JP3694383B2

JP3694383B2 - 一様伸びに優れた高強度鋼

Info

Publication number: JP3694383B2
Application number: JP05423797A
Authority: JP
Inventors: 直紀丸山; 昌章杉山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-02-24
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2017-02-24
Also published as: JPH10237584A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異なる構造のＣｕ粒子を合金鋼中に分布せしめることを特徴とした、一様伸び特性を低下させずに高強度を与える鋼に関するものであり、引張強度３０ｋｇｆ／ｍｍ²程度の軟鋼から１２０ｋｇｆ／ｍｍ²程度の高張力鋼まであらゆる強度の鋼材に適用が可能である。
【０００２】
【従来の技術】
近年来、自動車や船舶などの外板や建築物等の構造物には軽量化に加え、安全設計上、衝撃や地震によるエネルギーを吸収しうる塑性変形能にすぐれた鋼材が要求されており、軽量化要求の解決手段としては高強度化が、また後者の要求に対しては一様伸び特性の向上が不可欠である。ところが、高強度化と一様伸び特性の向上は相反する性質であり、双方の性質を両立することは難しいと考えられてきた。
【０００３】
従来、鋼板を高強度化する手段としては大きく分けて、（１）Ｓｉ，Ｎｉ，Ｍｏ等の固溶強化元素を多量に添加するかあるいはＮｂ，Ｔｉ，Ｖ等の析出強化元素を多量に添加する、（２）結晶粒を微細化するかあるいは複合組織に制御する２つの方法があり、使用される用途に応じた材質的要求、経済性を考慮し最適な強化法が選択されてきた。
【０００４】
上述した（１）の方法による強化は、その母材組織がフェライト、ベイナイト、マルテンサイト、オーステナイトの如何にかかわらず古くから利用されてきているが、一般的に高い引張強度を得ようとすると前述のようにそれに反比例して一様伸びが悪化してしまう。
【０００５】
一方、（２）の方法による強化は、フェライト・マルテンサイトの２相組織鋼（例えば特公昭６１−１５１２８号公報）に代表されるように強度と延性を両立することが可能な方法である。しかしながら、この方法は組織を選択した時点で達成できる強度がある程度決まってしまうため、低強度から高強度鋼板に至るあらゆる強度レベルでの強度−一様伸び特性向上に適用することができない。このため、あらゆる強度レベルの鋼板について優れた一様伸び特性を保持しつつ高強度化する方法を開発することが望まれていた。
【０００６】
そこで発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意、実験と検討を重ねた結果、適正量のＣｕを添加し、かつ９Ｒ構造を有するＣｕ粒子を含み、さらに、ｂｃｃ構造を有するＣｕ粒子またはｆｃｃ構造を有するＣｕ粒子のいずれかを鋼中に適正に制御し分布せしめることによって、鋼板の組織の如何にかかわらず従来の析出強化により高強度化した鋼板よりも、優れた強度−一様伸び特性を達成できることを見いだした。Ｃｕを添加する鋼板としては、特開昭６１−２８８０１５号公報、特開昭６３−１６２８１１号公報、特開平５−３３１５９１号公報、特開平６−１０８２００号公報が開示されている。これらは、高温での溶体化処理後に５５０℃前後の時効処理を施すことによって析出する面心立方（以下、ｆｃｃ）構造を有するε−Ｃｕを利用し、高強度−高延性を達成できるとしている。しかしながら、本発明が示すようにｆｃｃ構造のε−Ｃｕのみでは、従来の析出強化法の範疇を超えた強度−一様伸び特性を達成することはできない。
【０００７】
また発明者らは、適正量のＭｏをＣｕとを複合添加することにより、上述のＣｕの効果を助長しさらに一様伸び特性に優れた高強度鋼を得られることを見いだした。ＭｏをＣｕとを複合添加する鋼板としては、特開昭６３−１６２８１１号公報が開示されている。しかしながら、この発明はｆｃｃ構造を有するε−Ｃｕのみを利用するものであり、本発明に示すように９Ｒ構造を有するＣｕ粒子を含み、さらに、ｂｃｃ構造を有するＣｕ粒子またはｆｃｃ構造を有するＣｕ粒子のいずれかを利用することにより、さらに優れた強度−一様伸び特性を有する鋼に関する本発明とは異なる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した現状に鑑み開発されたもので、低強度鋼から高強度鋼まですべての鋼種について、従来強化法で問題となっていた高強度化による一様伸びの劣化を抑えて、高強度でかつ優れた一様伸び特性を達成することができる鋼材を安価に提供することを目的としたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために次の手段を講じた。
すなわち、本発明の第１の特徴は、高強度鋼において、Ｃ：０．２ｗｔ％以下、Ｓｉ：３．０ｗｔ％以下、Ｍｎ：３．０ｗｔ％以下、Ｃｕ：０．５〜５．０ｗｔ％を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、９Ｒ構造を有するＣｕ粒子を含み、さらに、ｂｃｃ構造を有するＣｕ粒子またはｆｃｃ構造を有するＣｕ粒子のいずれかを結晶粒内に含むことにより一様伸びが優れることを特徴とする高強度鋼である。
【００１０】
本発明の第２の特徴は、上記特徴に加えＭｏ：０．３〜３．０ｗｔ％を含有することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の第３の特徴は、上記特徴に加えＮｉ：０．５〜５．０ｗｔ％、Ｃｒ：３．０ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．１０ｗｔ％以下、Ｎｂ：０．１５ｗｔ％以下、Ｖ：０．１５ｗｔ％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００３０ｗｔ％の内の１種または２種以上を含有することを特徴とするものである。
【００１２】
なお、ここで強度とは引張強度を意味している。また、ｂｃｃ構造とは体心立方構造、９Ｒ構造とは菱面体構造で最密面が９相重なり１つの単位格子を形成している構造、ｆｃｃ構造とは面心立方構造のことを意味している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明鋼では、低強度鋼から高強度鋼まですべての鋼種について、高強度化による一様伸びの低下を抑えかつ高強度を達成することができる。発明者らは、種々のＣｕ粒子の構造を制御した鋼板について機械試験と詳細な観察を重ねた結果、鋼中に９Ｒ構造を有するＣｕ粒子（以下、９Ｒ−Ｃｕ）を含み、さらに、ｂｃｃ構造を有するＣｕ粒子（以下、ｂｃｃ−Ｃｕ）またはｆｃｃ構造を有するＣｕ粒子（以下、ｆｃｃ−Ｃｕ；別称ε−Ｃｕ）のいずれかを母相内に分散析出させた時に、従来の析出強化法で特徴的であった一様伸び値の低下が顕著に軽減されることを見いだした。
【００１４】
この原因を解析した結果、強度向上にはｂｃｃ−Ｃｕ＞９Ｒ−Ｃｕ＞ｆｃｃ−Ｃｕの順で有効であり、一様伸び向上に対してはｆｃｃ−Ｃｕ＞９Ｒ−Ｃｕ＞ｂｃｃ−Ｃｕの順で有効であり、９Ｒ構造を有するＣｕ粒子を含み、さらに、ｂｃｃ構造を有するＣｕ粒子またはｆｃｃ構造を有するＣｕ粒子のいずれかを複合的に分散させることで優れた一様伸び特性を保持しつつ高強度化が実現できていたことを見いだした。いづれの構造のＣｕ粒子も、同一サイズのＮｂ（Ｃ，Ｎ）、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）等の炭窒化物の析出粒子に比較して、優れた一様伸び特性を示すが、この理由はＣｕ粒子が周囲のＦｅにくらべて柔らかく変形しやいために、変形時に転位が粒子に絡み付きにくく材料破断の起点になりにくいためであると考えられる。
【００１５】
材料破断の起点になりにくいということは、一様伸び特性の向上だけでなく、疲労特性の向上にも有効であることを示唆している。ＭｏとＣｕの複合効果については詳細は不明であるが、Ｃｕ粒子の変形能に何らかの影響を及ぼしているものと推測される。更に異なる構造のＣｕ粒子を利用した析出強化法は、母相の組織に依存せず良好な強度−一様伸び特性を与えることも明らかにした。すなわち、フェライト、ベイナイト、マルテンサイト、オーステナイトあるいはこれらの混合組織の如何にかかわらず、上記の効果を得ることができる。
【００１６】
以下に、本発明について詳細に説明する。
まず成分の限定理由について説明する。
Ｃ：Ｃはあらゆる強度の鋼をつくるために、組織をフェライト、ベイナイト、マルテンサイト、オーステナイトあるいはその混合組織に制御するのに必須の元素である。ただし、０．２ｗｔ％を超えるとセメンタイトが多量に析出し、Ｃｕ析出粒子による延性、靭性に対する期待効果がほとんどなくなるためにその上限を０．２ｗｔ％に限定した。
【００１７】
Ｓｉ：Ｓｉは組織をフェライト、ベイナイト、マルテンサイト、あるいはその混合組織に制御するのに必須の元素であり、また脱酸元素としても必要である。しかしながら、３．０ｗｔ％を超えると熱延時の脱スケール性の悪化やコスト高を招く。従ってＳｉ含有量は３．０ｗｔ％以下の範囲に制限した。
【００１８】
Ｍｎ：ＭｎはＳｉと同じくＡｒ₃変態点を低下させることで母相組織を制御するのに必須の元素である。しかしながら３．０％を超えるとコスト高になるので、Ｍｎ含有量を３．０ｗｔ％以下の範囲に制限した。
【００１９】
Ｃｕ：Ｃｕは本発明において最も重要な元素である。しかしながら、０．５ｗｔ％未満であるとＣｕとしての効果が発現せず、また５．０ｗｔ％を超えるとＣｕの熱間脆性による鋼板の表面割れが顕著になるために、Ｃｕ含有量の範囲を０．５〜５．０ｗｔ％の範囲に制限した。ただし、添加量の下限については、Ｃｕ析出粒子の体積分率をより大きくするという観点から１．０ｗｔ％以上の添加が望ましい。また、添加量の上限については、ＮｉをＣｕと等量だけ添加するとＣｕの熱間脆性を軽減することができるので、ＣｕとＮｉを複合添加する場合は５．０ｗｔ％を超えるＣｕの添加も可能である。Ｃｕは炭素当量を上げない元素でもあるので溶接性の向上にも有効である。Ｃｕは合金コストが低いという利点も有している。
【００２０】
Ｍｏ：Ｍｏは本発明において重要な元素であり、特に一様伸びをＣｕ単独添加に比べさらに向上させるために用いられる。しかしながら、０．３ｗｔ％未満であるとその効果が発現せず、また３．０ｗｔ％を超えるとコスト高になる。従って、その適正添加範囲を０．５〜３．０ｗｔ％に限定した。
【００２１】
Ｃｒ：ＣｒはＭｎの代替元素であり、Ａｒ₃変態点を低下させることで組織をフェライト、ベイナイト、マルテンサイト、あるいはその混合組織に制御するのに用いられる元素である。しかしながら３．０％を超えるとコスト高になるので、Ｃｒ含有量を３．０ｗｔ％以下の範囲に制限した。
【００２２】
Ｎｉ：ＮｉはＣｕ添加に起因する熱間脆性を抑制する効果がある。しかしながら、０．５ｗｔ％未満であるとその効果が発現せず、また５．０ｗｔ％を超えるとコスト高になる。従って、その適正添加範囲を０．５〜５．０ｗｔ％に限定した。
【００２３】
Ｔｉ：Ｔｉは脱酸元素として、また炭窒化物として再加熱時のオーステナイト粒径を制御する元素として必要である。しかしＴｉの添加量が０．１０ｗｔ％を超えるとＣｕの添加効果が失われるため、Ｔｉ含有量の範囲を、０．１０ｗｔ％以下とした。
【００２４】
Ｎｂ：Ｎｂは炭窒化物として再加熱時のオーステナイト粒径を制御する元素として必要である。しかしＮｂの添加量が０．１５ｗｔ％を超えるとＣｕの添加効果が失われるため、Ｎｂ含有量の範囲を、０．１５ｗｔ％以下とした。
【００２５】
Ｖ：Ｖは炭窒化物として再加熱時のオーステナイト粒径を制御する元素として必要である。しかしＶの添加量が０．１５ｗｔ％を超えるとＣｕの添加効果が失われるため、Ｖ含有量の範囲を、０．１５ｗｔ％以下とした。
【００２６】
Ｂ：Ｂは組織をフェライト、ベイナイト、マルテンサイト、あるいはその混合組織に制御するための元素である。０．０００３ｗｔ％未満であるとその効果が発現せず、また０．００３０ｗｔ％を超えると溶接性などの材質悪化を引き起こす。従って、その適正添加範囲を０．０００３〜０．００３０ｗｔ％に限定した。
【００２７】
次にＣｕ粒子の構造の限定理由について説明する。
ｂｃｃ−Ｃｕ粒子が単独に鋼中に存在するものでは、優れた強度は得られるが必ずしも十分な一様伸び特性が得られない。ｆｃｃ−Ｃｕ粒子だけでは、優れた一様伸び特性は得られるが、必ずしも十分な高強度化が達成できない。９Ｒ−Ｃｕ粒子だけでもある程度は優れた強度−一様伸び特性が得られる。しかしながら、９Ｒ構造を有するＣｕ粒子を含み、さらに、ｂｃｃ構造を有するＣｕ粒子またはｆｃｃ構造を有するＣｕ粒子のいずれかを共存させることによりはじめて、ｂｃｃ−Ｃｕ粒子と９Ｒ−Ｃｕの優れた強化効果とｆｃｃ−Ｃｕ粒子と９Ｒ−Ｃｕ粒子の優れた一様伸び向上効果を発現させることができる。従って、９Ｒ構造を有するＣｕ粒子を含み、さらに、ｂｃｃ構造を有するＣｕ粒子またはｆｃｃ構造を有するＣｕ粒子のいずれかを含むこととすると限定した。
【００２８】
なお、２種以上の構造のＣｕ粒子を母相中に分散させる制御方法としては以下に示す方法が有効である。（１）７５０℃以上で加熱するかあるいは７５０℃以上で圧延を終了した後、０．５〜１０℃／ｓｅｃの冷却速度で室温まで冷却する、または、（２）７５０℃以上で加熱するかあるいは７５０℃以上で圧延を終了した後、１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却した後、４８０℃〜６００℃で１０〜１２０分間の時効処理を施し、これらの熱処理において、９Ｒ構造を有するＣｕ粒子を含み、さらに、ｂｃｃ構造を有するＣｕ粒子またはｆｃｃ構造を有するＣｕ粒子のいずれかを鋼中に分散させる。
【００２９】
【実施例】
次にこの発明を実施例により更に詳細に説明する。
表１に示す成分に調整した鋼材Ａ〜Ｋを、表２に示す種々の条件で処理を施した。このようにして得られた鋼板から、引張試験用の試験片、組織観察用である透過電子顕微鏡観察用の試験片およびアトムプローブ電界イオン顕微鏡（ＡＰ−ＦＩＭ）用の試験片を切り出した。表３は得られた試験片Ｎｏ．１〜１４のマトリクス組織、引張強度（ＴＳ）、一様伸び（ｕ−Ｅｌ）、鋼中のＣｕ粒子の構造を調査した結果を示している。
【００３０】
表３から明らかなように、Ｆｅマトリクス中のＣｕ粒子がｂｃｃ−Ｃｕ、９Ｒ−Ｃｕ、ｆｃｃ−Ｃｕのうちの２種以上の構造のＣｕ粒子を結晶粒内に含むものは、ｂｃｃ−Ｃｕ単独、ｆｃｃ−Ｃｕ単独やＮｂＣ、ＴｉＣ、ＶＣなどによる析出強化鋼に比べ、同一強度で比較してｕ−Ｅｌ値が上昇している。例えば、試料Ｎｏ．１とＮｏ．２を比較すると引張強度は７２０ＭＰａで同一であるにも関わらず、ｂｃｃ−Ｃｕと９Ｒ−Ｃｕの両方を含むＮｏ．１の方がｕ−Ｅｌで２．７％大きくなっている。すなわちＮｏ．１の方が強度−一様伸び特性が優れている。
【００３１】
Ｎｏ．３とＮｏ．４は強度−一様伸び特性に及ぼすＣｕ添加の効果を示したものである。Ｃｕ無添加のＮｏ．４に比べ、Ｃｕを添加しかつＣｕ粒子の構造を適正化したＮｏ．３は、Ｎｏ４とほぼ同一の引張強度を有するにも関わらず一様伸びで４．２％優れている。
【００３２】
Ｎｏ．５とＮｏ．６は冷却速度を変え、Ｃｕの構造を制御したものである。Ｎｏ．５の方が比較鋼Ｎｏ．６より２．９％一様伸び値が向上している。
【００３３】
Ｎｏ．９はＶＣによる析出強化鋼、Ｎｏ．１２はＮｂＣ、ＴｉＣによる析出強化鋼である。それぞれ、Ｃｕ粒子分散強化鋼であるＮｏ．１０と比べると、本発明鋼であるＮｏ．１０の方が同一引張強度で比較してｕ−Ｅｌは大きい。Ｎｏ．１１はｆｃｃ−Ｃｕのみが析出したために強度−一様伸び特性が低下した例である。
【００３４】
Ｎｏ．１３とＮｏ．１４はＭｏ−Ｃｕ複合添加鋼における強度−一様伸び特性を示している。上と同様に複数の構造のＣｕ粒子を含む鋼においてｕ−Ｅｌが上昇している。Ｎｏ．１０とＮｏ．１４はＣｕ単独とＣｕ−Ｍｏ複合添加の比較を示している。Ｍｏ−Ｃｕ複合添加の方がＣｕ単独添加に比べ一様伸びで２．１％向上しており、Ｍｏ添加の相乗効果がみられる。
【００３５】
【表１】

【００３６】
【表２】

【００３７】
【表３】

【００３８】
【発明の効果】
本発明の合金鋼は、従来の析出強化鋼に比較して良好な強度−一様伸び特性を有しており、さらにＣｕを利用していることで溶接性や疲労特性にも優れる。本発明は、フェライト組織、マルテンサイト組織、ベイナイト組織、オーステナイト組織およびこれらの混合組織を有する合金鋼について適用が可能であり、従って軽量化部材として自動車の外板や足廻り部材等の構造部材、造船、建築、海洋構造物、パイプライン等の構造部材や強度部材に適用することが可能である。また合金単価の低いＣｕを利用することで安価に鋼板を製造する効果も有している。

Claims

高強度鋼において、Ｃ：０．２ｗｔ％以下、Ｓｉ：３．０ｗｔ％以下、Ｍｎ：３．０ｗｔ％以下、Ｃｕ：０．５〜５．０ｗｔ％を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、９Ｒ構造を有するＣｕ粒子を含み、さらに、ｂｃｃ構造を有するＣｕ粒子またはｆｃｃ構造を有するＣｕ粒子のいずれかを結晶粒内に含むことにより一様伸びが優れていることを特徴とする高強度鋼。
Ｍｏ：０．３〜３．０ｗｔ％を含有することを特徴とする、請求項１記載の高強度鋼。
Ｎｉ：０．５〜５．０ｗｔ％、Ｃｒ：３．０ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．１０ｗｔ％以下、Ｎｂ：０．１５ｗｔ％以下、Ｖ：０．１５ｗｔ％以下、Ｂ：０．０００３〜０．００３０ｗｔ％のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の高強度鋼。