JP4539484B2 - 高強度熱延鋼板及びその製造方法 - Google Patents
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フェライトの結晶粒径は小さくなるほど強度が増加するが、結晶粒径が小さくなりすぎると粒界エネルギーによる粒成長の駆動力が増加するため、高温における粒成長が促進されてしまうことが分かった。具体的には、平均結晶粒径が1.2μmを下回るようになると、高温での粒成長を抑止することが困難になり、逆に、平均結晶粒径が2.7+5000/(5+350・C+40・Mn)2μm及び7μmのいずれかの値を上回ると微細化による機械特性の向上が十分に期待できなくなることが、判明した。したがって、機械特性と熱的安定性を両立するためには、フェライトの平均結晶粒径の下限として1.2μmを採用し、そして、上限として、2.7+5000/(5+350・C+40・Mn)2μm及び7μmのうちの小さい方の値を採用する必要がある。なお、フェライトの平均結晶粒径の下限としては1.5μmが好ましく、そして、上限としては、2.7+5000/(5+350・C+40・Mn)2μm及び4μmのうちの小さい方の値とするのが好ましい。
高温におけるフェライト結晶粒の粒成長速度は、温度の上昇と共に増加する。一般に、溶接や溶融めっき工程でフェライトの粒成長という問題が生じる温度域はA1点(730℃近傍)直下からA3点近傍までの温度域であり、この温度範囲でフェライトの粒成長速度は大きく変化する。しかし、フェライトの平均結晶粒径が上記(a)の範囲内にある鋼板の粒成長速度の温度特性は700℃近傍の温度におけるフェライトの粒成長速度によって決定されることが分かったので、700℃近傍の温度におけるフェライトの粒成長速度、すなわち、フェライトの平均結晶粒径の増加速度X(μm/min)と平均結晶粒径D(μm)の積D・X(μm2/min)に、上限を設ければ、溶接や溶融めっき工程でより高い温度に加熱された場合においても、問題が発生しないことを見出した。そして、実験の結果、積D・Xを0.1μm2/min以下に設定することが必要であることも判明した。なお、積D・Xは0.07μm2/min以下が好ましく、0.05μm2/min以下がさらに好ましい。
フェライトの結晶粒径の分布とフェライト結晶粒内の歪みは高温での粒成長に密接に関係する。高温での粒成長は粒界のエネルギーと粒内の歪みを駆動力として生じる。したがって、微細なフェライト組織の中に比較的大きなフェライト結晶粒が混在していると、大きなフェライト結晶粒が粒界を駆動力として周囲の微細なフェライト結晶粒と容易に一体化する。また、フェライト結晶粒内に歪みが存在していると、粒内の歪みを駆動力として隣接するフェライト結晶粒同士が容易に一体化する。このようにして、粒成長が急速に進展する。このため、粒成長の急速の進展を防止するためには、フェライト結晶粒の微細化に加えて、フェライトの結晶粒径分布として平均結晶粒径の1/3から3倍の範囲に80%以上の粒が収まるようにすることが好ましい。また、フェライト結晶粒内の歪みを示す粒内転位密度を109/cm2以下とすることが好ましく、108/cm2以下とすることがより好ましい。
Mneq=Mn+0.5・Si+0.9・Al+1.1・Cr+2.7・Mo・・(1)式
1.2≦D≦7・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)式
D≦2.7+5000/(5+350・C+40・Mn)2・・・(3)式
D・X≦0.1・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)式
D/3≦d≦3D・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)式
ここで、Mn、Si、Al、Cr、Mo及びCは鋼中の各元素の含有量(単位:質量%)を示す。
C:
Cは、オーステナイトからフェライトへの変態温度を低下させて、熱延の仕上げ温度を低下させることができるので、フェライト結晶粒の微細化を促進するのに有用な元素である。また、強度を確保するための元素である。このため、0.02%以上含有させる。ただし、過度に含有させると、熱延後のフェライト変態が遅延し、フェライトの体積率が低下するため、また溶接性が劣化するため0.2%以下とする。なお、Cの含有量は、好ましくは、0.04〜0.15%である。
Siは、不可避的に含有される不純物であり、本発明において添加する必要はないが、延性の劣化を抑制しつつ強度を高めることが可能な有用な元素であり、また、焼入れ性向上によりマルテンサイト生成を促進する作用も有するので、これらの作用効果を目的として含有させることもできる。ただし、過度に含有させると、逆に延性が低下したり、熱延時の表面酸化の問題が生じるので、含有量を2%以下とする。好ましくは1%以下であり、より好ましくは0.5%以下である。
Mnは、固溶強化による強度増加と、フェライト変態後の未変態オーステナイトの焼入れ性向上によるマルテンサイトの生成促進の作用を有する。また、オーステナイトからフェライトへの変態温度を低下させて、熱延の仕上げ温度を低下させることができるので、フェライト結晶粒の微細化を促進する。これらの効果を得るためには、0.5%以上の含有が必要である。一方、過度に含有させると、熱延後のフェライト変態が遅延し、フェライトの体積率が低下するため、3%以下とする。なお、Mnの含有量は、好ましくは、0.8%〜2.7%である。
Crは、不可避的に含有される不純物であり、本発明において添加する必要はないが、フェライト変態後の未変態オーステナイトの焼き入れ性を増加させ、マルテンサイトの生成を促進する作用も有するので、これらの作用効果を目的として含有させることもできる。含有させる場合は、0.1%以上とするのが好ましい。ただし、過度に含有させるとフェライトの生成が抑制されるため、含有量は1.5%以下とする。なお、Crの含有量は、好ましくは1.0%以下であり、さらに好ましくは、0.5%以下である。
Moは、不可避的に含有される不純物であり、本発明において添加する必要はないが、フェライト変態後の未変態オーステナイトの焼き入れ性を増加させ、マルテンサイトの生成を促進する作用も有するので、これらの作用効果を目的として含有させることもできる。含有させる場合は、0.1%以上とするのが好ましい。ただし、過度に含有させるとフェライトの生成が抑制されるため、含有量は1%以下とする。なお、Moの含有量は、好ましくは0.5%以下である。さらに好ましくは0.3%以下である。
Alは、フェライト変態後の未変態オーステナイトの焼入れ性を向上しマルテンサイトの生成を促進するとともに、フェライト体積率の増加を促進し、加工性をより一層向上させる効果を有するので、この効果を得るために2%まで含有させてもよい。Alは脱酸を目的として添加してもよい。脱酸を目的として添加する場合は、0.001%以上含有させるが、0.10%以上添加しても脱酸効果が飽和して経済性を損ねるので、その含有量は0.10%以下とすることが好ましい。
Pは、不可避的に含有される不純物であり、本発明において添加する必要はないが、強度を増加させるため、添加しても良い。しかし、過度に添加すると粒界偏析による脆化が生じるので、添加する場合には、その含有量を0.2%以下とするのが好ましい。より好ましくは0.1%以下、さらに好ましくは0.06%以下である。下限は不純物レベルでもよいが、通常、製鋼段階で0.01%前後混入してくる。
Sは、硫化物系介在物を形成して加工性を低下させる不純物元素であるため、その含有量は0.05%以下に抑える。そして、一段と優れた加工性を確保したい場合には、0.008%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.003%以下である。
Nは加工性を低下させる不純物元素であり、その含有量は0.01%以下に抑えることが望ましい。より好ましくは、0.006%以下である。
Si、Al、Mn、Cr及びMoの含有量は、フェライト変態後の未変態オーステナイトの焼入れ性を向上させる。したがって、所望のマルテンサイト体積率を確保するためには、下記の(1)式で定義されるマンガン当量Mneqを1.6%以上とする。好ましくは1.9%以上であり、より好ましくは2.3%以上である。
ここで、Mn、Si、Al、Cr、Mo及びCは鋼中の各元素の含有量(単位:質量%)を示す。
Nbは、炭化物又は窒化物として析出し強度を増加させるため、また、この析出物がオーステナイトやフェライトの粗大化を抑制して、結晶粒の微細化を促進するため、添加しても良い。ただし、過度に含有させると、熱延以前の加熱時に粗大なNb窒化物又は炭化物が多量に発生して、延性や加工性を阻害するので、その含有量を0.1%以下とする。好ましくは0.06%以下である。なお、含有させる場合の下限は、0.005%が好ましい。
Tiは、Tiは、炭化物又は窒化物として析出し強度を増加させるため、また、この析出物がオーステナイトやフェライトの粗大化を抑制して、結晶粒の微細化を促進するため、添加しても良い。ただし、過度に含有させると、熱延以前の加熱時に粗大なTi窒化物又は炭化物が多量に発生して、延性や加工性を阻害するので、その含有量を0.2%とする。好ましくは0.1%以下である。なお、含有させる場合の下限は、0.005%が好ましい。
Caは介在物の形状を調整して冷間加工性を改善する作用を有するので、これらの作用を目的として添加することができる。しかし、Caは0.010%を超えて含有させると、鋼中の介在物が多くなりすぎて却って加工性が劣化する。したがって、その含有量を0.010%以下とするのが好ましい。なお、上記作用を確実に得るためには、0.0002%以上含有させるのが好ましい。
本発明に係る高強度熱延鋼板は、特に延性を向上させるために、体積率で50%以上のフェライトと10%以上のマルテンサイトを含む組織からなるものである。フェライトの体積率を50%以上とし、さらにマルテンサイトの体積率を10%以上とすることによって、降伏比を低下させることができ、フェライトの加工硬化が促進されることによって鋼板の歪み分布が一様化されるので一層延性が向上する。ここで、フェライトの体積率は、より好ましくは60%以上、さらに好ましくは70%以上である。そして、マルテンサイトの体積率は、より好ましくは15%以上、さらに好ましくは20%以上である。第2相は、マルテンサイト以外に、パーライト、セメンタイト、ベイナイト、残留オーステナイトのうちの1種以上を含んでも良い。
1.2≦D≦7・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)式
D≦2.7+5000/(5+350・C+40・Mn)2・・・(3)式
すなわち、その一定の範囲とは、1.2μmを下限とし、そして、2.7+5000/(5+350・C+40・Mn)2μm及び7μmのうちの小さい方の値を上限とする範囲のことである。
D/3≦d≦3D・・・・・・・・・・・・・・・・(5)式
すなわち、面積割合でフェライト結晶粒の80%以上が、平均結晶粒径D(μm)の1/3から3倍の範囲に収まるような粒径分布となることが好ましい。好ましくは85%以上のフェライト結晶粒が平均結晶粒径D(μm)の1/3から3倍の範囲に収まるような粒径分布となることであり、より好ましくは90%以上のフェライト結晶粒が平均結晶粒径D(μm)の1/3から3倍の範囲に収まるような粒径分布となることである。
フェライトの平均結晶粒径が上記の(2)式及び(3)式を満足する一定の範囲内にある鋼板の粒成長速度の温度特性は、700℃近傍の温度におけるフェライトの粒成長速度によって決定される。したがって、鋼板表面から板厚の1/4の深さ位置におけるフェライトの平均結晶粒径の700℃における増加速度X(μm/min)と前記平均結晶粒径D(μm)が下記の(4)式を満足することが必要となる。
D・X≦0.1・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)式
すなわち、フェライトの平均結晶粒径の増加速度X(μm/min)と平均結晶粒径D(μm)の積D・X(μm2/min)を、0.1μm2/min以下に保つことで、溶接や溶融めっき工程における主要な熱履歴に対して安定となり、良好な熱的安定性が得られる。より優れた熱安定性を得るためには、積D・Xを0.07μm2/min以下にするのが好ましく、0.05μm2/min以下にするのがさらに好ましい。
圧延は、レバースミルもしくはタンデムミルを用いて、オーステナイト温度域で行う。工業的生産性の観点からは、少なくとも最終の数段はタンデムミルを用いるのが好ましい。
圧延を終了後、オーステナイトに導入された加工歪みを解放することなく、これを駆動力としてオーステナイトからフェライトへと変態させ、微細なフェライト結晶粒組織を生成させるために、圧延終了から0.4秒以内に720℃以下の温度まで、好ましくは700℃以下の温度まで、冷却する。好ましくは、圧延終了から0.2秒以内に720℃以下の温度まで冷却する。さらに好ましくは圧延終了から0.2秒以内に700℃以下の温度まで冷却する。冷却は、水冷を用いるのが望ましく、そして、その冷却速度は、空冷期間を除外し強制冷却を行っている期間の平均冷却速度として、400℃/秒以上とするのが、好ましい。なお、この圧延終了後の冷却はフェライトを生成させるためのものであるから、Ar 3 点を下回る温度まで冷却する必要があることは、言うまでもない。
本発明において、上記の冷却を行う設備は限定されない。工業的には、水量密度の高い水スプレー装置を用いることが好適である。例えば、圧延板搬送ローラーの間に水スプレーヘッダーを配置し、板の上下から十分な水量密度の高圧水を噴射することで冷却することができる。
表2に、このようにして得られた高強度熱延鋼板の組織とその性質および引張試験結果を示す。
Claims (5)
- 質量%で、C:0.02〜0.2%、Si:2%以下、Mn:0.5〜3%、Cr:1.5%以下、Mo:1%以下、Al:2%以下、P:0.2%以下、S:0.05%以下、N:0.01%以下を含有し、残部Feおよび不純物からなり、かつ下記の(1)式で定義されるマンガン当量Mneqが1.6%以上を満足する化学組成を有するとともに、体積率で、50%以上のフェライトと10%以上のマルテンサイトを含有する組織を有する熱延鋼板であって、鋼板表面から板厚の1/4の深さ位置におけるフェライトの平均結晶粒径D(μm)が下記の(2)式及び(3)式を満足するとともに、鋼板表面から板厚の1/4の深さ位置におけるフェライトの平均結晶粒径の700℃における増加速度X(μm/min)と前記平均結晶粒径D(μm)が下記の(4)式を満足し、さらに、鋼板表面から板厚の1/4の深さ位置において、結晶粒径d(μm)が下記の(5)式を満足するフェライト結晶粒の上記位置におけるフェライトに占める面積割合が80%以上であることを特徴とする高強度熱延鋼板。
Mneq=Mn+0.5・Si+0.9・Al+1.1・Cr+2.7・Mo・・(1)式
1.2≦D≦7・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)式
D≦2.7+5000/(5+350・C+40・Mn)2・・・(3)式
D・X≦0.1・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)式
D/3≦d≦3D・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)式
ここで、Mn、Si、Al、Cr、Mo及びCは鋼中の各元素の含有量(単位:質量%)を示す。 - Feの一部に代えて、質量%で、Nb:0.1%以下及びTi:0.2%以下からなる群から選ばれる1種または2種を含有することを特徴とする、請求項1に記載の高強度熱延鋼板。
- Feの一部に代えて、質量%で、Ca:0.010%以下を含有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の高強度熱延鋼板。
- 熱間仕上圧延をAr3点以上の温度で終了し、0.4秒以内にAr 3 点を下回りかつ720℃以下の温度まで冷却した後、620〜720℃の温度域から1〜10秒間空冷した後、30℃/秒以上の冷却速度で350℃以下まで冷却し、巻き取ることを特徴とする、請求項1から3までのいずれかに記載の高強度熱延鋼板の製造方法。
- 熱間仕上圧延をAr3点以上の温度で終了し、400℃/秒以上の冷却速度で0.2秒以内にAr 3 点を下回りかつ720℃以下の温度まで冷却した後、620〜720の温度域から1〜10秒間空冷した後、30℃/秒以上の冷却速度で350℃以下まで冷却し、巻き取ることを特徴とする、請求項1から3までのいずれかに記載の高強度熱延鋼板の製造方法。
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