圧下率（冷圧率）は80％以下とする。

焼鈍温度：750〜1000℃とする。
冷間圧延後に再結晶を促進することで、剪断弾性率の向上に有利な結晶方位を発達させることができる。そのため、焼鈍温度は750℃以上とする。一方、1000℃を超えて焼鈍しても、集合組織はさらに発達しないだけでなく、操業コストも増大することから、焼鈍温度は1000℃以下とする。

本発明の高剛性低密度鋼板を製造する際には、目的とする強度レベルに応じた化学成分の鋼を溶製する。溶製方法は、通常の転炉法、電炉法等、適宜適用することができる。溶製された鋼は、スラブに鋳造後、そのまま、あるいは、冷却して加熱し、熱間圧延を施す。熱間圧延では前述の仕上げ条件で仕上げた後、前述の巻取り温度で巻取り、その後、冷間圧延を施す。なお、通常行なわれるように熱間圧延後、熱間圧延時に生成したスケールを除くため酸洗し、酸洗後冷間圧延を行なうことが好ましい。焼鈍については、前述の条件で加熱をおこなう。冷延鋼板の場合は焼鈍時の冷却途中、あるいは、焼鈍後の冷却終了後に再加熱による過時効処理をおこなってもよい。溶融亜鉛めっき鋼板として製造させる場合には、溶融亜鉛中を通板させることでめっきすることもできるし、さらに、合金化溶融亜鉛めっき鋼板として製造される場合には、合金化処理のため、500℃以上の再加熱をおこなうこともできる。

本発明の実施例について説明する。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

まず、表１に示す成分の鋼（鋼種Ａ〜Ｊ）を実験室真空溶解炉にて溶製し、実験室にて、表２に示す条件で熱間圧延をおこない、板厚3.5mmの熱延板としたのち、酸洗、冷間圧延をおこない、表２に示す各焼鈍温度で90ｓ保持したのち、冷却途中に過時効処理として350℃で150ｓ保持をおこなうことで、冷延鋼板の製造方法を模擬して供試体を製造した。なお、焼鈍は連続焼鈍ラインを模擬して行なった。また、一部は冷間圧延後、焼鈍温度で180ｓ保持したのち、550℃で90ｓ保持することで、連続溶融亜鉛メッキラインを用いた溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法を模擬して供試体を製造した（供試体Ｎｏ．２０）。

焼鈍後の各供試体について、圧延方向から10×60mmの試験片を切り出し、横振動型の共振周波数測定装置を用いて、American Society for Testing Materialsの基準（C1259）に従い測定を行い、剪断弾性率（Ｇ：単位GPa）を計算した。また、供試体に0.5％の調質圧延を施して、圧延方向に対し直角な方向を長手方向としてJIS5号引張り試験片を切り出し、引張試験に供し、引張強度（ＴＳ）と伸び（ＥＩ）を測定した。さらに、集合組織は、焼鈍後の供試体について、シュルツ法により（110）、（200）、（211）極点図を求めたのち、ADC法によりODF解析をおこない、φ₂=45°断面上の（001）[0-10]方位の解析強度（ＯＤＦ解析強度）を求めた。また、密度をアルキメデス法から求めた。表２に、これらの結果を併せて示す。

図１〜４に、供試体Ｎｏ．３をベースとして、鋼種Aに関し、890℃以下の圧下率、巻取り温度、冷圧率、焼鈍温度をそれぞれ変化させたときの上記のＯＤＦ解析強度（（001）[0-10]強度）の変化を示す。890℃以下の圧下率、巻取り温度、冷圧率、焼鈍温度を本発明の範囲内として製造することで、（001）[0-10]強度は2.5以上となり、剪断弾性率の高い鋼板が得られることが分かった。

（001）[0-10]強度におよぼす890℃以下圧下率の影響を示すグラフ。（001）[0-10]強度におよぼす巻取り温度の影響を示すグラフ。（001）[0-10]強度におよぼす冷圧率の影響を示すグラフ。（001）[0-10]強度におよぼす焼鈍温度の影響を示すグラフ。

Claims

化学成分として、mass％で、C：0.20％以下、Si：2％以下、Mn：3.5％以下、P：0.05％以下、S：0.01％以下、Al：2.5〜10.0％、N：0.01％以下を含有し、残部は鉄および不可避的不純物からなる組成を有し、密度が7.6g/cm³以下であり、（001）[0-10]方位のODF解析強度が2.5以上であることを特徴とする高剛性低密度鋼板。
さらに、化学成分として、mass％で、Ti：0.01〜0.20％、Nb：0.005〜0.20％、V：0.01〜0.20％のいずれか１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の高剛性低密度鋼板。
さらに、化学成分として、mass％で、Cr：0.05〜1.0％、Ni：0.05〜1.0％、Mo：0.05〜1.0％、B：0.0005〜0.0030％のいずれか１種以上を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高剛性低密度鋼板。
さらに、化学成分として、mass％で、Cu：0.1〜2.0％を含有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の高剛性低密度鋼板。
さらに、化学成分として、mass％で、W：0.1〜2.0％を含有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の高剛性低密度鋼板。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の組成を有する鋼スラブを、熱間圧延工程において、890℃以下での総圧下率を50％以上として熱間仕上げ圧延を行なったのち、500℃以上で巻取り、次いで圧下率30〜80％で冷間圧延を行い、750〜1000℃で焼鈍を行なうことを特徴とする高剛性低密度鋼板の製造方法。