JP2020164939A - 高炭素鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
上述の知見に基づいて想到した本発明の一実施形態における高炭素鋼板の製造方法について詳細に説明する前に、本発明の一実施形態における高炭素鋼板について説明する。
以下に、本実施形態における高炭素鋼板の鋼組成(成分組成)について示す。
本発明では、鋼中のC(炭素)含有量が0.65質量%以上1.60質量%以下である高炭素鋼を対象とする。Cは炭素鋼においては最も基本となる合金元素であり、その含有量によってセメンタイト量、およびAc1変態点以上へ加熱した際の金属組織が大きく変動する。C含有量が0.65質量%未満の鋼では、セメンタイト量が少なく、Ac1変態点以上へ加熱・保持した際に地鉄組織がオーステナイト単相とならず、フェライトが残存する。そのため、焼鈍後の結晶組織中に、集合組織を有するフェライト粒が残存する。
Si(ケイ素)は、脱酸剤として作用する合金元素である。Si含有量が0.02質量%未満では、当該作用を十分に得ることができない。一方、Siは、焼鈍鋼板の加工性に対して影響の大きい元素の1つである。Siを過剰に添加すると固溶強化作用によりフェライトが硬化し、成形加工時に割れ発生の原因となる。またSi含有量が増加すると製造工程で鋼板表面にスケール疵が発生する傾向を示し、表面品質の低下を招く。そこで、Siを添加するに際しては0.50質量%以下の含有量となるようにする。したがって、Si含有量は0.02質量%以上0.50質量%以下であることが好ましく、0.10質量%以上0.40質量%以下であることがより好ましい。
Mn(マンガン)は、焼入れ性を向上させる合金元素であり、必要に応じて添加される。Mn含有量が1.0質量%を超えると、鋼板が硬質化してしまい、加工性が低下する。Mn含有量は、1.0質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以上0.5質量%以下であることがより好ましい。
Cr(クロム)は焼入れ性を改善するとともに焼戻し軟化抵抗を大きくする元素であり、必要に応じて添加される。しかし、1.8質量%を超える多量のCrが含有されると、焼鈍を施しても軟質化しにくくなり、焼入れ前の加工性が劣化するようになる。したがってCrを添加する場合は1.8質量%以下の範囲で含有させることが望ましい。Cr含有量は、好ましくは0.1質量%〜1.6質量%である。
P(リン)およびS(硫黄)は、靱性を低下させる合金元素である。そのため、靱性を向上させるためには、出来る限り低減することが好ましい。各種機械部品として使用される高炭素鋼部品の靱性を確保する場合、P含有量およびS含有量はそれぞれ、0.03質量%までは許容される。P含有量およびS含有量はそれぞれ、好ましくは0.025質量%以下、より好ましくは0.020質量%以下である。
本実施形態における高炭素鋼板は、室温における降伏応力が400MPa以下であり、ランクフォード値の面内異方性指数Δrが−0.05以上0.05以下、かつrmaxとrminとの互いの差が0.1以下である。このような機械的性質は、本実施形態における高炭素鋼板が、後述の方法(条件)で製造されることによって特定の焼鈍組織からなる金属組織(組織構造)を有することにより実現される。
本実施形態における高炭素鋼板は、金属組織中において、セメンタイト粒子が比較的球状かつ粗大であり、セメンタイト粒子同士の間隔が比較的広くなっている。セメンタイト粒子同士の間隔が広い(単位体積あたりのセメンタイト粒子の数が少ない)ほど、軟質なフェライトが連続して存在する部分が広くなり、加工を受けた際の変形が容易になる。その結果、本実施形態における高炭素鋼板は、室温(例えば20℃〜25℃)における降伏応力が400MPa以下である。降伏応力は、JIS Z2241の試験方法により測定されてよい。
ランクフォード値(r値)とは、金属材料の加工時における、板幅方向および板厚方向の変形異方性を評価するために用いられる指標であり、塑性加工ひずみ比とも称される。具体的には、板状試験片を用いて引張試験を行う場合、当該板状試験片のr値は、引張試験前後の板幅および板厚に基づいて求められる。但し、鋼板のような薄板(例えば板厚が1mm程度)では板厚の変化を正確に捉え難いので、塑性加工前後で体積は一定であるとの仮定に基づいて、以下のようにr値を求める。
ここで、W0およびL0はそれぞれ、引張試験前の板状試験片の平行部における板幅および標点間距離である。また、WおよびLはそれぞれ、引張試験後の板状試験片の平行部における板幅および標点間距離である。
ここで、本実施形態における高炭素鋼板は、各種の圧延処理および焼鈍処理を施されて製造される。この圧延処理における圧延方向(回転する圧延ロールから鋼板が押し出される方向)を基準として、板面内で、圧延方向に対して0°方向のr値をr0とする。同様に、r45およびr90はそれぞれ、板面内で、圧延方向に対して45°方向のr値および90°方向のr値である。
r0、r45、およびr90の値がこの順に大きくなる場合、例えば、r0=0.8、r45=1、およびr90=1.2であれば、上記Δrの値は0(−0.05以上0.05以下の範囲内)となる。しかし、r0、r45、およびr90のうちの最大値と、r0、r45、およびr90のうちの最小値との互いの差は0.4となり、実際には面内異方性が大きいと言える。そこで、本実施形態における高炭素鋼板は、r0、r45、およびr90のうちの最大値と、r0、r45、およびr90のうちの最小値との互いの差の絶対値が0.1以下である、と規定している。
本実施形態における、軟質かつ面内異方性の小さい高炭素鋼板の製造方法について、図1に基づいて以下に説明する。図1の(a)は、本実施形態における高炭素鋼板の製造方法について説明するための図であって、焼鈍サイクルの一例を示している。図1の(a)における横軸は時間t、縦軸は温度TEを示している。なお、図1の(a)に示す焼鈍サイクルは一例であって、後述する条件を満たす範囲で、具体的な焼鈍条件(温度制御)は適宜変更されてもよい。図1中、点線で囲んだ部分(1)〜(5)は、その時点での状態について説明するための参照番号として用いる。
先ず、熱間圧延後酸洗してスケールを除去した熱延鋼板、または、該熱延鋼板に対して一次焼鈍を施した焼鈍鋼板を準備する。この熱延鋼板または焼鈍鋼板は、一般的な方法で製造されたものであってよい。通常、熱延鋼板または焼鈍鋼板はコイルとして製造される。上記一次焼鈍は、例えばAc1変態点未満の温度またはAc1変態点以上の温度に保持してセメンタイトの球状化を行う処理であってもよい。熱延鋼板および焼鈍鋼板は、上述した本実施形態の高炭素鋼板における鋼組成を有する。
図1の(c)は、上記冷延コイル3(すなわち冷延板)の焼鈍の様子について説明するための図である。図1の(c)に示すように、冷延コイル3を加熱炉4内に収納して、炉内を加熱することにより冷延コイル3の箱焼鈍(バッチ式の焼鈍)が行われる。すなわち、第1昇温工程S2〜徐冷工程S5の処理は、加熱炉4中で行われる。以下、焼鈍が施される冷延コイル3(すなわち冷延板)を焼鈍対象材と称する。
本実施形態の第2昇温工程S3における焼鈍対象材の組織構造の状態(3)について、以下に説明する。第2昇温工程S3では、Ac1変態点以上に加熱する。一般に、高炭素鋼をAc1変態点以上に加熱すると、セメンタイトが溶解することによりオーステナイトが生成する。本実施形態における第2昇温工程S3では、昇温中の再結晶の際、フェライト/セメンタイト界面から生成したランダム方位を有するフェライトが優先的にオーステナイトへと変態する。
本実施形態の均熱保持工程S4にて規定される条件および焼鈍対象材の組織構造の状態(4)との関係について、以下に説明する。均熱保持工程S4では、Ac1変態点以上での均熱保持により、セメンタイトの溶解に伴い、第2昇温工程S3にて生成したオーステナイトが成長し、オーステナイト+未溶解セメンタイトの金属組織となる。したがって、再結晶の際にフェライト粒界から集合組織を有する再結晶フェライトが生成したとしても、このフェライトと方位関係を有するオーステナイトは生成しない。これは、上記オーステナイトの成長によって、集合組織を有する再結晶フェライトが該オーステナイトに吸収される(取り込まれるように変態する)ためである。
本実施形態の徐冷工程S5にて規定される条件および焼鈍対象材の組織構造の状態(5)との関係について、以下に説明する。徐冷工程S5では、Ac1変態点以上の加熱温度からの徐冷を行う。温度の低下に伴い、未溶解セメンタイトが球状・粗大に成長するとともにオーステナイトがフェライトへと変態する。この際、生成するフェライトは元のオーステナイトと特定の結晶方位関係を有する。したがって、最終的な焼鈍組織における地鉄フェライトは、再結晶時にフェライト/セメンタイト界面から生成したフェライトと同じ結晶方位、すなわちランダム方位を有する。
また、セメンタイトの球状化を十分に得るためには、上記Ac1変態点以上の加熱からの冷却速度は5〜30℃/hにて相変態が完了するまで徐冷することが好ましい。冷却速度が5℃/h未満であると焼鈍が非常に長時間になり、生産性を阻害する。冷却速度が30℃/hよりも速いと、未溶解セメンタイトが十分に残っていても、元素の拡散が追いつかず、パーライトを生成する場合がある。生産性および鋼板の加工性の観点から、徐冷工程S5における冷却速度は5℃/h以上30℃/h以下が好ましい。
本発明では、圧延率25%以上の冷間圧延を行った後の焼鈍において、400℃から650℃までの温度域を30℃/h以上の昇温速度で加熱した後、Ac1変態点+10℃以上Ac1変態点+60℃以下の焼鈍温度にて冷延板に焼鈍を施す。これにより、高炭素鋼の鋼板において、r値の面内異方性を改善することを可能にした。具体的には、降伏応力が400MPa以下、かつr値の面内異方性が小さい高炭素鋼板が得られる。本発明の高炭素鋼板のr値の面内異方性指数Δrは−0.05以上0.05以下、かつrmaxとrminとの差が0.1以下である。本発明の高炭素鋼板を深絞り加工に用いることにより、厚みや直径の変動が小さい成形品が得られる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、上記説明において開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
条件(a):[Ac1変態点−100℃〜Ac1変態点]×10〜60h保持
条件(b):[Ac1変態点〜Ac1変態点+50℃]×4〜20h保持し、その後Ar1点以下まで30℃/h以下の冷却速度で徐冷
なお、条件(b)については、Ac1変態点以上の加熱保持の前後にAc1変態点以下の温度での保持を行った場合も含む。
ここで、W0およびL0は試験前の板幅および標点間距離であり、WXおよびLxは10%引張伸び付与後の板幅および標点間距離を示している。
Δr値=(r0−2r45+r90)/2
Δr値は0に近いほど異方性が小さいことを示す。なお、rxのxは、圧延方向に対する試験片の切出し方向を示す。例えば、r45は圧延方向に対して45°方向に採取した試験片により測定したr値である。
2 冷間圧延機
3 冷延コイル
4 加熱炉
Claims (4)
- C:0.65質量%以上1.60質量%以下を含有する高炭素鋼板であって、
降伏応力が400MPa以下、r値の面内異方性指数Δrが−0.05以上0.05以下、かつrmaxとrminとの互いの差が0.1以下であることを特徴とする高炭素鋼板。
(ここで、
Δr=(r0−2r45+r90)/2
r0:圧延方向に対して0°方向のランクフォード値
r45:圧延方向に対して45°方向のランクフォード値
r90:圧延方向に対して90°方向のランクフォード値
rmax:前記r0、r45、およびr90のうちの最大値
rmin:前記r0、r45、およびr90のうちの最小値) - さらに、質量%で、Si:0.02%以上0.50%以下、Mn:1.0%以下、P:0.03%以下、S:0.03%以下、およびCr:1.8%以下を含有することを特徴とする、請求項1に記載の高炭素鋼板。
- C:0.65質量%以上1.60質量%以下を含有する、熱延鋼板または焼鈍鋼板に、圧延率25%以上の冷間圧延を施して冷延板を得る冷間圧延工程と、
400℃から650℃までの温度域において30℃/h以上の昇温速度となるように前記冷延板を加熱した後、Ac1変態点以上の焼鈍温度で保持することにより前記冷延板に焼鈍を施す焼鈍工程と、を含み、
前記焼鈍工程における前記焼鈍温度は、前記Ac1変態点+10℃以上、前記Ac1変態点+60℃以下であることを特徴とする高炭素鋼板の製造方法。 - 前記熱延鋼板または焼鈍鋼板は、質量%で、Si:0.02%以上0.50%以下、Mn:1.0%以下、P:0.03%以下、S:0.03%以下、およびCr:1.8%以下をさらに含有することを特徴とする、請求項3に記載の高炭素鋼板の製造方法。
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