JP4196810B2 - 高強度冷延鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
車体の軽量化ならびに衝突特性を向上させるため、引張強度が700MPaを超える高強度薄鋼板の自動車部品への適用が進んでいる。例えば、衝突時にキャビンの変形を抑制するために使用されるバンパー部品やインパクトビーム等の補強部品には、高強度薄鋼板が採用されている。近年は、さらなる軽量化を達成するため、高強度薄鋼板を適用する部品の種類の拡大が積極的に検討されており、シート部品やピラー類等の車体部品に対しても採用されるようになってきた。このように適用部品の範囲が拡大すると、部品成形時に厳しい加工が行われる場合や部品組み付け時に溶接が施される場合も生じてくる。したがって、強度を確保するだけでなく、加工性や溶接性にも優れた高強度薄鋼板が求められている。
また、自動車の衝突特性を向上させるといっても、衝突時の運転者および同乗者の安全性、つまり衝突安全性がより重視されるようになっており、単に高強度であるだけでなく、衝突時の変形が少ない材料への要求が高まっている。従来にあっても、衝突時の変形を少なくするためには、材料の降伏点を高めればよいことが知られている。
ところで、加工性に優れた高強度薄鋼板として、フェライトを主相とし、マルテンサイトやベイナイト等の低温変態相を第二相とする複合組織鋼板が提案されている。例えば、特許文献1には、フェライトを主相とする複合組織を有し、引張強度が80kgf/mm2以上で降伏比が60%以下の溶融めっき鋼板が開示されている。この鋼板は、引張強度-伸びバランス(TS×El)が17000〜25000MPa・%と優れた加工性を示している。しかしながら、このように、硬質な低温変態相を利用した高強度薄鋼板は、硬質相と軟質相の界面で亀裂が形成しやすくなるので、曲げ性やいわゆる伸びフランジ性で評価する加工性が十分でない。また、溶接時に熱影響部の硬質相が軟化するので、溶接性も十分でないという問題がある。
(A)上記の鋼組成を備える鋼材に、仕上温度800℃〜950℃、巻取温度500〜700℃として熱間圧延を施す熱間圧延工程。
(C)(B)の工程により得られる冷延鋼板をオーステナイト単相組織の状態に10秒以上300秒以下保時し、ついでオーステナイト単相状態から、フェライトの析出開始温度が500℃〜700℃となる冷却条件にて、300〜500℃の冷却停止温度域まで冷却し、その後300〜500℃の温度範囲に30秒から10分保持する連続焼鈍工程。
まず,本発明の高強度冷延鋼板の鋼組成の限定理由について説明する。なお、以下において、特に断らないかぎり鋼組成を示す%は質量%を表す。
Cはオーステナイト安定化元素であり、硬質相を生成させ鋼を強化する変態組織強化に有効に作用する。引張強度700MPa以上を確保するために、少なくとも0.06%以上含有させる。ただし、0.16%超含有させると溶接性が劣化する。このため、C量を0.06〜0.16%の範囲に限定した。なお、好ましい下限は0.08%、上限は0.12%である。
Siは強度向上に寄与する元素であり、本発明では0.005%以上含有させる。ただし、1.0%超含有させるとスポット溶接した際のナゲット部が硬化し靱性が劣化する。このため、Si量を0.005〜1.0%とした。なお、好ましい下限は0.2%、上限は0.5%である。
Mnはオーステナイト安定化元素であり、Ac3、Ar1変態点を低下させる。連続焼鈍中のオーステナイト単相域焼鈍を可能にするために、少なくとも1.8%以上含有させる。ただし、3.0%超含有させると硬質相主体の組織となるために加工性が劣化する。このため、Mn量を1.8〜3.0%とした。なお、好ましい下限は2.0%、上限は2.7%である。
Pは不可避的不純物であり、過多に含有させると不均一な組織となり加工性が劣化する。このため、P量を0.02%以下とした。なお、好ましくは0.005〜0.015%である。
Sは鋼中で硫化物として存在し、応力集中源となるために曲げ性等の加工性が劣化する。このため、S量をできるだけ低減させるのが望ましいが、0.01%以下であれば、本発明で目的とするような高強度材でも加工性に悪影響を及ぼさない。なお、好ましくは0.003%以下である。
Alは鋼を脱酸させるために添加される元素であり、Ti等の炭窒化物形成元素の歩留まりを向上させるのに有効に作用する。ただし、0.1%超含有させると酸化物系介在物が増加するために表面性状や加工性が劣化する。このため、Al量を0.1%以下とした。なお,好ましくは0.02〜0.06%である。
Nは不可避的不純物であり,過多に含有させると粗大な窒化物が析出するため加工性が劣化する。このため、N量をできるだけ低減させるのが望ましいが、0.01%以下であれば、本発明で目的とするような高強度材でも加工性に悪影響を及ぼさない。このため,N量を0.01%以下とした。なお、好ましくは0.005%以下、さらに好ましくは0.003%以下である。
これらの元素は本発明で重要な元素の一つであり、炭化物を形成させ鋼を強化する析出強化ならびに結晶粒微細化に有効に作用する。微量添加により強度あるいは伸びが著しく上昇して、引張特性のばらつきを低減させるために、少なくとも合計で0.05%以上含有させる。ただし、合計で0.25%超含有させると、鋼中の析出物が粗大化するため曲げ性などの加工性が劣化するだけでなく、700MPa以上の引張強度を確保するのが困難となる。なお、好ましい下限は0.06%、上限は0.20%である。
次に,本発明の高強度冷延鋼板の鋼組織の限定理由について説明する。なお、以下において、特にことわらないかぎり、鋼組織を示す%は面積率を表す。
上記した成分の溶鋼を転炉、電気炉等の通常公知の溶製方法で溶製し、連続鋳造法でスラブ等の鋼素材とするのが望ましい。なお、連続鋳造法に代えて、造塊法、薄スラブ鋳造法などを採用してもよい。この鋼素材に熱間圧延を施し熱間圧延鋼板とする。熱間圧延は、鋳造された鋼素材を室温まで冷却せず温片のまま加熱炉に装入して加熱した後に圧延する直送圧延、あるいは、わずかの保熱を行った後、直ちに圧延する直接圧延を行うか、あるいは、一旦、鋼素材を冷却した後に再加熱して圧延を行ってもよい。
再加熱する場合には、加工性を劣化させないためにTiCやNbCを再固溶させる必要がある。このような効果は、上記した組成の本発明鋼板に対して、1050℃以上に加熱することで認められるが、1300℃以上に加熱しても効果が飽和するだけでなく、スケールロスが増加する。このため、このときの鋼素材の再加熱温度を好ましくは1050℃〜1300℃とした。また、前記再固溶を確実に行うためには加熱時間を10分以上とすることが好ましく、過度のスケールロスを抑制するために3時間以下とすることが好ましい。さらに好ましくは、30分以上2時間以下である。
本発明では、仕上げ圧延終了温度を800℃〜950℃の範囲とする。仕上げ圧延終了温度が800℃未満では、圧延時の変形抵抗が大きく、組織が不均一なバンド組織となり、連続焼鈍後の加工性が劣化する。一方、950℃を超えると、その後の冷却で粒成長が生じ、均一微細な組織が得られない。
本発明では、巻取温度を500〜700℃の範囲とする。巻取温度が500℃未満では、硬質なベイナイトやマルテンサイトが生成し、その後の冷間圧延が困難となる。また、巻取温度が700℃を超えると、炭化物が粗大化して冷延焼鈍後の強度確保が困難になるとともに、加工性が劣化する。
冷延鋼板の焼鈍は連続焼鈍とし、冷延鋼板がオーステナイト単相組織となる温度以上(オーステナイト単相化温度)になるまで加熱する。一旦、冷延鋼板をオーステナイト単相組織にすることにより、均一微細な組織を有する冷延焼鈍鋼板となる。加熱温度がオーステナイト単相化温度未満では、冷延組織の影響が残りバンド組織となり加工性が著しく劣化する。なお、オーステナイト単相化の確認は、熱膨張曲線の解析により行うことができる。
オーステナイト単相化温度以上の範囲に加熱した後、オーステナイト単相組織の状態に10秒以上保時する。保持時間が10秒未満であれば、置換型元素であるMn等の偏析が残存し、冷延焼鈍鋼板の組織が不均一となる。このため、冷延鋼板の焼鈍条件をオーステナイト単相状態で10秒以上保持するとした。なお、長時間のオーステナイト単相組織の保持はオーステナイト粒径の粗大化を起こし、微細な組織を有する冷延焼鈍鋼板が得られなくするので、300秒以下保持するとした。
冷延鋼板は、次いで、オーステナイト単相状態から、フェライトの析出開始が500℃〜700℃となる冷却条件で、300〜500℃の冷却停止温度域まで冷却する。冷却条件の決定は熱膨張曲線の解析により行う。フェライトが700℃超で析出開始すると、結晶粒の粗大化や軟質なフェライト相が多量に生成するため、700MPa以上の引張強度を確保するのが困難となるだけでなく、冷却速度が遅い場合には、フェライトだけでなくパーライトが生成し易くなり加工性が劣化する。
本例では、表1に示す鋼組成を有する鋼片を1250℃に加熱し、表2に示す条件で熱間圧延をした後、巻取を行い、その後、冷却を行って熱延鋼板(板厚3.5mm)とした。次いで、熱延鋼板に酸洗、そして1.2mmまでの冷間圧延を施し冷延鋼板とした。その後、冷延鋼板を10℃/秒の加熱速度で表2に示す温度まで加熱し、60秒間保持して、焼鈍後、3℃/秒で660℃まで徐冷却し、660℃から表2に示す冷却停止温度まで60℃/秒で冷却し、当該温度で180秒保持した。
(1)オーステナイト単相化の確認とフェライト析出開始温度を測定
各種冷延鋼板から試験片を採取し、図1に示す条件で熱処理を行った際の膨張率変化を解析することによって、オーステナイト単相化の確認とフェライト析出開始温度を測定した。
各種冷延焼鈍鋼板の圧延方向および圧延方向と圧延直角方向から試験片を採取し、圧延方向断面、圧延方向と直角方向断面の組織を光学顕微鏡あるいは電子顕微鏡で撮影し、画像解析により各相の分率および各相の粒径を測定した。粒径の測定は、圧延方向断面および圧延方向と直角方向断面で板厚の全厚について、JIS G 0552の交差線分法の規定に準拠して測定し、それらの平均値で表した。
各種冷延焼鈍鋼板の圧延方向に直角方向からJIS5号引張試験片を採取し、引張特性(降伏強度YS、引張強度TS、伸びEl)を調査した。
各種冷延焼鈍鋼板から圧延方向に直角方向を長手方向とするJIS3号曲げ試験片を採取し、JIS Z 2248の規定に準拠したVブロック法により、曲げ性を調査した。その際、頂角90°の押し金具をバリが内側となるように押し込んだ。試験後の評価は目視にて調査し、試験後に割れが認められない押し金具の最小半径を板厚で割り、規格化することにより最小曲げ半径を算出した。
本発明例の鋼板は、いずれもフェライトおよびベイナイトの平均粒径が1〜4μmであり、フェライトとベイナイトを面積率で合計80%以上含み、さらに上記フェライトとベイナイト中に粒径が1〜15nmの析出物を100個/μm2以上含む組織を有し、引張強度が700MPa以上、降伏比が0.7以上、Elが15%以上、最小曲げ半径が0.5t以下の機械特性を有する加工性と溶接性に優れた高強度冷延鋼板となっている。さらに、これらの鋼板は、別途調査したスポット溶接部の強度も良好であった。
溶接は、下記に示す条件で行った。
入熱条件:150A
ノズル径:直径φ=2.8mm
溶接速度:1m/min
シールドガス:アルゴン+10%H2、10L/min
プラズマガス:0.5L/min
これに対し、比較例の鋼板No.2は、球頭張り出し高さの溶接の有無による差が大きく、破断位置がHAZ部となっており、HAZ軟化による破断が発生している。
Claims (2)
- 鋼組成が、質量%で、C:0.06〜0.16%、Si:0.005〜1.0%、Mn:1.8〜3.0%、P:0.02%以下、S:0.01%以下、Al:0.1%以下、N:0.01%以下、TiおよびNbの1種または2種を合計で0.05〜0.25%含有し、残部が鉄および不純物からなり、鋼組織が、面積率で、フェライトおよびベイナイトを合計で80%以上含有し、前記フェライトおよびベイナイトの平均粒径が1〜4μmであり、前記フェライトおよびベイナイトの粒内に粒径が1〜15nmの析出物を100個/μm2以上含有し、引張強度が700MPa以上、降伏比が0.7以上の機械特性を備えることを特徴とする高強度冷延鋼板。
- 下記(A)〜(C)の各工程を備えることを特徴とする高強度冷延鋼板の製造方法:
(A)請求項1に記載の鋼組成を備える鋼材に、仕上温度800℃〜950℃、巻取温度500〜700℃として熱間圧延を施す熱間圧延工程;
(B)(A)の工程により得られる熱延鋼板に冷間圧延を施す冷間圧延工程;
(C)(B)の工程により得られる冷延鋼板をオーステナイト単相組織の状態に10秒以上300秒以下保時し、次いでオーステナイト単相状態から、フェライトの析出開始温度が500℃〜700℃となる冷却条件にて、300〜500℃の冷却停止温度域まで冷却し、その後300〜500℃の温度範囲に30秒から10分保持する連続焼鈍工程。
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