JP2010512460A - 耐候性に優れた高降伏比型冷延鋼板 - Google Patents
耐候性に優れた高降伏比型冷延鋼板 Download PDFInfo
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Abstract
高強度と高降伏の特性を有し、且つ耐候性と加工性に優れた冷延鋼板が提供される。この冷延鋼板は、重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２０％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０２〜０．０７％、Ｎｂ：０．０３〜０．０６％、Ｎｉ：０．０５〜０．３０％、Ｃｕ：０．２〜０．５％、Ｃｒ：０．３〜０．６％、Ｂ：０．００１〜０．００４％、Ｃｏ：０．０２〜０．０８％を含有し、残りのＦｅ及びその他不可避な不純物からなるものである。また、この冷延鋼板の製造方法も提供される。
Description
本発明は建築、鉄道車両、コンテナなどに使用される高強度耐候性冷延鋼板及びその製造方法に関するもので、より詳しくは、高降伏比の特性を有する高強度耐候性冷延鋼板及びその製造方法に関するものである。
従来より、コンテナまたは鉄道車両などの軽量化及び使用寿命の延長を目的としてステンレスまたはアルミニウムなどの素材が使われてきた。このような製品に要求される特性としては、曲げ加工性、溶接性、耐久性などが挙げられる。また、運送用構造物の場合、貨物の船積み及び積み置く時に衝撃を受ける場合が多いため、衝撃による変形を抑制する必要があり、このためには高降伏比を有する素材を適用することが好ましい。
降伏比（Ｙｉｅｌｄ−ｒａｔｉｏ）とは、引張試験から得られた材質値のうち降伏強度に対する引張強度の比と定義され、同一の引張強度レベルにおいて降伏比が高いとは、素材の降伏強度が高いということを意味する。即ち、高降伏比を有する鋼は、弾性領域の材質特性である降伏強度が高いことによって、衝撃を受けた場合にも変形に対する抵抗力が増加して、変形を抑制する能力が大きくなるものである。コンテナなどの用途に使用される場合、８０％以上の降伏比を確保することが好ましく、特にコンテナなどは、輸送条件に従い海洋または陸上の多様な気候条件に耐えなければならないので、耐候性に優れた鋼の使用が要求されていた。
一例として、従来には耐候性圧延鋼材であるＳＰＡ−Ｃ（工業規格ＫＳ−Ｄ３５４２及びＪＩＳ−Ｇ３１２５）が使用されてきたが、これら鋼は、引張強度が５０ｋｇ／ｍｍ２級と低いため、より大きい製品を製作する場合にそれ自体の重量による輸送費の上昇などが制約要因となった。また、自動車の構造部材用として引張強度６０〜８０ｋｇ／ｍｍ２級の高強度冷延鋼材があるが、これら素材の場合も、強度特性を重視して製造することによって、目的とする耐候性を発揮することはできないという問題点があった。
最近、コンテナ産業においても原価節減及び環境問題に対応するために、コンテナ自体の重量を大きく減少させてより大きいコンテナを製作し、これによって輸送の効率性を大きく増加させるための試みが進行されている。特に、耐候性及び８０ｋｇ／ｍｍ２以上の高強度を有する鋼板に対する要求、及びこれら素材の製造方法に関する技術が提案されている。
一例として、特許文献１では、Ｃ：０．００８％以下、Ｓｉ：０．５〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｐ：０．０３〜０．２０％、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｕ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．１％、及び、Ｎ：０．００８％以下、Ｃｒ：０．０５〜６．０％、Ｎｉ：０．０５〜２．０％、及び、Ｍｏ：０．０５〜３．０％、Ｂ：０．０００３〜０．００２％を含有する鋼を１１００〜１３００℃で加熱し、８００〜９５０℃で圧延終了して４００〜７００℃で巻き取ることを特徴とする熱延鋼帯の製造方法を提案した。しかし、この技術においてごく一部の実施例のみ引張強度６０〜７０ｋｇ／ｍｍ２級であり、ほとんどは引張強度５０ｋｇ／ｍｍ２級を示しているため、８０ｋｇ／ｍｍ２級の引張強度を確保することができない。また、成分構成要素の中でＣｒ，Ｍｏなどの硬化能向上元素を多量に添加することによって溶接性が劣化して製造費用が上昇するという問題点があった。
また、他の一例として、特許文献２では、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．７％以下、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｐ：０．０３〜０．１５％、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｕ：０．４％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｃｒ：０．１％以下、Ｎｉ：０．４〜４．０％、及び、Ｍｏ：０．１〜１．５％を含有する鋼を１０５０〜１３００℃に加熱し、９５０℃以上で４０％以上の熱間圧延を行った後、９００〜７５０℃で圧延終了して空冷を行う方法を提案した。しかし、この場合においても引張強度はほとんど５０ｋｇ／ｍｍ２級でごく一部のみ６０ｋｇ／ｍｍ２級の引張特性を示し、この技術は主に引張強度５０ｋｇ／ｍｍ２級の鋼板に適用する技術と言うことができる。また、Ｐを０．０３〜０．１５％と多量に添加し、海水雰囲気においての耐食性を向上する効果について言及してはいるが、Ｐの多量添加は冷延材の中心偏析などを誘発して、鋼板の加工性を急激に落とすという問題点があった。
さらに、特許文献３では、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｐ：０．０７〜０．１５％、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｕ：０．２５〜０．５５％以下、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｃｒ：０．３〜１．２５％、Ｎ２：０．００６％以下、Ｔｉ：０．０６〜０．２０％を含有する鋼を１２．１Ｘｔｉ，ｅｆｆ（％）／Ｍｎ（％）＞１．０の範囲で制御し、１１８０℃以上で再加熱、８８０〜９５０℃で熱間圧延した後、６５０℃以下で巻き取る技術を提供している。この技術では析出物制御元素としてＴｉの含量をＭｎ添加量に連携して添加している。しかし、この技術の実施例においても引張強度は６０ｋｇ／ｍｍ２級で、本発明で目標とする８０ｋｇ／ｍｍ２級よりは低い。
従って、本発明では上記のような問題点を解決するために８０ｋｇ／ｍｍ２以上の高強度特性を有する耐候性と高降伏比特性を確保しようとする。
上記目的を達成するための本発明の高降伏比型耐候性冷延鋼板は、重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２０％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０２〜０．０７％、Ｎｂ：０．０３〜０．０６％、Ｎｉ：０．０５〜０．３０％、Ｃｕ：０．２〜０．５％、Ｃｒ：０．３〜０．６％、Ｂ：０．００１〜０．００４％、Ｃｏ：０．０２〜０．０８％を含有し、残りのＦｅ及びその他不可避な不純物からなるものである。
上記冷延鋼板の引張強度は、８０ｋｇ／ｍｍ２以上であることが好ましい。
また、本発明の冷延鋼板製造方法は、重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２０％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０２〜０．０７％、Ｎｂ：０．０３〜０．０６％、Ｎｉ：０．０５〜０．３０％、Ｃｕ：０．２〜０．５％、Ｃｒ：０．３〜０．６％、Ｂ：０．００１〜０．００４％、Ｃｏ：０．０２〜０．０８％を含有し、残りのＦｅ及びその他不可避な不純物からなる鋼を１１５０〜１３００℃で再加熱して８５０〜９５０℃の仕上げ圧延温度の条件で熱間圧延し、１秒当たり２０〜４０℃の冷却速度で冷却して５００〜６５０℃の温度で巻き取った後、冷間圧延して５００℃以上〜Ａ１変態点以下で連続焼鈍することを含んでなる。
本発明によると、耐候性と機械的特性を同時に確保するとともに、高降伏比を得ることができ、衝撃抵抗性が要求される用途などの付加価置が高い鋼板を提供することができる。且つ、連続焼鈍作業が比較的低温領域で行われることにより、エネルギーの節減及び焼鈍作業性の改善効果も同時に得ることができる。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明者らは、多様な加工特性とともに耐候性を満たし、且つ、高強度の特性とともに高降伏比の特性を確保するための研究及び実験を重ねて本発明を完成した。本発明は、Ｃｕ−Ｃｏの耐候性成分系においてＣｒ，Ｂ，Ｎｂなどの添加量を制御して高強度の特性とともに高降伏比を確保するものである。
Ｃは０．０８〜０．２０重量％（以下、単に％とする）であることが好ましい。
Ｃは、鋼板の強度向上のために添加される元素であって、添加量が増加するほど引張及び降伏強度は増加するが、過剰に添加されると、素材の加工性が低下するので、その上限は０．２０％が好ましい。一方、Ｃ量が０．０８％未満であると、析出強化効果が十分に得られないという問題がある。
Ｓｉは０．１〜０．５％であることが好ましい。
Ｓｉは、溶鋼脱酸及び固溶強化の効果を提供し、且つ高温で鋼の表層にＦｅとともにＦｅ２ＳｉＯ４の緻密な酸化物を形成させて耐食性を向上させる役割もする元素であって、この効果を得るためには少なくとも０．１％以上を添加することが好ましい。従って、Ｓｉは耐候性向上のためには添加しなければならないが、過剰に添加されると、溶接性が低下するという問題があり、めっき性を落とすので、０．５％以下とすることが好ましい。
Ｍｎは０．９〜２．０％であることが好ましい。
Ｍｎは、固溶により強化させるのに効果的な元素であって、鋼の強度を高めて熱間加工性を向上させる重要な元素であるが、一方で、ＭｎＳ形成による素材の軟性及び加工性を損なう元素でもある。Ｍｎの含量が少ないと加工性には有利であるが、強度に問題があり、目標の強度を確保するためには０．９％以上を添加することが好ましい。これに対し、Ｍｎが過剰に添加されると、高価の合金元素の多量添加による経済性の低下及び溶接性を損なうという問題点があるので、上限は２．０％が好ましい。
Ｐは０．０２％以下であることが好ましい。
Ｐは、鋼の耐食性を向上させる役割をするので耐食性の側面では多量に添加されることが好ましいが、鋳造時に中心偏析を最も大きく起こす元素であるので、多量に添加すると溶接性及び靱性を低下させる要因となる。従って、その含量は０．０２％以下に制限することが好ましい。
Ｓは０．０１％以下であることが好ましい。
Ｓは、耐食性向上に効果的な元素として知られているが、鋼中のＭｎと結合して腐食開始点の役割をする非金属介在物を形成するので、できるだけその含量を減少させることが好ましい。従って、Ｓ含量は０．０１％以下に限定し、より好ましくは０．００５％以下である。
Ａｌは０．０２〜０．０７％であることが好ましい。
Ａｌは、一般的に溶鋼脱酸及び耐食性向上にも効果的な元素であるが、過剰に添加されると、鋼中の介在物量を増加させて加工性を低下するという問題点があるので、その含量を０．０２〜０．０７％に設定することが好ましい。
Ｎｂは０．０３〜０．０６％であることが好ましい。
Ｎｂは、フェライトの再結晶を遅延させる効果だけでなく、鋼中のＣ，Ｎ２などと結合して析出することによって鋼板の強度を上昇させる効果を有する元素であって、目標とする強度を確保するためには０．０３％以上を添加することが好ましい。これに対し、Ｎｂの添加量が０．０６％を超過と、製造原価の上昇及び熱延作業性を低下させる要因となることがある。
Ｎｉは０．０５〜０．３％であることが好ましい。
Ｎｉは、一般的にＣｕ添加鋼において鋳造時に発生する鋳造割れを防止する役割だけでなく、耐食性を向上させる元素であって、このような効果を発揮するためには０．０５％以上を添加することが好ましい。しかし、Ｎｉの含量が０．３％を超過すると、却って耐食性を悪くし、且つ高価の合金元素を過多使用することによって原価が上昇するようになる。
Ｃｕは０．２〜０．５％であることが好ましい。
Ｃｕは、腐食雰囲気において安定したさび層を形成して耐腐食性を向上させる元素であって、目標とする耐食性を確保するためには０．２％以上を添加することが好ましい。しかし、Ｃｕの添加量が０．５％を超過すると、連鋳時に粒界割れの要因となり、且つ熱延鋼板の表面状態を粗くする恐れがある。
Ｃｒは０．３〜０．６％であることが好ましい。
Ｃｒは、Ｃｕのように安定したさび層を形成させる役割をする元素であって、耐食性を確保して強度を得るためには０．３％以上を添加することが好ましい。また、Ｃｒの添加量が０．６％を超過すると、却って孔の腐食性を誘発する要因として作用し、且つ製造原価を急激に上昇させるようになる。
Ｂは０．００１〜０．００４％であることが好ましい。
Ｂは、鋼の硬化能を向上させるだけでなく、フェライト相の再結晶を遅延させる元素であって、低温領域で目標とする強度レベルを得るためには０．００１％以上を添加することが好ましい。これに対し、Ｂの含量が０．００４％超過すると、焼入れ性の増加により、熱間圧延工程でベイナイトのような硬質相の生成を促進して冷間圧延性が確保できなくなる。
Ｃｏは０．０２〜０．０８％であることが好ましい。
Ｃｏは、鋼中耐食性を確保するために添加されるＣｕ及びＣｒなどと反応して表面層腐食抑制生成物の形成を促進する元素であって、このような効果を得るためには少なくとも０．０２％以上を添加することが好ましい。しかし、Ｃｏの添加量が０．０８％超過すると、耐食性を向上させる効果よりは製造原価を上昇させる要因として作用するようになる。
本発明の鋼は、上記の成分を含有しながら不可避な不純物と残りのＦｅからなるものである。必要に応じて耐候性鋼に特性を向上させる合金元素が添加されてもよく、本発明の実施例で説明していない合金元素が添加されたとしても本発明の範囲から除外されるものではない。
本発明の冷延鋼板は、高強度とともに高降伏比特性を有するものである。本発明の一実施例によると、引張強度は８０ｋｇ／ｍｍ２以上であればよく、例えば略８０〜１１０ｋｇ／ｍｍ２程度の引張強度を有するものである。降伏比は８０％以上であればよく、例えば略８５〜９４％である。また、軟性は１０％以上の特性を有する。
このような特性は、上記の成分系を満足しながら、後述する本願発明の低温焼鈍により得られるものである。低温焼鈍により圧延変形粒の全てが回復せずに一部が微細組織に存在するようになる。本発明の微細組織は、フェライトまたはフェライトとパーライトの混粒組織であってもよく、これに制限されるものではない。
以下、本発明の冷延鋼板の製造方法について説明する。
上記のように組成された鋼を製造する方法について一実施例によって具体的に説明する。上記の化学組成を有する鋼は、１１５０〜１３００℃で再加熱して仕上げ熱間圧延を８５０〜９５０℃で行い、２０〜４０℃／秒の冷却速度で冷却して５００〜６５０℃で巻き取った後、冷延及び熱処理時に５００〜Ａ１変態点以下の温度で連続焼鈍することによって耐候性に優れた引張強度８０ｋｇ／ｍｍ２以上の高降伏比型冷延鋼板を製造する方法に関するものである。
再加熱温度が１１５０℃未満であると、鋳造時に形成された凝固組織の破壊が不十分で中心偏析がよく発達されるので、最終形成された結晶粒の混粒が発生され加工性及び衝撃靱性が著しく低下される。また、再加熱温度が１３００℃を超えると、酸化によるスケール形成が促進され、スラブの厚さの減少量が大きく、再加熱時に結晶粒の粗大化により衝撃靱性が低下するという短所があり、加熱原単位の上昇による経済的な損失が大きいので、管理範囲は１１５０〜１３００℃に限定する。
仕上げ熱延温度が９５０℃よりも高いと、厚さ全般にわたって均一な熱間圧延ができず、結晶粒の微細化が不十分となり、これによって結晶粒の粗大化に起因した衝撃靱性の低下が現れる。これに対し、仕上げ熱延温度８５０℃未満では、低温領域で熱間圧延が仕上げられるようになり、結晶粒の混粒化が急激に進行されて耐食性及び加工性の低下をもたらすので、仕上げ熱延温度を８５０〜９５０℃に制限することが好ましい。
上記のように熱間圧延した後の冷却工程において、冷却温度は２０〜４０℃が好ましい。即ち、仕上げ熱延後にランアウトテーブル（ＲＯＴ、Ｒｕｎ−ｏｕｔ−ｔａｂｌｅ）での冷却速度が１秒当たり２０℃未満であると、結晶粒成長の促進により相対的に粗大結晶粒が形成されて強度低下の要因となるので、下限を１秒当たり２０℃とすることが好ましい。これに対し、冷却速度が１秒当たり４０℃超過すると、ベイナイトのような硬い第２相を形成して冷間圧延性を著しく落とすので、冷却速度は１秒当たり２０〜４０℃に設定することが好ましい。
上記のように冷却した後の巻き取り工程において、巻き取り温度は５００〜６５０℃が好ましい。熱延巻き取り温度が６５０℃超過すると、十分な析出効果が得られないため、素材強度が減少して目標の強度である８０ｋｇ／ｍｍ２を安定して確保することが困難である。これに対し、５００℃未満の巻き取り温度では、冷却及び維持する間に硬質相が生成されて、冷間圧延工程で圧延機のロールフォース（Ｒｏｌｌ ｆｏｒｃｅ）が上昇することによって圧延性を確保することができないという問題点があるため、巻き取り温度の管理範囲を５００〜６５０℃に限定することが好ましい。
熱間圧延が終了した素材は、通常の冷間圧延条件で圧延を行い連続焼鈍工程を経るようになる。この際、目標とする材質特性を確保するためには焼鈍温度を適切に管理する必要がある。連続焼鈍工程において、焼鈍温度が５００℃よりも低いと、冷間圧延時の変形粒がそのまま残っており、軟性が急激に落ちるので加工性が低下するという問題点がある。これに対し、Ａ１変態点以上の焼鈍温度では、焼鈍後の冷却時に変態によりマルテンサイト相が形成されて降伏強度が低下して降伏比が６０％以下と低くなり、変形に対する抵抗性が確保できなかったため焼鈍温度の上限線はＡ１変態点にすることが好ましい。本発明では、低温焼鈍により冷延鋼板に圧延変形粒を一部残存させることができる。
以下、実施例によって本発明をより詳しく説明する。
表１のように組成された鋼に対し、規格化された腐食抵抗指数（ＣＩ）値に対する評価及び耐候性試験を行った後、その評価結果を［表２］に示した。耐候性試験は、３０℃の５％塩水（ＮａＣｌ溶液）の条件で４８０時間の間塩水噴霧試験（ＳＳＴ、Ｓａｌｔ Ｓｐｒａｙ Ｔｅｓｔ）を行った結果である。ここで、腐食抵抗指数（ＣＩ）は、ＡＳＴＭ Ｇ１０１に規定された耐候性関連評価指数であって、この値が高いほど鋼の耐候性は良いものと知られており、これは主に合金元素に基づいて算出した指数として次のように定義される。
即ち、腐食抵抗指数（ＣＩ）＝２６．０１（％Ｃｕ）＋ ３．８８（％Ｎｉ）＋１．２（％Ｃｒ）＋１．４９（％Ｓｉ）＋１７．２８（％Ｐ）−７．２９（％Ｃｕ）（％Ｎｉ）−９．１０（％Ｎｉ）（％Ｐ）−３３．３９（％Ｃｕ）２
表２に示したように、比較鋼２は、腐食抵抗指数は低く腐食減量が大きいため耐候性の側面では適用することが困難であり、比較鋼３及び比較鋼４は、ＣＩ値も多少高かったが、塩水噴霧試験による腐食減量が０．０３０ｇ／ｃｍ２以上と耐候性が低くなった。これに対し、発明鋼１と２及び比較鋼１は、腐食減量と腐食抵抗指数の側面で優れた耐候性を示した。
実施例１の表１において発明鋼１と２及び比較鋼１〜４を用いて、表３のような条件で作業し冷延鋼板を製造した後、それぞれの素材に対して機械的性質及び加工特性を評価した結果を表４に示した。
表４に示したように、化学成分及び製造条件が本発明方法の範囲を満たす発明材１〜４の場合、引張強度８０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、降伏比８０％以上、軟性１０％以上を確保することができ、バンディング加工時にも加工割れを発生することなく、高強度を有する高降伏比型耐候性鋼を製造することができた。
一方、発明鋼の化学組成範囲を満たしているが、製造条件で発明の範囲から外れた比較材１〜５は目標の特性を得ることができなかった。即ち、焼鈍温度が本発明よりも高い比較材２及び比較材５の場合、引張強度基準は満たしたが、焼鈍温度が高いことによって、冷却段階での変態により生成された第２相によって、降伏強度が低くなって降伏比７０％以下を示した。即ち、目標とする８０％以上の降伏比を得ることができず、変形抵抗性が落ちるという問題点があった。
焼鈍温度が発明範囲よりも低い比較材４の場合、冷間圧延時に生成された変形粒がほとんど残っており、軟性及びバンディング加工性を確保することができなかった。また、熱延仕上げ温度及び巻き取り温度が本発明の範囲から外れた比較材１、及び冷却速度が発明範囲よりも高い比較材３の場合も軟性５％未満と適切な加工性を確保することができなかった。
ＭｎとＣｒなどが本発明組成から外れているが、耐候性が比較的優れた比較鋼１に対し製造条件を本発明の範囲とした場合（比較材７）、軟性及び加工性を確保することが困難であった。さらに、軟性及び加工性を確保するために焼鈍温度を上げると、複合組織が生成されて降伏強度が低くなり、８０％以上の降伏比を得ることができなかった。
化学組成が本発明鋼の組成範囲から外れて耐候性においても確保できなかった比較鋼２〜３に対し製造条件変更試験を行った場合（比較材８〜１１）も、表４から明らかなように加工性及び材質の適正範囲が設定できないことが分かった。
Claims (3)
- 重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２０％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０２〜０．０７％、Ｎｂ：０．０３〜０．０６％、Ｎｉ：０．０５〜０．３０％、Ｃｕ：０．２〜０．５％、Ｃｒ：０．３〜０．６％、Ｂ：０．００１〜０．００４％、Ｃｏ：０．０２〜０．０８％を含有し、残りのＦｅ及びその他不可避な不純物からなる高降伏比型耐候性冷延鋼板。
- 前記冷延鋼板の引張強度は、８０ｋｇ／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項１に記載の高降伏比型耐候性冷延鋼板。
- 重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２０％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０２〜０．０７％、Ｎｂ：０．０３〜０．０６％、Ｎｉ：０．０５〜０．３０％、Ｃｕ：０．２〜０．５％、Ｃｒ：０．３〜０．６％、Ｂ：０．００１〜０．００４％、Ｃｏ：０．０２〜０．０８％を含有し、残りのＦｅ及びその他不可避な不純物からなる鋼を１１５０〜１３００℃で再加熱して８５０〜９５０℃の仕上げ圧延温度の条件で熱間圧延し、１秒当たり２０〜４０℃の冷却速度で冷却して５００〜６５０℃の温度で巻き取った後、冷間圧延して５００℃以上〜Ａ１変態点以下で連続焼鈍する高降伏比型冷延鋼板の製造方法。
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