JP2010138444A

JP2010138444A - 曲げ加工性に優れた高比例限鋼板およびその製造方法

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Publication number: JP2010138444A
Application number: JP2008315432A
Authority: JP
Inventors: Susumu Fujiwara; 進藤原; Toshihiro Kondo; 敏洋近藤; Shinichi Kodama; 真一児玉
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: JP5376927B2

Abstract

【課題】家電・電気機器部品、建築補強部材および自動車部品等に使用可能な良好な曲げ加工性と耐たわみ強度の改善に有効な高比例限を有する普通鋼の板を得る。
【解決手段】C：0.001〜0.20質量％、Si：1.5質量％以下、Mn：2.5質量％以下、P：0.10質量％以下、S：0.01質量％以下、酸可溶Al：0.001〜0.10質量％、N：0.015質量％以下を含み、さらに必要に応じて所定量のTi、Nb、あるいはさらにCr、Mo、Bを含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼板を熱間圧延した後に酸洗した熱延酸洗板に、冷延率：10〜80％で冷間圧延を施した後、当該冷延板を200〜600℃の範囲の温度に加熱して、引張試験で得られる比例限と引張強さの比が0.65以上の鋼板を得る。
【選択図】なし

Description

本発明は家電、電子機器、建築、自動車分野等を対象に、主に曲げ加工が施される構造部材において、曲げ加工性、板厚精度（平坦度含む）に優れると同時に、引張試験で得られる比例限が高い高強度鋼板およびその製造方法に関するものである。

家電・電子機器部品、建築補強部材および自動車部品等に使用される構造部材には、強度が高いとともに、延性や靭性に優れることが要求される。
例えば、CPUソケット枠用またはCPU固定カバー用の素材として、オーステナイト系のSUS301、SUS304やフェライト系のSUH409の冷間圧延材が実用化されている（特許文献１、２）。前者のステンレス鋼板は、冷間圧延による加工誘起マルテンサイト変態を利用した高強度化が可能であり、板ばねやフレーム等に一般に使用されている。後者のステンレス鋼は、ある一定方向の縦弾性係数を高めることで必要とされる剛性を確保したものである。

一方、ステンレス鋼に対し普通鋼板でも、電子機器材料として、例えばブラウン管用のフレーム材やバンド材のような高強度鋼板が開発されている（特許文献３、４、５、６）。
特開２００４−６８０３３号公報特願２００５−０２７２６９号特開２００１−５９１２９号公報特開平８−６７９４５号公報特開平１１−１５８５４８号公報特開２００７−２１１３２１号公報

ステンレス鋼は、成分元素としてCrやNiを多量に含有していることから、耐食性に優れるものの、高価であるという欠点を有する。材料の製造費を低減するには、ステンレス鋼に替えて普通鋼を採用することが有利である。
一方、安価な普通鋼を前提とした場合、加工強化、固溶強化、変態強化および析出強化を適宜組み合わせることで高強度化を達成可能であるが、いずれの強化手段も降伏強度を高めることはできても実質的な弾性変形の限界と考えられる比例限を高めることはできない。
そのため、構造体としての破壊強度は確保できても、実質的な耐塑性変形能を高めることはできず、構造体としての初期の耐たわみ強度を高めることはできない。

例えば、特許文献６に示したCPUソケット枠またはCPU固定カバーでは、薄肉化、軽量化の観点から高強度材が必要とされ、引張試験の0.2％耐力で600N／mm²以上が要求されると同時に、曲げ加工が施されるため、曲げ先端の半径が0.7mm以下で曲げ加工が可能であることが必須と記載されている。
特許文献１や２で提案されたステンレス鋼ではこの要件を満たしているが、上記特許文献６で提案された普通鋼では比例限は必ずしも大きくない。このため、特許文献６のCPUソケット枠またはCPU固定カバーは固定圧力が低くなる。そのため、充分な薄肉化、軽量化を達成することは困難であった。

本発明は、本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、ステンレス鋼板より安価な普通鋼を基材とし、家電・電気機器部品、建築補強部材および自動車部品等に使用可能な良好な曲げ加工性と耐たわみ強度の改善に有効な高比例限を有する鋼板およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の曲げ加工性に優れた高比例限鋼板は、その目的を達成するため、C：0.001〜0.20質量％、Si：1.5質量％以下、Mn：2.5質量％以下、P：0.10質量％以下、S：0.01質量％以下、酸可溶Al：0.001〜0.10質量％、N：0.015質量％以下を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、引張試験で得られる比例限と引張強さの比が0.65以上であることを特徴とする。

上記成分組成としては、さらに0.005〜0.15質量％かつ下記（１）式を満たすTi、0.005〜0.15質量％かつ下記（２）式を満たすNbの１種、または0.005〜0.15質量％かつ下記（３）式を満たすTiおよびNbの二種を含んでいることが好ましい。
Ti＜(48/14×N＋48/12×C＋48/32×S)×2 ・・・（１）
Nb＜(93/14×N＋93/12×C)×2 ・・・（２）
Ti−48/32×S +48/93×Nb＜(48/14×N＋48/12×C)×2 ・・・（３）
さらに、Cr：0.2〜1.5%、Mo：0.1〜0.6%、B：0.0005〜0.005%の一種または二種以上を含んでいてもよい。

引張試験で得られる比例限と引張強さの比が0.65以上であるような高比例限鋼板は、上記いずれかの成分組成を有する鋼板を熱間圧延した後に酸洗した熱延酸洗板に、冷延率：10〜80％で冷間圧延を施した後、当該冷延板を200〜600℃の範囲の温度に加熱することにより得られる。

本発明によれば、良好な曲げ加工性と高い耐たわみ強度を有する比例限の高い鋼板が得られる。このため、家電・電気機器部品、建築補強部材および自動車部品等の用途において、従来と同等の性能を確保するにあたって薄肉軽量化が可能となる。
本発明により提供される鋼板は、コンピューター等のCPUを配線基板に取り付けるためのCPUソケット枠またはCPU固定カバーに適した素材として使用できる他、その他の家電・電子機器部品、建築補強部材、自動車部品等、主に曲げ加工が施されるあらゆる構造部材に適用可能であり、薄肉軽量化の効果は非常に大きい。

一般的に、鋼材の強度を高める方法としては、加工強化、固溶強化、変態強化および析出強化などがある。しかしながら、加工強化や変態強化では初期の転位密度が高く、初期の塑性変形に寄与する可動転位が無数に存在するため、比例限が低く低強度で弾性範囲を超えてしまう。また、固溶強化や析出強化では、冷延材を再結晶焼鈍したままでも、全体としての転位密度は低くなっているものの、初期の可動転位は充分に存在するため、比例限を高くすることは困難である。
一方、加工強化によりフェライト中の転位密度を高くした鋼板を素材として、再結晶温度以下の比較的低温域で焼鈍を施すと、転位の再配列と同時に固溶Cや固溶Nの析出に伴う可動転位の固着を生じるため、比例限が高く弾性範囲が高い強度レベルまで維持できるようになる。

発明者らは、上記のような観点から、良好な曲げ加工性を維持しつつ比例限を高くする手段について鋭意検討した。その結果、特定組成範囲の鋼板に冷間圧延を施し、さらに再結晶温度以下の特定の温度範囲で焼鈍を行うことにより、過度の回復を抑制しつつ転位の再配列を生じさせて、比例限の向上とともに曲げ加工性も同時に向上させることが可能となることを見出した。
以下、本発明における基材鋼の化学成分の作用・効果、含有量限定の理由および製造方法について個別に説明する。

まず、各合金成分の作用・効果、含有量の限定理由について説明する。
C：0.001〜0.20質量％
Cは鋼帯の高強度化に有効な他、固溶Cとして存在させることにより、加工強化後の低温焼鈍時に可動転位を固着し比例限を向上させるのに有効な元素である。その効果を得るためには、少なくとも0.001質量％以上含有させる必要がある。一方、過剰に含有させると曲げ加工性や溶接性が劣化するため、許容できる上限は0.20質量％である。

Si：1.5質量％以下
Siは強度改善作用を有する。強度向上を目的に添加する場合には0.05質量％以上添加することが望ましいが、1.5質量％を超えて過剰に添加すると、強度は増大するものの加工性を劣化させ、冷間圧延時に板割れを生じたり、また熱間圧延時に剥離性に劣るスピネル型のSi系酸化物を生成するため、製品の表面性状が著しく劣化する。したがって、添加量の上限は1.5質量％とした。

Mn：2.5質量％以下
Mnは強度改善作用を有する合金元素である。0.10質量％以上の含有で添加効果が見られるが、2.5質量％を超えて過剰に添加すると、添加量に伴い強度は増大するものの、Mn偏析に伴う熱延板のパーライトのバンド状組織が著しくなり曲げ加工性を極度に劣化させる。このためMn含有量の上限は2.5質量％とする。

P：0.10質量％以下
Pは高強度化に有効な成分である。強度向上を目的とする場合には0.01質量％以上含有させることが望ましいが、0.10質量％を超えて過剰に含有させると、含有量に伴い強度は増大するものの、Mnと同様に熱延板のパーライトのバンド状組織が著しくなり曲げ加工性を極度に劣化させる。また、低温靭性を著しく劣化させる。このためP含有量の上限は0.10質量％とする。

S：0.01質量％以下
多量に含有すると高温脆化の原因となる。また、S含有量が多くなると、紐状介在物のMnSが生成し、曲げ加工性を著しく劣化させる。したがって、可能な限り少ないことが好ましいが、0.01質量％までは許容できるので、上限を0.01質量％とした。

酸可溶Al：0.001〜0.10質量％
脱酸剤として添加される合金成分であり、十分な脱酸効果を得るためには、酸可溶Alとして0.001質量％以上の添加が必要である。しかし、0.10質量％を超えて添加しても脱酸の効果は飽和し、かえって製造コストの上昇を招く。また、AlはAlNとして固溶Nを固定することで、曲げ加工性の改善効果は大きくなるが、一方で固溶Nによる比例限の向上効果は望めなくなる。したがって、要求される特性に応じて適宜添加量を制御することができる。すなわち、固溶Nによる比例限向上効果を必要とする場合には、Al含有量を27／14×N未満とすることが望ましく、逆に非常に良好な曲げ加工性が要求される場合には27／14×N以上添加することが望ましい。

N：0.015質量％以下
Cと同様に固溶Nとして可動転位の固着による比例限の向上に有効な元素であるが、同時に加工性を劣化させる。固溶Nとして比例限の向上効果を得るためには0.001質量％以上の含有が好ましい。しかし、0.015質量％以上含有させると溶解・凝固時に鋼塊中に固溶できなかったN₂ガスによる気泡が生成され、内部欠陥となる。また、加工性が著しく劣化する。したがって、含有量は0.015質量％以下とする。なお、加工性を重視する場合には、0.005質量％以下にすることが望ましい。

Ti：0.005〜0.15質量％
NおよびC、Sとの析出物を形成し、その析出強化により高強度化に有効な元素である。必要に応じて添加される。その効果を得るためには少なくとも0.005質量％以上の添加が必要である。しかし、0.15質量％を超えて添加しても高強度化の効果は飽和するとともにかえって製造コストの上昇を招く。
一方、Ti単独で添加する場合、下記（１）式を超える量のTiを添加すると、可動転位の固着に必要な固溶C，Nが析出物として完全に固定され、比例限の向上効果が無くなる。したがって、Ti添加量は0.005〜0.15質量％かつ下記（１）式を満足する量に制限する。
Ti＜(48/14×N＋48/12×C＋48/32×S)×2 ・・・（１）

Nb：0.005〜0.15質量％
Tiと同様にC、Nと化合し析出物を形成し、析出強化により高強度化に有効な元素であるとともに、金属組織を微細化して強度を向上させる。必要に応じて添加される。その効果を得るためには少なくとも0.005質量％以上の添加することが好ましい。しかし、0.15質量％を超えて添加しても高強度化の効果は飽和するとともにかえって製造コストの上昇を招く。
一方、Nb単独で添加する場合、下記（２）式を超える量のNbを添加すると、可動転位の固着に必要な固溶C，Nが析出物として完全に固定され、比例限の向上効果が無くなる。したがって、Nb添加量は0.005〜0.15質量％かつ下記（２）式を満足する量に制限する。
Nb＜(93/14×N＋93/12×C)×2 ・・・（２）

Ti+Nb：0.005〜0.15質量％
TiとNbを複合して添加する場合、下記（３）式を超える量のTiおよびNbを添加すると、可動転位の固着に必要な固溶C，Nが析出物として完全に固定され、比例限の向上効果が無くなる。したがって、TiとNbの複合添加の場合、添加合量は0.005〜0.15質量％かつ下記（３）式を満足する量に制限する。
Ti−48/32×S +48/93×Nb＜(48/14×N＋48/12×C)×2 ・・・（３）

Cr：0.2〜1.5質量％
Mo：0.1〜0.6質量％
B：0.0005〜0.005質量％
Cr、MoおよびBは、鋼材の焼入れ性を向上させ、硬質第二相の生成を通じて高強度化に有効な元素であり、必要に応じて添加することができる。その効果を得るためには、それぞれCr：0.2質量％以上、Mo：0.1質量％以上、B：0.0005質量％以上の添加が必要である。しかし、Cr：1.5質量％、Mo：0.6質量％、B：0.005質量％を超えて添加してもその効果は飽和するとともにかえって製造コストの上昇を招く。したがって、これらの添加量はそれぞれ、Cr：0.2〜1.5質量％、Mo：0.1〜0.6質量％、B:0.0005〜0.005質量％の範囲に限定する。

次に、製造条件の作用の詳細について説明する。
熱間圧延条件：
とくに限定する必要は無いが、仕上げ温度は、Ar3変態点未満では変態に伴う熱間強度の変動が大きく、板厚精度を劣化させる原因になるため、Ar3変態点以上の温度とすることが望ましい。また、巻取り温度は、高いほど延性を向上させる傾向にあるが、700℃を超えるような温度で巻取ると酸化スケールが厚く成長し酸洗性を劣化させることから、700℃以下とすることが望ましい。
なお、本発明においては、熱延鋼板および冷延鋼板のいずれを最終的な冷間圧延に供する素材としても同様な効果が得られるが、厳格な板厚精度が要求される場合には冷延鋼板を素材とすることが望ましい。

冷間圧延：
低温焼鈍による可動転位の固着を生じ、比例限を上昇させるのに必要な転位密度の数は冷延率10%未満でも十分に確保できるが、高価な添加元素を多量に添加することなく高強度化を図るためには、冷延率10%未満では、十分ではない。一方、80%を超える冷間圧延を施しても加工強化による大きな強度上昇は望めず、かえって製造コストの上昇を招く。したがって、冷延率は10〜80%の範囲に規定する。

熱処理温度：
加熱処理により固溶C、Nが可動転位を固着し、比例限が向上する。その効果を得るためには少なくとも200℃以上の温度に加熱する必要がある。一方、600℃を超える温度に加熱すると、回復・再結晶を生じるとともに転位の移動を容易にし、一旦固溶C、Nにより固着した可動転位が固着から開放され、比例限の向上効果が得られなくなる。したがって、加熱温度は200〜600℃の範囲に限定する。
なお、加熱時間はとくに限定する必要は無く、所定の温度まで昇温後、均熱することなく冷却しても比例限の改善効果は認められる。一方、均熱時間が長くなりすぎると、とくに500〜600℃の比較的高温域においては固着された可動転位の一部が開放されるため均熱時間は20ｈ以内にすることが望ましい。

表１に示す成分の鋼スラブを、1200℃に加熱し、粗圧延、仕上げ圧延を施して、厚さ2.0mmの熱延鋼帯をそれぞれ製造した。なお、熱延仕上げ温度、熱延巻取り温度は表２のとおりとした。熱延仕上げ温度は、いずれもAr₃変態点以上である。
得られた熱延板を酸洗した後、厚さ1.0mmまで冷間圧延を施した。このとき、冷間圧延率は表３のとおりとした。
得られた冷延鋼帯は、バッチ式焼鈍炉を用いてアンモニア分解ガス雰囲気中で200℃、400℃、680℃でそれぞれ8hの均熱処理を施し炉冷した。得られた鋼帯から試験片を採取して、室温での引張試験および曲げ試験に供した。

なお、引張試験は、C方向（圧延方向と直交）に採取したJIS Z2201の5号試験片を用いた。また、曲げ加工性の評価には、Vブロック法（JIS Z2248に準じた90度V曲げ試験）を用いた。ポンチの先端Rを変化させ、圧延方向と平行な曲げ軸（C方向曲げ）で、試験片を90度にV曲げし、先端曲げRが0.5mmで割れが認められなかったものを○（良好）、割れが認められたものを×（不良）と評価した。
得られた結果を表４に示した。

本発明範囲の化学組成と冷間圧延率を有するNo.1〜No.20に関しては、200℃×8h、400℃×8hの熱処理を施すことによって、PL／TS≧0.65の高比例限を有するとともに、優れた曲げ加工性を兼備していることがわかる。
これに対して本発明範囲を外れる化学組成のNo.31〜No.39の比較例では、熱処理条件に関わらず曲げ加工性あるいはPL／TS値のいずれか又は両方に劣っている。
また、化学組成が本発明範囲であっても、熱処理を施さない冷延ままの状態ではPL／TS≧0.65を満足できない上、多くのサンプルでは曲げ加工性に劣り先端曲げR0.5mmの90°曲げで割れを生じてしまう。
一方680℃×8hの熱処理を施すと金属組織が再結晶を生じるため、曲げ加工性は大きく改善されるものの、PL／TS≧0.65を満足できなくなる。

Claims

C：0.001〜0.20質量％、Si：1.5質量％以下、Mn：2.5質量％以下、P：0.10質量％以下、S：0.01質量％以下、酸可溶Al：0.001〜0.10質量％、N：0.015質量％以下を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、引張試験で得られる比例限と引張強さの比が0.65以上であることを特徴とする曲げ加工性に優れた高比例限鋼板。
さらに0.005〜0.15質量％かつ下記（１）式を満たすTi、0.005〜0.15質量％かつ下記（２）式を満たすNbの１種、または0.005〜0.15質量％かつ下記（３）式を満たすTiおよびNbの二種を含んでいる請求項１に記載の曲げ加工性に優れた高比例限鋼板。
Ti＜(48/14×N＋48/12×C＋48/32×S)×2 ・・・（１）
Nb＜(93/14×N＋93/12×C)×2 ・・・（２）
Ti−48/32×S +48/93×Nb＜(48/14×N＋48/12×C)×2 ・・・（３）
さらに、Cr：0.2〜1.5%、Mo：0.1〜0.6%、B：0.0005〜0.005%の一種または二種以上を含んでいる請求項１または２に記載の曲げ加工性に優れた高比例限鋼板。
請求項１〜３のいずれかに記載の成分組成を有する鋼板を熱間圧延した後に酸洗した熱延酸洗板に、冷延率：10〜80％で冷間圧延を施した後、当該冷延板を200〜600℃の範囲の温度に加熱することを特徴とする加工性に優れた高比例限鋼板の製造方法。