JP2015052132A - 高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C:0.10〜0.30%(質量%の意味。以下同じ)、Si:0.50〜2.50%、Mn:1.00%未満(0%を含む)、P:0.100%以下(0%を含む)、S:0.010%以下(0%を含む)、Al:0.50〜3.00%、N:0.0020〜0.0100%、残部が不可避不純物からなり、鋼組織がフェライト分率:60〜90%、ベイニティックフェライト分率:10%以下(0%含む)残留γ分率:5%以上、焼戻しマルテンサイト分率 5%〜30%、マルテンサイト分率 5%以下(0%含む)、焼戻しマルテンサイト内に存在するセメンタイトの円相当直径の平均粒径が200nm以下、かつ、その数密度が10個/μm2以上、であることを特徴とする高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板
【選択図】なし
Description
しかしながら、この文献に開示される鋼板は、TS、YR及びλなど個々の特性は前記水準を満足するが、TSと全伸び(EL)との積(TS×EL)が不足しており、強度と成形性が同時に高いレベルに維持された鋼板に対する要求には十分に対応できない問題を有する。
しかし、このCALにより得られる鋼板は、上記製造工程での最終冷却の際に、一部のオーステナイトはマルテンサイト変態し、最終組織に焼戻されていないマルテンサイト(以下、単にマルテンサイトと表記する)が含まれる。このマルテンサイト変態時の膨張により母相に可動転位が導入されるためYRが低下し、また、マルテンサイトは非常に硬質なため破壊の起点となりλを低下させる。従い、YR及びλにおいても高いレベルの鋼板に対する要請には十分に応えられない問題を有する。
C:0.10〜0.30%(質量%の意味。以下同じ)、
Si:0.50〜2.50%、
Mn:1.00%未満(0%を含む)
P:0.100%以下(0%を含む)、
S:0.010%以下(0%を含む)、
Al:0.50〜3.00%、
N:0.0020〜0.0100%、
残部が鉄及び不可避不純物からなり、
鋼組織が
フェライト分率:60〜90%
ベイニティックフェライト分率:10%以下(0%含む)
残留γ分率:5%以上
焼戻しマルテンサイト分率 5%〜30%、
マルテンサイト分率 5%以下(0%含む)
焼戻しマルテンサイト内に存在するセメンタイトの円相当直径の平均粒径が200nm以下、かつ、その数密度が10個/μm2以上、
であることを特徴とする高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板である。
更に、
V:0.01〜1.00%、
Ti:0.01〜0.30%、
Nb:0.01〜0.30%、
の1種もしくは2種以上を含む請求項1または2に記載の高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板である。
更に、
Cr:0.01〜3.00%、
Mo:0.01〜1.00%、
Cu:0.01〜2.00%、
Ni:0.01〜2.00%、
B:0.0001%〜0.005%、
の1種もしくは2種以上を含む請求項1〜3のいずれかに記載の高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板である。
更に、
Ca:0.0005〜0.01%、
Mg:0.0005〜0.01%、
REM:0.0001〜0.01%、
の1種もしくは2種以上を含む請求項1〜4のいずれかに記載の高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板である。
請求項1〜5のいずれかに示す成分組成を有する鋼材に、熱間圧延及び冷間圧延を施して得た鋼板を、
[0.6Ac1+0.4Ac3]以上の温度に加熱し、該温度で10〜1000s保持する均熱を行った後、15℃/s以下の冷却速度で750〜550℃まで冷却し、次いで100℃/s以上の冷却速度で常温まで冷却し、
さらに、該鋼板を、300〜480℃に再加熱し、該温度で10〜1000s保持する焼戻しを行った後、常温まで冷却することを特徴とする高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板の製造方法である。
請求項1〜5のいずれかに示す成分組成を有する鋼材に、熱間圧延及び冷間圧延を施して得た鋼板を、
[0.6Ac1+0.4Ac3]以上の温度に加熱し、該温度で10〜1000s保持する均熱を行った後、15℃/s以下の冷却速度で750〜550℃まで冷却し、次いで100℃/s以上の冷却速度で常温まで冷却し、
さらに、該鋼板を、8℃/s以上の加熱速度で480〜580℃に再加熱し、該温度若しくは該温度から10℃以下の温度降下の範囲内の温度において20s以下保持する焼戻しを行った後、5℃/sを超える冷却速度で常温まで冷却することを特徴とする高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板の製造方法である。
また、本発明によれば上記高強度冷延鋼板を、特に新たな製造工程を付加することなく既存の連続焼鈍ライン(CAL)により比較的容易に製造することができ、コスト面、実用面でも有利である。
本発明者等は、従来の残留γを活用するTRIP鋼をベースにYRおよびλを改善し、さらにTS×ELをも向上させることを念頭において鋭意検討を行なった。前述のように、本鋼では過時効帯におけるオーステンパー後の最終冷却でマルテンサイトが生成するために、可動転位が導入されYRが低下し、また、硬質なマルテンサイトが破壊の起点となるためλが低下することから、可動転位が容易に移動することを防止することでYRを向上させ、またマルテンサイトを軟質化させることでλを向上させることができるのではないかと考えた。また、更に本鋼に含まれているベイニティックフェライトをマルテンサイトラス程度のサイズに微細化させれば、微細化効果によりTS×ELバランスを向上させることができるのではないかと考えた。
先ず、鋼板の成分組成についてその基本となる元素から説明する。これらの元素は本発明の目的(課題)とする諸特性すなわち、降伏強度(YS)、引張強度(TS)、降伏比(YR)、全伸び(EL)、穴拡げ率(λ)及び引張強度(TS)と全伸び(EL)との積(TS×EL)を達成するための必須の成分組成として位置付けられるものである。
なお、成分組成について単位の%表示は、すべて質量%を意味する。
Cは所望の組織(焼戻しマルテンサイト+残留γ)を得て、高い(TS×EL)を確保するために必須の元素であり、このような作用を有効に発揮させるためには0.10%以上添加する必要がある。ただし、0.30%超は溶接に適さない。好ましくは0.13%以上、さらに好ましくは0.15%以上である。また、好ましくは0.25%以下である。
Siは固溶強化元素として有用であり、高強度化に寄与する。また、残留γの確保にも有効でありTS×ELを高める。このような作用を有効に発揮させるためには0.50%以上添加する必要がある。ただし、2.50%超では過度な固溶強化のためにTS×ELが低下する。好ましくは0.80〜2.20%、さらに好ましくは1.00〜2.00%である。
Mnは本発明において特に注意を要する重要な元素で、固溶強化元素として作用するが、Mn固溶量が高い場合、フェライト−オーステナイト2相域におけるオーステナイト中に濃化し得るC量が低下し、そこからの急冷により得られる残留γの量が低下してTS×ELが低下する。フェライト−オーステナイト2相域でオーステナイト中のC濃度を十分に高めるにはMn量を1.00%未満に制限する必要がある。好ましくは0.50%未満(0%含む)、より好ましくは0.10%未満(0%含む)である。
0.1%を超えて添加するとEL、λが劣化する。好ましくは0.03%以下である。
Sは不純物元素として不可避的に存在し、MnS等の硫化物系介在物を形成し、割れの起点となってλを低下させる元素である。好ましくは0.005%以下である。
Alは本発明において特に重要な元素で、フェライト−オーステナイト2相域におけるオーステナイト中に濃化し得るC量を増加させ、そこからの急冷により得られる残留γの量を増加させてTS×ELを向上させる。このような作用を有効に発揮させるためには、Alを0.50%以上添加する必要がある。ただし、3.00%を超えると均熱のオーステナイト化温度が高温化しすぎる他、鋳造自体が困難になる。好ましくは0.60%以上、さらに好ましくは0.70%以上である。また、好ましくは2.00%以下、さらに好ましくは1.00%以下である。
Nは、不可避的に存在する元素であるが、Alなどの炭窒化物形成元素と結びつくことで析出物を形成し、強度向上や組織の微細化に寄与する。このような作用を有効に発揮させるためには、Nは0.0020%以上含有させる必要がある。一方、N含有量が多すぎると、固溶Al量が低下して残留γ量が低下するので上限を0.0100%に制限する。
Ti:0.01〜0.30%、
Nb:0.01〜0.30%、
これらの元素(群)は、析出強化、組織の微細化作用により、高強度(TS、YS)を確保するために有効な選択元素である。それぞれ、下限未満では十分な強度が得られず、また上限を超えると成形性が低下してEL、λが不足する。そして、それぞれの範囲の添加量を外れると所望のYRや(TS×EL)も達成できなくなる。好ましくは、Vが0.02〜0.50%、Tiが0.02〜0.20%及びNbが0.02〜0.20%である。
Mo:0.01〜1.00%、
Cu:0.01〜2.00%、
Ni:0.01〜2.00%、
B:0.0001〜0.005%、
これらの元素(群)も、強化元素であり、所望の(TS、YS)を確保するために有用な選択元素である。それぞれ、下限未満では十分な強度が得られず、また上限を超えると成形性が低下してEL、λが不足する。そして、それぞれの範囲の添加量を外れると所望のYRや(TS×EL)も達成できなくなる。好ましくは、Crが0.02〜1.00%、Moが0.02〜0.50%、Cuが0.02〜0.50%、Niが0.02〜0.50%及びBが0.0003〜0.001%である。
Mg:0.0005〜0.01%、
REM:0.0001〜0.01%、
これらの元素(群)は硫化物などの介在物の形態をコントロールし、成形性(El、λ)を高めるために有効な元素で、それぞれ下限未満では十分な成形性が得られず、また上限を超えるとその効果が飽和し無駄になる。好ましくは、Caが0.001〜0.005%、Mgが0.001〜0.005%、REMが0.0005〜0.005%である。
次に、本発明において新規且つ特徴的な鋼板の組織(鋼組織)について説明する。なお、各組織の分率は鋼板の圧延方向と垂直な方向(板幅方向)の組織を(板厚)/4の位置で観察した面積分率を示す。組織の測定、評価方法については後述する。
フェライト(α)は軟質相であることからEL、λを高めるために有効であり、また、フェライト−オーステナイト2相域でオーステナイト中にCを濃化させて残留γを得るために高める必要がある。60%未満ではTS×ELが確保できない。90%を超えるとTS590MPa以上が確保できない。好ましくは63〜87%、さらに好ましくは65〜85%である。
ベイニティックフェライト(BF)が生成するとより微細なラス組織である焼戻しマルテンサイトが減るためTS×ELバランスが低下する。従って、TS×ELを向上させるには10%以下の少量に制限する必要がある。好ましくは8%以下、さらに好ましくは7%以下である。
残留γ(γR)は変形時に加工誘起マルテンサイト変態することでTS×ELを高める。好ましくは6%以上、さらに好ましくは8%以上である。残留γは硬質なマルテンサイトに変態するため、過剰に導入するとλが低下する。そのため25%以下、好ましくは20%以下とする。
焼戻しマルテンサイト(TM)は微細なラス組織を有しながら適度に軟質化され延性も有するためにTS×ELの向上に寄与する。5%未満ではTS590MPaを確保できない。また、30%超では高強度化し過ぎてTS×ELが低下する。好ましくは8〜25%、さらに好ましくは10〜20%である。
焼戻されていないマルテンサイト(M)は変形時に破壊の起点となるためλを大幅に低下させる必要がある。好ましくは4%以下、さらに好ましくは3%以下である。
焼戻しマルテンサイト内のセメンタイト粒子の粒径を小さく、またその数を増やすことにより、焼き戻しマルテンサイトの変形能を高めて破壊の起点となることを抑制しλを有効に高めることができる。その円相当平均粒径200nm超、または、その数密度が10個/μm2未満ではセメンタイトが粗大化して破壊の起点になったり、固溶Cが高く焼き戻しマルテンサイトの変形能が不足してλが低下するため、それぞれ上記のとおり規定する。
本発明において必須ではないが、上記焼戻しマルテンサイト内に存在するセメンタイトについては、200nm以上の粗大なセメンタイトが破壊の起点となってλを低下させる恐れがあるため上記のように制限することが好ましい。より好ましくは円相当直径200nm以上のものが0.8個/μm2以下、さらに好まし0.6個/μm2以下である。
次に、本鋼板の製造方法について説明する。但し、鋼板の素材となる鋼の溶製から鋳造、鋼材(スラブ)の熱延、冷延までは通常採用されている条件によるものであるため、ここでこれを割愛し、本発明の特徴とする冷延後の鋼板の熱処理、すなわち均熱、焼き戻し及びその前後の加熱、冷却に関する諸条件を中心に説明することにする。
「加熱、均熱温度:[0.6Ac1+0.4Ac3]以上」
先ず、冷延後の鋼板を加熱して均熱(連続焼鈍が好ましいがバッチ焼鈍でも良い)を行うが、[0.6Ac1+0.4Ac3]以上に加熱し、この温度で均熱を実施するする必要がある。つまり、均熱温度(T1)は[0.6Ac1+0.4Ac3]以上とする。この温度未満の低温では、セメンタイトを溶解させてオーステナイト中のC濃度を高めることができず、未固溶セメンタイトが多量に残存して残留γが十分に得られずTS×ELの特性が確保できない。
上記均熱温度に保持される均熱時間(t1)は10〜1000sとする。10s未満では未固溶セメンタイトが多量に残存し残留γが十分に得られず(TS×EL)の特性が十分に確保できない。また1000s超では生産性が阻害される不利を招く。
「均熱後の15℃/s以下の冷却速度による750〜550℃までの第1冷却」
本発明では均熱後常温まで第1冷却と第2冷却の2段冷却を行う。この第1冷却は均熱後750〜550℃までの温度域、すなわち均熱温度から750〜550℃までの温度域を15℃/s以下の冷却速度(第1冷却速度:CR1))で徐冷する。前記均熱時の高温均熱でセメンタイトを溶解させた後、この徐冷によりフェライト分率を増加させてオーステナイトを室温でも残留γ化するまで高C化させるものである。550℃未満の温度域まで徐冷するとオーステナイトがパーライトに変態するため残留γ量が低下する。15℃/s超ではフェライト変態が十分に起こらずオーステナイトへのC濃化が不十分となり残留γ量が低下する。好ましくは均熱温度から660℃までの温度域を13℃/s以下、さらに好ましくは均熱温度から670℃の温度域を10℃/s以下の冷却速度で冷却する。なお生産性を阻害しないために、冷却速度の下限は0.5℃/sとする。
この第2冷却は上記第1冷却後常温までの温度域、すなわち750〜550℃の急冷開始温度(T2)から常温までの温度域を100℃/s以上の冷却速度(第2冷却速度:CR2)で急冷する。この急冷によりパーライト変態・ベイナイト変態を避けながら一部のオーステナイトをマルテンサイト変態させつつ残留γ化させるものである。好ましくは250℃/s以上、さらに好ましくは500℃/s以上の冷却速度で冷却する。
この再加熱、焼戻し及び冷却条件については二通りの方法がある。従って、これまで述べた加熱、均熱、均熱後の冷却条件は共通するのでこれらの条件に、以下に説明するA、B二通りの再加熱、焼戻し及び冷却条件のうちの一つを選択して組合せて実施すれば良い。条件Aは低温で時間をかけて焼戻す方法のために設定された条件であり、条件Bは高温で短時間に焼戻す方法のために設定された条件である。
「焼戻し温度:300〜480℃」
上記第2冷却により常温となった鋼板を、更に再加熱して焼戻しを行なうが、その際、300〜480℃に再加熱し、この温度範囲で焼戻しを実施する必要がある。つまり、焼戻し温度は300〜480℃とする。これは、常温までのマルテンサイトを焼戻し、また、マルテンサイト変態時に導入された可動転位を固着するためである。焼戻し温度が300℃未満の低温ではYR、TS×EL、λが共に低下する。同温度が480℃を超える高温ではTSを590MPa以上に確保できないし、また、残留γが分解し、これによりTS×ELを高めることもできなくなる。なお、本条件Aでは、常温から上記焼き戻し温度である300〜480℃まで間の再加熱時の加熱速度(昇温速度速度)については特に限定しないが、この種鋼板の焼き戻しの際において通常用いられている加熱速度例えば1℃/s以上、8℃/s未満で十分であり、後記する条件Bのように高速で加熱する必要はない。
上記した焼戻し温度に保持される焼き戻し時間は100〜300sとする必要がある。これも、焼戻し温度の規定理由と同様に、常温までのマルテンサイトを焼戻し、また、マルテンサイト変態時に導入された可動転位を固着するためである。焼戻し時間が100s未満の短時間ではYR、(TS×EL)、λが共に低下する。同時間が300sを超える長時間となるとTSを590MPa以上に維持することが困難となり、また、残留γが分解し、これにより(TS×EL)の向上も望めなくなる。
焼戻し後の冷却条件(第3冷却)については特に限定するものではないが、通常行なわれている徐冷(放冷)で良い。
「再加熱の加熱速度:8℃/s以上」
前記の第2冷却により常温となった鋼板を、条件Aよりも高温域である480〜580℃に再加熱して焼戻しを行なうが、その際の加熱は8℃/s以上の高速加熱とする。粗大セメンタイト粒子が形成されやすい300〜480℃の滞在時間を低減することで、焼戻しマルテンサイト内に存在する円相当直径200nm以上のセメンタイト粒子の数密度を1個/μm2以下としてさらにλを高める。加熱速度(昇温速度)が8℃/s未満ではλが低下するので好ましくない。
本条件では、480〜580℃の高温焼戻しとする。この理由は粗大セメンタイト粒子の形成をさけるため急速昇温した分、条件Aの焼き戻し温度範囲ではマルテンサイトの焼き戻しが不足して、EL、λが低下するためである。
上記した焼戻し温度に保持される焼き戻し時間は20s以下の短時間とする。但し、この焼き戻し時間は焼戻し温度がその焼戻し開始から終了まで一定の温度に保持されず温度降下がある場合も考慮して焼戻し温度が低下しても10℃以内の範囲であれば上記480〜580℃で選択された焼戻し温度と同等の温度で焼き戻されたものとみなし、この場合も含めて焼き戻し時間は20s以下とする。すなわち、焼戻し開始温度〜焼戻し開始温度−10℃で20s以下保持して焼戻しを終了させることを意味する。
この焼戻し時間が20sを超えると、粗大なセメンタイト粒子が生成してλが低下する。またマルテンサイトが過剰に焼き戻されることでTS590MPaが確保できない。
上記焼戻しが終了すると、これを常温まで冷却(第3冷却)するが、このときの冷却速度(第3冷却速度)を5℃/sを超える条件で行なう必要がある。
これは、5℃/s以下の冷却速度では300〜480℃の滞在時間が長時間化することにより粗大セメンタイトが形成されてλが低下するためである。
(フェライト、ベイニティックフェライト分率)
SEM観察でポリゴナルな黒い部分をフェライト、ラス状でラス幅が0.3μm以上の部分をベイニティックフェライトと定義して面積率を測定。3%ナイタール液で腐食して金属組織を顕出させた後、概略40μm×30μm領域5視野について倍率2000倍の走査型電子顕微鏡(SEM)像を観察し、点算法で1視野につき100点の測定を行って面積を求めた。
抽出レプリカサンプルを作成し、2.4μm×1.6μmの領域3視野について倍率50000倍の透過型電子顕微鏡(TEM)像を観察した。ラス幅が0.3μm未満のラス組織中のセメンタイトの有無を確認し、セメンタイトが存在する組織は焼戻しマルテンサイト、セメンタイトが存在しない組織はマルテンサイトとして同定した。
上記TEMの画像のコントラストから黒い部分をセメンタイト粒子と判別してマーキングし、画像解析ソフトにて、前記マーキングした各セメンタイト粒子の面積Aから円相当直径D(D=2×(A/π)1/2)を算出するとともに、単位面積あたりに存在する所定の粒径のセメンタイト粒子の個数を求めた。
以下、本発明の実施例を挙げ、その優れた効果を実証する。
実験はラボで行った。表1に示す鋼を溶製、鋳造した後、熱間圧延で、板厚30mmのスラブにした後、これを、1150℃に加熱、圧延終了温度900 ℃で板厚 2.9mmに熱延した後、650℃で10s空冷を行い、500℃で保持炉に入れ、炉冷(熱延鋼板の巻取を模擬)を行なった。この熱延鋼板をその後、冷延率 52%で冷間圧延して、1.4mmの冷延鋼板得た。
Claims (7)
- C:0.10〜0.30%(質量%の意味。以下同じ)、
Si:0.50〜2.50%、
Mn:1.00%未満(0%を含む)
P:0.100%以下(0%を含む)、
S:0.010%以下(0%を含む)、
Al:0.50〜3.00%、
N:0.0020〜0.0100%、
残部が鉄及び不可避不純物からなり、
鋼組織が
フェライト分率:60〜90%、
ベイニティックフェライト分率:10%以下(0%含む)
残留γ分率:5%以上、
焼戻しマルテンサイト分率 5%〜30%、
マルテンサイト分率 5%以下(0%含む)
焼戻しマルテンサイト内に存在するセメンタイトの円相当直径の平均粒径が200nm以下、かつ、その数密度が10個/μm2以上、
であることを特徴とする高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板。 - 焼戻しマルテンサイト内に存在する円相当直径200nm以上のセメンタイト粒子の数密度が1個/μm2以下である請求項1に記載の高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板。
- 更に、
V:0.01〜1.00%、
Ti:0.01〜0.30%、
Nb:0.01〜0.30%、
の1種もしくは2種以上を含む請求項1または2に記載の高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板。 - 更に、
Cr:0.01〜3.00%、
Mo:0.01〜1.00%、
Cu:0.01〜2.00%、
Ni:0.01〜2.00%、
B:0.0001〜0.005%、
の1種もしくは2種以上を含む請求項1〜3のいずれかに記載の高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板。 - 更に、
Ca:0.0005〜0.01%、
Mg:0.0005〜0.01%、
REM:0.0001〜0.01%、
の1種もしくは2種以上を含む請求項1〜4のいずれかに記載の高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板。 - 請求項1〜5のいずれかに示す成分組成を有する鋼材に、熱間圧延及び冷間圧延を施して得た鋼板を、
[0.6Ac1+0.4Ac3]以上の温度に加熱し、該温度で10〜1000s保持する均熱を行った後、15℃/s以下の冷却速度で750〜550℃まで冷却し、次いで100℃/s以上の冷却速度で常温まで冷却し、
さらに、該鋼板を、300〜480℃に再加熱し、該温度で10〜1000s保持する焼戻しを行った後、常温まで冷却することを特徴とする高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれかに示す成分組成を有する鋼材に、熱間圧延及び冷間圧延を施して得た鋼板を、
[0.6Ac1+0.4Ac3]以上の温度に加熱し、該温度で10〜1000s保持する均熱を行った後、15℃/s以下の冷却速度で750〜550℃まで冷却し、次いで100℃/s以上の冷却速度で常温まで冷却し、
さらに、該鋼板を、8℃/s以上の加熱速度で480〜580℃に再加熱し、該温度若しくは該温度から10℃以下の温度降下の範囲内の温度において20s以下保持する焼戻しを行った後、5℃/sを超える冷却速度で常温まで冷却することを特徴とする高い降伏比と成形性を有する高強度鋼板の製造方法。
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