JP3538990B2

JP3538990B2 - 耐衝撃性に優れる高張力熱延鋼板およびその製造方法

Info

Publication number: JP3538990B2
Application number: JP22391095A
Authority: JP
Inventors: 周作高木; 和哉三浦; 古君　　修; 隆史小原
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 2004-06-14
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: JPH0967641A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として自動車用
部品として、とくに自動車が走行中に万一衝突した場合
に受ける衝撃力に十分耐えられる特性を有する高張力熱
延鋼板とそれの製造方法に関する。最近、地球環境保全
の機運が高まってきたことを背景として、自動車からの
CO₂排出量の低減、すなわち自動車車体の軽量化の手段
として、鋼板の高強度化による鋼板厚の低減が有効と考
えられている。さらに、自動車車体の設計思想に基づけ
ば、単なる鋼板の高強度化のみでなく、走行中に万一衝
突した場合の衝撃力に対しても優れた特性を示す鋼板、
すなわち高歪速度で変形した場合により高い変形抵抗を
有する鋼板の開発が、自動車の安全性の向上をともなっ
た車体の軽量化実現に、最も有効に寄与するとして注目
されている。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車用鋼板の材質強化は、フェ
ライト単相組織では主としてSi, MnあるいはＰといった
置換型元素の添加による固溶強化、またはNb, TiO₂とい
った炭・窒化物を形成しやすい元素を添加することによ
る析出強化といった方法が一般的である。例えば、特開
昭56−139654号公報等に記載があるように、加工性, 時
効性を改善するために、極低炭素鋼にTiO₂, Nbを添加
し、さらにＰ等の強化成分を加工性を害しない範囲で添
加して高強度化を図った鋼板が数多く提案されている。
また、特開昭59−193221号公報では、Si添加によってさ
らに高強度化を図る方法を提案している。その他にも例
えば、特開昭60−52528 号公報には、低炭素鋼を高温で
焼鈍し、冷却後にマルテンサイト相を析出させて延性に
優れた高強度鋼の製造方法が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような方法での鋼
板の高強度化によって、自動車ボディの板厚減少がある
程度は達成されたが、なお、改善の余地が残されてい
た。それは、これらの提案が、鋼板強度の指標である降
伏強度あるいは引張強度を、歪速度が10^-3〜10^-2(s^-1)
と極めて遅い、静的な評価方法に基づいて考慮されたも
のだからである。即ち、実際の自動車ボディの設計で
は、このような静的な強度よりもむしろ、衝突時の安全
性を考慮した、歪速度が10〜10⁴(s^-1) での衝撃的な変
形を伴う、いわゆる動的な強度の方がより重要となる。
従って、従来の上記提案は、自動車車体の軽量化には必
ずしも有効な手段を提供するものではなかったのであ
る。

【０００４】この発明では、従来検討されなかった、高
歪速度下での耐衝撃強度に着目し、下記のように定義さ
れる静動比が、静動比＝（歪速度10³(s^-1) での降伏応
力)/ (歪速度10^-3(s^-1) での降伏応力）1.6 以上を示す
鋼板の開発を目的とする。即ち、静動比が 1.6以上を示
す高張力鋼板であれば、軟鋼板と同等以上の強度の歪速
度依存性を示し、こうした鋼板を使用することによっ
て、自動車車体の安全性の確保と同時に軽量化をも確実
に実現することが可能である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上掲の目的に対し、発明
者らは、静動比におよぼす化学組成と製造条件の影響，
とくに粗圧延後に行うデスケーリング処理について詳細
に検討したところ、下記の要旨構成に係る鋼板とその製
造方法が課題解決手段として有効であることをつきとめ
た。すなわち、この発明は、 (1) Ｃ：0.05〜0.2wt％、Si：1.5wt％以下、Mn：0.5〜
3.0wt％、Ｓ：0.010wt％以下、Ｐ：0.03〜0.15wt％を含
有し、さらにＰ：0.03〜0.15wt％、Cr：0.5〜2.0wt％お
よびMo：0.1〜1.0wt％のうちのいずれか１種または２種
以上の元素を含有し、残部Feおよび不可避的不純物から
なる成分組成を有し、鋼板の組織が主としてフェライト
とマルテンサイトの２相からなり、かつ鋼板表面から少
なくとも板厚の２％までの表層部には、フェライトの平
均粒径が５μｍ未満、マルテンサイトの平均粒径が３μ
ｍ未満の組織を有することを特徴とする耐衝撃性に優れ
る高張力熱延鋼板である。また、本発明は、 (2) Ｃ：0.05〜0.2wt％、Si：1.5wt％以下、Mn：0.5〜
3.0wt％、Ｓ：0.010wt％以下、を含有し、さらにＰ：0.
03〜0.15wt％、Cr：0.5〜2.0wt％およびMo：0.1〜1.0wt
％のうちのいずれか１種または２種以上の元素を含有
し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼素材を950
〜1250℃の温度に加熱して粗圧延を行い、次いで鋼板表
面に衝突圧が25kgf/cm²以上である超高圧デスケーリン
グを、下記液量；圧延速度(cm/min)×板幅(cm)×板厚(cm)×0.002≧液量
（リットル/min）≧圧延速度(cm/min)×板幅(cm)×板厚
(cm)×0.0005 の液体を噴射することによって行い、その後、Ａr₃変態
点以上の温度で仕上げ圧延を行い、750〜700℃の温度域
に冷却速度30℃／sec以上で冷却してから、650〜550℃
の温度域までは空冷し、次いで30℃／sec以上の冷却速
度で500℃以下の温度に冷却し、コイルに巻取ることを
特徴とする耐衝撃性に優れる高張力熱延鋼板の製造方法
である。

【０００６】

【発明の実施の形態】発明者らは、Si, Mn, CrおよびＰ
を含有する２相組織鋼の動的降伏応力におよぼす冶金学
的要因について研究した。その結果、該動的降伏応力
は、成分組成、組織とくに結晶粒度さらにはデスケーリ
ング処理や仕上げ圧延とその後の冷却条件などが強く影
響していることを知見した。とくに、フェライト相（体
積比95〜60％) の周囲にマルテンサイト相 (体積比５〜
40％) を析出させると同時にその中に存在する転位を制
御すれば、静的強度を確保すると同時に動的降伏応力の
向上を図ることができることを知見した。以下に、この
ことについて、さらに詳しく述べる。

【０００７】一般に、フェライト相とマルテンサイト相
からなる２相組織鋼では、熱間粗圧延後の冷却過程、と
くにデスケーリング処理, 熱間仕上圧延後の冷却条件を
適宜に制御すれば、低温域でマルテンサイト相が析出す
ると共にこのマルテンサイト相の周囲のフェライト相中
には転位が導入されることが知られている。そこで発明
者らは、かかる２相組織鋼のかかる転位密度と鋼板が衝
撃変形した場合の変形挙動の関係を調査した。その結
果、フェライト相中の転位密度を高めると、衝撃変形し
た場合の鋼板強度が増加するということの知見を得た。
ただし、鋼板の動的強度を効果的に高めるには、従来の
２相組織鋼で得られているような10⁹(cm^-2）程度の転位
密度では不十分であり、さらに転位を強制的に導入する
必要のあることがわかった。

【０００８】このような知見の下に発明者らは、かかる
フェライト相中への転位の導入方法について検討した。
その結果、鋼板表面から少なくとも板厚の２％までの表
層部におけるフェライトならびにマルテンサイトの粒径
を微細化して分散析出させることがこのことに有効であ
り、そのためには、鋼の成分組成、粗圧延後のデス
ケーリング、仕上圧延後の冷却条件、などの好適な制
御が必要であるとの結論に到達し、本発明に想到した。

【０００９】(1) 以下、この発明において、鋼の成分組
成を上記のように限定した理由を説明する。Ｃ：0.05〜0.2 wt％Ｃは、遅い冷却速度でマルテンサイトを析出させるため
に必要な元素である。この量が0.05wt％未満では２相組
織が得られない。一方、0.2 wt％を超えるとフェライト
中に固溶Ｃが存在し、成形性を阻害する。よって、Ｃ含
有量は0.05〜0.2 wt％に限定する。好ましい範囲は0.07
〜0.15wt％である。

【００１０】Si：1.50wt％以下 Siは、フェライト中の固溶Ｃをオーステナイト中に濃化
させ、鋼の焼入れ性を向上させると共に、フェライトの
純度を高めることにより鋼板の成形性を向上させる。し
かし、この量が1.50wt％を超える場合には、熱延鋼板が
顕著に硬化して冷間加工性が劣化することに加えて、表
面処理性も顕著に劣化する。したがって、Si含有量の上
限は1.50wt％とした。好ましくは1.00wt％以下がよい。

【００１１】Mn：0.5 〜3.0 wt％ Mnは、オーステナイト安定化型元素であり、0.5 wt％以
下だと焼入れ性が低くなり、２相組織が得られにくい。
一方、3.0 wt％を超えると鋼板が著しく硬化する結果、
冷間加工が困難になる。よってMn含有量は、0.5 〜3.0
wt％の範囲に限定する。好ましい範囲は 1.0〜2.0 wt％
である。

【００１２】Ｓ：0.010 wt％以下Ｓは、この量を低減すると、鋼中の析出物を減少して加
工性を向上させる。このような効果は、Ｓ含有量が0.01
0 wt％以下のときに得られる。好ましくは0.005 wt％以
下がよい。

【００１３】Ｐ：0.03〜0.15wt％Ｐは、マルテンサイト生成の臨界冷却速度を小さくして
マルテンサイトの析出を容易にする。この効果は、Ｐ：
0.03wt％以上であらわれる。一方、0.15wt％を超えて含
有させた場合には、熱延鋼板が顕著に硬化して冷間加工
性が劣化することに加えて、表面処理性も顕著に劣化す
る。したがってＰ含有量は0.03〜0.15wt％の範囲に限定
する。好ましい範囲は0.05〜0.12wt％である。

【００１４】Cr：0.5 〜2.0 wt％ Crは、マルテンサイト生成の臨界冷却速度を小さくする
が、その効果は0.5 wt％以上であらわれる。一方、2.0
wt％を超えるとその効果は飽和し、製造コストも高くな
る。従って、Crの含有量は 0.5〜2.0 wt％の範囲とす
る。好ましい範囲は 0.7〜1.5 wt％である。

【００１５】Mo：0.1 〜1.0 wt％ Moは、マルテンサイト生成の臨界冷却速度を小さくする
が、その効果は0.1 wt％以上であらわれる。一方、1.0
wt％を超えるとその効果は飽和し、製造コストも高くな
る。従って、Moの含有量は 0.1〜1.0 wt％の範囲とす
る。好ましい範囲は 0.2〜0.8 wt％である。

【００１６】(2) さて、本発明にかかる高張力熱延鋼板
は、この鋼組織を、フェライトとマルテンサイトの２相
組織としてのものである。例えば、体積比で95〜60％の
フェライト相と、体積比で５〜40％のマルテンサイト相
とからなる２相組織とすることが好ましい。これらの範
囲は、自動車用材料としての十分な静的強度と動的強
度、とくに必要な静動比：1.6 以上を確保するために必
要である。

【００１７】(3) また、本発明にかかる高張力熱延鋼板
においては、鋼板表面から少なくとも板厚の２％までの
表層部におけるフェライトおよびマルテンサイトは、そ
れぞれ平均粒径が、フェライトの場合５μｍ未満、マル
テンサイトの場合3 μｍ未満の大きさとして、フェライ
ト相中への転位の導入を促進した点に特徴がある。この
ような粒径制御を行うと、フェライト相中の転位密度の
導入は、10¹⁰ (cm^-2) 〜10¹³ (cm^-2) 程度となり、これ
は、10¹⁰ (cm^-2) 未満である従来鋼板に比べると高く、
動的強度の向上に効果がある。なお、表層部の厚みを少
なくとも２％に限定した理由は、２％以下では、導入さ
れる転位の量が不十分で十分な動的強度が得られないか
らである。また、各平均粒径の値は、この範囲を外れる
と動的強度の低下ならびに鋼板の延性が低下してプレス
成形性が劣化する限界を意味するものである。

【００１８】(4) 次に、本発明にかかる製造方法につ
き、熱延条件を中心に説明する。 (a) 加熱( 950 〜1250℃) 粗圧延工程上記成分組成の鋼素材を 950〜1250℃に加熱する。この
加熱温度が1250℃を超えると、熱間圧延終了後のフェラ
イト粒径が大きくなり過ぎるため、平均粒径が５μｍ以
下の大きさのフェライト組織を得ることができず、耐衝
撃性に良好な組織が得られない。一方、この加熱温度が
950℃未満では、Ａr₃変態点以上での仕上げ圧延が不可
能になり、フェライト域圧延となり、平均粒径が５μｍ
以下の微細なフェライト組織を得ることかできず、耐衝
撃性に良好な組織が得られない。なお、好ましい範囲は
1050〜1250℃である。

【００１９】(b) 超高圧デスケーリング処理工程粗圧延処理後の鋼板は、直ちにもしくは、例えばコイル
ボックスを経てから、高い冷却強度を付加することので
きる超高圧デスケーリング処理を行う。この処理は、本
発明において極めて重要な作業であり、この処理が上述
した表面層組織を形成する上で重要な役割を示す。即
ち、この処理は、仕上げ圧延直前において、鋼板表面へ
の衝突圧が２５kgf/cm² 以上となる超高圧水を、下記
(1) 式；圧延速度(cm/min)×板幅(cm)×板厚(cm)× 0.002≧液量（リットル/min) ≧圧延速度(cm/min)×板幅(cm)×板厚(cm)× 0.0005 …(1) で求められる液量にて噴射する方法である。このような
超高圧デスケーリング処理の条件を満足しない、例えば
従来のように1 〜4 kgf/cm² という低い衝突圧では、仕
上げ圧延前の鋼板表面の温度低下が不十分となり、鋼板
表面から少なくとも板厚の2 ％までの表層部にフェライ
ト平均粒径が５μｍ未満、マルテンサイト平均粒径が３
μｍ未満という組織を得ることができなくなる。

【００２０】なお、上記超高圧デスケーリング処理時の
鋼板表面での衝突圧ｐは、一般に、ノズルの吐出圧Ｐお
よび吐出量Ｑ、鋼板表面とノズルとの間の距離Ｈから次
式により求めることができる。（「鉄と鋼」1991 vol.7
7 No.9 p11450 参照) ｐ＝5.64ＰＱ／Ｈ² ただし、ｐ：鋼板表面での衝突圧（ＭＰａ）Ｐ：吐出圧（ＭＰａ）Ｑ：吐出量（リットル／sec) Ｈ：鋼板表面とノズルとの間の距離(cm) ちなみに、従来の高圧デスケーリングの衝突圧は 1.0〜
4.0 kgf/cm² 程度であり、その約10倍に当たる超高圧を
付加することで、本発明では、従来技術の下では期待さ
れていなかった特有の作用効果を発現するのである。

【００２１】(c) 仕上圧延 (Ａr₃変態点以上) 上記超高圧デスケーリング処理が終わると、直ちに仕上
げ圧延を行う。この仕上げ圧延の温度がＡr₃変態点未満
だと、フェライト域圧延となり、平均粒径が５μｍ以下
の大きさのフェライト組織を得ることができず、耐衝撃
性に良好な組織が得られない。

【００２２】(d) 冷却この処理は、初めに 700〜750 ℃の温度域までは30℃／
sec 以上の速さの冷却速度で冷却し、その後 650〜550
℃の温度域まで空冷し、さらに 500℃以下の温度域まで
30℃／sec 以上の速度で冷却し、最後にコイルに巻き取
る。このような冷却を行う理由は、始めの冷却におい
て、冷却速度が30℃／sec 未満もしくは冷却停止温度が
750℃を超えていると、オーステナイトからパーライト
変態が起こり、２相組織鋼が得られないからであり、そ
の他の条件は、オーステナイト中にオーステナイト安定
化元素を濃縮固定するために必要で、これらの条件以外
ではフェライトとマルテンサイトを主とした組織を得る
ことができない。

【００２３】なお、本発明法にかかる熱延鋼板は、冷延
鋼板や表面処理鋼板用素材とすることができる。また、
本発明鋼板は、主としてホイールやシャーシなどの自動
車用鋼板を対象としているが、高歪速度下での強度を要
求される同様の用途材に対しても有効であることはいう
までもない。

【００２４】

【実施例】表１に示す種々の化学組成の鋼を、転炉にて
溶製した。これらの鋼を用いて胴表１に示す製造条件
（ただし、仕上圧延速度：60m/min)で３mmt の熱延鋼板
を製造した。ここで、空冷開始までの冷却（水冷）速度
は35℃／sec 、空冷終了温度は 620℃、その後のコイル
巻取りまでの冷却( 水冷) 速度は35℃／sec とした。と
くに、粗圧延後に超高圧デスケーリング処理を施す場合
において、この処理条件の適否を中心に、発明例と比較
例の特性を比較した。その特性としては、引張試験によ
り歪速度10^-3と10³での降伏強度を測定して比較した。
その結果を表２と図１に示す。表２、図１に示すよう
に、本発明法に従えは、衝突圧が25kgf/cm² 以上でかつ
上記(1) 式に従う液量( リットル/min) の範囲内の超高
圧水を仕上圧延前の鋼板に噴射した鋼No.1〜9 の場合、
いずれも静動比が 1.6を超え、動的降伏応力が比較例に
比べて格段に優れていることがわかった。これに対し比
較例は、衝突圧の低いデスケーリング処理を行ったNo.1
0, 11 および水量外れのNo.12, 13 は、いずれも静動比
が 1.6未満で、動的降伏応力も本発明例に比べて低い結
果となった。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
好適な成分組成と組織とくに結晶粒度と熱延条件とくに
デスケーリング処理条件を選択することによって、鋼板
表面を微細なフェライトとマルテンサイトの２相組織と
することができ、これによって従来よりも格段に静動比
に優れる鋼板を得ることができる。そして、このような
鋼板を自動車用鋼板に利用することによって、自動車車
体の軽量化と安全性の向上を同時に実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例における衝突圧と静動比との関係を示す
グラフ。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＣ２２Ｃ 38/38 Ｃ２２Ｃ 38/38 (72)発明者小原隆史千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (56)参考文献特開平７−150294（ＪＰ，Ａ) 特開平７−70649（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−139660（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 B21B 1/00 - 3/02 B21B 45/00 - 45/08 C21D 8/02 - 8/04 C21D 9/46 - 9/48

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.05〜0.2 wt％、 Si：1.5 wt％以下、 Mn：0.5 〜3.0 wt％、Ｓ：0.010 wt％以下、を含有し、さらにＰ：0.03〜0.15
wt％、Cr：0.5 〜2.0 wt％およびMo：0.1 〜1.0 wt％の
うちのいずれか１種または２種以上の元素を含有し、残
部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼
板の組織が主としてフェライトとマルテンサイトの２相
からなり、かつ鋼板表面から少なくとも板厚の２％まで
の表層部には、フェライトの平均粒径が５μｍ未満、マ
ルテンサイトの平均粒径が３μｍ未満の組織を有するこ
とを特徴とする耐衝撃性に優れる高張力熱延鋼板。
【請求項２】Ｃ：0.05〜0.2 wt％、 Si：1.5 wt％以
下、 Mn：0.5 〜3.0 wt％、Ｓ：0.010 wt％以下、を含有
し、さらにＰ：0.03〜0.15wt％、Cr：0.5 〜2.0 wt％お
よびMo：0.1 〜1.0 wt％のうちのいずれか１種または２
種以上の元素を含有し、残部Feおよび不可避的不純物か
らなる鋼素材を 950〜1250℃の温度に加熱して粗圧延を
行い、次いで鋼板表面への衝突圧が25kgf/cm² 以上とな
る超高圧デスケーリング処理を、下記液量；圧延速度(cm/min)×板幅(cm)×板厚(cm)× 0.002≧液量
（リットル/min)≧圧延速度(cm/min)×板幅(cm)×板厚
(cm)× 0.0005 の液体を噴射することによって行い、その後、Ａr₃変態
点以上の温度で仕上げ圧延を行い、 750〜700 ℃の温度
域に冷却速度30℃／sec 以上で冷却してから、650 〜55
0 ℃の温度域まで空冷し、次いで30℃／sec 以上の冷却
速度で 500℃以下の温度に冷却し、コイルに巻取ること
を特徴とする耐衝撃性に優れる高張力熱延鋼板の製造方
法。