JP4291756B2

JP4291756B2 - 伸びフランジ性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板

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Publication number: JP4291756B2
Application number: JP2004237965A
Authority: JP
Inventors: 浩之棚橋; 勝浩笹井; 学高橋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2024-08-18
Also published as: JP2006057120A

Description

本発明は、輸送機器の足回り部品などに用いるのに好適な高強度熱延鋼板に関するものである。

自動車など、輸送機器の足回り部品などには高強度鋼板が広く用いられている。中でも、価格の優位性から特別な場合を除いては熱延鋼板が主に用いられる。鋼板の強度を高めるには幾つかの方法がある。そのうち高強度と高成形性を両立させ得るものとしては、フェライト相とマルテンサイト相を複合させた、ＤＰ鋼板や、フェライト相と（残留）オーステナイト相を複合させた、ＴＲＩＰ鋼板が知られているが、両鋼板は延性には優れるものの、一般に穴広げ試験値で示される伸びフランジ性に優れているとは必ずしも言えないため、足回り部品などのような伸びフランジ成形性が要求される構造用部品においては、両者に代えて、延性はやや劣るものの、同性能に優れる「ベイナイト系の鋼板」が採用されるのが一般的である。

ベイナイト系と称される鋼板については、上記のＤＰ鋼板やＴＲＩＰ鋼板のような広く受け入れられている定義がなく、「鋼のベイナイト写真集−１」（平成４年６月２９日、（社）日本鉄鋼協会発行）（非特許文献１）で扱われているように極めて多様であるが、本明細書では、光学顕微鏡によるミクロ組織観察でベイナイト組織と判定される組織を面積比で最大とするような鋼板の総称とし、ベイナイト（フェライトとセメンタイトからなる組織）の他に、ベイニティック・フェライト（形態はベイナイトと類似しているがセメンタイトを含まないか殆ど含まない組織）、および、特開２００１−２００３９号公報（特許文献１）で述べられているグラニュー・ベイニティック・フェライトも含めるものとする。

鋼板の伸びフランジ性は強度と相反する性質であるから、高強度鋼板でありながら高い伸びフランジ性を有する鋼板を得るためには多くの努力が図られて来た。その歴史的経過を要約すれば、「より均一な組織」の達成を如何にしてなし得るかの追求であったと言うことが出来る。すなわち、まず、最も汎用的な高強度鋼板であるフェライト−パーライト鋼板では、フェライト相とパーライトの強度差が大きく、これを回避しつつそれなりの成形性を有するものとしてベイナイト鋼板が着目された。

次に、ベイナイト鋼板の伸びフランジ性について更に研究が進むと、より微細なレベルでの均一性が追求されるようになり、ベイナイトを構成するフェライトとセメンタイトの強度差（硬度差）を回避した（セメンタイト・フリー型）ベイニティック・フェライト鋼板が提案されるに至った［例えば、特開平６−１７２９２４号公報（特許文献２）］。
そして、それを更に進化させたものとして、グラニュー・ベイニティック・フェライトを主たる組織とする鋼板が特許文献１に、特許文献２と同一人によって出願されている。

「鋼のベイナイト写真集−１」（平成４年６月２９日、（社）日本鉄鋼協会発行）特開２００１−２００３９号公報特開平６−１７２９２４号公報特開２００４−１９７１１４号公報

足回り部品に用いる鋼板には優れた伸びフランジ性が求められることは既に述べたが、それに加えて疲労特性にも優れていれば適用可能な部位（部品）も拡大出来、そのことによる部品の軽量化の他に、使用する鋼板の種類を減ずることで管理が容易になるという副次的な利益も期待できる。特許文献１の技術は、グラニュー・ベイニティック・フェライトを主相とすることで優れた伸びフランジ性と優れた疲労特性を両立した高強度熱延鋼板を得るものであり、産業上の有益性は揺るぎないものであると考えられるので、これを活用し、望ましくは更に改良を加えんとするのであるが、ベイニティック・フェライトとも異なるとするグラニュー・ベイニティック・フェライトを汎用的な熱延工程で造り込むことは、技術的あるいは学術的にも極めて高度なものであるためか、再現することが出来なかった。

一方、本出願人は、特許文献３にて、伸びフランジ性に優れた高強度熱延鋼板とその製造方法を提案したが、疲労特性の改善を目的としたものではなかった。ただし、当該技術の鋼板は、高い伸びフランジ性に加えてそのバラツキも小さいものであることから、この利点を活かしつつ、更にその疲労強度を高めることが出来れば、平易な（汎用的な）設備で、伸びフランジ性と疲労特性の何れにも優れる鋼板を得ることが期待出来る。本発明はこうした課題を解決するためになされたものである。

本発明者らは、特開２００４−１９７１１４号公報（特許文献３）で提案されている鋼板の疲労特性を詳細に検討した。その結果、該鋼板を構成する組織中のフェライト部分の強度が疲労特性に影響を及ぼすのではないかとの仮説に行き着いた。そこで、機械的性質のバラツキを抑制するために０．２％以下に規定していたＳｉ量を、フェライトの強度を高めることを狙って増やしてみたところ、予想通りに疲労特性は改善された。一方、強度と延性のバラツキは若干の増加を示すに留まったが、穴広げ値のそれは大きく増加した。

そこで疲労特性の改善効果はそのままに、特に穴広げ値のバラツキを低減し、もちろん高い伸びフランジ性をも維持するべく他の化学成分を広範囲に変化させて検討した。その結果、ＡｌおよびＴｉの量を所定の範囲に制御すれば所望の特性を有する鋼板が得られることを見出し、本発明を完成させた。その要旨は、
（１）質量％にて、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．５〜１．２％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ａｌ：０．００２％以下、Ｔｉ：０．００２％以下、Ｎｂ：０．１〜０．６％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、面積比で最大の相がポリゴナル・フェライト、ベイニティック・フェライト、ベイナイトのうちの１つまたは２つ以上からな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）質量％にて、更に、Ｃｕ：０．８〜２．０％、Ｎｉ：０．４〜１．０％を含有することを特徴とする前記（１）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である。

本発明によれば、汎用的な熱延設備と操業技術を以ってしても伸びフランジ性と疲労特性が共に優れた熱延鋼板を得ることが出来る。

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、まず質量％にて、Ｃ：０．０５％、Ｓｉ：０．１５％、Ｍｎ：１．５％、Ｐ：０．０２％、Ｓ：０．００１％、Ｎ：０．００４％、Ａｌ：０．０３％、Ｔｉ：０．００５％、Ｎｂ：０．３％を含有し、残部がＦｅである鋼片を溶製し、再加熱温度：１２５０℃、熱延終了温度（Ｔｆ）：８５０℃、巻き取り温度（Ｔｃ）：５５０℃、Ｔｆ−Ｔｃ間の平均冷却速度：４０℃／秒の条件にて熱延鋼板としこれを基準材とした。

次に、基準材に対してＳｉ量のみを０．２〜１．５％の範囲で変化させた比較材も作製した。これらの鋼板の強度、延性、穴広げ値、および疲労限度比を調べた。
強度と延性は、引張方向が圧延方向と直交するＪＩＳ５号試験片（酸洗仕上げ）にて行った。穴広げ値の測定は、１５０ｍｍ×１５０ｍｍの酸洗仕上げ片を用い、日本鉄鋼連盟規格ＪＦＳＴ１００１に準拠して行い、穿孔のクリアランスは１２．５％とした。疲労限度比はＪＩＳＺ２２７５に準拠した方法で求めた２×１０⁶回時間強さを鋼板の強度で除した値とした。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。

その結果、強度−延性バランスを引張強さと破断伸びの積で評価したところ、どの比較材も基準材とほぼ同じ値とバラツキを示した。これに対して、疲労限度比は、Ｓｉ量が０．４％から上昇し始め、０．５％以上で優位差を示すに至った。ところが、穴広げ値のバラツキ、すなわち試験数５で求めた測定値の最大値と最小値の差を５点の単純平均値で除した値は、基準材が３％であるのに対して、比較材では１６〜２１％となった。

この結果を踏まえて、特性を劣化させることなくバラツキのみを低下することを目的に、Ｃ：０．０５％、Ｓｉ：０．７５％、Ｍｎ：１．５％、Ｐ：０．０２％、Ｓ：０．００１％、Ｎ：０．００４％、Ａｌ：０．０３％、Ｔｉ：０．００５％、Ｎｂ：０．３％を含有し、残部がＦｅである鋼板を作製し、これを基準材としてＳｉ以外の化学成分を変更して上記と同じ特性を調べた。なお熱延条件は上記と同じとした。

その結果、この目的に対して、変化させて有効な元素はＡｌとＴｉであることが判明した。脱酸元素として広く用いられ特段の注意が払われないことが多いＡｌや、バラツキを抑制するため従来技術で０．００５％以下と提案されていたＴｉを更に低減することで、Ｓｉを増加させた影響が相殺できるという知見を新たに見出した。本発明はこうした知見に立脚し、更に化学成分や熱延条件の適用範囲に検討を加えて完成されたものである。

以下に限定理由を述べる。まず化学成分について説明する。
Ｃ：０．０２〜０．１０％
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０．０２％が必要である。しかし、過剰に含まれると、セメンタイトやマルテンサイトなど伸びフランジ性に好ましくない相の生成が避けられなくなるので０．１０％以下とする。

Ｓｉ：０．５〜１．２％
Ｓｉは、疲労特性の改善に極めて有効に機能する。その効果が明瞭となるのは０．５％以上である。１．２％を超えて含有されると、疲労特性上は問題ないものの、ＡｌおよびＴｉ量を本発明の範囲内としても、穴広げ試験値のバラツキが大きくなり過ぎ発明の目的を達成出来ない。より好ましい上限は１．０％である。

Ｍｎ：０．５〜２．５％
Ｍｎは、鋼板の高強度化に有効な元素であり、０．５％以上は含有させるべきであるが、２．５％を越えて含有させると延性が劣化するため上限を２．５％とする。
Ｐ：０．１％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が懸念されるので０．１％以下にする必要がある。

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ので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。
Ｎ：０．０１％以下
Ｎは、窒化物を形成して延性や伸びフランジ性を低下させる。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。

Ａｌ：０．００２％以下
Ａｌは、脱酸剤として一般的に使用される元素であるが、０．００２％以下とすることと、後述するように、Ｔｉ量を所定の範囲にすることで穴広げ値のバラツキが低減出来ることが明らかとなった。脱酸剤、または予備脱酸剤として使用しないことも本発明の範囲である。つまり、０％も本発明の範囲に含む。

Ｔｉ：０．００２％以下
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）働きをする元素である。両者を比較すると、Ｔｉの方が安価であり、またＣとの結合も容易であるので広く用いられているが、僅かな濃度の揺らぎが鋼中に残存するＣ量を大きく変化させ、その結果穴広げ値のバラツキに強く影響するものと推測される。また、脱酸に用いるＡｌを微量（０を含む）に限定する本発明では、Ｔｉの脱酸元素としての役割も見過ごすことの出来ないものであり、Ａｌと共に本元素を微量にすることで生成する酸化物の構成が特異なものとなり、それによって穴広げ値のバラツキが抑制されることが推測される。Ｔｉを添加しない鋼も本発明の範囲である。

Ｎｂ：０．１〜０．６％
一方、Ｎｂは、Ｔｉと比べてＣとの結合力が緩やかであることで、濃度の揺らぎによるＣ量の変動を誘発し難いものと推定される。そこで、Ｃを固定する効果が明瞭に認められる０．１％以上を添加し、加工組織の残存が特性に影響を及ぼし始める０．６％超の添加を避ける必要がある。

Ｃｕ：０．８〜２．０％
Ｃｕは、固溶強化元素または析出強化元素として鋼板の高強度化に利用できる。また、その添加によって疲労強度を一層向上させることができる。その効果は０．８％以上を添加しないと発現せず、一方、２．０％を越えて含有されていると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：０．４〜１．０％
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の半分程度を目安に添加することが望ましい。従って、その下限は０．４％である。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。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。

次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、面積比で最大の相がポリゴナル・フェライト、ベイニティック・フェライト、ベイナイトの中から選択した１つまたは２つ以上からなる鋼板とすることが必要である。これら以外の残部組織として、パーライト、残留オーステナイト、マルテンサイトの１つ又は２つ以上は極力なくすべきであり、少なくとも面積率で３％以下にすることが望ましい。

一方、面積比で最大の相がポリゴナル・フェライト、ベイニティック・フェライト、ベイナイトの３相のうちであれば、どのような組み合わせ（単一も含む）や構成比（面積比）でもよく、要求される強度、延性、伸びフランジ性に基づいて設計することが出来る。例えば、特に高延性を主眼とし、加えて高伸びフランジ性が要求されるような用途においては、ポリゴナル・フェライトを主相（面積比で最大の相）、あるいは単一相とし、析出物を活用して必要な強度を確保する方法が選択出来る。これに対して、出来るだけ構成元素を削減して低価格な鋼板であることが最も重視されるような用途においてはベイナイトを主相、あるいは単一相とする方法が選択出来る。

最後に加熱、圧延、冷却および巻き取りの各条件について述べる。
加熱温度は鋼中の炭窒化物を一旦固溶させるため１２００℃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炭窒化物を微細に分散させて鋼板の高強度化が達成出来る。
一方、加熱温度が１３００℃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は１３００℃、好ましくは１２５０℃とする。

圧延終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板厚方向の材質が安定せず特性上好ましくない。一方、Ａｒ₃点＋１００℃超では、圧延終了後のオーステナイト粒径が粗大になり、冷却中に生成する相の構成とその分率が不安定で操業が難しくなるのでこの温度を上限とすることが望ましい。

圧延後の冷却速度は１０〜５０℃／秒とする必要がある。圧延後の冷却速度をコントロールすることによってポリゴナル・フェライト、ベイニティック・フェライト、およびベイナイトのうちから選択した１つまたは２つ以上の構成組織とその分率を持った鋼板を得ることが出来る。圧延後の冷却速度が１０℃／秒未満では伸びフランジ性に好ましくないパーライトの生成が抑制出来ず、一方、５０℃／秒超では、特に帯鋼の幅方向の冷却むらに起因する材質バラツキが懸念されるので圧延後の冷却速度は上記の範囲に限定される必要がある。

巻き取り温度は４５０〜６５０℃の範囲で目的とする組織構成に応じて選択する。ベイニティック・フェライトを主相とする場合には４５０〜５００℃、ポリゴナル・フェライトを主相とする場合には５５０〜６５０℃を目安とし、両者の配分によってはそれらの中間の温度帯を選択する。冷却速度との組み合わせも考慮される必要がある。

（実施例１）
表１に化学成分を示す鋼のスラブを表３中から選択した条件にて熱間圧延し、厚さ３．２ｍｍの帯鋼を得た。このようにして得られた帯鋼の末尾から２０ｍの位置から鋼板を採取して引張強さσ_B、破断伸びδ、穴広げ値λ、および疲労限度比σ_W／σ_Bを調べた。その方法は既に述べた通りである。疲労限度比以外については何れも試験数５で行い、特性値とそのバラツキを求めた。結果を鋼と条件の組み合わせ毎に表４に示す。また、断面組織を観察して構成する組織を調べた。組織は鏡面研磨後、ナイタール液で現出させ、表面から板厚の１／４相当内部位置を４００倍で観察し、前記の非特許文献１を参考に存在する組織を同定した。その結果、認められた相は、ポリゴナル・フェライト、ベイニティック・フェライト、ベイナイトの何れか１相又は２相以上のみであり、その他の相は認められなかった。表４から明らかなように、本発明の鋼板は高い伸びフランジ性と疲労特性を示し、機械的性質のバラツキも小さい。

（実施例２）
表２に化学成分を示す鋼のスラブを表３の条件Ｃにて熱間圧延し、厚さ３．２ｍｍの帯鋼を得た。このようにして得られた帯鋼について実施例１と同様の調査を行った。
その結果、ミクロ組織にはポリゴナル・フェライト、ベイニティック・フェライトおよびベイナイト以外の相は認められず、σ_B：５８０〜６７０ＭＰａ、δ：３２〜３５％、λ：１１５〜１３５％、σ_W／σ_B：０．６０以上の特性値を示した。また、σ_Bとδのバラツキは３〜７％であったが、λのバラツキは鋼間で明瞭な相違を示した。
図１は、それをＡｌ量とＴｉ量を座標軸として示したグラフである。図から明らかなように、本発明を用いれば、強度、延性、穴広げ性、および疲労特性に優れ、かつλのバラツキも１０％以下と均一性の高い鋼板を得ることが出来る。

穴広げ値のバラツキを、Ａｌ量を横軸に、Ｔｉ量を縦軸にして表したグラフである。添え数字はバラツキ（％）を表す。

Claims

質量％にて、
Ｃ：０．０２〜０．１０％、
Ｓｉ：０．５〜１．２％、
Ｍｎ：０．５〜２．５％、
Ｐ：０．１％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎ：０．０１％以下、
Ａｌ：０．００２％以下、
Ｔｉ：０．００２％以下、
Ｎｂ：０．１〜０．６％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、面積比で最大の相がポリゴナル・フェライト、ベイニティック・フェライト、ベイナイトのうちの１つまたは２つ以上からな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。
質量％にて、更に、
Ｃｕ：０．８〜２．０％、
Ｎｉ：０．４〜１．０％
を含有することを特徴とする請求項１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。