JP3915460B2

JP3915460B2 - 高強度熱延鋼板およびその製造方法

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Publication number: JP3915460B2
Application number: JP2001294016A
Authority: JP
Inventors: 博士中田; 正井上; 啓泰菊池; 貞則今田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: JP2003105446A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工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。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の軽量化等を目的として、高い強度と加工性が要求される用途の熱延鋼板において、低温変態相を利用した高強度熱延鋼板が実用化されてきている。これらの高強度熱延鋼板は、種々の構造部材や部品への適用が進められており、適用範囲の拡大に伴い、年々その仕様は厳しくなっており、さらなる加工性の向上が望まれている。
【０００３】
このような変態組織強化鋼の強度-加工性バランスを向上させるには、組織をさらに微細化する必要がある。高強度熱延鋼板の組織制御は、一般に仕上圧延およびその後の冷却の制御を行うことで、低温変態相を生成させることにより可能である。そこで、これらの製造条件を限定することにより加工性の向上を図る技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特開2000-109951号公報には、Nb,Ti等の析出強化型元素を添加することにより組織を細粒化し、圧延後20〜150℃/sで冷却することにより、高い強度と加工性を得る技術が提案されている。
【０００５】
また、特開平07-197184号公報には、低温変態生成物による高強度熱延鋼板及びその製造方法が開示されている。その技術は、Si-Mn-Mo添加鋼に、更にTi,V,Nbのうちの1種以上、必要に応じてB,Crを含み、Ar₃以上の温度域で熱間圧延を仕上げた後、急冷し、巻取ることにより製造され、980N/mm²以上の強度を有しており、自動車のバンパー、ドアの補強部材等に適しているというものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開2000-109951号公報記載の技術は、高い強度を得るためには多量の添加元素を必要とする。そのため、マルテンサイトを主体とする組織とするためには、Mn等の合金元素を大量に添加する必要がある。同公報記載の実施例でも、発明例はC,Siを高くするか又はMnを2.5〜3.0%添加しており、溶接性や加工性に問題があると予想される。さらに、材質の均一性の観点から冷却条件（熱伝達係数）を制限しているため、適用範囲が、実質的に極薄物の高強度熱延鋼板に限定される。
【０００７】
特開平07-197184号公報記載の技術では、その実施例においてその熱延後の冷却がシャワー冷却であり、冷却速度を大きくとることができない。そのため、Moをはじめとする多量の合金元素の添加が必須となる。事実、同公報の実施例においては、中炭素鋼（0.31%C）を除き、いずれもMnを1.89%以上かつMoを0.9%以上というように多量に添加している。
【０００８】
本発明はこれらの課題を解決し、加工性に優れた比較的低合金の高強度熱延鋼板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は次の発明により解決される。その発明は、化学成分として、mass%で、C:0.06〜0.25%、Si:2%以下、Mn:0.5〜2.5%、sol.Al:0.1%以下を含有し、残部 Fe および不可避的不純物からなる鋼を鋳造後、直接又は再加熱して熱間圧延を行い、Ar₃変態点以上の仕上温度で熱間圧延を終了し、圧延終了後2秒以内に冷却を開始し、冷却速度を150℃/s超とするとともに、350℃以下の温度で冷却を停止し、 300 ℃以下で巻取ることを特徴とする高強度熱延鋼板の製造方法である。
【００１０】
ここで、化学成分としては、上記元素に加えてさらにmass%で、Ti,Nb,V,Zrの内1種以上を合計で0.01〜0.2%含有する鋼を用いることもできる。また、これらの鋼の化学成分に加えてさらに、mass%で、Cr:1%以下、Mo:1%以下の内1種以上を含有する鋼を用いることもできる。
【００１１】
これらの発明は、高強度熱延鋼板の加工性を劣化させずに、高強度化を図るための冷却条件について検討した結果なされた。その過程で、圧延直後から一定時間以内に急冷を開始し、ある温度以下で急冷を停止することが、微細なマルテンサイトを主体とする組織の生成、および、鋼板形状の劣化防止に有効であるという知見を得た。この発明は、この知見に基づきなされたものであり、以下その詳細について説明する。
【００１２】
まず、化学成分について説明する。
【００１３】
C： 0.06〜0.25%（mass%、以下同じ）
Cは、焼入れ性を向上させ、低温変態相であるマルテンサイトを生成させて熱延鋼板の強度を確保するために必要な元素であり、そのためには最低0.06%必要である。一方、0.25%を超えるCは、加工性および溶接性を劣化させる。従って、Cを0.06〜0.25%の範囲内とする。
【００１４】
Si： 2%以下
Siは、固溶強化に寄与する元素であり、目標とする強度レベルに合わせて添加することができる。但し、Siが2%を超えると溶接性および表面性状を劣化させる。従って、Siを2%以下とする。
【００１５】
Mn： 0.5〜2.5%
Mnは、焼入れ性を高める元素であり、鋼板の強度を確保するためには、0.5%は必要である。一方、Mn が2.5%を超えると、その効果が飽和するばかりか、凝固偏析によるバンド状組織を形成して加工性並びに耐遅れ破壊特性を劣化させる。従って、Mn を0.5〜2.5%の範囲内とする。
【００１６】
sol.Al: 0.1%以下
Alは、脱酸剤として使用されると同時に、不可避的不純物として含有されるNを固定して、加工性を向上させる効果を有する。しかし、0.1%を超えてAlを添加しても、その効果が飽和すると共に、清浄度を悪化させて加工性を劣化させる。従って、Alをsol.Alで0.1%以下とする。
【００１７】
Ti,Nb,V,Zr：添加する場合、合計で0.01〜0.2%
本発明では、上記の化学成分に加えて、強度調整あるいは靭性向上のため、必要に応じてTi,Nb,V,Zrを添加する。ここで、靭性については、熱間での炭化物形成により、結晶粒の粗大化が防止される効果によると考えられる。これらの元素は、合計の添加量が0.01%未満では効果がなく、0.2%を超えても効果が飽和する。従って、Ti,Nb,V,Zrを添加する場合は、これらの添加量を合計で0.01〜0.2%とする。
【００１８】
Cr,Mo: 添加する場合、いずれも1%以下
CrおよびMoは、焼入れ性を高める元素であり、鋼板の強度に寄与する効果を有するので、必要に応じて添加することができる。しかし、これらの元素は、合金コストが高くコスト増を招くと共に、それぞれ1%を超えると溶接性を劣化させる。従って、これらの元素を添加する場合は、Cr、Moとも1%以下とする。
【００１９】
B: 添加する場合、0.01%以下
Bは、焼入れ性を高める元素であり、必要に応じて添加することができる。しかし、0.01%を超える添加は溶接性を劣化させる。従って、Bを添加する場合は0.1%以下とする。
【００２０】
その他の元素については、本発明の効果を妨げない範囲で含まれていてもよい、即ち残部が実質的に鉄であればよい。例えば耐遅れ破壊特性の向上を目的に、Ca,REM等をそれぞれ0.005%以下添加してもよい。熱間加工性を向上させる微量元素等を添加することもできる。なお、P,S,N等の不可避的不純物については、低い方が好ましいが、通常の高強度熱延鋼板の範囲内であれば含まれていてもよい。
【００２１】
次に、本発明における製造条件について説明する。
【００２２】
仕上温度： Ar₃変態点以上
仕上温度がAr₃変態点未満になると、フェライトが生成して強度が低下する。
また、変態後のフェライト相が加工されるため、延性の劣化、面内異方性の増加等、材質上好ましくない結果となる。従って、仕上温度をAr₃変態点以上とする。
【００２３】
圧延終了後の冷却開始時間： 2秒以内
圧延終了後は、オーステナイトの再結晶又は回復が進行する。冷却開始時間を圧延終了後2秒以内とすることにより、再結晶粒の成長又は回復の進行を抑制し、オーステナイトの結晶粒を微細化し、変態後の組織をマルテンサイト組織主体の微細な組織とすることができる。
【００２４】
冷却速度： 150℃/s超
この発明では、オーステナイトの結晶粒を微細化しているので、焼入れ性が低下する。そのため、冷却速度が150℃/s以下では、ポリゴナルフェライトあるいはベイナイトの生成が無視できなくなり、強度が低下する。従って、冷却速度を150℃/s超とする。
【００２５】
冷却停止温度： 350℃以下
冷却停止温度については、350℃を超えると、ポリゴナルフェライトあるいはベイナイトが生成するため強度が低下する。従って、冷却停止温度は350℃以下とする。
【００２６】
以上の基本的な製造条件により、鋼板形状を損なうことなく、微細なマルテンサイトを主体とする組織を有する高強度熱延鋼板を製造することができる。更に、これらの発明には次の製造条件を加えることができる。
【００２７】
上記の発明において更に、仕上圧延機の入側又は仕上圧延機のスタンド間に誘導加熱装置を設置して、粗バー又は被圧延材を加熱することにより、仕上温度を調整することを特徴とする高強度熱延鋼板の製造方法とすることもできる。
【００２８】
この発明は、粗圧延された粗バー又は仕上圧延中の被圧延材を誘導加熱装置により加熱する。これにより、圧延中の被圧延材の温度をより均一にでき、コイル内の機械的性質のより一層の均一化を図ることができる。
【００２９】
また、上記の発明において更に、冷却を停止する温度の変動幅を60℃以内に冷却制御することを特徴とする高強度熱延鋼板の製造方法とすることもできる。
【００３０】
この発明は、冷却制御により冷却停止温度の変動幅を60℃以内とする。これにより、後述のように引張強度の変動幅を16%以内（中心値±8%以内）に抑えることができる。ここで、変動幅は最高値と最低値の差であり、変動幅60℃以内というのは、中心値±30℃以内と同じ意味である。
【００３１】
その他、上記の発明において更に、仕上圧延の最終スタンドの圧下率を30%未満とすることを特徴とする高強度熱延鋼板の製造方法とすることもできる。
【００３２】
この発明は、仕上圧延時の最終スタンドの圧下率を30%未満に制限しているので形状調整の効果があり、加工性のみならず板形状に優れた鋼板を得ることができる。
【００３３】
これらの発明により製造することができる高強度熱延鋼板の発明は、化学成分が上記の発明の化学成分であり、組織がマルテンサイトを主体とする組織であるとともに、コイル内の引張強度の変動が中心値±8%以内であることを特徴とする高強度熱延鋼板である。
【００３４】
この発明の高強度熱延鋼板は、組織がマルテンサイトを主体とする組織であるとともに、引張強度の変動幅が16%以内（中心値±8%以内）に抑えられている。このような鋼板は、前述の製造方法により製造することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
発明の実施に当たっては、連続鋳造から粗圧延まで直接圧延を行う直送圧延プロセス、又はスラブの再加熱を伴う製造プロセスにおいても、加工性を優れたレベルとするためには、化学成分を特定範囲に制御する必要がある。本発明では、C,Si,Mn,sol.Alの含有量を前述のように制御しているが、例えば耐遅れ破壊特性の向上を目的に、さらにCaやREM等を0.005%以下添加することができる。その他、本発明の効果を妨げない範囲で、例えば熱間加工性を向上させる微量合金元素を添加することもできる。
【００３６】
また、加工性および溶接性を考慮すると、次の式で表されるCeqが0.6以下であることが望ましい。
【００３７】
Ceq = C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5 (1)
以上の化学成分を有する鋼を溶製後、造塊法、連続鋳造法等の方法でスラブに鋳造する。連続鋳造スラブは、直送圧延プロセス又はスラブの再加熱を伴う製造プロセスにより粗圧延を行う。粗圧延後の粗バー又は仕上圧延中の被圧延材を、誘導加熱装置により加熱することにより、コイル内の機械的性質の均一化が図れる。また、仕上温度をAr₃変態点直上の狭い温度範囲に制御することにより、オーステナイト結晶粒を微細化すると同時に、粒内の変形帯の密度を高めて実質的なオーステナイト粒径を小さくする。その結果、本発明の組織微細化の効果をより効果的に発揮させることができる。
【００３８】
本発明の効果は、原理的に、仕上圧延前の粗バーの加熱あるいは保熱の有無やその手法にはよらずに得られる。従って、誘導加熱に限らずコイルボックス等を用いた連続圧延プロセスに対しても、効果的に使用できる。また、仕上圧延直前または仕上圧延中に、被圧延材を誘導加熱装置により加熱するとき、エッジ加熱を行ってもよく、特に板厚2mm以下の薄鋼板を製造する場合に効果的である。
【００３９】
仕上圧延後は、前述の時間以内に冷却を開始することで、オーステナイトが再結晶する場合でも、再結晶粒の粒成長を防止して組織の微細化が達成できる。このようにして、オーステナイトが微細化され、変態後の組織をマルテンサイト組織主体の微細な組織とすることができる。
【００４０】
本発明で、マルテンサイト組織を主体とするというのは、ほぼ全体がマルテンサイト組織であり、光学顕微鏡写真ではポリゴナルフェライトおよびパーライトが認められないということである。仮に多少のアシキュラフェライト（ベイナイト）が含まれていたとしても、強度を低下させるほど多くはなく、無視できる程度であればよい。
【００４１】
仕上圧延後の鋼板は急冷するが、冷却開始時期については、圧延終了後0.5秒以内では、オーステナイトに過度の加工歪みが残留したままであり、その状態で冷却を開始すると焼入れ性が低下し、鋼板の強度が低下する。また冷却設備の設置についても、圧延終了後0.5秒以内で冷却を開始することは、圧延機出側のスペースを考慮すると位置的に困難である。従って、冷却開始時期は、圧延終了後0.5秒超とすることが望ましい。
【００４２】
冷却速度については、マルテンサイトの微細化の観点からは、300℃/s以上とすることが望ましい。なお、冷却速度の上限は特に規定しないが、冷却設備の能力により操業上は適宜上限を設定すればよい。
【００４３】
冷却停止温度については、図１に冷却停止温度と強度TSの関係を示す。冷却速度が150℃/s超の場合、冷却停止温度が350℃以下の領域で高い強度TSが得られることが分かる。また、図２に冷却停止温度と熱延鋼板の形状の関係を示す。冷却停止温度が低すぎると熱延鋼板の形状が劣化している。この図２に示すように、冷却速度が本発明の範囲である150℃/s超の場合でも、100℃未満のような低温まで冷却すると、冷却むらの影響で鋼板形状が悪くなる。従って、冷却停止温度は、100〜350℃とすることが好ましい。
【００４４】
このようにして、冷却速度を150℃/s超とする急冷を行った後は、そのままあるいは巻取温度まで更に冷却（緩冷却可）してコイルに巻取る。なお、冷却停止後、相変態による復熱等で300℃より高い温度となると、焼戻し脆化により延性が低下することがある。従って、冷却停止後、300℃より高い温度とならないよう、巻取温度まで冷却することが望ましい。
【００４５】
巻取温度についても、冷却後の鋼板を300℃より高い温度で巻取ると、焼戻し脆化により延性が低下することがある。従って、巻取温度を300℃以下とすることが好ましい。
【００４６】
このようにして、本発明では、コイル内での温度の変動を低減することにより、熱延鋼帯の幅方向及び長手方向における引張強さの変動（最大値と最小値の差）が、コイル内の引張強さの平均値の±8%以内であることを特徴とする熱延鋼板を得ることができる。このようなばらつきが狭小な鋼板は、曲げ加工時のスプリングバック等、プレス加工性のコイル内での変動が小さい。その結果、需要家においても、プレス加工後の形状矯正工程を省略でき、製品歩留りの向上も可能であり、工業的に非常に有用である。
【００４７】
また、熱延鋼帯の材質のばらつきを好ましいレベルまで低減するためには、上記の急冷停止温度を発明の範囲内とするとともに、さらに、引張強さの変動を±4%以内とすることにより、上記の需要家での性能を格段に向上し得る。これは、上記の冷却停止温度の変動を40℃以内とすることにより、材質のばらつきをこのように狭小化できる。さらに、引張強さの変動を±2%以内とするには、上記の急冷停止温度の変動を20℃以内とすればよい。
【００４８】
なお本発明におけるコイル幅方向の温度は、温度センサの測定方法も考慮して、コイル幅両エッジから30mmを除いた範囲を指す。また、引張特性については、コイル幅両エッジから30mmおよびコイル長手方向の両端から各5mを除いた位置より採取したサンプルを用いて調査し、総ての値の平均値をコイル内平均値とする。
【００４９】
【実施例】
表１に示す化学成分を有する鋼No.1〜3を溶製した。いずれも本発明の範囲内である。これらの鋼を、表２に示す製造条件で圧延し、板厚3.25mmの熱延コイルNo.1〜5を製造した。
【００５０】
【表１】

【００５１】
【表２】

【００５２】
これらの熱延コイルについて、機械的性質を調べた。機械的性質としては、引張試験および曲げ試験を行った。測定結果を表３に示す。なお、曲げ試験の結果については、割れが発生しない最小の曲げ半径である限界曲げ半径を板厚に対する比（曲げ半径／板厚）で表してある。この限界曲げ半径の値が小さい方が、より過酷な曲げ加工に耐えうることを示す。
【００５３】
【表３】

【００５４】
本発明例の鋼板No.1,3,5は、Ceqが0.40〜0.46と低いにもかかわらず、1180〜1420MPaと高い強度が得られている。また、本発明例の鋼板No.1,3は、同一化学成分であっても本発明の製造条件を満たしていない比較例の鋼板No.2,4に比べて、加工性を劣化させることなく、著しく強度特性が向上していることが明らかである。また、曲げ加工については、本発明の鋼板は、比較例の鋼板に比べて、向上（限界曲げ半径が減少）している。
【００５５】
表４に冷却停止温度の変動幅と引張強さの変動（TS変動）を示す。
【００５６】
【表４】

【００５７】
この表より、冷却停止温度変動が60℃以内とすることで、引張強さの変動が±8%以内（表４の材質変動の欄）に抑えられていることが分かる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明は、圧延直後から一定時間以内に冷却を開始し、冷却開始後は所定の温度以下まで急冷を行うことにより、金属組織を微細なマルテンサイトを主体とする組織としているので、曲げ加工等の加工性に優れた高強度熱延鋼板の製造が可能である。更に、冷却停止温度の変動幅を制御することにより、機械的性質が均一で、かつ板形状にも優れた高強度熱延鋼板の製造が可能である。また、連続鋳造から熱間圧延まで直接行う直送圧延プロセス、又はスラブの再加熱を伴う製造プロセスにおいても適用でき、優れた加工性を有する工業的に有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷却停止温度と強度TSの関係を示す図。
【図２】冷却停止温度と熱延鋼板の形状の関係を示す図。

Claims

化学成分として、mass%で、C:0.06〜0.25%、Si:2%以下、Mn:1.67〜2.5%、sol.Al:0.1%以下を含有し、残部 Fe および不可避的不純物からなる鋼を鋳造後、直接又は再加熱して熱間圧延を行い、Ar₃変態点以上の仕上温度で熱間圧延を終了し、圧延終了後2秒以内に冷却を開始し、冷却速度を150℃/s超とするとともに、350℃以下の温度で冷却を停止し、 300 ℃以下で巻取ることを特徴とする高強度熱延鋼板の製造方法。
化学成分として、 mass% で、 C:0.06 〜 0.25% 、 Si:2% 以下、 Mn:1.45 〜 2.5% 、 sol.Al:0.1% 以下を含有し、更に、 Cr:1% 以下、 Mo:1% 以下、 B:0.1% 以下の内１種以上を含有し、残部 Fe および不可避的不純物からなる鋼を鋳造後、直接又は再加熱して熱間圧延を行い、 Ar ₃ 変態点以上の仕上温度で熱間圧延を終了し、圧延終了後 2 秒以内に冷却を開始し、冷却速度を 150 ℃ /s 超とするとともに、 350 ℃以下の温度で冷却を停止し、 300 ℃以下で巻取ることを特徴とする高強度熱延鋼板の製造方法。
請求項１又は請求項２記載の高強度熱延鋼板の製造方法において、化学成分として更にmass%で、Ti,Nb,V,Zrの内1種以上を合計で0.01〜0.2%含有する鋼を用いることを特徴とする高強度熱延鋼板の製造方法。
仕上圧延機の入側又は仕上圧延機のスタンド間に誘導加熱装置を設置して、粗バー又は被圧延材を加熱することにより、仕上温度を調整することを特徴とする請求項１ないし請求項３記載の高強度熱延鋼板の製造方法。
冷却を停止する温度の変動幅を60℃以内に冷却制御することを特徴とする請求項１ないし請求項４記載の高強度熱延鋼板の製造方法。
仕上圧延の最終スタンドの圧下率を30%未満とすることを特徴とする請求項１ないし請求項５記載の高強度熱延鋼板の製造方法。
請求項１ないし請求項６記載の製造方法によって製造され、組織がマルテンサイトを主体とする組織であるとともに、コイル内の引張強度の変動が中心値±8%以内であることを特徴とする高強度熱延鋼板。