JP2012001802A - 鋼材およびその製造方法ならびに焼入処理用鋼板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で,C:0.33〜0.40%,Ni:2.0〜5.0%,Mn:0.01%以上0.5%未満,B:0.0001〜0.01%,Al:0.01〜3%,P:0.05%以下,S:0.03%以下,N:0.01%以下,さらに下記式(1)を満足する範囲でTiを,さらにCr:0.5%以下,Si:0.5%以下,Cu:1%以下,V:1%以下,Nb:1%以下,Mo:1%以下及びCo:3%以下からなる群から選択された1種又は2種以上を含有し,残部がFe及び不純物からなる化学組成を有し,旧オーステナイト平均粒径が5μm以上であるマルテンサイトからなる鋼組織を有する。3.42N+0.001≦Ti≦3.42N+0.5(1)ここで,N及びTiは化学組成におけるN及びTiの含有量(質量%)をそれぞれ示す。
【選択図】図1
Description
ところで、このようにして得られた鋼材の鋼組織は、一般に靭性に乏しいとされているマルテンサイト単相系組織である。
すなわち、Mnは、鋼の焼入性を高め、かつ焼入後の鋼材の強度を安定して確保することに特に有効な元素であることから、焼入後強度が1.5GPa程度である熱間プレス等の焼入処理用鋼板の主要成分として従来多用されてきた。
その結果、Mnと同様の効果を有し、さらに、劈開破壊強度を高めることにより靭性を大きく向上させる効果を有するNiを含有させるとともに、同じくMnと同様の効果を有し、さらに、粒界に偏析して粒界強度を高めることにより靭性を大きく改善する効果を有するBを含有させることにより、焼入後強度を2.0GPa以上とし、さらに良好な靭性を具備させることを着想した。
そこでさらに検討を進めたところ、粒界偏析を助長するMnの作用はBの粒界偏析にも影響を及ぼし、Mn含有量の上限を厳格に制限した場合には、Bが偏析する粒界面積の大小が鋼材の靭性に大きな影響を及ぼすことが判明した。
3.42N+0.001≦Ti≦3.42N+0.5 (1)
ここで、NおよびTiは化学組成におけるNおよびTiの含有量(単位:質量%)をそれぞれ示す。
(1)C:0.33%以上0.40%以下
Cは、鋼の焼入性を高め、かつ焼入後の鋼材の強度を主に決定する重要な元素である。C含有量が0.33%未満では焼入後の鋼材の強度で2.0GPa以上のTSを確保することが困難である。したがって、C含有量は0.33%以上とする。一方、C含有量が0.40%を超えると、焼入後の鋼材の強度が高くなりすぎて、靱性の劣化が著しくなる場合がある。したがって、C含有量は0.40%以下とする。好ましくは0.38%以下である。
Niは、鋼の焼入性を高め、かつ焼入後の鋼材の強度を安定して確保することに特に有効な元素である。さらに、劈開破壊強度を高めることにより鋼材の靭性を大きく向上させる重要な元素でもある。Ni含有量が2.0%未満では上記効果を得ることが困難である。したがって、Ni含有量は2.0%以上とする。好ましくは3.0%以上である。一方、Ni含有量を5.0%超としても、上記効果は飽和してコスト的に不利となる。したがって、Ni含有量は5.0%以下とする。好ましくは4.0%以下である。
Mnは、鋼の焼入性を高め、かつ焼入後の鋼材の強度を安定して確保することに特に有効な元素である。Mn含有量が0.01%未満では上記効果を得ることが困難である。したがって、Mn含有量は0.01%以上とする。好ましくは0.1%以上である。一方、Mn含有量が0.5%以上では、焼入後の鋼材の強度で2.0GPa以上のTSとした場合に、Mn自身の偏析に起因する靭性の劣化が顕在化するとともに、粒界脆化の原因となるPなどの粒界偏析を助長するMnの作用による靭性の劣化も顕在化し、両者が相俟って著しい靭性の劣化をもたらす場合がある。したがって、Mn含有量は0.5%未満とする。好ましくは0.2%以下である。
Bは、鋼の焼入性を高め、かつ焼入後の鋼材の強度を安定して確保することに特に有効な元素である。さらに、粒界に偏析して粒界強度を高めるとともに、焼入に際しての加熱工程におけるオーステナイトの過剰な粒成長を抑制することにより、焼入後の鋼材の靭性を大きく向上させる重要な元素でもある。B含有量が0.0001%未満では上記効果を得ることが困難である。したがって、B含有量は0.0001%以上とする。好ましくは0.0010%以上である。一方、B含有量が0.01%を超えると、上記効果は飽和してコスト的に不利となる。したがって、B含有量は0.01%以下とする。好ましくは0.0030%以下である。
Tiは、Bに優先して鋼中のNと結合することにより、BがBNとなって浪費されることを抑制し、Bによる上記効果を向上させる効果を有する。Ti含有量が(3.42N+0.001)%未満(なお、3.42Nにおける「N」はN含有量(単位:質量%)を意味する。以下同じ)では、上記効果を得ることが困難である。したがってTi含有量は(3.42N+0.001)%以上とする。好ましくは(3.42N+0.02)%以上である。一方、Ti含有量が(3.42N+0.5)%を超えると、Ti系析出物が鋼中に多量に生成してしまい、焼入処理用鋼板および焼入後の鋼材の靭性の劣化が著しくなる場合がある。したがって、Ti含有量は(3.42N+0.5)%以下とする。好ましくは(3.42N+0.08)%以下である。
Alは、鋼の焼入性を高め、かつ焼入後の鋼材の強度を安定して確保することに効果のある元素である。さらに、鋼のMs点を上昇させることにより、焼入における自動焼戻しを助長して、焼入後の鋼材の靭性を向上させる効果を有する。Al含有量が、0.01%未満では上記効果を得ることが困難である。したがって、Al含有量は0.01%以上とする。好ましくは0.03%以上である。一方、Al含有量が3%を超えると、上記効果は飽和してコスト的に不利となる。したがって、Al含有量は3%以下とする。好ましくは1%以下である。
P、SおよびNは、一般に不純物として含有される元素であるが、鋼の焼入性を高め、かつ焼入後の鋼材の強度を安定して確保することに効果のある元素でもある。したがって、積極的に含有させてもよい。しかし、各元素の含有量がそれぞれ上記上限を超えると、鋼材の靭性が著しく劣化する場合がある。したがって、P、SおよびNの含有量は上記範囲とする。なお、上記効果をより確実に得るには、P含有量は0.002%以上とすることが好ましく、S含有量は0.002%以上とすることが好ましく、N含有量は0.002%以上とすることが好ましい。
これらの元素は、鋼の焼入性を高め、かつ焼入後の鋼材の強度を安定して確保することに効果のある元素である。さらに、Coは、鋼のMs点を上昇させることにより、焼入における自動焼戻しを助長して、焼入後の鋼材の靭性を向上させる効果を有する。したがって、これらの元素の1種または2種以上を含有させる。しかし、各元素の含有量がそれぞれ上記上限を超えると、上記効果は飽和してコスト的に不利となる。したがって、これらの元素の含有量は上記範囲とする。なお、上記効果をより確実に得るには、Cr含有量は0.005%以上とすることが好ましく、Si含有量は0.005%以上とすることが好ましく、Cu含有量は0.001以上とすることが好ましく、V含有量は0.001以上とすることが好ましく、Nb含有量は0.001以上とすることが好ましく、Mo含有量は0.001以上とすることが好ましく、Co含有量は0.01%以上とすることが好ましい。Co含有量は1%以上とすることがさらに好ましい。
鋼材の鋼組織は、旧オーステナイト平均粒径が5μm以上であるマルテンサイトからなるものとする。
鋼材の機械特性は、引張強さが2.0GPa以上で、全伸びが5%以上であるものとする。
なお、靱性の指標としては、1/4サイズのシャルピー試験における−40℃のシャルピー衝撃値が30J/cm2以上であることが好ましい。
上記鋼材の製造方法としては、上記化学組成を有する鋼材をAc3点以上の温度域に5分間以上保持した後に上部臨界冷却速度以上の冷却速度でMf点まで冷却する焼入処理処理を施すことが好ましい。
また、Ac3点以上の温度域に5分間以上保持した後であって、上部臨界冷却速度以上の冷却速度でMf点まで冷却する焼入処理を施す前に、鋼材に成形を施してもよい。また、上部臨界冷却速度以上の冷却速度でMf点まで冷却する焼入処理を施すと同時に鋼材に成形を施してもよい。鋼材が軟質で加工性に富む状態である、熱間あるいは温間で成形を施すことになるので、寸法精度の高い鋼材を得ることが可能となり好ましい。
本発明の焼入処理用鋼板は、上記化学組成を有し、上部臨界冷却速度が60℃/s以下であるものとする。
上部臨界冷却速度が60℃/s超では、焼入処理の態様によってはマルテンサイトからなる鋼組織を得ることが困難となる場合がある。したがって、上部臨界冷却速度は60℃/s以下とする。好ましくは30℃/s以下である。例えば、熱間プレスでは、鋼製金型により鋼材の冷却が施されるのが常法であるが、この場合、上記冷却における冷却速度は通常60℃/s以上である。
実験室において溶製した表1に示す化学組成を有するスラブを、1250℃にて30分間加熱した後、900℃以上で熱間圧延を行い、板厚6mmの鋼板とした。熱間圧延後は、600℃まで水スプレー冷却したのち炉に装入し、600℃で30分間保持した後、20℃/時で室温まで徐冷することにより、熱延巻取工程を模擬した。このようにして得られた熱延鋼板について、表面研削によりスケールを除去し、冷間圧延にて板厚2.7mmとした。このようにして得られた冷延鋼板から厚さ2.7mm、幅110mm、長さ240mmの試験片を採取し、空燃比を1.1に設定した加熱炉(ガス炉)内で表2に示す条件で加熱し、加熱炉から取り出し、その直後に平板の鋼製金型を用いて、熱間プレスを行った。なお、保持時間とは、加熱炉に装入後、Ac3点に達した時から加熱炉から取り出すまでの時間をいう。また鋼板に熱電対を貼付して冷却速度の測定も行った。
また、1/4サイズ(板厚:2.5mm)のVノッチシャルピー試験片を作製し、シャルピー衝撃試験に供した。靱性は、−40℃における衝撃値が30J/cm2以上となる場合に合格と評価した。
上記熱延鋼板から直径3.0mm、長さ10mmの円柱試験片(図1)を切り出し、不活性ガス雰囲気中で900℃まで10℃/秒の昇温速度にて加熱し、その温度で5分間保持したのち、種々の冷却速度で室温まで冷却した。そのときの加熱中の熱膨張変化を測定することによりAc3点を測定した。また、冷却中の熱膨張変化の測定、得られた試験片のビッカース硬度測定(荷重49N、測定数:3)および組織観察を行い、それらの結果から上部臨界冷却速度を見積もった。
本発明例である例No.1〜6は、引張強さが2.0GPa以上で、良好な性能を有することがわかる。一方、比較例である例No.7〜11では、化学組成が本発明範囲を満足しないため、いずれかの性能が不芳であった。
Claims (3)
- 質量%で、C:0.33%以上0.40%以下、Ni:2.0%以上5.0%以下、Mn:0.01%以上0.5%未満、B:0.0001%以上0.01%以下、Al:0.01%以上3%以下、P:0.05%以下、S:0.03%以下、N:0.01%以下を含有し、さらに下記式(1)を満足する範囲でTiを含有し、さらにCr:0.5%以下、Si:0.5%以下、Cu:1%以下、V:1%以下、Nb:1%以下、Mo:1%以下およびCo:3%以下からなる群から選択された1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、旧オーステナイト平均粒径が5μm以上であるマルテンサイトからなる鋼組織を有し、引張強さが2.0GPa以上、全伸びが5%以上である機械特性を有することを特徴とする鋼材。
3.42N+0.001≦Ti≦3.42N+0.5 (1)
ここで、NおよびTiは化学組成におけるNおよびTiの含有量(単位:質量%)をそれぞれ示す。 - 請求項1に記載の化学組成を有する鋼材をAc3点以上の温度域に5分間以上保持した後に上部臨界冷却速度以上の冷却速度でMf点まで冷却する焼入処理を施すことを特徴とする鋼材の製造方法。
- 請求項1に記載の化学組成を有し、上部臨界冷却速度が60℃/s以下であることを特徴とする焼入処理用鋼板。
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