JP3863803B2 - 伸びフランジ性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、伸びフランジ性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車部品の内、特に足回り系と呼ばれるフレーム類やアーム類などには高強度熱延鋼板が広く用いられている。これらの部品には走行中の振動に対する耐久性の観点から高い疲労特性が要求される。こうした要求に対してはいくつかの鋼板が提案されている。例えば特開平１１−１９９９７３号公報にはフェライト相とマルテンサイト相の複合組織鋼板中に微細なＣｕの析出物および／または固溶体を分散させた鋼板が提案されている。こうした、一般にＤＰ鋼板と呼ばれる鋼板は、強度と延性のバランスや疲労特性には優れるものの、穴広げ試験で評価される伸びフランジ性には劣ることが知られている。その理由の一つは、ＤＰ鋼板は軟質なフェライト相と硬質なマルテンサイト相の複合体であるため、穴広げ加工時に両相の境界部が変形に追随できず破断の起点になり易いからであると考えられている。
【０００３】
これに対して、伸びフランジ性に優れた高強度熱延鋼板の提案がなされている。特開２０００−１４４２５９号公報がその一例で、鋼板を実質的にアシキュラー・フェライト単相組織とすることで、従来に比して優れた伸びフランジ性を有する高強度熱延鋼板が得られることが開示されている。こうした先の発明に立脚して本発明者らは、アシキュラー・フェライト単相組織に微細なＣｕの析出物および／または固溶体を分散させた鋼板を製造すれば、伸びフランジ性にも疲労特性にも優れた高強度熱延鋼板が得られるものと考えて実験を行ったが、所望の特性は得られなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
鋼板組織をアシキュラー・フェライト相主体とし、粗大な炭化物の生成を抑制した熱延鋼板は確かに優れた伸びフランジ性を示すものの、Ｃｕを添加しても前記のＣｕ含有ＤＰ鋼板で認められたような疲労特性の大幅な向上は見られなかった。その原因は必ずしも明瞭ではないが、本発明者らの研究によれば、ＤＰ鋼板にＣｕを添加した場合とは異なり、微細なＣｕの析出物などが均一に分散せず、特定の部位に濃化する傾向があることが関係しているものと推測された。恐らく鋼板の組織を所定のものにするための熱延後の冷却条件が両鋼板では異なっていることが主たる原因で、オーステナイト相とフェライト相の二相共存温度域でオーステナイト相へのＣの濃化を促進する目的で熱延終了直後に緩冷却を行うＤＰ鋼板に対して、アシキュラー・フェライト組織単相鋼板ではポリゴナルなフェライト相の生成を回避し、アシキュラー・フェライト相を得るために熱延終了後直ちに急速冷却を開始するのでＣｕ析出物などの均一な分散が妨げられるのではないかとの結論に至った。そこで本発明は、熱延終了後直ちに急速冷却を開始する鋼板の製造条件を変更することなく、ＤＰ鋼板で認められたような疲労特性の向上に対するＣｕ添加の効果が得られる熱延鋼板を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、微細なＣｕ析出物などの存在形態、組織内での存在場所をＤＰ鋼板とアシキュラー・フェライト鋼板の各々について詳細に調査した。その結果、それら析出物などは更に微細な粒子を核にして形成され成長したのではないかとの仮説に行き着いた。そこで、微細で凝集粗大化し難い微細粒子を鋼中に分散させておけばアシキュラー・フェライト相単相鋼板であってもＣｕの析出物などがＤＰ鋼板と同様に均一に分散し、その結果疲労特性の向上が得られるのではないかと考え、微細な粒子を形成することが期待できる広範囲の添加元素について実験を行い本発明を完成させた。
【０００６】
その結果、Ｍｇの添加が最も効果的であり、加えて他の元素による予備脱酸を十分には行わずに未反応の酸素（フリー酸素）濃度を敢えて若干高めに誘導してＭｇの酸化物を形成させることで従来得られなかった特性を有する鋼板の提供が可能であることを見出した。具体的には、
（１）質量％にて、Ｃ：０．０３〜０．１０％、Ｓi：０．０５〜１．５％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．０００５〜０．０１％、Ａｌ：０．００４％以下、Ｃｕ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜１．０％を含有し、更にＴｉ：０．０１〜０．３％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の一方あるいは双方を含有し、更にＭｇおよびＯ（酸素）をＭｇ：０．０００５〜０．００８％、Ｏ：０．００１〜０．０２３％かつ０．１≦Ｍｇ／Ｏ≦１．２となるように含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、アシキュラー・フェライト相の面積率が８０％以上であることを特徴とする伸びフランジ性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。
（２）Ａｌの含有量を、０．０００３質量％以下に制限したことを特徴とする前記（１）に記載の伸びフランジ性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。
【０００７】
（３）前記（１）又は（２）に記載の鋼板を製造する方法であって、前記（１）又は（２）に記載の化学成分を有する鋼材を１１５０〜１２５０℃に加熱して粗圧延した後、Ａｒ₃ 点＋５０℃〜Ａｒ₃ 点＋１５０℃で仕上圧延を完了し、更に４０℃／秒以上の平均冷却速度で３００〜５００℃まで冷却し、３００〜５００℃で巻取ることを特徴とする伸びフランジ性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板の製造方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、本発明を完成するに至った実験について説明する。
本発明者らは、質量％にて、Ｃ：０．０５％、Ｓｉ：０．０５％、Ｍｎ：１．５％、Ｐ：０．０２％、Ｓ：０．００１％を含有し残部がＦｅである溶鋼に対してＡｌを用いた脱酸を行い、酸素濃度の測定後、他の元素を添加して鋼塊を製造した。ここで他の元素とは、Ｃｕ、Ｎｉ、ＮｂおよびＴｉであり、これらに加えて更にＭｇの添加も行った。得られた鋼塊を熱間圧延して４ｍｍの熱延鋼板とした。熱延後急速冷却を行いアシキュラー・フェライト相主体の組織とした。該鋼板を穴広げ試験に供して伸びフランジ性を評価するとともに、平面曲げ疲労試験にも供して疲労特性も調べた。
【０００９】
その結果をＭｇ添加のありなしで比較すると、伸びフランジ性に有意差は認められないが、疲労特性はアシキュラー・フェライト相主体の組織でありながらＭｇの添加によって改善されることが明らかとなった。しかもその効果は、Ａｌによる予備脱酸後のフリー酸素濃度が１０ｐｐｍ以上である場合に顕著であった。以上の結果を基に、化学成分、熱延条件、および冷却条件の検討を行って本発明を完成するに至った。
【００１０】
以下に本発明の限定理由を述べる。まず化学成分の限定理由について述べる。成分の表記は全て質量％である。
Ｃ：０．０３〜０．１０％
Ｃは、鋼板の強度を確保するために必須の元素であり、高強度鋼板を得るためには少なくとも０．０３％が必要である。しかし、過剰に含まれると、ＴｉやＮｂによる炭化物生成や、冷却条件を駆使しても、伸びフランジ性に好ましくないセメンタイト相の生成が避けられなくなるので０．１０％以下とする。
【００１１】
Ｓｉ：０．０５〜１．５％
Ｓｉは、伸びフランジ性を劣化させることなく強度を確保するのに有効な元素であり、少なくとも０．０５が必要であるが、過剰に含まれると伸びフランジ性に好ましくないポリゴナル・フェライト相を生成しやすくなるのでその上限は１．５％とする。
Ｍｎ：１．０〜２．０％
Ｍｎは、Ｃ、Ｓｉとともに鋼板の高強度化に有効な元素であり、１．０％以上は含有させるべきであるが、２．０％を越えて含有させると延性が劣化するため上限を２．０％とする。
【００１２】
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、固溶強化元素として有効であるが、偏析による加工性の劣化やＭｎと同様の悪影響を及ぼすので０．０５％以下にする必要がある。好ましくは、０．０２０％とする。
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、ＭｎＳなどの介在物を形成して伸びフランジ性を劣化させる他、Ｃを炭化物とする目的で含有させるＴｉと結合してその歩留りを低下させるなどの有害な作用をする。従って、出来るだけ抑制すべきであるが０．０１％以下であれば許容される。
【００１３】
Ｎ：０．０００５〜０．０１％
Ｎは、ＡｌＮなどの介在物を形成して伸びフランジ性を劣化させる他、Ｃを炭化物とする目的で含有させるＴｉと結合してその歩留りを低下させる。従って、出来るだけ抑制すべきであるが０．０１％以下であれば許容される。一方、０．０００５％未満とするにはコストがかかるので０．０００５％を下限とする。
Ａｌ：０．００４％以下
Ａｌは、その酸化物が凝集して粗大化し易いため伸びフランジ性確保の観点から極力抑制することが望ましい。また、過剰に添加された場合はＭｇ酸化物の形成に影響するフリー酸素が著しく低下するので０．００４％以下に限定されねばならない。
【００１４】
Ｃｕ：０．２〜２．０％
Ｃｕは、微細な析出物などとして疲労強度の向上に寄与する重要な元素である。しかし、０．２％以上を添加しないとその効果は少ない。一方、２．０％を越えて含有されていると疲労特性上は問題ないものの、熱延後の鋼板表面性状を悪化させるので２．０％を上限とする。
Ｎｉ：０．１〜１．０％
Ｎｉは、上記Ｃｕによる熱延表面性状悪化を緩和する効果があり、Ｃｕの約半分である０．１％以上を添加する。一方、１．０％を超えて添加してもその効果は飽和し、コストの上昇につながるだけなので、１．０％を上限とする。
【００１５】
Ｔｉ：０．０１〜０．３％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の一方あるいは双方ＴｉおよびＮｂは、Ｃ、ＳおよびＮを析出物として固定することによって鋼板の加工性を向上させる（いわゆるｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ効果）働きをする。一方、必要以上に添加された場合には、それらは固溶Ｔｉや固溶Ｎｂとして鋼中に存在し、再結晶温度を上昇させ熱間加工組織が残存し易くなり延性を損ねる。しかし含有量が上記の範囲を逸脱するとその効果が認められなくなるので上記のように限定されなければならない。
【００１６】
Ｍｇ：０．０００５〜０．００８％
Ｍｇは、Ｏと結合して鋼の清浄度を高める効果を持つ以外に、その酸化物がＣｕの析出物などの分散に寄与する。その効果を得るためには、０．０００５％以上必要である。しかし、０．００８％を越えて含有させようとすると、原料として純Ｍｇを用いる場合には溶湯表面近傍で激しい反応が生じて操業上極めて危険であり、Ｎｉ−Ｍｇなどの合金原料を用いる場合にはＭｇと他元素の歩留りが大幅に異なるため鋼を所望の化学組成にすることが難しくなるのでこの値を上限とする。
【００１７】
Ｏ：０．００１〜０．０２３％
Ｏは、Ｍｇと連帯してＣｕの析出物および／または固溶体の分散に寄与する。その効果は最終製品の分析値において０．００１％以上必要である。しかし、０．０２３％超では酸化物の密度が高くなり、相互の距離が近くなり過ぎてＣｕの分散が起こらなくなるばかりか、それら自身が伸びフランジ性を劣化させるようになるため、その含有量は０．００１〜０．０２３％とする。
【００１８】
０．１≦Ｍｇ／Ｏ≦１．２
ＭｇとＯ濃度比が０．１倍未満では微細なＣｕ析出物などの均一分散効果が得られない。恐らく形成されるＭｇ酸化物量が十分ではないことが原因であり、同時に他の酸化物が多量に含まれるようになる結果、鋼板の延性や伸びフランジ性が劣化するので０．１以上とする必要がある。一方、Ｍｇ／Ｏを１．２超とするためには多量のＭｇ原料を添加し、なおかつ目的組成を得るのに長時間の製鋼過程を要するようになるので製造コストの点から好ましくない。従って、ＭｇとＯの濃度比は０．１以上１．２以下に限定する。なお、本発明において上記以外の成分はＦｅとなるが、スクラップなどの溶解原料から混入する不可避的不純物は許容される。
【００１９】
次に加熱、圧延、冷却、および、巻取りの各条件について述べる。
加熱温度は鋼中のＴｉＣやＮｂＣなどを固溶させるため１１５０℃以上とすることが必要である。これらを固溶させておくことにより、圧延後の冷却過程でポリゴナルなフェライトの生成が抑制され、伸びフランジ性にとって好ましいアシキュラー・フェライト相を主体とする組織が得られる。一方、加熱温度が１２５０℃を超えるとスラブ表面の酸化が著しくなり、特に粒界が選択的に酸化されたことに起因すると思われる楔状の表面欠陥がデスケーリング後に残り、それが圧延後の表面品位を損ねるので上限を１２５０℃とする。
【００２０】
仕上圧延完了温度は鋼板の組織制御上重要である。Ａｒ₃ 点＋５０℃未満では表層部の結晶粒径が粗大となって疲労特性上好ましくない。一方、Ａｒ₃ 点＋１５０℃超ではポリゴナル・フェライト相が生成し易くなるので、上限をＡｒ₃ 点＋１５０℃とする。仕上圧延完了から３００〜５００℃までの平均冷却速度を４０℃／秒以上とし、３００〜５００℃まで冷却するのは、ポリゴナル・フェライト相の生成を抑制し、アシキュラー・フェライト相を主体とする組織を得るためである。冷却速度が４０℃／秒未満ではポリゴナル・フェライト相が生成しやすくなり好ましくない。
【００２１】
一方、組織制御の上では冷却速度に上限を設ける必要はないが、余りに速い冷却速度は鋼板の冷却を不均一にする恐れがあり、またそうした冷却を可能にするような設備の製造には多額の費用が必要になり、そのことで鋼板の価格の上昇を招くことが考えられる。そうした観点から冷却速度の上限は１００℃／秒とするのが好ましい。また、冷却停止温度が３００℃より低くなると伸びフランジ性に好ましくないマルテンサイト相が生成されるので、下限を３００℃とする。一方、ポリゴナル・フェライト相の生成を抑制するため、冷却停止温度の上限を５００℃とする。
【００２２】
巻取り温度は伸びフランジ性を極端に悪化させるマルテンサイト相の生成を抑制するため３００℃以上とする必要がある。一方、５００℃超ではポリゴナル・フェライト相の生成が抑制出来ないので５００℃以下とする必要がある。また、５００℃以下で巻取ることにより、その後の冷却過程でＴｉＣやＮｂＣが析出し、フェライト相中の固溶Ｃ量を大幅に減少させ、伸びフランジ性の向上をもたらす。
【００２３】
最後に鋼板の組織について説明する。
優れた伸びフランジ性を得るにはアシキュラー・フェライトを主相とする組織にすることが必要であり、その面積率は実施例にて示すように８０％以上、好ましくは９０％以上であることが望ましい。アシキュラー・フェライトが１００％も本発明の範囲である。また残部はベイナイト相、およびポリゴナル・フェライト相を２０％以下含有することができ、パーライト組織やマルテンサイト相が含まれることは極力避けることが望ましい。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
（実施例１）
表１に化学成分を示す鋼のスラブを表２に示す条件にて熱間圧延し厚さ３．２ｍｍの熱延板を得た。このようにして得られた鋼板の強度、延性、穴広げ性、断面組織、および疲労限度比を調べた。その結果を鋼と条件の組み合わせ毎に表３に示す。強度と延性は、圧延方向と平行に採取したＪＩＳ５号試験片の引張試験により求めた。穴広げ性は、１５０×１５０ｍｍの鋼板の中央に開けた直径１０ｍｍの打ち抜き穴を６０°の円錐パンチで押し広げ、板厚貫通亀裂が生じた時点での穴径Ｄ（ｍｍ）を測定し、λ＝（Ｄ−１０）／１０で求めたλで評価した。また、疲労限度比はＪＩＳ Ｚ ２２７５に準拠した方法で求めた２×１０⁶ 回時間強さ、σ_W を鋼板の強度（σ_B ）で除した値（σ_W ／σ_B ）で評価した。なお、試験片は同規格に規定の１号試験片であり、平行部が２５ｍｍ、曲率半径Ｒが１００ｍｍ、原板（熱延板）の両面を等しく研削した厚さ３．０ｍｍのものを用いた。表３から明らかなように、本発明の方法を用いれば、強度、延性、穴広げ性、および疲労特性に優れた鋼板を得ることができる。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【表２】

【００２７】
【表３】

【００２８】
（実施例２）
質量％にて、Ｃ：０．０５％、Ｓｉ：０．０５％、Ｍｎ：１．５％、Ｐ：０．０２％、Ｓ：０．００１％、Ｃｕ：１．０％、Ｎｉ：０．５％、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂを含有し、ＭｇとＯの含有量が異なり、残部がＦｅである鋼片を製造した。これらを加熱温度１２５０℃、仕上圧延終了温度８５０℃、平均冷却速度５０℃／秒、巻取り温度４５０℃の条件で３．２ｍｍの熱延鋼板とした。このようにして得られた鋼板の強度、延性、断面組織、穴広げ性、および疲労限度比を調べた。評価方法は実施例１と同じである。その結果、アシキュラー・フェライト相の面積率は何れも８０％以上であり、強度、延性、および穴広げ性はＭｇ含有量、およびＯ含有量の影響をほとんど受けなかったが、疲労限度比は強く影響を受けた。その結果を、Ｍｇ濃度およびＯ濃度を座標軸として図１に示す。このように、本発明の範囲内であれば、伸びフランジ性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板を得ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の方法によれば、伸びフランジ性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板を得ることが出来る優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】疲労限度比をＭｇ濃度およびＯ濃度を座標軸として表す図である。

Claims (3)

1. 質量％にて、
   Ｃ：０．０３〜０．１０％、
   Ｓｉ：０．０５〜１．５％、
   Ｍｎ：１．０〜２．０％、
   Ｐ：０．０２０％以下、
   Ｓ：０．０１％以下、
   Ｎ：０．０００５〜０．０１％、
   Ａｌ：０．００４％以下、
   Ｃｕ：０．２〜２．０％、
   Ｎｉ：０．１〜１．０％
   を含有し、更にＴｉ：０．０１〜０．３％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の一方あるいは双方を含有し、更にＭｇおよびＯ（酸素）をＭｇ：０．０００５〜０．００８％、Ｏ：０．００１〜０．０２３％かつ０．１≦Ｍｇ／Ｏ≦１．２となるように含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、アシキュラー・フェライト相の面積率が８０％以上であることを特徴とする伸びフランジ性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。
2. Ａｌの含有量を、０．０００３質量％以下に制限したことを特徴とする請求項１に記載の伸びフランジ性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。
3. 請求項１又は２に記載の鋼板を製造する方法であって、請求項１又は２に記載の化学成分を有する鋼材を１１５０〜１２５０℃に加熱して粗圧延した後、Ａｒ₃ 点＋５０℃〜Ａｒ₃ 点＋１５０℃で仕上圧延を完了し、更に４０℃／秒以上の平均冷却速度で３００〜５００℃まで冷却し、３００〜５００℃で巻取ることを特徴とする伸びフランジ性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板の製造方法。

Images