JP2017186647A - 高強度鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
成分組成が、質量%で、
C:0.15〜0.35%、
SiとAlの合計:0.5〜2.5%、
Mn:1.0〜4.0%、
P:0%超0.05%以下、および
S:0%超0.01%以下
を含み、残部がFeおよび不可避不純物からなり、
鋼組織が、全組織に占める割合で、
フェライト:5面積%超50面積%以下、
焼戻しマルテンサイトとベイナイトの合計:30面積%以上、および
残留オーステナイト:10体積%以上
を満たし、更にMAを有するものであり、かつ、
MAの平均円相当直径:1.0μm以下、
残留オーステナイトの平均円相当直径:1.0μm以下、および
円相当直径が1.5μm以上の残留オーステナイトが、全残留オーステナイトに占める体積割合:5%以上
を満たすところに特徴を有する。
(a)Cu、Ni、Mo、Cr、およびBよりなる群から選ばれる1種以上を合計で1.0%以下、
(b)V、Nb、Ti、Zr、およびHfよりなる群から選ばれる1種以上を合計で0.2%以下、
(c)Ca、Mg、およびREM(Rare Earth Metal:希土類元素)よりなる群から選ばれる1種以上を合計で0.01%以下、
を含んでもよい。
(Ac1点×0.8+Ac3点×0.2)以上Ac3点未満の温度T1に加熱する工程A、
前記加熱後、650℃以上の急冷開始温度T2から、300〜500℃の冷却停止温度T3aまでを、平均冷却速度30℃/秒以上200℃/秒未満で急冷する工程B、
前記急冷後、300〜500℃の温度域で、平均冷却速度0℃/秒以上10℃/秒以下の徐冷却を10秒以上300秒未満行う工程C、
前記徐冷却後、300℃以上の徐冷却終了温度T3bから、100〜300℃の冷却停止温度T4までを、平均冷却速度10℃/秒超で冷却する工程D、および
300〜500℃の再加熱温度T5まで再加熱を行う工程E
をこの順に含むところに特徴を有する。
以下に本発明の高強度鋼板の鋼組織の詳細を説明する。尚、以下の鋼組織の説明では、そのような組織を有することにより各種の特性を向上できるメカニズムについて説明している場合がある。これらは本発明者らが現時点で得られている知見により考えたメカニズムであるが、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに留意されたい。
フェライトは、一般的に延性に優れるものの、強度が低いという問題を有する。本発明では、延性を向上させて優れた強度−延性バランスを得るため、フェライト量を5面積%超とした。フェライト量は、好ましくは7面積%以上、より好ましくは10面積%以上である。一方、フェライトが多いと穴広げ性や降伏比が低下する。よって優れた穴広げ率λや高い降伏比を確保すべく、フェライト量を50面積%以下とする。フェライト量は、好ましくは45面積%以下、より好ましくは40面積%以下である。
全組織に占める焼戻しマルテンサイトとベイナイトの合計を30面積%以上とすることで、高強度と高い穴広げ性を両立できる。なお、本発明におけるベイナイトとは、焼戻しベイナイト、未焼戻しベイナイト、およびベイニティックフェライトをさす。前記焼戻しマルテンサイトとベイナイトの合計は好ましくは35面積%以上である。尚、前記焼戻しマルテンサイトとベイナイトの合計の上限は、その他の必須組織であるフェライトや残留オーステナイトの分率を考慮すると、85面積%程度となる。
残留オーステナイトは、プレス加工等の加工中に、加工誘起変態によりマルテンサイトに変態するTRIP現象を生じ、大きな伸びを得ることのできる組織である。また、形成されるマルテンサイトは高い硬度を有する。このため、優れた強度−延性バランスを得ることができる。更には、後記の通り残留オーステナイトの粒径分布を制御することで、深絞り性も高めることができる。特にTS×ELが22000MPa%以上の優れた強度−延性バランスを得ると共に、後記の残留オーステナイトの粒径分布制御による深絞り性向上効果を十分に発揮させるべく、残留オーステナイト量を10体積%以上とする。残留オーステナイト量は好ましくは12体積%以上、より好ましくは13体積%以上、更に好ましくは14体積%以上、より更に好ましくは15体積%以上である。尚、本発明で規定する成分組成や製造条件等を考慮すると、残留オーステナイト量の上限はおおよそ40体積%となる。
MAは硬質相であり、変形時に母相/硬質相の界面近傍がボイド形成サイトとして働く。MAサイズが粗大になるほど、母相/硬質相の界面への歪集中が起こり、母相/硬質相の界面近傍に形成されたボイドを基点とした破壊が生じ易くなる。その結果、穴広げ性の低下をまねく。このため、MAの平均円相当直径を1.0μm以下に抑える。該MAの平均円相当直径は、好ましくは0.8μm以下、より好ましくは0.7μm以下である。MAの平均円相当直径は、小さいほど穴広げ性が高まるため好ましいが、本発明で規定する成分組成や製造条件を考慮すると、MAの平均円相当直径の下限はおおよそ0.2μmとなる。
[円相当直径が1.5μm以上の残留オーステナイトが、全残留オーステナイトに占める割合:5%以上]
本発明では、上述の通り、残留オーステナイトの平均粒径を一定以下に抑えつつ、比較的大きな残留オーステナイトの割合を一定以上確保することによって、特に優れた深絞り性を達成できることを見出した。以下、この様に規定した理由について詳述する。
以下に本発明に係る高強度鋼板の組成について説明する。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は残留オーステナイト等の所望の組織を得て、TS×EL等の高い特性確保のために必須の元素である。このような作用を有効に発揮させるためC量を0.15%以上とする。C量は、好ましくは0.17%以上、より好ましくは0.20%以上である。一方、C量が0.35%超だと、MAおよび残留オーステナイトが粗大となり、その結果、深絞り性と穴広げ性のどちらも低下する。また、C量が過剰であると溶接性にも劣る。よってC量は0.35%以下とする。C量は、好ましくは0.33%以下、より好ましくは0.30%以下である。
SiとAlは、それぞれ、セメンタイトの析出を抑制し、残留オーステナイトの形成を促進する働きを有する。このような作用を有効に発揮させるため、SiとAlを合計で0.5%以上含有させる。SiとAlの合計は、好ましくは0.7%以上、より好ましくは1.0%以上である。一方、SiとAlの合計が2.5%を超えると、焼戻しマルテンサイトやベイナイトを確保できなくなるとともに、MAおよび残留オーステナイトが粗大となる。よって、SiとAlの合計は、2.5%以下、好ましくは2.0%以下とする。
Mnは、フェライトの形成を抑制して、フェライト以外の焼戻しマルテンサイト/ベイナイト等の確保に必要な元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Mn量を1.0%以上とする。Mn量は、好ましくは1.5%以上、より好ましくは2.0%以上である。ただしMn量が4.0%を超えると、製造過程でベイナイト変態が抑制されて、上述した比較的粗大な残留オーステナイトが十分に得られず、その結果、優れた深絞り性を確保できない。よって、Mn量は4.0%以下、好ましくは3.7%以下、より好ましくは3.5%以下とする。
Pは不純物元素として不可避的に存在する。P量が0.05%を超えると、全伸びELおよび穴広げ性が劣化する。よって、P量は0.05%以下、好ましくは0.03%以下とする。
Sは不純物元素として不可避的に存在する。S量が0.01%を超えると、MnS等の硫化物系介在物が形成され、これが割れの起点となって穴広げ性が低下する。このため、S量は0.01%以下、好ましくは、0.005%以下である。
Cu、Ni、Mo、Cr、およびBは、鋼板の引張強度を高める元素として作用すると共に、残留オーステナイトを安定化し、所定量確保するために有効に作用する元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、上記元素は合計量で0.001%以上含有することが好ましく、より好ましくは0.01%以上である。しかし、上記元素を過剰に含有させてもその効果は飽和し、経済的に無駄であるので、上記元素は合計量で1.0%以下が好ましく、より好ましくは0.5%以下である。なお、上記元素は、単独で、または任意に選ばれる2種以上を含有させることができる。
V、Nb、Ti、Zr、およびHfは、析出強化および組織微細化の効果を発揮させる元素であり、鋼板の高強度化に有用に作用する。こうした効果を有効に発揮させるには、上記元素は合計量で0.01%以上含有することが好ましく、より好ましくは0.02%以上である。しかし、上記元素を過剰に含有させてもその効果は飽和し、経済的に無駄であるので、上記元素は合計量で0.2%以下が好ましく、より好ましくは0.1%以下である。なお、上記元素は、単独で、または任意に選ばれる2種以上を含有させることができる。
Ca、Mg、およびREMは、鋼中硫化物の形態を制御し、加工性向上に有効に作用する元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、上記元素は合計量で0.001%以上含有することが好ましく、より好ましくは0.002%以上である。しかし、上記元素を過剰に含有させてもその効果は飽和し、経済的に無駄であるので、上記元素は合計量で0.01%以下、さらには0.005%以下とするのが好ましい。なお、上記元素は、単独で、または任意に選ばれる2種以上を含有させることができる。上記REMは、Sc、Y、ランタノイド等が挙げられる。
上述のように本発明の高強度鋼板は、TS、YR、TS×EL、λおよびLDRが何れも高いレベルにある。本発明の高強度鋼板のこれらの特性について以下に詳述する。
本発明の高強度鋼板は、引張強度が780MPa以上である。該引張強度は、好ましくは880MPa以上、より好ましくは980MPa以上である。強度が高いほど好ましいが本発明の鋼板の成分組成や製造条件等を考慮すると、引張強度の上限はおおよそ1300MPaである。
本発明の高強度鋼板は、降伏比が0.60以上である。これにより上述の高い引張強度と相まって高い降伏強度を実現できる。その結果、深絞り加工等の加工により得た最終製品は、高い負荷がかかった状態でも変形せずに使用できる。好ましくは、0.65以上の降伏比を有する。降伏比は高いほど好ましいが本発明の鋼板の成分組成や製造条件等を考慮すると、降伏比の上限はおおよそ0.75である。
本発明の高強度鋼板は、TS×ELが22000MPa%以上である。22000MPa%以上のTS×ELを有することで、高い強度と高い延性とを同時に有する、高いレベルの強度−延性バランスを得ることができる。TS×ELは、好ましくは23000MPa%以上である。TS×ELは高いほど好ましいが本発明の鋼板の成分組成や製造条件等を考慮すると、TS×ELの上限はおおよそ35000MPa%である。
本発明の高強度鋼板は、穴広げ率λが20%以上である。これによりプレス成形性等の優れた加工性を得ることができる。穴広げ率λは好ましくは30%以上である。穴広げ率λは高いほど好ましいが本発明の鋼板の成分組成や製造条件等を考慮すると、穴広げ率λの上限はおおよそ60%である。
本発明では、鋼板の深絞り性を後記の実施例に示す通りLDRで評価する。本発明の高強度鋼板は、LDRが2.05以上であり、好ましくは2.10以上であり、優れた深絞り性を有している。LDRは高いほど好ましいが本発明の鋼板の成分組成や製造条件等を考慮すると、LDRの上限はおおよそ2.25である。
次に本発明に係る高強度鋼板の製造方法について説明する。本発明者らは、所定の組成を有する原板に対し、下記に詳述する工程A〜工程Eを含む熱処理、特にはマルチステップのオーステンパー処理を行うことにより、上述の所望の鋼組織を有し、その結果、上述の所望の特性を有する高強度鋼板が得られることを見いだした。以下にその詳細を説明する。
工程Aは、図1では[2]に相当する。この図1の[2]に示すように、(Ac1点×0.8+Ac3点×0.2)以上Ac3点未満の温度T1に加熱する。この加熱温度T1が(Ac1点×0.8+Ac3点×0.2)を下回ると、オーステナイトへの逆変態が不充分となって加工組織が残存したままとなり、一定量のフェライトを確保できず、強度−延性バランスが低下する。従って、上記加熱温度T1は(Ac1点×0.8+Ac3点×0.2)以上、好ましくは(Ac1点×0.8+Ac3点×0.2)+5℃以上、より好ましくは(Ac1点×0.8+Ac3点×0.2)+10℃以上とする。しかし、加熱温度T1がAc3点以上になると、所望のフェライト量を確保できず、延性が劣化する。よって、加熱温度T1はAc3点未満とする。加熱温度T1は、好ましくはAc3点−10℃以下、より好ましくはAc3点−20℃以下である。
Ac1点=723−10.7Mn+29.1Si+16.9Cr・・・(1)
Ac3点=910−203C0.5+44.7Si+104V+31.5Mo−30Mn−11Cr+700P+400Al+400Ti・・・(2)
工程Bは、図1では[4]に相当する。図1の[4]に示す通り、上記650℃以上の急冷開始温度T2から、300〜500℃の冷却停止温度T3aまでの間を、平均冷却速度CR2が30℃/秒以上の急冷とすることで、過剰なフェライトの形成を抑制できる。前記平均冷却速度CR2は、好ましくは35℃/秒以上、より好ましくは40℃/秒以上である。しかし上記平均冷却速度CR2が速すぎると、急激な冷却による過大な熱歪みが生じやすくなるため、上記平均冷却速度CR2は200℃/秒未満、好ましくは100℃/秒以下とする。
工程Cは、図1では[5]に相当する。図1の[5]に示す通り、この徐冷却開始温度=急冷終了温度T3aから、図1に示す徐冷却終了温度T3bまでが、300〜500℃の温度域内であって、かつ上記T3aからT3bまでの平均冷却速度を0℃/秒以上10℃/秒以下、上記T3aからT3bまでの時間、即ち徐冷却時間t3を10秒以上300秒未満とする。これによって、部分的にベイナイトを形成させる。このベイナイトはオーステナイトよりも炭素の固溶限が低いため、固溶限を超えた炭素をはき出す。その結果、ベイナイト周囲に炭素の濃化したオーステナイトの領域が形成される。この領域が、後述する工程Dの冷却、および工程Eの再加熱を経て、比較的粗大な残留オーステナイトとなる。この比較的粗大な残留オーステナイトを存在させることによって、上述の通り、深絞り性を高めることができる。
工程Dは、図1では[6]に相当する。図1の[6]に示すように、300℃以上の徐冷却終了温度T3bから、100〜300℃の冷却停止温度T4までを、10℃/秒超の平均冷却速度CR3で冷却することによって、上述の炭素濃化領域の一部をマルテンサイト変態させる。これにより、マルテンサイト変態を生じなかった残りの炭素濃化領域を微細化することができ、その結果、微細なMAが得られる。前記平均冷却速度CR3が10℃/秒以下であると、冷却中に炭素濃化領域が必要以上に広がり、MAが粗大になるため穴広げ率が低下する。前記平均冷却速度CR3は、好ましくは15℃/秒以上であり、より好ましくは20℃/秒以上である。尚、徐冷却終了温度T3bは前記工程Cで述べた通り500℃以下である。
工程Eは、図1では[9]に相当する。図1の[9]に示す通り、300〜500℃の再加熱温度T5まで加熱し、該再加熱温度T5で保持することにより、マルテンサイト中の炭素が排出されて周囲のオーステナイトへの炭素濃化が促進され、オーステナイトを安定化させることができる。これにより、最終的に得られる残留オーステナイト量を増大させることができる。
表1に記載した成分組成(残部は鉄および不可避不純物)を有する鋳造材を真空溶製で製造した後、この鋳造材を熱間鍛造で板厚30mmとし、次いで、熱間圧延を施した。なお、表1には成分組成から計算したAc1点およびAc3点、並びに「0.8×Ac1点+0.2×Ac3点」の値も併せて示す。前記熱間圧延は、1200℃に加熱した後、多段圧延で板厚2.5mmとした。この時、熱間圧延の終了温度は880℃とした。その後、600℃まで30℃/秒で冷却し、冷却を停止し、600℃に加熱した炉に挿入後、30分保持し、その後、炉冷して熱延鋼板を得た。この熱延鋼板に対し、酸洗を施して表面のスケールを除去した後、冷間圧延を施して1.4mmの冷延鋼板を原板として得た。この原板に対し、表2−1および表2−2に示す条件の熱処理を行ってサンプルを得た。尚、本実施例では、冷却停止温度T4から再加熱温度T5までの昇温工程における平均加熱速度HR2は、No.17を除き30℃/秒とした。
得られたサンプルの板厚t/4位置の鋼組織を以下の通り測定した。
サンプルを電解研磨した後、レペラーで腐食し、光学顕微鏡(1000倍)で3視野(100μm×100μmサイズ/視野)観察し、格子間隔5μm、格子点数20×20の点算法にてフェライトの面積率を測定し、平均値を算出した。この面積比で求めた値はそのまま体積比(体積%)の値として用いることができる。
焼戻しマルテンサイトおよびベイナイトの合計面積率は、鋼組織全体から上述のフェライト分率と;下記の方法で求めたMAの分率、すなわち、残留オーステナイトと焼入れたままのマルテンサイトの合計と;を引くことにより求めた。
サンプルを電解研磨した後、ナイタール腐食を行い、SEM(5000倍)で3視野(20μm×20μmサイズ/視野)観察し、写真中の任意の位置に10μmの直線を20本引き、その直線とMAが交わる切片長を測定し、それら切片長の平均値を算出することでMAの平均円相当直径を求めた。MAの面積率は、MAの平均円相当粒径と視野内に観察されるMA数に基づいて算出し、3視野の平均を求めた。
残留オーステナイト量は、X線回折により体心立方格子または体心正方格子であるフェライト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイトおよびマルテンサイトと;面心立方格子であるオーステナイトと;の回折強度比を求めて算出することにより得ることができる。詳細には、次の通り測定した。即ち、板厚1/4位置まで#1000〜#1500のサンドペーパーを使用して研磨した後、更に表面を深さ10〜20μm程度まで電解研磨してから、X線回折装置として株式会社リガク製2次元微小部X線回折装置(RINT−RAPIDII)を用いて測定した。具体的にはCoターゲットを使用し、X線源としてはCo−Kα線を用い、40kV−200mA程度出力して2θで40°〜130°の範囲を測定した。そして得られたbcc(α)の回折ピーク(110)、(200)、(211)、及びfcc(γ)の回折ピーク(111)、(200)、(220)、(311)から残留γの定量測定を行った。
残留オーステナイトの平均円相当直径と、円相当直径が1.5μm以上の残留オーステナイト量の全残留オーステナイト量に占める比率は、上述の通りSEMを用いた結晶解析手法であるEBSD法を用い、Phaseマップを作成することで求めた。詳細には、サンプル表面を電解研磨し、板厚の1/4位置にて、合計3領域(1領域のサイズは100μm×100μm)について、1ステップ:0.25μmで18万点のEBSD測定(テクセムラボラトリーズ社製OIMシステム)を実施した。この測定で得られたPhaseマップから、個々のオーステナイト相(残留オーステナイト)の面積を求め、その面積から個々のオーステナイト相の円相当直径を求め、その平均値を、残留オーステナイトの平均円相当直径とした。
得られたサンプルについて、下記に示す通り、引張試験を行って降伏強度YS、引張強度TS、全伸びELを測定し、降伏比YRおよびTS×ELを算出した。また、下記に示す方法で穴広げ率λを測定すると共に、深絞り性を評価した。
上記サンプルから、圧延方向に対して垂直な方向が長手方向となるようにJIS Z2201で規定される5号試験片を採取した。そして該試験片を用い、引張試験機にてJIS Z2241の条件で引張試験を行い、YS、TS、YR、EL、およびTS×ELを求めた。そして、前記TSが780MPa以上、前記YRが0.60以上、前記TS×ELが22000MPa%以上の場合を、高強度、高い降伏比、かつ強度−延性バランスに優れていると評価した。
穴広げ率λは、日本鉄鋼連盟規格 JFS T1001に従って求めた。詳細には、試験片に直径d0(d0=10mm)の打ち抜き穴を開け、先端角度が60°のポンチをこの打ち抜き穴に押し込み、発生した亀裂が試験片の板厚を貫通した時点の打ち抜き穴の直径dを測定し、下記の式より求めた。そして、該穴広げ率λが20%以上の場合を、プレス成形性等の加工性に優れていると評価した。
λ(%)={(d−d0)/d0}×100
深絞り性はLDRで評価した。LDRは次の様にして求められる。即ち円筒絞り成形において、得られる円筒の直径をdとし、1回の深絞り加工で破断を生じずに円筒を得ることができる円盤状の鋼板(ブランク)の最大直径をDとする。そしてLDRは、d/Dから求められる。本実施例では、板厚1.4mmで各種径を有する円盤状の試料を、パンチ径50mm、パンチ角半径6mm、ダイ径55.2mm、ダイ角半径8mmの金型で円筒深絞りを行い、破断することなく絞り抜けた試料径(最大直径D)を求め、d/Dを求めてLDRとした。そしてLDRが2.05以上の場合を深絞り性に優れていると評価した。
Claims (8)
- 成分組成が、質量%で、
C:0.15〜0.35%、
SiとAlの合計:0.5〜2.5%、
Mn:1.0〜4.0%、
P:0%超0.05%以下、および
S:0%超0.01%以下
を含み、残部がFeおよび不可避不純物からなり、
鋼組織が、全組織に占める割合で、
フェライト:5面積%超50面積%以下、
焼戻しマルテンサイトとベイナイトの合計:30面積%以上、および
残留オーステナイト:10体積%以上
を満たし、更にMAを有するものであり、かつ、
MAの平均円相当直径:1.0μm以下、
残留オーステナイトの平均円相当直径:1.0μm以下、および
円相当直径が1.5μm以上の残留オーステナイトが、全残留オーステナイトに占める体積割合:5%以上
を満たすことを特徴とする高強度鋼板。 - 前記成分組成におけるC量が0.30%以下である請求項1に記載の高強度鋼板。
- 前記成分組成におけるAl量が0.10%未満である請求項1または2に記載の高強度鋼板。
- 更に、質量%で、Cu、Ni、Mo、Cr、およびBよりなる群から選ばれる1種以上を合計で1.0%以下含む請求項1〜3のいずれかに記載の高強度鋼板。
- 更に、質量%で、V、Nb、Ti、Zr、およびHfよりなる群から選ばれる1種以上を合計で0.2%以下含む請求項1〜4のいずれかに記載の高強度鋼板。
- 更に、質量%で、Ca、Mg、およびREMよりなる群から選ばれる1種以上を合計で0.01%以下含む請求項1〜5のいずれかに記載の高強度鋼板。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の高強度鋼板を製造する方法であって、
請求項1〜6のいずれかに記載の成分組成を満たす原板を用い、
(Ac1点×0.8+Ac3点×0.2)以上Ac3点未満の温度T1に加熱する工程A、
前記加熱後、650℃以上の急冷開始温度T2から、300〜500℃の冷却停止温度T3aまでを、平均冷却速度30℃/秒以上200℃/秒未満で急冷する工程B、
前記急冷後、300〜500℃の温度域で、平均冷却速度0℃/秒以上10℃/秒以下の徐冷却を10秒以上300秒未満行う工程C、
前記徐冷却後、300℃以上の徐冷却終了温度T3bから、100〜300℃の冷却停止温度T4までを、平均冷却速度10℃/秒超で冷却する工程D、および
300〜500℃の再加熱温度T5まで再加熱を行う工程E
をこの順に含むことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。 - 前記工程Cでは、300〜500℃の温度域にて、一定温度で保持することを含む請求項7に記載の製造方法。
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