JP2009280902A - 銅を含んだ複合ベイナイト系の鋼材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高価な合金元素の添加量を最小化すると共にＢの添加なしに低費用で溶接性に優れた高強度及び高靭性の鋼材を提供する。
【解決手段】重量％で、Ｃ：０．０５−０．１％、Ｓｉ：０．０１−０．５％、Ｍｎ：１．５−２．５％、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｕ：１．０−２．０％、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｎｂ：０．０１−０．０５％、Ｖ：０．０１−０．１％、Ｔｉ：０．０１−０．０３％、Ａｌ：０．０５％以下で、残りはＦｅとその他不可避な不純物からなり、Ｃｅｑが０．３乃至０．６で、Ｐｃｍが約０．３以下で、粒状ベイナイト、変質上部ベイナイト、下部ベイナイトの３相で構成された銅を含む複合ベイナイト系の鋼材。
【選択図】図１

Description

本発明は複合ベイナイト系の鋼材及びその製造方法に関するもので、より詳細には銅（Ｃｕ）を含みながら高強度（ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）及び高靭性（ｈｉｇｈ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）を有する複合ベイナイト系の鋼材、及び制御圧延と加速冷却を用いたその製造方法に関するものである。

現在、建築用、造船用、海洋構造用、ラインパイプ用や機械構造用に用いられる鋼材の場合、耐久性を向上させるために優れた溶接性と共に高強度と靭性が求められている。

一般的に高強度及び高靭性の鋼材を製造する微細組織学的接近法には、下部ベイナイト（ｌｏｗｅｒ ｂａｉｎｉｔｅ）、焼き戻しラスマルテンサイト（ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｌａｔｈ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）、２相（ｄｕａｌ ｐｈａｓｅ）組織等を形成させる方法が代表的である。下部ベイナイト組織は制御圧延と加速冷却により製造されて転位密度が高く、結晶学的にサイズが小さくて優れた強度と靭性の組み合わせを有すると評価されている。この際、加速冷却の条件によりラスマルテンサイトが一部含まれることがある。しかし、下部ベイナイト組織をうまく形成させるためには、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の高価の合金元素を多量に添加し、冷却速度と変体温度を適切に制御しなければならないという困難さがある。

焼き戻しマルテンサイト組織は、ラスマルテンサイトを一定の温度で焼き戻して下部ベイナイトとラスマルテンサイトのメリットを結合させることで、優れた強度と靭性の組み合わせを確保することができる。最近、焼き戻しの間に２次相の析出を用いて広い焼き戻しの温度範囲で強度の減少を最小化する方法が知られている。しかし、焼き戻しマルテンサイト組織は一般的に降伏比が高く、更なる焼き戻し工程により費用が増加し、生産性が著しく落ちるという短所がある。

２相組織は、フェライトとオーステナイトの２相領域区間における圧下と急冷を通して相対的に柔らかいフェライトと均一に分布された硬いマルテンサイトで構成される。自動車用鋼板に用いられる２相組織とは異なって、上記の２相組織はマルテンサイトの体積分率が５０％以上で、フェライトとオーステナイトの２相領域区間における圧下によりフェライトの転位密度が高く、微細な析出物が分散されて優れた強度と靭性の組み合わせを得ることができる。しかし、２相領域区間における圧下のために仕上げ圧延温度が低くなるため、生産性が低下し、費用が多少増加する。

上記３つの微細組織を製造する方法のうち、下部ベイナイト組織を形成するための制御圧延と加速冷却は、他の製造方法に比べて製造過程が比較的単純で、生産性に優れた経済的なものと知られている。特に、最近、多量の合金元素と共にホウ素（Ｂ）を添加して下部ベイナイト組織に基づく高強度及び高靭性の鋼材が開発されている。これらは高靭性と共に引張強度が９００ＭＰａ以上の優れた機械的特性を示している。

しかし、下部ベイナイト組織に基づくこれら鋼材の場合、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ等の高価の合金元素が多く添加され、硬化能を高めるために添加されるＢの含量を数ｐｐｍ単位で調節しなければならない等の短所がある。また、産業的に溶接性を表すために広く用いられるＣｅｑ（炭素当量）とＰｃｍ（溶接割れ感受性指数）値を低くし、溶接性を向上させて生産原価を減らすためにはＮｉ、Ｍｏ、Ｃｒ等の合金元素の添加量を最小化する必要がある。即ち、溶接性に優れた高強度及び高靭性の鋼材は高価の合金元素の添加量が高く、Ｂの含量を正確に調節しなければならないという困難さがある。

従って、本発明が成そうとする技術的課題は、高価の合金元素の添加量を最小化すると共にＢの添加なしに低費用で溶接性に優れた高強度及び高靭性の鋼材を提供することにある。また、本発明が成そうとする他の技術的課題は上記の鋼材を製造する方法を提供することにある。

上記技術的課題を達成するための本発明の高強度及び高靭性の鋼材は、重量％で、Ｃ：０．０５−０．１％、Ｓｉ：０．０１−０．５％、Ｍｎ：１．５−２．５％、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｕ：１．０−２．０％、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｎｂ：０．０１−０．０５％、Ｖ：０．０１−０．１％、Ｔｉ：０．０１−０．０３％、Ａｌ：０．０５％以下で、残りはＦｅとその他不可避な不純物からなり、Ｃｅｑが０．３乃至０．６で、Ｐｃｍが約０．３以下で、粒状ベイナイト、変質上部ベイナイト、下部ベイナイトの３相で構成される。この際、上記粒状ベイナイトの体積分率は４０−６０％であることができる。

上記他の技術的課題を達成するための本発明の高強度及び高靭性の鋼材の製造方法は、先ず、重量％で、Ｃ：０．０５−０．１％、Ｓｉ：０．０１−０．５％、Ｍｎ：１．５−２．５％、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｕ：１．０−２．０％、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｎｂ：０．０１−０．０５％、Ｖ：０．０１−０．１％、Ｔｉ：０．０１−０．０３％、Ａｌ：０．０５％以下で、残りはＦｅとその他不可避な不純物からなり、Ｃｅｑ（炭素当量）が０．３乃至０．６で、Ｐｃｍ（溶接割れ感受性指数）が約０．３以下の元素からなるスラブを１，１５０^oＣ以上で再加熱する。その後、再加熱されたスラブをオーステナイトが再結晶化される温度とその以下で熱間圧延する。上記熱間圧延された鋼材を２０^oＣ／秒以上の速度で４００^oＣ以下まで急冷させる。次いで、上記冷却された鋼材を常温まで空冷させる。

本発明の複合ベイナイト系の鋼材及びその製造方法によると、Ｃｕを１．０−２．０重量％で含んだ鋼材を制御圧延し加速冷却して粒状ベイナイト、変質上部ベイナイト、下部ベイナイトの３相で構成された複合ベイナイト系の高強度高靭性の鋼材を製造することにより、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の高価の合金元素を多く添加せず、Ｂの添加なしに更なる焼き戻し処理を省いた低費用の経済的な方法により９００ＭＰａ以上の引張強度と１００Ｊ以上の高い靭性を確保することができる。

本発明による複合ベイナイト系の高強度及び高靭性の鋼材を製造する工程を時間と温度に沿って説明した図である。 本発明の実施例による複合ベイナイト系の高強度及び高靭性の鋼材の微細組織の一事例を示す写真である。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。以下に説明する実施例は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下に述べる実施例に限定されるものではない。本発明の実施例は、当分野において通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。

以下、本発明の実施例では、高強度及び高靭性を有する複合ベイナイト系の鋼材とそれを製造する方法に分けて説明する。上記鋼材と製造方法は以下のような主要な特性を有する。

本発明による複合ベイナイト系の高強度及び高靭性の鋼材は、重量％でＢの添加なしに１．０−２．０％のＣｕを含み、その他にＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ及びＡｌ付加物の一部または全てをＦｅと共に含んで構成される。このとき、上記鋼材は引張強度が９００ＭＰａ以上で、常温でシャルピーＶ−ノッチ衝撃試験により測定された靭性が１００Ｊ以上であることを特徴とする。

本発明による複合ベイナイト系の高強度及び高靭性の鋼材は、Ｂの添加なしに１．０−２．０重量％のＣｕを含んだスラブを再加熱してから制御圧延と加速冷却により製造され、これにより粒状ベイナイト（ｇｒａｎｕｌａｒ ｂａｉｎｉｔｅ）、変質上部ベイナイト（ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ ｕｐｐｅｒ ｂａｉｎｉｔｅ）、下部ベイナイト（ｌｏｗｅｒ ｂａｉｎｉｔｅ）の３相組織で構成された複合ベイナイト系の高強度及び高靭性の鋼材を得ることができる。

＜複合ベイナイト系の鋼材＞
本発明の鋼材は、下記のような組成を有し、ここでは各々の組成による数値限定の理由を共に説明する。この際、％は重量％を示し、Ｃｅｑ（炭素当量）とＰｃｍ（溶接割れ感受性指数）は下記のように定義される。
Ｃｅｑ＝Ｃ％＋Ｍｎ％／６＋（Ｃｒ％＋Ｍｏ％＋Ｖ％）／５＋（Ｎｉ％＋Ｃｕ％）／１５
Ｐｃｍ＝Ｃ％＋Ｓｉ％／３０＋（Ｍｎ％＋Ｃｕ％＋Ｃｒ％）／２０＋Ｎｉ％／６０＋Ｍｏ％／１５＋Ｖ％／１０＋５Ｂ％

（１）炭素（Ｃ）：０．０５−０．１％
Ｃの含量が０．１％より多いと溶接性が悪くなり、０．０５％以下の場合は５０％の体積分率の粒状ベイナイト組織で、９００ＭＰａ以上の引張強度を確保することが困難である。

（２）シリコン（Ｓｉ）：０．０１−０．５％
脱酸及び強度向上のために添加し、０．０１％以下の場合は脱酸効果が不十分で、０．５０％より多く添加されると靭性と溶接性が低下する。

（３）マンガン（Ｍｎ）：１．５−２．５％
低いＣ含量により減少した硬化能を補償してベイナイト系組織の形成を促進し、強度を向上させるために１．５％以上を添加し、靭性と溶接性の低下及び偏析を防ぐために２．５％以下に制限される。

（４）ニッケル（Ｎｉ）：０．５％以下
強度と靭性の向上に効果的な元素だが、多く添加されると費用が増加するため、熱間圧延中に表面割れに対するＣｕの有害な効果を減らすために０．５％以下で少量添加される。

（５）銅（Ｃｕ）：１．０−２．０％
本発明の重要な特徴を有するようにする合金元素で、強度と靭性を向上させる役割をする。固溶強化及び析出強化の効果を増加させる目的で１．０％以上添加されるが、多く添加されると溶接性が低下するため２．０％以下に制限される。

（６）クロム（Ｃｒ）：０．５％以下
Ｍｎのように、低いＣ含量でも十分な硬化能を確保するために添加され、多く添加されると靭性と溶接性が低下するため０．５％以下に制限される。

（７）モリブデン（Ｍｏ）：０．５％以下
硬化能を増加させる元素で、多く添加されると靭性と溶接性が低下するため０．５％以下に制限される。

（８）ニオビウム（Ｎｂ）：０．０１−０．０５％
熱間圧延中に炭化物や窒化物を析出させてオーステナイトの結晶粒を微細化し、強度と靭性を向上させる。０．０１％以下では効果が非常に少なく、０．０５％より多く添加されると靭性が低下する。

（９）バナジウム（Ｖ）：０．０１−０．１％
炭化物または窒化物を形成して強度の増加に寄与する。０．０１％より少ないと効果が少なく、０．１０％より多いと靭性と溶接性が低下する。

（１０）チタニウム（Ｔｉ）：０．０１−０．０３％
０．０１％以上添加されると析出物を形成して強度の向上に寄与するが、０．０３％より多いと析出物が粗大化し、靭性が低下する。

（１１）アルミニウム（Ａｌ）：０．０５％以下
脱酸剤として添加され、０．０５％より多く添加されると、鋼の清浄度と靭性が落ちる。

（１２）その他不可避に添加される不純物であるリン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、窒素（Ｎ）等は最小化されるのが好ましい。この際、不可避に添加される不純物にはホウ素（Ｂ）は含まれない。

本発明による複合ベイナイト系の鋼材は、Ｂは本質的に含まれていないため硬化能を調節するためにＢの含量を数ｐｐｍ単位で調節する必要がない。また、上記鋼材はＣｅｑが０．３−０．６で、Ｐｃｍが０．３以下になるようにするのが好ましい。

＜複合ベイナイト系の鋼材の製造方法＞
図１は、本発明による複合ベイナイト系の高強度及び高靭性の鋼材を製造する工程を時間と温度に沿って説明した図である。

図１を参照すると、複合ベイナイト系の鋼材の製造方法は、重量％で、Ｃ：０．０５−０．１％、Ｓｉ：０．０１−０．５％、Ｍｎ：１．５−２．５％、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｕ：１．０−２．０％、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｎｂ：０．０１−０．０５％、Ｖ：０．０１−０．１％、Ｔｉ：０．０１−０．０３％、Ａｌ：０．０５％以下で、残りはＦｅとその他不可避な不純物で構成される鋼のスラブを通常１，１５０^oＣ以上で２時間程度再加熱する。その後、オーステナイトが再結晶化される温度とその以下で熱間圧延する。これは制御圧延段階に該当する。熱間圧延された鋼材を２０^oＣ／秒以上の速度で４００^oＣ以下まで急冷させる。これは加速冷却段階に該当する。次いで、冷却された鋼材を常温まで空冷させる。

上記制御圧延段階では、再加熱された鋼のスラブをオーステナイトが再結晶化される温度とその以下で、各々５０％以上の圧下を加えて熱間圧延する。これは加速冷却の前にオーステナイトの結晶粒を微細化させ、オーステナイトの内部に転位や変形帯のような欠陥を生成させてオーステナイトからフェライトへの変体を促進させることにより最終的な微細組織の結晶学的サイズも減少させて強度と靭性を向上させるためである。この際、全ての熱間圧延はＡｒ₃以上の温度で仕上げられる。

加速冷却段階は、熱間圧延された鋼材をＡｒ₃以上の温度で２０^oＣ／秒以上の速度で４００^oＣ以下まで急冷させる過程である。上記過程中にオーステナイトから粒状ベイナイトと変質上部ベイナイトが主に形成され、急冷される仕上げ温度によって下部ベイナイトとマルテンサイトが一部形成される。その後、冷却段階は急冷された鋼材を常温まで空冷させる段階で、この過程中に主に下部ベイナイトが形成される。

上記のような過程に従って製造された鋼材の微細組織は、粒状ベイナイト、変質上部ベイナイト、下部ベイナイトの３相で構成された複合ベイナイト系組織で、粒状ベイナイトの体積分率は４０−６０％である。

上記粒状ベイナイトは、島状マルテンサイト（ＭＡ、ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ−ａｕｓｔｅｎｉｔｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ）相を含み、等軸状のベイナイト結晶粒で構成されている。一方、残りの変質上部ベイナイトと下部ベイナイトは粒状ベイナイトが形成されてから上記加速冷却段階、または常温冷却段階において主に形成される。上記変質上部ベイナイトは通常の上部ベイナイトと異なって、ラス形態のベイナイトの結晶粒の間に炭素が濃縮された残留オーステナイトやマルテンサイト、またはＭＡ相のような金属相が存在すると知られている。上記下部ベイナイトは通常知られているようにラス形態のベイナイトの結晶粒の内部に微細に分散された炭化物が析出されている。

このような本発明によると、高価の合金元素の添加量を減らすと共にＢの添加なしに１．０−２．０重量％の銅を含み、粒状ベイナイト、変質上部ベイナイト、下部ベイナイトで構成された３相の複合ベイナイト系の高強度及び高靭性の鋼材の製造が可能である。

以下では実施例を通して本発明をより詳細に説明する。

＜実施例＞
表１は、本発明が適用された発明材と、上記発明材と比較される比較材の化学組成、冷却速度及び冷却終了温度を示す。表２は、表１の発明材と比較材の機械的性質を比較したものである。図２は、本発明の実施例による複合ベイナイト系の高強度及び高靭性の鋼材の微細組織の一事例を示す写真である。

表１によると、発明材１及び２と比較材３乃至７の合金を記載のように組成される１００ｍｍの厚さの鋼材にし、１，１５０^oＣで２時間程度再加熱してからオーステナイトが再結晶化される温度とその以下で、各々６０％程度の圧下を加えて１５ｍｍの厚さまで熱間圧延した。次いで、上記熱間圧延された板材をＡｒ₃以上の温度で２０^oＣ／秒以上の速度で５００^oＣ以下まで冷却させてから常温まで空冷して試片を製造した。

上記のように製造された試片を用いて常温で強度とシャルピーＶ−ノッチ衝撃エネルギーを測定し、その結果を表２に示した。

図２には、本発明による複合ベイナイト系の高強度高靭性の鋼材を製造するために約３００^oＣまで急冷して製造された発明材１の代表的な微細組織を図示した。

図２によると、発明材１は粒状ベイナイト、変質上部ベイナイト、下部ベイナイトの３相で構成された複合ベイナイト系組織からなり、粒状ベイナイトの体積分率は４０−６０％である。

上記表２で分かるように、発明材１乃至２は引張強度が９００ＭＰａ以上、衝撃エネルギーが１００Ｊ以上で強度と靭性の組み合わせが優れている。しかし、本発明の組成範囲には符合するが、冷却終了温度が４００^oＣ以上で本発明の冷却終了温度から外れた比較材３は粒状ベイナイトと変質上部ベイナイトの２相で構成され、引張強度が９００ＭＰａ以下、衝撃エネルギーが１００Ｊ以下と示され、強度と靭性の組み合わせが非常に劣悪であった。

また、Ｃｕの含量が１．０重量％以下で本発明の組成範囲から外れるが、４００^oＣ以下の冷却終了温度で急冷して製造された比較材４乃至７は粒状ベイナイトの体積分率が７０％以上と示され、衝撃エネルギーは１２０−１４０Ｊと多少高かったが、引張強度は９００ＭＰａと大きく至らなかった。

従って、本発明によると、引張強度が９００ＭＰａ以上、衝撃エネルギーが１００Ｊ以上の機械的性質を確保するためにはＣｕの含量を１．０−２．０重量％にし、冷却終了温度を４００^oＣ以下で製造して粒状ベイナイト、変質上部ベイナイト、下部ベイナイトの３相で構成された複合ベイナイト系組織を形成する必要がある。

以上、本発明は好ましい実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で当分野において通常の知識を有する者により様々な変形が可能である。

Claims (3)

1. 重量％で、Ｃ：０．０５−０．１％、Ｓｉ：０．０１−０．５％、Ｍｎ：１．５−２．５％、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｕ：１．０−２．０％、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｎｂ：０．０１−０．０５％、Ｖ：０．０１−０．１％、Ｔｉ：０．０１−０．０３％、Ａｌ：０．０５％以下で、残りはＦｅとその他不可避な不純物からなり、Ｃｅｑが０．３乃至０．６で、Ｐｃｍが約０．３以下で、粒状ベイナイト、変質上部ベイナイト、下部ベイナイトの３相で構成された銅を含む複合ベイナイト系の鋼材。
2. 前記粒状ベイナイトの体積分率は、４０−６０％であることを特徴とする請求項１に記載の銅を含む複合ベイナイト系の鋼材。
3. 重量％で、Ｃ：０．０５−０．１％、Ｓｉ：０．０１−０．５％、Ｍｎ：１．５−２．５％、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｕ：１．０−２．０％、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｎｂ：０．０１−０．０５％、Ｖ：０．０１−０．１％、Ｔｉ：０．０１−０．０３％、Ａｌ：０．０５％以下で、残りはＦｅとその他不可避な不純物からなり、Ｃｅｑ（炭素当量）が０．３乃至０．６で、Ｐｃｍ（溶接割れ感受性指数）が約０．３以下の元素からなるスラブを１，１５０^oＣ以上に加熱する再加熱段階と、
   前記再加熱されたスラブをオーステナイトが再結晶化される温度とその以下で熱間圧延する制御圧延段階と、
   前記熱間圧延された鋼材を２０^oＣ／秒以上の速度で４００^oＣ以下まで急冷却させる加速冷却段階と、
   前記冷却された鋼材を常温まで空冷させる冷却段階からなることを特徴とする銅を含む複合ベイナイト系の鋼材の製造方法。