JP2012062561A - 耐疲労特性に優れた高強度熱延鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐疲労特性に優れた高強度熱延鋼板を提供する。
【解決手段】質量%で、C:0.05〜0.15%、Si:0.2〜1.2%、Mn:1.0〜2.0%、Al:0.005〜0.10%、N:0.006%以下を含み、さらに、Ti:0.03〜0.13%、Nb:0.02〜0.10%、V:0.02〜0.15%のうちの1種または2種以上を含有する組成の鋼素材を、圧下率が80%以上の粗圧延と、圧延終了温度が800〜950℃の範囲の温度とする仕上圧延とを施し、仕上圧延終了後、直ちに、仕上圧延終了温度から550〜610℃の冷却停止温度までを、平均冷却速度:25℃/s以上で冷却する処理と、ついで、該処理の冷却停止温度から巻取温度までを、平均冷却速度:100℃/s以上で冷却する処理とからなる二段階の冷却を施し、巻取温度:350〜550℃で巻き取る。これにより、表面から板厚方向に500μmまでの表層部が、面積率で50%以上の、微細ベイナイト相を有する組織となり、板厚の1/4位置〜3/4位置の範囲の板厚中央部が、面積率で90%以上の微細ベイナイト相を有する組織となり、引張強さTSが780MPa以上でかつ優れた耐疲労特性を有する高強度熱延鋼板となる。
【選択図】なし
Description
また、特許文献3に記載された技術では、フェライト相を析出強化し、マルテンサイト相との強度差を低減することで耐疲労特性の向上を狙ったものと考えられる。しかし、フェライト相とマルテンサイト相とで、塑性変形能、変形挙動が異なり、さらに、フェライト相とマルテンサイト相との異相界面が疲労亀裂の発生起点となりやすいことなどのため、本発明が所望する耐疲労特性は満足しない。
本発明は、斯かる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
(3)(1)または(2)において、前記組成に加えてさらに、質量%で、B:0.0002〜0.003%を含有することを特徴とする高強度熱延鋼板。
(5)質量%で、C:0.05〜0.15%、Si:0.2〜1.2%、Mn:1.0〜2.0%、P:0.03%以下、S:0.0030%以下、Al:0.005〜0.10%、N:0.006%以下を含み、さらに、Ti:0.03〜0.13%、Nb:0.02〜0.10%、V:0.02〜0.15%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼素材を、1100〜1250℃に加熱し、粗圧延と仕上圧延からなる熱間圧延を施し熱延鋼板とするに当たり、前記粗圧延での圧下率を80%以上とし、前記仕上圧延の仕上圧延終了温度を800〜950℃の範囲の温度として、該仕上圧延を終了した後、直ちに冷却を開始し、第一段の冷却として、第一段の冷却停止温度を550〜610℃とし、前記仕上圧延終了温度から第一段の冷却の冷却停止温度までを、平均冷却速度:25℃/s以上で冷却する処理と、ついで、第二段の冷却として、前記第一段の冷却の冷却停止温度から巻取温度までを、平均冷却速度:100℃/s以上で冷却する処理と、からなる二段階の冷却を施し、巻取温度:350〜550℃で巻き取ることを特徴とする耐疲労特性に優れた高強度熱延鋼板の製造方法。
(7)(5)または(6)において、前記鋼素材が前記組成に加えてさらに、質量%で、B:0.0002〜0.003%を含有することを特徴とする高強度熱延鋼板の製造方法。
C:0.05〜0.15%
Cは、主に変態強化を介して、鋼板強度を増加させるとともに、ベイナイト相の微細化にも寄与する元素である。このような効果を発現させるためには0.05%以上の含有を必要とする。一方、0.15%を超える含有は、溶接性を低下させる。このため、Cは0.05〜0.15%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.07%超0.11%以下である。
Siは、固溶強化により鋼板強度を増加させるとともに、鋼板の延性向上にも寄与する元素である。このような効果を発現させるためには、0.2%以上の含有を必要とする、一方、1.2%を超える含有は、鋼板表面性状を低下させ、熱間圧延時のデスケーリングを多用しても鋼板表面の凹凸を抑制することが難しくなる。このため、Siは0.2〜1.2%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.2〜0.8%である。
Mnは、固溶強化および変態強化を介して、鋼板強度を増加させる元素である。このような効果を発現させるためには1.0%以上の含有を必要とする。一方、2.0%を超える含有は、中心偏析が著しくなり、各種特性が著しく低下する。このため、Mnは1.0〜2.0%の範囲に限定した。なお、好ましくは1.2〜1.9%である。
Pは、固溶して鋼板の強度を増加させる作用を有する元素であるが、熱延鋼板製造時に鋼板表層に内部酸化層を形成しやすく、疲労亀裂の発生、伝播に悪影響を及ぼすことが懸念され、できるだけ低減することが望ましいが、0.03%までは許容できる。このため、Pは0.03%以下に限定した。なお、好ましくは0.02%以下である。
Sは、硫化物を形成し、鋼板の延性、加工性を低下させるため、極力低減することが望ましいが、0.0030%までは許容できる。このため、Sは0.0030%以下に限定した。なお、好ましくは0.0020%以下、さらに好ましくは0.0010%以下である。
Al:0.005〜0.10%
Alは、脱酸剤として作用する元素であり、このような効果を発現するためには0.005%以上の含有を必要とする。一方、0.10%を超えて含有すると、酸化物が著しく増加し、鋼板の疲労特性や各種特性が低下する。このため、Alは0.005〜0.10%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.015〜0.06%である。
Nは、窒化物形成元素と結合し、窒化物として析出し、結晶粒の微細化に寄与する。しかし、N含有量が多くなると、粗大な窒化物を形成し、加工性低下の原因となる。このため、Nはできるだけ低減することが望ましいが、0.006%までは許容できる。このため、Nは0.006%以下に限定した。なお、好ましくは0.005%以下、さらに好ましくは0.004%以下である。
Ti、Nb、Vはいずれも、炭窒化物を形成し結晶粒の微細化、さらには析出強化を介して強度増加に寄与するとともに、焼入れ性の向上にも寄与し、ベイナイト相の形成に大きな役割を果す元素であり、選択して少なくとも1種を含有する。このような効果を発現させるためには、それぞれ、Ti:0.03%以上、Nb:0.02%以上、V:0.02%以上の含有を必要とする。一方、Ti:0.13%、Nb:0.10%、V:0.15%を、それぞれ超える含有は、変形抵抗が増加し、熱間圧延の圧延荷重が増大し圧延機への負荷が大きくなりすぎて圧延操業そのものが困難になる。また、上記した値を超える含有は、粗大な析出物を形成し、疲労特性やその他の各種特性を低下させる。このため含有する場合には、それぞれ、Ti:0.03〜0.13%、Nb:0.02〜0.10%、V:0.02〜0.15%の範囲に限定した。なお、好ましくはTi:0.05〜0.12%、Nb:0.02〜0.07%、V:0.02〜0.10%である。
Cr、Mo、Cu、Niはいずれも、焼入れ性を向上させる作用を有し、とくにベイナイト変態温度を低下させ、ベイナイト相の微細化に寄与する元素であり、必要に応じて選択して、1種または2種以上含有できる。このような効果を発現させるためには、それぞれ、Cr:0.01%以上、Mo:0.005%以上、Cu:0.005%以上、Ni:0.005%以上の含有を必要とする。一方、Cr:0.2%を超える含有は耐食性を低下させる。また、Mo:0.2%を超えて含有しても、効果が飽和して含有量に見合う効果を期待できず、経済的に不利となる。また、Cu:0.2%、Ni:0.2%をそれぞれ、超える含有は、熱間圧延中に表面疵を発生させたり、鋼板表面にCuやNiの濃化層が残存するようになり、疲労亀裂の発生を助長しやすくなる。このようなことから、含有する場合にはそれぞれ、Cr:0.01〜0.2%、Mo:0.005〜0.2%、Cu:0.005〜0.2%、Ni:0.005〜0.2%に限定することが好ましい。なお、より好ましくはCr:0.01〜0.1%、Mo:0.005〜0.1%、Cu:0.005〜0.1%、Ni:0.005〜0.1%である。
Bは、粒界に偏析し、粒界強度を増加させる作用を有する。このような効果は0.0002%以上の含有で発現するが、0.003%を超える含有は、溶接部に割れを発生させる懸念がある。このため、含有する場合には、Bは0.0002〜0.003%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.0002〜0.0015%である。
Ca、REMは、いずれも、硫化物の形態制御に有効に作用する元素であり、必要に応じて選択して含有できる。このような効果は、それぞれCa:0.0005%以上、REM:0.0005%以上の含有で発現するが、Ca:0.03%、REM:0.03%をそれぞれ超えて含有しても、効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなる。このため、含有する場合には、それぞれ、Ca:0.0005〜0.03%、REM:0.0005〜0.03%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくはCa:0.0005〜0.005%、REM:0.0005〜0.005%である。
つぎに、本発明熱延鋼板の組織限定理由について説明する。
本発明熱延鋼板では、表層部が、面積率で50%以上の微細なベイナイト相を有する組織で、板厚中央部が、面積率で90%以上のベイナイト相を有する組織を、有する。
薄鋼板の疲労特性では、表層部の性状が疲労特性を支配する重要な要因となる。そこで、本発明熱延鋼板では、表層部の組織を、面積率で50%以上の微細な、平均粒径で5μm以下のベイナイト相を主相とする組織とする。ここで「表層部」とは、表面から板厚方向に500μmまでの領域をいう。表層部を、表面から板厚方向に500μmまでの領域としたのは、疲労亀裂長さが0.5mmを超えて大きくなると、疲労亀裂の伝播は、主に力学的要因で決定され、鋼板組織の影響が小さくなるためである。
また、本発明熱延鋼板では、板厚中央部の組織を、主相として、面積率で90%以上の微細な、平均粒径で4μm以下のベイナイト相を有する組織とする。ここで、「板厚中央部」とは、板厚の1/4位置〜3/4位置の範囲をいうものとする。
つぎに、本発明熱延鋼板の好ましい製造方法について説明する。
鋼素材の製造方法は、とくに限定する必要はなく、上記した組成を有する溶鋼を、転炉等で溶製し、連続鋳造法等の鋳造方法によりスラブ等の鋼素材とする、常用の方法がいずれも適用できる。なお、造塊−分塊方法を用いてもなんら問題はない。
鋼素材を、まず、加熱する。本発明では、加熱温度は、表層部の微細なベイナイト相を形成するうえで、重要な要因であり、1100〜1250℃の範囲の温度とする。加熱温度が1100℃未満では、鋼素材中に析出した炭窒化物の再溶解が不十分となり、所望の合金元素含有の効果を発現できなくなる。一方、1250℃を超える高温の加熱では、とくに鋼素材表層のオーステナイト粒が粗大化し、そのため、最終的に表層のベイナイト相も粗大化する。また、このような高温加熱では、スケール中にSiを含む低融点共晶酸化物が形成され、それが粒界を介して鋼板表層に侵入して、疲労亀裂発生、伝播を助長しやすくなる。このようなことから、鋼素材の加熱温度は1100〜1250℃の範囲に限定した。
粗圧延での圧下率:80%以上
粗圧延では、最終的な鋼板の表面性状を所望の表面性状とするために、圧下率を80%以上とする。なお、圧下率は、{(スラブ厚さ)−(粗バー厚さ)}/(スラブ厚さ)×100(%)で算出するものとする。より好ましくは85%以上である。
仕上圧延終了温度:800〜950℃
粗圧延後、仕上圧延を行うが、仕上圧延は仕上圧延終了温度:800〜950℃とする圧延とする。仕上圧延終了温度が800℃未満では、圧延が二相域温度で行われるため、鋼板表層に粗大な加工組織が残存し、そのため耐疲労特性が低下する。一方、仕上圧延終了温度が950℃を超えて高くなると、オーステナイト粒が粗大となりすぎて、最終的に得られる鋼板の表層組織が粗大なベイナイト相となり、耐疲労特性が低下する。このため、仕上圧延終了温度800〜950℃の範囲に限定した。なお、好ましくは830〜920℃である。ここでは、仕上圧延終了温度は、表面温度で表すものとする。
冷却速度が25℃/s未満では、初析フェライトが析出して、表層および板厚中央部で、ベイナイト相を主相とする所望の組織を確保することができない。このため、第一段の冷却では、仕上圧延終了温度から第一段の冷却の冷却停止温度までの平均冷却速度を25℃/s以上に限定した。なお、第一段の冷却における冷却速度の上限は、特に規定する必要は無いが、300℃/sを超えて大きくしようとすると、製造コストが非常に大きくなるため300/s程度とすることが好ましい。
第一段の冷却停止温度から巻取温度までの平均冷却速度:100℃/s以上
本発明が対象とする組成の鋼板では、この温度域では、オーステナイトからベイナイトへの変態が生じる。この温度域での冷却は、所望の微細なベイナイト組織を確保するうえで、重要となる。この第二段の冷却での冷却速度を100℃/s以上の急速冷却とすることにより、表層部および板厚中央部で微細なベイナイト組織を形成できる。平均冷却速度が100℃/s未満では、冷却中に組織が粗大化するため、表層部で平均粒径で5μm以下の、板厚中央部で平均粒径で4μm以下の微細なベイナイト相を得ることができなくなる。このため、第二段の冷却では、平均冷却速度を100℃/s以上に限定した。なお、第二段の冷却における冷却速度の上限は、特に規定する必要は無いが、350℃/sを超えて大きくしようとすると、製造コストが非常に大きくなるため350℃/s程度とすることが好ましい。
巻取温度が350℃未満では、硬質なマルテンサイト相が形成され、所望の組織を確保できなくなり、耐疲労特性が低下するとともに必要な成形性を満足しなくなる。また、巻取温度が550℃を超える高温では、パーライト相が形成される場合があり、耐疲労特性が低下する。このようなことから、巻取温度は350〜550℃の範囲に限定した。なお、好ましくは500℃以下、より好ましくは450℃以下である。
また、本発明は、板厚4mm超の熱延鋼板に適用することにより、一層の効果が期待できる。
(1)組織観察
得られた熱延鋼板から、組織観察用試験片を採取し、圧延方向に平行な板厚断面を研磨し、3%ナイタール液で腐食して組織を現出し、表層部および板厚中央部について、走査型電子顕微鏡(倍率:3000倍)で組織を観察し、5視野以上で撮像して、画像処理により、各相の組織分率、およびベイナイト相の平均粒径を算出した。表層部では、最表面から50μmの深さの範囲を除いた位置で1枚目を撮像し、その位置から50μm間隔で撮像した。また、板厚中央部では、板厚方向で板厚の2/8、3/8、4/8、5/8、6/8の各位置で計5枚撮影した。
なお、表層部とは、表面から板厚方向に500μmまでの領域を、また、板厚中央部とは、板厚方向で、板厚の1/4位置〜3/4位置の領域をいう。
(2)引張試験
得られた熱延鋼板から、引張方向が圧延方向と直角方向となるように、JIS 5号試験片(GL:50mm)を採取し、JIS Z 2241に準拠して引張試験を実施し、引張特性(降伏強さ(降伏点)YP、引張強さTS、伸びEl)を求めた。
(3)疲労試験
得られた黒皮ままの熱延鋼板から、試験片長手方向が、圧延方向と直角方向となるように、図1に示す寸法形状の平滑試験片を採取し、軸引張疲労試験を実施した。応力負荷モードは、応力比R=0.05の引張−引張型とし、周波数:15Hzとした。負荷応力振幅を6段階に変化し、破断までの応力サイクルを測定し、S−N曲線を求め、200万サイクルにおける疲労強度(応力振幅値)を求めた。
Claims (8)
- 質量%で、
C:0.05〜0.15%、 Si:0.2〜1.2%、
Mn:1.0〜2.0%、 P:0.03%以下、
S:0.0030%以下、 Al:0.005〜0.10%、
N:0.006%以下
を含み、さらに、Ti:0.03〜0.13%、Nb:0.02〜0.10%、V:0.02〜0.15%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、
表面から板厚方向に500μmまでの表層部が、面積率で50%以上のベイナイト相を有し、該ベイナイト相の平均粒径が5μm以下である組織を有し、板厚の1/4位置〜3/4位置の範囲の板厚中央部が、面積率で90%以上のベイナイト相を有し、該ベイナイト相の平均粒径が4μm以下である組織を有し、引張強さTSが780MPa以上であることを特徴とする耐疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。 - 前記組成に加えてさらに、質量%で、Cr:0.01〜0.2%、Mo:0.005〜0.2%、Cu:0.005〜0.2%、Ni:0.005〜0.2%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の高強度熱延鋼板。
- 前記組成に加えてさらに、質量%で、B:0.0002〜0.003%を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の高強度熱延鋼板。
- 前記組成に加えてさらに、質量%で、Ca:0.0005〜0.03%、REM:0.0005〜0.03%のうちから選ばれた1種または2種を含有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の高強度熱延鋼板。
- 質量%で、
C:0.05〜0.15%、 Si:0.2〜1.2%、
Mn:1.0〜2.0%、 P:0.03%以下、
S:0.0030%以下、 Al:0.005〜0.10%、
N:0.006%以下
を含み、さらに、Ti:0.03〜0.13%、Nb:0.02〜0.10%、V:0.02〜0.15%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼素材を、1100〜1250℃に加熱し、粗圧延と仕上圧延からなる熱間圧延を施し熱延鋼板とするに当たり、前記粗圧延での圧下率を80%以上とし、前記仕上圧延の仕上圧延終了温度を800〜950℃の範囲の温度として、該仕上圧延を終了した後、直ちに冷却を開始し、第一段の冷却として、第一段の冷却停止温度を550〜610℃とし、前記仕上圧延終了温度から第一段の冷却の冷却停止温度までを、平均冷却速度:25℃/s以上で冷却する処理と、ついで、第二段の冷却として、前記第一段の冷却の冷却停止温度から巻取温度までを、平均冷却速度:100℃/s以上で冷却する処理と、からなる二段階の冷却を施し、巻取温度:350〜550℃で巻き取ることを特徴とする耐疲労特性に優れた高強度熱延鋼板の製造方法。 - 前記鋼素材が前記組成に加えてさらに、質量%で、Cr:0.01〜0.2%、Mo:0.005〜0.2%、Cu:0.005〜0.2%、Ni:0.005〜0.2%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項5に記載の高強度熱延鋼板の製造方法。
- 前記鋼素材が前記組成に加えてさらに、質量%で、B:0.0002〜0.003%を含有することを特徴とする請求項5または6に記載の高強度熱延鋼板の製造方法。
- 前記鋼素材が前記組成に加えてさらに、質量%で、Ca:0.0005〜0.03%、REM:0.0005〜0.03%のうちから選ばれた1種または2種を含有することを特徴とする請求項5ないし7のいずれかに記載の高強度熱延鋼板の製造方法。
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