JP2017036492A - 高炭素冷延鋼板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、メリヤス針の衝撃特性を向上させることを目的として、素材の化学組成のうち不純物元素であるPやSを低減し、Pの粒界偏析やMnS介在物の生成を極小化させ、それら元素の悪影響の軽減を図ることも有効な対策とされている。しかし、製鋼技術上及びコスト経済性の観点から、PやSを低減してメリヤス針の衝撃特性の向上を図るには限界がある。
特に、200〜350℃の低温焼戻し状態でのマルテンサイト相の衝撃特性に対する個々の第3元素の影響(特に相互作用)に関しては十分に解明されておらず、個々の元素の効果を等価と見なして成分設計されるケースが多くあった。
さらに、特許文献2に記載された技術では、第3元素の添加量に関し、明細書中に記載の如く衝撃値に悪影響を及ぼさない上限値を規定しているだけであり、特許文献2には、その下限値の規定が無いことから第3元素を意図した範囲で添加して、添加元素の作用によって積極的に衝撃特性の向上を図った技術の開示もない。
そこで、本発明は、短時間の溶体化処理後、焼入れ及び低温焼戻し処理を施し、衝撃特性を実際に使用される板厚近傍で評価して、衝撃値が5J/cm2以上で、かつ硬さが600〜750HVの範囲である機械的特性を発現することができる、板厚が1.0mm未満の高炭素冷延鋼板(以下、単に「冷延鋼板ともいう」)を提供することを目的とする。
本発明は、加工性、焼入れ性、低温焼戻し後の硬さと靱性などの観点からメリヤス針に好適な0.85mass%≦C≦1.10mass%の炭素量に限定したものであるが、その範囲で第3元素としてNbを所定の範囲添加し、炭化物の平均粒径と球状化の程度を制御することが有効であるとの知見を得たのが本技術の核心である。
まず、本発明者等が行った実験結果について説明する。
mass%で、1.01%C−0.26%Si−0.73%Mn−0.42%Cr−0.02%Moを含み、さらにNbを0%、0.010%、0.020%、0.055%と変化させて添加し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の熱延鋼板(4mm厚)に、冷間圧延(圧下率:25〜65%、最終は3〜50%)と、軟化焼鈍および球状化焼鈍(640〜700℃)とを、それぞれ5回繰り返して、冷延鋼板(1mm未満)とした。得られた冷延鋼板に、加熱温度を780℃、800℃の2水準で、保持時間を0〜16分の範囲で変化させた溶体化処理を施したのち、油焼入れして、ビッカース硬さ(HV)を測定した。得られた結果を、溶体化処理の加熱保持時間(分)と焼入れ硬さ(HV)との関係で図3(加熱温度:800℃)、図4(加熱温度:780℃)に示す。
図3、図4から、Nb含有量が0.010mass%である冷延鋼板が、最も短い加熱保持時間で、700HVを超える焼入れ硬さを確保できることがわかる。Nb含有量が0.010mass%を超えて増加すると、短時間加熱保持での硬さ上昇は鈍化する。図4の結果から、溶体化処理の加熱温度が780℃である場合に、焼入れ硬さが700HVに達する加熱保持時間とNb含有量との関係を図5に示す。
図5から、Nb含有量が0.020mass%以上では、焼入れ硬さが700HVに達する溶体化処理の加熱保持時間はほぼ一定となる。Nb含有量が0.005〜0.015mass%の範囲では、所望の焼入れ硬さ(700HV)を確保するための溶体化処理の加熱保持時間が最も短くなり、しかも安定した焼入れ性を確保できる。さらに、この範囲のNb含有量であれば、溶体化処理の加熱保持時間を短時間とすることができる。このことから、Nb含有量を0.005〜0.015mass%の範囲とすることは、針加工メーカーで問題とされる焼伸びばらつきや焼曲りを防止できる対策として有効となることを知見した。
また、各種Nb含有量の冷延鋼板に、加熱温度:800℃、加熱保持時間:10分とする溶体化処理を施し、油焼入れしたのち、さらに焼戻し処理を施した。焼戻し処理では、焼戻し温度は、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃の各種温度とし、保持時間を1時間とした。焼戻し処理後、衝撃特性を調査した。なお、衝撃特性は図1、図2に示す新試験法を用いて行った。得られた結果を図6に示す。衝撃値は、焼戻し温度が200℃以上の場合には、Nb含有量が0.010mass%の場合が最も高かった。
図6から、衝撃値:5J/cm2が得られる焼戻し温度を求め、Nb含有量との関係で図7に示す。図7から、衝撃値:5J/cm2が得られる焼戻し温度は、Nb含有量:0.010mass%の鋼板の場合が最も低い。0.020mass%を超えてNb含有量が増加すると、衝撃値:5J/cm2が得られる焼戻し温度は高温側となる。焼戻し温度が高温となると、硬さが低下し、針としての耐久性が低下する。また、Nb含有量が0.005mass%未満では、所望の衝撃値を確保するために、焼戻し温度を高温にする必要があることを知見した。
図5、図7から、焼戻し後の高い硬さと衝撃特性を兼備させるためには、Nb含有量は0.005mass%が下限、0.020mass%が上限である。さらに、溶体化処理の加熱保持時間を短時間とするには、Nb含有量の上限を0.015mass%とすることが好ましい。
[1]鋼板の化学組成がC:0.85〜1.10mass%、Mn:0.50〜1.0mass%、Si:0.10〜0.35mass%、P≦0.030mass%、S≦0.030mass%、Cr:0.35〜0.45mass%、Nb:0.005〜0.020mass%を含有し、残部Fe及び不可避不純物からなり、前記鋼板中に分散する炭化物の平均粒径(dav)と球状化率(NSC/NTC)×100%がそれぞれ下記(1)式及び(2)式を満たし、前記鋼板の板厚は1.0mm未満であることを特徴とする高炭素冷延鋼板。
記
0.2≦dav≦0.7(μm) …(1)
(NSC/NTC)×100≧90% …(2)
ここで、(1)式の平均粒径(dav)は、鋼板断面で観察される個々の炭化物と同等の面積の円を想定したときの個々の円の直径(円相当径)の平均値である。
また、(2)式のNTC及びNSCは、それぞれNTC:観察面積100μm2当たりの炭化物の総個数、NSC:dL/dS≦1.4の条件を満たす炭化物個数であり、ここで炭化物の長径をdL、短径をdSとする。
[2]前記化学成分が、さらに、Mo及びVの内から選ばれる1種または2種を含有し、それぞれの含有量がいずれも0.001mass%以上0.05mass%未満であることを特徴とする、前記[1]に記載の高炭素冷延鋼板。
[3]前記[1]又は[2]に記載の化学組成からなる熱延鋼板に冷間圧延及び球状化焼鈍を繰り返し行い高炭素冷延鋼板を製造する方法において、前記高炭素冷延鋼板中に分散する炭化物の平均粒径(dav)と、球状化率(NSC/NTC)がそれぞれ下記(1)式及び(2)式を満たし、前記鋼板の板厚は1.0mm未満であることを特徴とする高炭素冷延鋼板の製造方法。
記
0.2≦dav≦0.7(μm) …(1)
(NSC/NTC)×100≧90% …(2)
ここで、(1)式の平均粒径(dav)は、鋼板断面で観察される個々の炭化物と同等の面積の円を想定したときの個々の円の直径(円相当径)の平均値である。
また、(2)式のNTC及びNSCは、それぞれNTC:観察面積100μm2当たりの炭化物の総個数、NSC:dL/dS≦1.4の条件を満たす炭化物個数であり、ここで炭化物の長径をdL、短径をdSとする。
[4]前記熱延鋼板に冷間圧延及び球状化焼鈍を繰り返し行う回数を2〜5回とすることを特徴とする、前記[3]に記載の高炭素冷延鋼板の製造方法。
[5]前記冷間圧延の圧下率が25〜65%で、前記球状化焼鈍の温度が640〜720℃であることを特徴とする、前記[3]又は[4]に記載の高炭素冷延鋼板の製造方法。
まず、本発明に係る鋼板は、熱延鋼板を、必要に応じて軟化焼鈍を行い、冷間圧延と球状化焼鈍を交互に繰り返し、板厚1.0mm未満の高炭素冷延鋼板として得られるものである。その後、この高炭素冷延鋼板に所定の2次加工及び溶体化処理を行い、焼入れ、焼戻し処理を施し、メリヤス針等の部材に供するものである。
Cは高炭素冷延鋼板の熱処理後に十分な硬さを得るための必須元素である。その下限値は、メリヤス針等のような精密部品で600〜750HVの硬さを確保できるように、またその上限値は、多種多様の冷間加工を阻害しないレベルの炭化物量に制御できるように決定した。つまり、下限値は、短時間の焼入れ焼戻し処理で安定して600HVの硬さを確保するため0.85mass%に規定した。また、上限値は、打抜き性、スェージング性、曲げ性、切削性など多岐に渡る塑性加工に耐えうる上限として1.10mass%に規定した。冷間圧延と球状化焼鈍を繰り返すことで炭化物の球状化処理を行うと冷間加工性が改善されるが、1.10mass%を超えると、熱間圧延工程、冷間圧延工程での圧延負荷が高くなり、またコイル端部の割れの頻度が著しく高くなるなど、製造工程上の問題も顕在化する。好ましくは、0.95〜1.05mass%である。
Mnは鋼の脱酸に有効な元素であるとともに、鋼の焼入れ性を向上させて所定の硬さを安定的に得ることができる。過酷な用途に適用される高炭素鋼板を対象とした場合、0.50mass%以上で本発明の効果が顕著となる。一方、1.0mass%を超えると熱間圧延時にMnSが多量に析出して粗大化するため、部品加工時に割れなどが多発するようになる。そこで、Mnの上限は1.0mass%に規定した。好ましくは0.50〜0.80mass%である。
Siは鋼の脱酸元素であるため清浄鋼を溶製する上で有効な元素である。また、マルテンサイトの焼戻し軟化抵抗を有する元素である。このようなことから、下限値を0.10mass%に規定した。また、多量に添加すると低温焼戻しでのマルテンサイトの焼戻しが不十分となり、衝撃特性を劣化させるため上限値を0.35mass%とした。
P、Sは不純物元素として不可避的に鋼中に存在し、何れも衝撃特性(靱性)に悪影響を及ぼすため、できる限り低減することが好ましい。Pは0.030mass%まで、Sは0.030mass%までの含有は実用上問題ない。より優れた衝撃特性を維持するためにはPは0.020mass%まで、Sは0.010mass%までの含有とすることが好ましい。
Crは鋼の焼入れ性を向上させる元素ではあるが、炭化物(セメンタイト)中に固溶して加熱段階での炭化物の再溶解を遅滞させるため、多量に添加すると逆に焼入れ性を阻害する。そのため、上限値を0.45mass%に規定した。焼入れ焼戻し後の硬さと衝撃特性のバランスより、下限値は0.35mass%にした。
Nbは、従来から、熱間圧延時に鋼の未再結晶温度域を拡大し、同時にNbCとして析出しオーステナイト粒の微細化に寄与する元素であることが知られており、高炭素鋼においても冷間圧延工程以降における組織の微細化効果を期待して添加される場合がある。本発明では、焼入れ後の低温での焼戻しによる靭性回復を主目的に、Nbを0.005〜0.020mass%添加する。微量のNb添加であれば、組織の微細化に寄与するほどのNbCは形成されず、Nbは希薄固溶状態となっている。Nbが希薄固溶状態となっていることにより、BCC構造であるフェライト相とマルテンサイト相中でのCの拡散が促進されるものと考えられる。すなわち、焼入れ処理における加熱時に炭化物からフェライト相へ溶けたCのオーステナイト相への拡散、および、焼戻し処理における加熱時にマルテンサイト相中の過飽和固溶Cの拡散と析出が促進され、その結果、短時間加熱での焼入れ性の向上と低温焼戻し処理による靭性の回復とを両立させることができると、現時点では考えている。Nbが0.020mass%を超えて添加されると、NbCの析出が顕著になり、Nbの希薄固溶状態が確保できず、Nbの希薄固溶状態に起因するCの拡散の促進効果が認められなくなる。このため、Nb添加量の上限は0.020mass%に限定した。なお、好ましくは0.015mass%以下である。Nb添加量が0.005mass%未満では、上記した効果を期待できなくなる。
Moは鋼の焼入れ性向上に有効な元素であるが、添加量が多いと200〜350℃の低温焼戻しでは衝撃特性を悪化させることがある。したがって、添加する場合には、衝撃特性を阻害しない範囲で0.05mass%未満に規定した。好ましくはMoの添加は、0.01〜0.03mass%である。
Vは鋼組織を微細化することで衝撃特性の向上には有効な元素であるが、焼入れ性を悪化させることがある。したがって、添加する場合には、焼入れ性を阻害しない範囲で0.05mass%未満に規定した。好ましくはVの添加は、0.01〜0.03mass%である。上記した成分以外の残部はFeおよび不可避的不純物である。
本発明の高炭素冷延鋼板に分散する炭化物の平均粒径(dav)と、球状化率(NSC/NTC)がそれぞれ下記(1)式及び(2)式を満たし、前記鋼板の板厚は1.0mm未満であることが必要である。
0.2≦dav≦0.7(μm) …(1)
(NSC/NTC)×100≧90% …(2)
ここで(1)式の平均粒径(dav)は、鋼板断面で観察される個々の炭化物と同等の面積の円を想定したときの個々の円の直径(円相当径)の平均値である。平均粒径(dav)が、この範囲にあると、衝撃特性に優れ、さらに短時間の溶体化処理でも所望の焼入れ硬さが容易に達成できるという効果がある。平均粒径(dav)が、0.2μm未満であると、経験上、針形状への2次加工の負荷が増大し、また、0.7μmを超えると短時間の溶体化処理が達成し難くなり好ましくない。
炭化物は、冷間圧延後の鋼板を用いて熱処理前のサンプルの圧延方向と直角方向で板状試験片を切り取り、樹脂埋込等の処理を行い、板厚中央部近辺の観察面積100μm2の範囲で、円相当径、dL/dS比、NTC、NSCを測定し、5視野分の平均値を算出した。これら測定及び算出は、市販の画像解析ソフトwinroofを用いた。
本発明で用いる熱延鋼板は、通常の製造条件で得られるものでよく、例えば、前記した化学組成を有する鋼片(スラブ)を1050〜1250℃に加熱し、800〜950℃の仕上温度で熱間圧延し、600〜750℃の巻取温度でコイルとすることで製造できる。なお、熱延鋼板の板厚は、所望の冷延鋼板の板厚から好適な冷間圧下率となるように適宜設定すればよい。
まず、冷間圧延によって炭化物にひびが導入され、球状化焼鈍によってくだけはじめた炭化物が球状化していくが、1回の球状化焼鈍回数のみでは炭化物の球状化率を90%以上まで高めるのは困難であり、棒状又は板状の炭化物が残留する。そのような場合、焼入れ性にも悪影響を及ぼし、精密部品への冷間加工性を悪化させる。そのため、炭化物の球状化率(NSC/NTC)×100を90%以上にするには、冷間圧延と球状化焼鈍を交互に繰返すことが最適で、結果として鋼板中に微細かつ球状化率の高い炭化物の分布が得られる。
特に好ましくは、2〜5回の冷間圧延と2〜5回の球状化焼鈍である。
なお、冷間圧延後に球状化焼鈍を施さない最終の冷間圧延については、圧下率の下限は特に限定されない。
なお、冷間圧延前の熱延鋼板の軟化を目的とする軟化焼鈍についても、同様の温度範囲が好ましい。
以上が本発明に係る高炭素冷延鋼板の製造方法であるが、この鋼板を最終の目的である、メリヤス針のような機械部品とするには、所定の形状に加工したのち、以下の熱処理を行うことが好ましい。
溶体化処理後に油焼入れし、焼戻した後の断面硬さ及び衝撃値に及ぼす各種添加元素の影響を確認した試験結果を化学成分と共に、表3及び表4に示す。冷延鋼板の製造条件は、両者共に、5Aの条件(表1)を用いた。圧下率は、表1に記載されている範囲で制御した。断面硬さは、圧延直角方向に切り出した試験片を樹脂に埋め込み、断面を研磨し、板厚中央部で測定した。衝撃値は、圧延平行方向に採取した衝撃試験片を用いて測定した。得られた結果(硬さ、衝撃値)を表3及び表4に示した。
衝撃値が5J/cm2より大きく、かつ硬さHVが600〜750を満足する場合の評価を◎、衝撃値及び硬さの上記目標値のいずれかが満足していないものを×とした。
鋼種No3(表3)の化学成分を有する熱延鋼板を用いて、表1に記載の冷間圧延と球状化処理の製造条件を変化させときの球状化率、炭化物平均粒径、さらに溶体化処理後油焼入れし焼戻した後の硬さ及び衝撃値を表5に示した。
鋼種No16(表4)の化学成分を有する熱延鋼板を用いて、表1に記載の製造条件を変化させたときの球状化率、炭化物平均粒径、さらに溶体化処理後油焼入れし焼戻した後の硬さ及び衝撃値を表6に示した。本発明の製造方法に相当する製造条件No2B、No5Aを用いて冷延、球状化焼鈍を行った鋼板は、目標球状化率、目標衝撃値を満たしていた。
Cが0.85〜1.10mass%の過共析鋼板は、メリヤス針のような過酷な使用環境下で硬さと靭性バランスが求められる用途に好適である。
Claims (5)
- 鋼板の化学組成が、C:0.85〜1.10mass%、Mn:0.50〜1.0mass%、Si:0.10〜0.35mass%、P≦0.030mass%、S≦0.030mass%、Cr:0.35〜0.45mass%、Nb:0.005〜0.020mass%を含有し、残部Fe及び不可避不純物からなり、前記鋼板中に分散する炭化物の平均粒径(dav)と球状化率(NSC/NTC)×100%がそれぞれ下記(1)式及び(2)式を満たし、前記鋼板の板厚は1.0mm未満であることを特徴とする高炭素冷延鋼板。
記
0.2≦dav≦0.7(μm) …(1)
(NSC/NTC)×100≧90% …(2)
ここで、(1)式の平均粒径(dav)は、鋼板断面で観察される個々の炭化物と同等の面積の円を想定したときの個々の円の直径(円相当径)の平均値である。
また、(2)式のNTC及びNSCは、それぞれNTC:観察面積100μm2当たりの炭化物の総個数、NSC:dL/dS≦1.4の条件を満たす炭化物個数であり、ここで炭化物の長径をdL、短径をdSとする。 - 前記化学組成が、さらに、Mo及びVの内から選ばれる1種または2種を含有し、それぞれの含有量がいずれも0.001mass%以上0.05mass%未満であることを特徴とする、請求項1に記載の高炭素冷延鋼板。
- 請求項1又は2に記載の化学組成からなる熱延鋼板に冷間圧延及び球状化焼鈍を繰り返し行い高炭素冷延鋼板を製造する方法において、前記高炭素冷延鋼板中に分散する炭化物の平均粒径(dav)と、球状化率(NSC/NTC)がそれぞれ下記(1)式及び(2)式を満たし、前記鋼板の板厚は1.0mm未満であることを特徴とする高炭素冷延鋼板の製造方法。
記
0.2≦dav≦0.7(μm) …(1)
(NSC/NTC)×100≧90% …(2)
ここで、(1)式の平均粒径(dav)は、鋼板断面で観察される個々の炭化物と同等の面積の円を想定したときの個々の円の直径(円相当径)の平均値である。
また、(2)式のNTC及びNSCは、それぞれNTC:観察面積100μm2当たりの炭化物の総個数、NSC:dL/dS≦1.4の条件を満たす炭化物個数であり、ここで炭化物の長径をdL、短径をdSとする。 - 前記熱延鋼板に冷間圧延及び球状化焼鈍を繰り返し行う回数を2〜5回とすることを特徴とする、請求項3に記載の高炭素冷延鋼板の製造方法。
- 前記冷間圧延の圧下率が25〜65%で、前記球状化焼鈍の温度が640〜720℃であることを特徴とする、請求項3又は4に記載の高炭素冷延鋼板の製造方法。
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