JP4153580B2

JP4153580B2 - 極めて疲労特性の優れた高強度熱延鋼板及びその製造方法

Info

Publication number: JP4153580B2
Application number: JP04502998A
Authority: JP
Inventors: 映信村里; 康治佐久間
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2018-02-26
Also published as: JPH11241141A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トラックをはじめとする自動車車体部品等に好適に使用される引張強度が５４０ＭＰａ以上を有する極めて疲労特性の優れた高強度鋼板とその製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境の問題、特に地球温暖化現象の観点から、自動車の低燃費化は必須であり、自動車メーカーより自動車車体の軽量化のため高強度鋼材の要求が強まってきている。板厚の厚い熱延鋼板を多く使用しているトラックをはじめとする自動車の車体部品等については一層の高強度化による軽量化、さらには成形性、耐久性に優れた鋼板の開発・実用化が期待されている。
鋼板の高強度化のなかで、例えば、特公平６−１０３０５号公報に開示されているようにＮｂやＴｉ等の添加によりＮｂＣやＴｉＣら炭化物の析出により強化した、析出強化型の高張力鋼板も開発されている。析出強化型の高張力鋼板は溶接性に優れる特性を有するが、降伏強度が高いためプレス加工が困難であり、また切り欠きを有する場合の疲労強度が低いという問題を有している。
【０００３】
一般に鋼は強度を上げると降伏強度が増加しプレス加工が困難になるため、降伏強度が低く強度が高い鋼板即ち低降伏比の高強度鋼板が求められる。この要望に対して、プレス成形性が比較的容易な低降伏比型複合組織（ＤｕａｌＰｈａｓｅ）高強度鋼板が開発された。例えば、特公昭５８−２４４８９号公報に開示されているように、ＰやＳｉを添加することにより、熱間圧延終了後に充分なフェライトを生成し、未変態のオーステナイトをその後の急冷・低温巻取によってマルテンサイトにする方法で製造されている。一層の高強度の鋼板例えば５４０ＭＰａ以上の強度を有する高強度鋼板の要求に対して、ＣやＳｉ等を単純に増加させ強度を得た複合組織鋼板ではマルテンサイトの体積率が増加するため靱性が低下する問題が発生する。特にＳｉを過多に添加した場合表面に酸化スケールが生成し溶接性を悪化させ表面性状性も低下する。
【０００４】
一方で加工性、疲労特性の優れたフェライト、ベイナイト及び残留オーステナイトの混合組織（もしくは一部マルテンサイトを含む）を持ち「変形誘起塑性」を利用した鋼（いわゆるＴＲＩＰ鋼）が開発されている。一般にＴＲＩＰ鋼は疲労特性に優れるとされるが、これは繰り返し疲労中にＴＲＩＰ現象が生じ圧縮の残留応力を発生することに起因すると考えられる。ところが、ＴＲＩＰ鋼の場合、その特性（例えば引張特性）は残留オーステナイト量に左右されるため鋼帯の幅方向、長手方向に均一な材質とすることが極めて困難であり、熱延鋼板として安定製造が難しいため歩留まりが悪くコストアップにつながる。従って、現在の高強度鋼板の中で優れた疲労特性を有し安定製造が可能なものは皆無に等しい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題点を解消し、引張強度が５９０ＭＰａ以上を有する疲労特性と加工性に優れた複合組織高強度熱延鋼板とその安定製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため種々検討を重ねた結果、熱延ままの製造法で目的とする疲労特性に極めて優れる複合組織高強度鋼板を得ることに成功した。即ち、本発明の要旨とするところは、
（１）質量割合で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０５〜２．５％、Ｐ：≦０．０５％、Ａｌ：０．００５〜０．５％、Ｎ：≦０．０１％、Ｃｒ：０．０２〜０．９０％であって、更に、Ｔｉ：≦０．５％、Ｎｂ：≦０．５％、Ｖ：≦０．５％から選ばれる一種以上を含有し、残部がＦｅと不可避的不純物元素よりなる組成を有し、鋼板表面から４００μｍ深さまでの表層の組織が体積分率が５〜１５％の残留オーステナイトと残部がフェライト及び低温生成した硬質相から成り、内層の組織が体積分率が２％以下の残留オーステナイトと残部がフェライト及び低温生成した硬質相とからなることを特徴とする極めて疲労特性の優れた複合組織高強度熱延鋼板、
【０００７】
（２）前記（１）に記載の組成を有する鋼をＡｒ₃ 変態点の上下５０℃の温度範囲内で仕上げ圧延を行い２００℃以下で巻き取り、このとき仕上圧延終了より巻取までの冷却を仕上圧延終了から６５０℃までの前段と６５０℃から巻取までの後段に分け前段での平均冷却速度が１〜３０℃／秒であり、後段の平均冷却速度が２０〜５０℃／秒でありかつ前段平均冷却速度が後段平均冷却速度より小さい事を特徴とする極めて疲労特性の優れた複合組織高強度熱延鋼板の製造方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の構成用件のそれぞれについて詳述し、またその限定理由について述べる。
まず成分であるが、ＣはＣを含むマルテンサイト相を生成させることが本発明の基本となっており、強度を確保するために最低０．０３％必要である。しかし、０．１５％を超えると溶接性を劣化させるため０．１５％以下とした。
ＡｌとＳｉはオーステナイトを炭素濃化させるために重要な添加元素である。鋼板は、フェライト、オーステナイト２相域から冷却時にフェライト変態を進行させることによりオーステナイト中の炭素を濃化させることが本発明で重要な点の一つであるが、フェライト変態の進行中に炭化物の生成が起こりやすく、高温側ではパーライト、低温側では上部ベイナイトが生成されるようになり、オーステナイト中の炭素濃度が低下するためマルテンサイトを減少させる。ＡｌとＳｉは炭化物（ここでは特にセメンタイト）に固溶しないため炭化物の生成を著しく遅らせる働きがあるため、炭化物の形で炭素原子を浪費することなく効率よいオーステナイトへの炭素濃化を可能にし複合組織を形成し易くなる。
【０００９】
Ｓｉは鋼板の表層に濃化して残留オ−ステナイトの生成に寄与する。特に表層から４００μｍの深さまでの範囲に濃化が著しいため、表層では残留オ−ステナイトを生成し易くなる。この効果はＳｉ量が０．０１％以上で発現するので、これをＳｉの下限とする。Ｓｉはフェライト中に固溶し、フェライトを強化することから、不必要に多量の添加は鋼板の不必要な強度の上昇や加工性・靱性の劣化をもたらす。さらに、酸化スケールが生成し表面性状を悪化させ、溶接性を阻害する。したがって、Ｓｉは１．５％以下の必要があり、好ましくは１．０％未満である。
【００１０】
Ａｌは不必要に多量の添加がなされた場合には加工性、靱性の劣化をもたらす。従って、添加量の上限を０．５％以下に制限した。また、本発明による鋼は高度の加工用に使用されるので、介在物の少ない清浄なものでなくてはならない。そのためにキルド鋼とする必要があるため、脱酸材として最低０．００５％以上添加することが必要である。
Ｍｎはオーステナイトの安定性を高め、マルテンサイト相を最終製品にて生成させるため最低０．０５％は必要である。しかし、２．５％以上を超える添加は溶製上の問題や製造コストの点で不適当である。仕上げ圧延後の冷却中、オーステナイトの焼き入れ性を高め安定してマルテンサイトを得るにはＭｎ量は１．０％以上が望ましい。
【００１１】
Ｐは加工性・溶接性等を劣化させるとともに、偏析を助長する。従って、本発明鋼においてはできるだけ少ないほど好ましく、０．０２０％以下にすることが必要である。
Ｓは不純物元素であり、鋼の延性や靱性を害するので少ないほど望ましい。従って、０．０１０％以下にすることが必要である。
以上が本発明の基本成分であるが、さらに適宜以下の元素を添加することが可能である。
【００１２】
Ｃｒは固溶強化元素として有効な元素であり、Ｍｎと代替の効果を有する。その効果は０．０２％以上の添加で発現するが０．９０％を超えると効果が飽和しコストが上昇するため、上限を０．９０％とした。
【００１３】
ＶはＮｂやＴｉと同様にフェライト変態の析出強化の作用を有し、ＶＣ等の炭化物をフェライト中に析出することによりフェライト相を強化させ、疲労特性を改善する。過多に添加すると延性が低下し、またコストが悪化するので０．５％を上限とする。
Ｃａは硫化物系介在物の形状制御（球状化）により穴拡げ性を向上するために添加するが、過剰に添加すると効果がの飽和し、介在物の増加により穴拡げ性を低下させるので上下限をもうけている。
【００１４】
次に、上述した製造条件について説明する。鋼は、通常転炉から出鋼し連続鋳造法にてスラブとし、熱延に供する。このときスラブは加熱炉に装入し必要温度まで加熱し圧延するか、あるいは加熱炉に装入することなく圧延する。加熱温度については特別な条件規制はないが、ＮｂやＴｉを添加した鋼場合圧延前段階でＮｂ、Ｔｉが溶けた状態であることが必要であるから１１５０℃は必要である。１３００℃を超えると加熱炉原単位が上がり、操業上好ましくない。
【００１５】
本発明において、仕上げ圧延終了温度がＡｒ₃変態点の上下５０℃という温度を設定した理由は、このような低温の圧延により、フェライトの析出核を増加し、続くホットランテーブルにおける冷却で、フェライトとＣやその他焼き入れ性を増す元素が濃化したオーステナイトを生成させるためである。この意味から、この温度域内で１０％以上の累積圧下を与えることが望ましい。仕上圧延終了温度がＡｒ₃変態点の上５０℃を超えるとフェライト析出核の発生が減少し、良好なフェライトが得られない。逆にα、γ２相域の低温側で圧延を行うとフェライトの加工歪が十分除去されず延性が劣化する。その限界がＡｒ₃変態点の下５０℃である。Ｃ等が濃化した安定なオーステナイトを冷却中に得るには、フェライトの析出の進行中にも圧延を終えた方が好ましく、この意味から仕上圧延終了温度はＡｒ₃変態点以下の方が好適である。
【００１６】
前段冷却の意味するところであるが、その終了温度６５０℃はフェライトの析出終了温度でかつ熱延の冷却過程ではまだパーライトが生成しない温度である。前段冷却は低温圧延との組み合わせでフェライト析出を促進し、残ったオーステナイト中のＣやＭｎ等の濃化を図り安定化する機能を有する。そのためには冷却速度は遅い方がよく少なくとも平均３０℃／秒以下でないとならない。しかしあまり遅すぎると生産性が問題となり既存の設備では実質上実現が不可能であるため平均１℃／秒以上とした。
【００１７】
次に、６５０℃から巻取りまでの後段冷却は前述したようにして得られた成分濃化したオーステナイトからパーライト、ベイナイトや中間組織の生成を抑え２００℃以下という低い巻取温度との組み合わせでマルテンサイト変態を起こし、かつ一部オーステナイトを残留させる機能を有する。本発明鋼において、仕上温度を８４０〜９００℃で圧延し、その後前段冷却で６５０℃まで冷却したのちの後段冷却と表層と内層の残留オーステナイト体積分率との関係について調査した。その結果を図１に示す。後段冷速が１０℃／秒以下では内層にのみ残留オーステナイトが生成し表層には得られない。そのために後段の冷却速度は平均１０℃／秒以上とする必要がある。ところがこの冷却速度があまり早すぎると表層でオーステナイトを全てマルテンサイトに変態させ残留オーステナイトを得ることが出来ないばかりでなく、フェライト中に固溶Ｃが残存しフェライトの延性を劣化させる。従って上限は５０℃／秒としなければならない。
【００１８】
巻取温度は２００℃以下でないとベイナイト変態等をおこし所定の特性が得られない。さらに平均前段冷却速度は平均後段冷却速度よりも小さくする必要がある。この理由は明確ではないが連続冷却変態図でのフェライトおよびパーライト、ベイナイト等の析出ノーズが圧延温度、前後段冷却速度により複雑に変化し上の条件を満たさない場合後者のノーズにかかりパーライト、ベイナイト等が生じるためと推察される。
【００１９】
このようにして製造された鋼板では、表面から内部に向かって破壊が進行する様な鋼板及び鋼板より製造された部品に対して、亀裂発生の起こりやすい最表面付近では残留オーステナイトを多くし、該残留オーステナイトとフェライト、及び、低温生成した硬質相（マルテンサイト及びベイナイト等）の組織とし、亀裂伝播と関わりの深い鋼板内部では残留オーステナイトを少なくし、該残留オーステナイトとフェライト、及び、低温生成した硬質相（マルテンサイト及びベイナイト等）の組織とすることにより、材料の疲労寿命を向上できる。即ち、疲労応力下において亀裂発生の起こりやすい表層では残留オーステナイトがＴＲＩＰ現象を起こすことにより亀裂発生を抑止する圧縮の残留応力を発生し、かつＴＲＩＰ現象を起こし変態したマルテンサイト相が亀裂の発生・伝播を抑制することができる。また、内部においてもマルテンサイト相が亀裂の発生・伝播を抑制することができる。
【００２０】
この作用は表層の残留オーステナイトの体積分率が５％未満の場合には、ＴＲＩＰ現象を起こした後に疲労亀裂発生を防止するための十分な圧縮応力を発現することができないので５％を下限とする。また表層の残留オーステナイトの体積分率が１５％を超えると作用が飽和するので１５％を上限とする。内層においては疲労亀裂の伝播が問題となるため、亀裂伝播抑止のためにはマルテンサイトが有効であり、またＴＲＩＰ現象により発生する内部応力も効果がないので、内層における残留オーステナイトの体積分率は２％以下とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
表１に示す化学成分の鋼を溶解、鋳造し表２に示す条件で熱間圧延を実施した。引張り試験はＪＩＳＺ２２０１の５号試験片を用いＪＩＳＺ２２４１の方法にて行った。衝撃値はＪＩＳＺ２２４２の試験方法でＪＩＳＺ２２０２のサブサイズ試験片により行った。疲労強度については、ＪＩＳＺ２２７５の１号試験片で図２に示した寸法のサンプルを用い、ＪＩＳＺ２２７３の方法で完全両振り平面曲げ疲労試験を行って求めた。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
表１及び表２で番号１から４は本発明による鋼であり、その他は比較法による鋼である。表３から明らかなように本発明による鋼はＴＳに対するＥｌの値が優れておりＹＲも６０％以内である。一方比較法はＴＳ、またはＥｌ、ＹＲのいずれかが劣っている。また表３から見て明らかなように、同じ鋼について冷速を変えて表層の残留オーステナイト量を減少させた場合に大幅に疲労特性が異なることが分かる。
【００２５】
【表３】

【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によればＹＲが６０％以下のＴＳ、Ｅｌの関係に優れ、かつ極めて優れた疲労強度を有するを高張力鋼板を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱間圧延後の後段冷却速度と残留オーステナイトの体積分率の関係を示す図、
【図２】疲労試験片の形状を示す図である。

Claims

質量割合で、
Ｃ：０．０３〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０１〜１．５％、
Ｍｎ：０．０５〜２．５％、
Ｐ：≦０．０５％、
Ａｌ：０．００５〜０．５％、
Ｎ：≦０．０１％、
Ｃｒ：０．０２〜０．９０％であって、更に、
Ｔｉ：≦０．５％、
Ｎｂ：≦０．５％、
Ｖ：≦０．５％から選ばれる一種以上を含有し、残部がＦｅと不可避的不純物元素よりなる組成を有し、鋼板表面から４００μｍ深さまでの表層の組織が体積分率が５〜１５％の残留オーステナイトと残部がフェライト及び低温生成した硬質相から成り、内層の組織が体積分率が２％以下の残留オーステナイトと残部がフェライト及び低温生成した硬質相とからなることを特徴とする極めて疲労特性の優れた複合組織高強度熱延鋼板。
請求項１に記載の組成を有する鋼をＡｒ₃変態点の上下５０℃の温度範囲内で仕上げ圧延を行い２００℃以下で巻き取り、このとき仕上圧延終了より巻取までの冷却を仕上圧延終了から６５０℃までの前段と６５０℃から巻取までの後段に分け前段での平均冷却速度が１〜３０℃／秒であり、後段の平均冷却速度が２０〜５０℃／秒でありかつ前段平均冷却速度が後段平均冷却速度より小さい事を特徴とする極めて疲労特性の優れた複合組織高強度熱延鋼板の製造方法。