JP4305207B2

JP4305207B2 - 微細フェライト組織を有する熱延鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP4305207B2
Application number: JP2004036185A
Authority: JP
Inventors: 傑浩福島; 学江藤; 保佐々木; 佳織河野; 昌幸脇田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: JP2005226123A

Description

本発明は、炭素鋼のフェライト結晶粒径を微細化する熱延鋼板の製造方法に関する。

フェライト結晶粒の微細化により強度と共に靱性が高められることは知られており、微細フェライト組織を持つ熱延鋼板の製造技術は、鉄鋼材料の材料機能発現のための重要な技術である。また特殊な元素を用いずに強度強化が図れるため、製品のリサイクル性も高く、地球環境に対する負荷も少ない。

微細フェライト組織を持つ熱延鋼板を得る手段として、大歪み加工法が従来から多く研究されている。例えば、特許文献１には、変態域で、１パスまたは累積の大圧下により炭素鋼で粒径３〜５μｍの細粒フェライト組織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。

また、特許文献２には、６５０〜９５０℃の温度域で、圧下率４０％以上で圧下し、更に２秒以内に連続して圧下率４０％以上の圧下を加えることにより２〜３μｍ程度の細粒フェライト組織が得られることが開示されている。

これらはいずれも圧延中のフェライト変態やフェライト再結晶による結晶粒微細化機構を活用するものとされている。
特開昭５８−１２３８２３号公報特開昭５９−２２９４１３号公報

上記公報などによる方法では、２〜３μｍ程度が細粒化の限界であった。本発明は、従来以上の結晶粒微細化、具体的には平均２μｍ未満のフェライト結晶粒径を実現するための製造方法を提供することを課題とするものである。

以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

本発明は、図１の工程図に概略的に示されるように、熱間加工に適する高温状態にあり、所定の組成を有する素材鋼板を、総圧下率８０％以上の第１圧延、１パスの第２圧延、その直後に行う第３圧延、及びその直後に行う冷却を含む各工程により処理して、微細フェライト組織を有する熱延鋼板を得るものである。

本発明者らは、短パス間時間で高圧下圧延が可能な多スタンド熱間試験圧延機（後述する。）を用いて実験した結果から、微細結晶粒を得るため有効な下記の条件を見出した。これらの適切な組み合わせにより、従来の方法によるもの以上の結晶粒微細化が得られることを知見し本発明を完成するに至った。これを金属結晶組織に注目して表現すれば、
（１）最終パスたる第３圧延まではフェライト変態させず、フェライト変態前のオーステナイトは、極力微細化した上で、且つ転位密度を高める。
（２）第１圧延において、十分にオーステナイトを微細化し、再結晶させる。
（３）第２圧延においては、動的再結晶・静的再結晶が著しく早くなるような超高圧下圧延を避けつつも、十分な圧下率の圧延を行って、歪みを蓄積し、転位密度を高める。
（４）第２圧延と最終パスたる第３圧延とのパス間時間はオーステナイトの再結晶や回復を極力少なくし、歪みの蓄積効果を高めるために、従来圧延方法に比べて短いパス間時間とする。
（５）最終パスたる第３圧延においても、十分な圧下率の圧延を行って、歪みを蓄積し、転位密度を高める。
（６）第３圧延後は速やかに冷却して、フェライト変態を促進し、フェライト粒成長を抑制する。
ことを本質とする。

かくして本発明は、微細フェライト組織を有する熱延鋼板の製造方法であって、質量％でＣ：０．０４〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜３．０％を含有し残部はＦｅ及び不可避的不純物よりなる素材鋼板をＡｅ３変態点以上の温度域にて総圧下率８０％以上で圧延する第１圧延を含むＡ工程と、前記第Ａ工程に引き続きＡｅ３変態点以上の温度域にて圧下率３０〜５５％の１パス圧延を行う第２圧延を含むＢ工程と、前記第Ｂ工程における第２圧延の後０．３ｓｅｃ以内に圧下率３５〜６０％の１パス圧延を行う第３圧延を含むＣ工程と、前記第Ｃ工程における第３圧延の後０．２ｓｅｃ以内に６００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で（Ａｅ３変態点−１３０℃）以下の温度まで冷却するＤ工程と、を備えたことを特徴とする熱延鋼板の製造方法を提供して前記課題を解決するものである。

上記Ｃ工程の第３圧延後の板表面温度（仕上げ温度）は、Ｄ工程の冷却により微細なフェライト結晶粒を得るという観点から（Ａｅ３変態点＋３０℃）〜（Ａｅ３変態点−６０℃）の範囲であることが好ましい。

また、第３圧延後の板表面温度を上記仕上げ温度の範囲におさめるために、第１圧延と第２圧延との間（Ｂ工程）、及び／又は第２圧延と第３圧延との間（Ｃ工程）において、冷却を行うこととしてもよい。このようにすることによって、第１圧延、及び第２圧延により発生する加工熱（通常、材温が数１０℃温度上昇する。）を冷却することができる。特に、圧延速度が高速な場合、高圧下率を採用する場合、圧延材の板厚が厚い場合、摩擦係数の高い系で圧延する場合などに有効である。

本発明によれば、汎用的な炭素鋼のフェライト結晶粒径を著しく微細化できる。その効果として、特殊な元素を用いずに強度強化が図れるため、製品のリサイクル性も高く、地球環境に対する負荷を軽減することができる。

以下、本発明について具体的に説明する。本発明は下記の５点により構成される。
（素材鋼板）：質量％で、Ｃ：０．０４〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜３．０％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物よりなる。
（Ａ工程）：オーステナイト単相となるＡｅ３変態点以上の温度域で、総圧下率８０％以上の第１圧延（基本的には多パス圧延であるが、これに限定されない。）を行う。
（Ｂ工程）：引き続きＡｅ３変態点以上の温度域で、圧下率３０〜５５％の１パス圧延である第２圧延を行う。
（Ｃ工程）：第２圧延の後０．３ｓｅｃ以内に、圧下率３５〜６０％の１パス圧延である第３圧延を行う。
（Ｄ工程）：第３圧延の後０．２ｓｅｃ内に６００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で、（Ａｅ３変態点−１３０℃）以下の温度まで冷却する。

以下、それぞれの項目について詳細に説明する。

（素材鋼板）
本発明による素材の成分としては、普通炭素鋼成分でよく、具体的には、質量％でＣ：０．０４〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜３．０％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物よりなる素材鋼板とされる。

Ｃ：０．０４〜０．２０質量％
Ｃは、主に鋼の強度を確保するために必要な元素であるが、多量に含有させると鋼材の溶接性劣化、靱性の著しい低下、プレス成形時の成形性劣化を引き起こす。したがって、本発明の微細フェライト組織を有する熱延鋼板のＣ含有量は０．２０質量％を上限とする。また、Ｃ含有量が０．０４質量％未満になると結晶粒微細化効果を確保しにくくなるので、Ｃ含有量の下限は０．０４質量％とする。好ましいＣ含有量は、０．０７質量％〜０．１６質量％である。

Ｓｉ：０．０１〜２．０質量％
Ｓｉは、成功時の脱酸を行うために必要であり、また鋼板の加工性を高める作用がある合金元素であるが、含有量が２.０質量％を超えると、本発明の微細フェライト組織を有する熱延鋼板としての靭性が損なわれるため、その含有量は２.０質量％を上限とする。一方、含有量が少なすぎると製鋼時の脱酸が十分に行われないので、Ｓｉ量の下限値は、０．０１質量％である。好ましいＳｉ含有量は、０．０１質量％〜１．５質量％である。

Ｍｎ：０．５〜３．０質量％
Ｍｎは、安価な元素であり、鋼の強度を高める効果を有する元素である。またＳによる熱間脆性を防ぎ、Ａｅ３点を低下させる。Ｍｎの含有量が０．５質量％未満であると、かかる効果を十分に発現することができないのでＭｎ含有量の下限値は０．５質量％である。一方、Ｍｎの含有量が３．０質量％を超えると、かかる効果は飽和し、むしろ、熱延鋼板の加工性を劣化させるとともに、熱延鋼板の表面性状を悪化させるため、好ましくない。したがって、Ｍｎの含有量は３．０質量％以下とする。好ましいＭｎ含有量は、０．５質量％〜２．０質量％である。

素材鋼板は、鋳造材ままでもよいが、鋳造時の内部欠陥の低減やオーステナイト径の微小化のために、１回以上の熱間加工を施しておき、粒径６００μｍ以下のオーステナイト組織を得ておくことが好ましい。具体的には、連続鋳造−熱間圧延プロセスにおいては１パス以上の粗圧延を終えた状態であればよい。本発明に関わる基礎実験においては、結晶粒径が約３０μｍのフェライト組織を有する素材を、下記Ａ工程に入る前に所定温度（例えば１０００〜１２００℃）にて所定時間（例えば１〜２時間）保持し、オーステナイト粒径を３０〜６００μｍとして実験を行った。

（Ａ工程）
上記素材にオーステナイト単相となるＡｅ３変態点以上の温度域で、総圧下率８０％以上の第１圧延を行う。この第１圧延は、総圧下率が８０％以上で有れば、パス回数には限定されない。この第１圧延により、加熱後のオーステナイト粒径：３０〜６００μｍの素材を、オーステナイト粒径：３０μｍ程度以下の被圧延材に圧延できる。

（Ｂ工程）
上記Ａ工程における第１圧延に連続して、上記圧延により得られた被圧延材にＡｅ３変態点以上の温度域で、圧下率３０〜５５％の１パス圧延を行う（第２圧延）。圧下率がこの範囲外であると微細粒が得られない。その理由は明確でないが、圧下率が不十分であると圧下による歪み蓄積が不十分となり、圧下率が過大となると、圧延による発熱や、転位密度の過度な増加により再結晶や回復が発生し易くなるためと推察される。

（Ｃ工程）
上記Ｂ工程における１パス圧延（第２圧延）に連続して、第２圧延により得られた被圧延材に０．３ｓｅｃ以下のパス間時間で、圧下率３５〜６０％の１パスの圧延（第３圧延）を行う。パス間時間がこれ以上であると結晶粒微細化効果が低下する。その理由は明確ではないが、Ｂ工程における第２圧延とＣ工程における第３圧延との間のパス間時間が０．３ｓｅｃを超えると、静的再結晶が発生してしまうため、歪みの蓄積が不十分となるためと推察する。結晶粒微細化に効果があると推定している「未再結晶域での歪みを蓄積」を効果的に行うためには、第３圧延までのパス間時間を０．３ｓｅｃ以下とする必要がある。第３圧延の圧下率が３５％未満では歪みの蓄積が不足し、その後の冷却過程でのフェライト変態を促進する効果が不十分である。一方第３圧延の圧下率が６０％を超えると、加工中の再結晶・変態の発生、その後の冷却に影響を与える程の加工発熱が生じるため、結晶粒の微細化効果が薄れる。また、圧延負荷が過大となり、設備の巨大化、設備限界の超過、圧延の不安定化、などの問題も生じる。

（Ｄ工程）
上記Ｃ工程における１パス圧延（第３圧延）により得られた被圧延材を、０．２ｓｅｃ以内に６００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で、（Ａｅ３変態点−１３０℃）以下の温度域まで冷却を行う。これにより、平均粒径が２．０μｍ以下の細粒フェライト組織が６０％以上を占める熱延鋼板が得られる。上記条件での冷却を行うことによりオーステナイトの再結晶・回復が抑制され、フェライト変態が促進される。好ましくは、（Ａｅ３変態点−１３０℃）以下で、（Ａｅ３変態点−２００℃）以上の温度域まで冷却をおこなう。

なお、上記Ｄ工程において、Ｃ工程の第３圧延終了後、冷却の開始までの時間を０．１ｓｅｃ以内とすることが好ましい。さらに冷却速度を９００℃／ｓｅｃ以上とすることが望ましい。これらにより、平均粒径が１．５μｍ以下の細粒フェライト組織が５０％以上を占める熱延鋼板を得ることができる。

（製造設備）
本発明の微細フェライト組織を有する熱延鋼板を製造する設備は、熱処理設備と、２スタンド以上からなるタンデム圧延設備と、該圧延設備の出側に配置された冷却装置よりなる。圧延設備の各スタンドは所定値以上の圧下率を実現することが必要であり、また第２圧延と第３圧延との間のパス間時間を０．３秒以内に収めるため、所定の圧延速度を要し、圧延機間の距離は所定値以内に設定することが必要である。また冷却装置はタンデム圧延設備の出側近傍に配置して、第三圧延後の被圧延材を直ちに冷却できるようにすることが必要である。

表１に示す成分に調整した素材を、幅１００ｍｍ、長さ７０〜２００ｍｍの切り板に切断して供試材とした。この供試材を炉内温度１０００℃の加熱炉中に１時間保持した後、熱間圧延・冷却を実施した。

熱間圧延は図２に示すような、３スタンド熱間圧延機を製作して使用した。第１スタンドと第２スタンドとの間の距離は、２．１ｍ、第２スタンドと第３スタンドとの間の距離は１．０ｍであり、パス間時間：０．３秒以下の圧延が可能である。各圧延スタンドの圧下率は、４０％以上取れるようにした。圧延機仕様及び圧延条件を表２に示す。

熱間圧延・冷却後の各供試材の結晶粒平均粒径、及びフェライト分率を、第１〜３圧延の圧延条件、冷却条件と共に表３に示す。なお、結晶粒の平均粒径の測定は、ＡＳＴＭ切断法により行った。

また、本発明の熱延鋼板の製造方法により得られた、微細フェライト組織の顕微鏡写真を図３に示す。

表３において、本発明が規定する範囲からはずれる試番１、４、８、９、１４、１７、１８、１９、及び２２は、熱間圧延・冷却後の平均粒径が２．０μｍを超えるものであった。
これらのうち、試番１は、Ａ工程の第１圧延における総圧下率が、本発明が規定する「８０％以上」に満たない７５％であったため、平均粒径が２．０μｍを超えるものとなった。
試番４は、Ｂ工程の第２圧延における圧下率が、本発明が規定する「３０〜５５％」に満たない２０％であったため、平均粒径が２．０μｍを超えるものとなった。圧下率２０％の第２圧延によっては、歪みの蓄積、転位の高密度化が十分なものではなかったものと推定される。
試番８は、Ｂ工程の第２圧延における圧下率が、本発明が規定する「３０〜５５％」を超える６０％であったため、平均粒径が２．０μｍを超えるものとなった。第２圧延における圧下率が本発明の規定する範囲を超えたことで、圧延による発熱などによりオーステナイトの再結晶や回復が発生したものと推定される。
試番９は、Ｃ工程の第３圧延における圧下率が、本発明が規定する「３５〜６０％」に満たない３０％であったため、平均粒径が２．０μｍを超えるものとなった。圧下率３０％の第３圧延によっては、歪みの蓄積、転位の高密度化が十分なものではなかったものと推定される。
試番１４は、Ｃ工程において、第２圧延後、第３圧延までの間のパス間時間が、本発明が規定する「０．３ｓｅｃ以内」を超える０．５ｓｅｃであったため、平均粒径が２．０μｍを超えるものとなった。パス間時間が本発明の規定する０．３ｓｅｃを超えたため、静的な再結晶が発生して、歪の蓄積が十分ではなかったからであるものと思われる。
試番１７、１８は、Ｄ工程において、Ｃ工程の第３圧延後冷却開始までの時間が、本発明が規定する「０．２ｓｅｃ以内」を超える、０．３ｓｅｃ、０．５ｓｅｃであったため、平均粒径が２．０μｍを超えるものとなった。これら試番においては、Ｄ工程において、Ｃ工程の第３圧延後冷却開始までの時間が、本発明が規定する「０．２ｓｅｃ以内」を超えたため、再結晶、回復の抑制が十分ではなく、フェライト変態の促進が不十分であったためと推定される。
試番１９は、Ｄ工程における冷却速度が、本発明が規定する「６００℃／ｓｅｃ以上」に満たない３００℃／ｓｅｃであったため、平均粒径が２．０μｍを超えるものとなった。この場合、冷却速度が本発明の規定する「６００℃／ｓｅｃ以上」に満たなかったため、再結晶、回復の抑制が十分ではなく、フェライト変態の促進が不十分であったためと推定される。
試番２２は、Ｄ工程における冷却停止温度が、本発明が規定する「Ａｅ３変態点−１３０℃以下、本実施例ではＡｅ３変態点が８３０℃なので、７００℃以下」を超える７４０℃であったため、冷却によるフェライト変態促進が不十分と考えられ、平均粒径が２．０μｍを超えるものとなった。

一方、本発明で規定する範囲で熱間圧延、冷却が行われた試番２、３、５〜７、１０〜１３、１５、１６、２０、２１、２３にあっては、平均粒径が２．０μｍ未満の細粒フェライト組織が５０％以上を占める熱延鋼板が得られた。特に、試番１２、１３、１５、１６、２０、及び２１では、平均粒径が１．５μｍ以下の細粒フェライト組織が６０％以上を占める熱延鋼板が得られた。

本発明の製造方法の工程を示す図である。実施例に使用した熱間圧延機等の設備を示す図である。本発明の熱延鋼板の製造方法により得られた、微細フェライト組織の顕微鏡写真である。

Claims

微細フェライト組織を有する熱延鋼板の製造方法であって、
質量％で、Ｃ：０．０４〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜３．０％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物よりなる素材鋼板を、Ａｅ３変態点以上の温度域にて、総圧下率８０％以上で圧延する第１圧延を含むＡ工程と、
前記第Ａ工程に引き続き、Ａｅ３変態点以上の温度域にて、圧下率３０〜５５％の１パス圧延を行う第２圧延を含むＢ工程と、
前記第Ｂ工程における第２圧延の後、０．３ｓｅｃ以内に、圧下率３５〜６０％の１パス圧延を行う第３圧延を含むＣ工程と、
前記第Ｃ工程における第３圧延の後、０．２ｓｅｃ以内に６００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で、（Ａｅ３変態点−１３０℃）以下の温度まで冷却するＤ工程と、
を備えたことを特徴とする熱延鋼板の製造方法。