JP4821182B2

JP4821182B2 - 加工性に優れた高張力鋼板の製造方法

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Publication number: JP4821182B2
Application number: JP2005185013A
Authority: JP
Inventors: 公宏西村; 正雄柚賀
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: JP2007002311A

Description

本発明は、非調質厚鋼板に係わり、特に、橋梁、建築、造船、建設機械、産業機械、海洋構造物、ペンストック等に用いて好適な、加工性に優れた高張力厚鋼板及びその製造方法に関する。

建築、橋梁、貯蔵タンク、圧力容器などに用いられる鋼板には、高い強度と靭性に加え、成形後の変形回復（スプリングバック）の少ない、優れた加工性も要求される。近年、これらの鋼板に対しては、さらなる高強度化が求められ、５５０ＭＰａ級以上の高張力鋼板が多く用いられるようになってきている。一方、それら鋼板の高強度化に伴い、加工性は低下する傾向にあるため、加工性の改善に対する要望は強い。

従来の調質高張力鋼板やＴＭＣＰ鋼板などの溶接構造用鋼板は、高い強度を有するものの、比較的強度の低い鋼板に比べ加工性に劣っていた。

一般的に、加工性の改善の方法としては、塑性変形能を高めるという意味で、引張強さに対する上降伏点の比を表す降伏比（以下「ＹＲ」と記載する。）の低減が考えられる。引張強さ（以下「ＴＳ」と記載する。）が５７０ＭＰａ級以上の鋼板の低ＹＲ化を図る方法としては、（γ＋α）２相域からの焼入を含む複数の段階の熱処理によって、フェライトと硬質の第２相からなる混合組織を生成させる方法が一般的である（例えば、特許文献１参照。）。

また、圧延後から水冷開始までに鋼板を空冷する時間を設け、初析フェライトを生成させることによって低ＹＲ化を図る方法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、Ａ_r3点以上から４００〜６５０℃までの冷却において、１〜１５℃／ｓｅｃの比較的ゆるやかな冷却速度に制御する方法も知られている（例えば、特許文献３、特許文献４参照。）。

あるいは、圧延後の加速冷却をＡ_r3点直下で停止し、誘導加熱方式により再加熱することにより低ＹＲ化を図る方法も知られている（例えば、特許文献５、特許文献６参照。）。

そして、例えば曲げ加工のような加工の場合、鋼板の表層に近づくほど大きな歪が加わるので、表層部をできるだけ軟質化させることで鋼板の加工性を向上させることも考えられる。

表層部をできるだけ軟質化させる方法としては、冷却を一旦中断し、表層部に生成したベイナイト相を、Ａ_c1変態点以上に復熱させることにより、部分的に軟質のフェライト相に変態させた後、再び冷却する方法が知られている（例えば、特許文献７参照。）。

以上述べたものとは全く異なるが、溶接性に優れ、材質のばらつきの少ない高張力鋼材の製造方法も知られている（例えば、特許文献８参照。）。Ｃ含有量を0.001〜0.025質量%の範囲に制限したうえで添加合金成分を適正に調整した鋼素材を、Ａ_c3点〜１３５０℃の温度に加熱後、最終仕上げ温度８００℃以上で熱間圧延を終了し、次いで１０℃／ｓ以下で冷却することで、材質のばらつきの少ない高張力鋼材を製造する技術である。この鋼板は板厚方向における硬さの差が最大でもビッカ−ス硬さ（Ｈｖ）で１３以下と非常に小さいため、加工性に優れるものと推定される。
特公昭５９−５２２０７号公報特開昭５９−２１１５２８号公報特開平１−１７６０２７号公報特開平５−２１４４４０号公報特開２００３―２１３３３２号公報特開２００３―２１３３３３号公報特開平３−１８８２１６号公報特許第３４６５４９４号公報

しかし、上記の従来技術には以下のような問題がある。

特許文献１に記載の方法は、大幅な低ＹＲ化が可能である一方、複数の段階の熱処理が必要となるため、製造コストが増大する。

特許文献２に記載の方法では、生産性が低下し、製造コストが増大する。

特許文献３、特許文献４に記載の方法も、生産性が低下し、製造コストが増大する。また、特許文献４に記載の実施例によれば、製造される対象となる鋼板の強度は高々５００ＭＰａ級にとどまる。

特許文献５、特許文献６に記載の方法は、加速冷却を行なうための設備が必要となる。

特許文献７に記載の方法では、一旦冷却された表面部分をＡ_c1変態点以上の比較的高温に復熱するまで冷却を中断し、また、ベイナイト相をフェライト相に変態させるのに、比較的長時間を要することから、冷却初期段階において板厚中心部の冷却速度が低下してしまい、高い冷却速度で冷却する場合のような高強度化の効果を得ることができない。また、鋼板内部の熱を利用した表層部の復熱の場合、内部は高温のままの状態にあるわけだから、表層部に比べ大幅に強度低下してしまうことは避けられない。

特許文献８に記載の方法は、鋼板の板厚方向の硬さの分布が平坦化される製造方法であるという点で優れているものの、後述のように、表層部の方が内部よりもむしろ軟らかい方が、さらに加工性に優れるわけであり、これを実現するまでには至っていない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、複数の段階の熱処理や冷却開始温度の規制など、生産性の低下や製造コストの増大を招くことなく、高い強度と優れた加工性をあわせもつ高張力鋼板及びその製造方法を提供することを目的とする。

発明者らは、直接焼入れ型高張力鋼板における加工性低下の原因と、加工性を向上させる方法についての研究を進めた。そして、制御冷却あるいは直接焼入れ型の高張力鋼板は、表層部（裏面側を含む両表層部）が内部に比べ硬化しており、このように表層部に硬化層が存在することが加工性を低下させる原因となっていることに気付いた。さらに研究を進めた結果、表層部の硬化層を無くすことにより、鋼板の曲げ加工性が向上し、低ＹＲ化にもつながることがわかった。また、表層部を内部よりもむしろ軟らかくすると、さらに優れた加工性を得られることも分かった。

しかしながら、特許文献８のように、板厚方向における硬さの差がビッカ−ス硬さ（Ｈｖ）で１３以下になるような方法によってもなお、表層部の方が内部よりもむしろ軟らかい鋼板は実現できていない。そこで、発明者らは、鋼板の表層部と内部に温度差がつくように再加熱することで、そのようなさらに優れた加工性を有する鋼板を製造することができないか、詳細にその方法を検討した。

特許文献８に記載の鋼板は、Ｎｂを0.005〜0.20質量%含有しているため、再加熱により軟質化させるためには、かなりの高温を必要とする。

発明者らの研究によれば、加工性の向上に効果を上げるためには、鋼板表面でＡ_c1変態点を超える温度までの加熱が必要ということがわかった（本発明の出願時未公開の特願２００５−１８４６８５参照。）が、Ａ_c1変態点を超える加熱は、エネルギーを要し、製造コストの増大を招く場合もあるため、鋼板の成分の適正化を図った上、より低温側での熱処理が可能なプロセスもあわせて見出し、本発明に至ったものである。

本発明は、以上述べたような詳細な研究の結果、得られた知見によって完成されたものであり、その特徴は以下の通りである。
１．質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０３％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ａｌ：０．０１〜０．０８％、Ｍｏ：０．２０〜０．８０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、Ｂ：０．００１０〜０．００４０％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｎ：０．０１０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成を有する鋼素材を、１０００℃〜１３００℃に加熱後、９５０℃以下での累積圧下率３０％以上、圧延終了温度を７５０℃以上で熱間圧延して鋼板とした後、５５０℃以下まで冷却を行い、その後、鋼板表層部が６５０℃以上、Ａ_ｃ１変態点未満に、板厚中心部が６３０℃以下になるように再加熱することを特徴とする下記（１）式を満たす加工性に優れた高張力鋼板の製造方法。
鋼板の表層部の硬さ＋15Ｈｖ＜鋼板の板厚中心部の硬さ・・・（１）
ここで、表層部の硬さ及び板厚中心部の硬さは、ビッカース硬さ（Ｈｖ）として測定されたものである。

２.さらに、成分組成が、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：０．５％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｃａ：０．００３０％以下、Ｒｅｍ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．００５％以下から選んだ少なくとも１種または２種以上を含有することを特徴とする１記載の加工性に優れた高張力鋼板の製造方法。

本発明によれば、表層部を、内部よりも軟らかくすることで、高い強度と優れた加工性をあわせもつ高張力鋼板を得られる。また、このような高張力鋼板を複数の段階の熱処理や冷却開始温度の規制など、生産性の低下や製造コストの増大を招くことなく、経済的に製造することができる。

まず、本発明の高張力鋼板の化学成分の範囲とその規定理由について、主として高い強度と靭性を持つようにする観点から、まず説明する。以下の説明において％で示す単位は全て質量％である。

C:0.005〜0.03%
Cは、鋼の強度を向上する元素であり、本発明では再加熱後も所望の強度を確保するためには0.005%以上の含有を必要とするが、0.03%を超えると、鋼板の表層部が著しく硬くなり、再加熱による軟質化の作用を妨げるため、Cは0.005〜0.03%の範囲に規定した。なお、好ましくは0.018〜0.025%である。

Si：0.05〜0.50%
Siは、脱酸剤として作用する元素であり、本発明では、脱酸を有効に行うための製鋼上の要請から、0.05%以上の含有を必要とするが、0.50%を超えて含有すると、靭性を低下させる。このため、Siは、0.05〜0.50%の範囲に規定した。なお、好ましくは0.20〜0.35%である。

Mn：1.0〜2.5%
Mnは、鋼の強度を向上する元素であり、本発明では、所望の強度を得るため、1.0%以上の含有を必要とする。一方、2.5%を超える含有は、溶接部の靭性を低下させる。このことから、Mnは、1.5〜2.5%の範囲に規定した。

Al：0.01〜0.08%
Alは、脱酸剤として作用し、このためには0.01%以上の含有を必要とするが、0.08%を超えて含有すると、靭性を低下させるとともに、溶接した場合に、溶接金属部の靭性を低下させる。このため、Alは、0.01〜0.08%の範囲に規定した。なお、好ましくは、0.02〜0.04%である。

Mo：0.20〜0.80%
Moは、焼き入れ性の向上により、鋼の強度を向上する元素であり、この効果を得るには、0.20%以上の含有を必要とする。一方、0.80%を超える含有は、靭性に悪影響を与える。このため、Moは、0.20〜0.80%の範囲に規定した。なお、好ましくは0.20〜0.50%である。

Ti：0.005〜0.025%
Tiは、TiNを形成して鋼中のNを固定することによってBの効果を有効に発揮させる作用を持つ元素である。また、スラブ加熱時ならびに溶接熱影響部でのオーステナイト粒成長を抑制して組織を微細化する効果もある。これらの効果を十分に発揮させるには、0.005%以上の添加が必要であるが、0.025%を超えて含有すると、靭性を低下させるので、0.005〜0.025%の範囲に規定した。なお、好ましくは0.008〜0.020%である。

B：0.0010〜0.0040%
Bは、微量の添加によって旧オーステナイト粒界エネルギーを低下させてフェライトの核生成を抑制するのに有効に機能する。この効果を得るには、0.0010%以上の添加が必要であるが、0.0040%を超えると、靭性を低下させるので、0.0010〜0.0040%の範囲に規定した。なお、好ましくは0.0005〜0.0025%である。

P：0.050%以下、S：0.0050%以下、N：0.010%以下
Pは、含有量が0.050%を超えると溶接部の靭性を低下させるので、0.050%以下に抑制するものとする。同じく、Sも、0.0050%を超えると母材および溶接部の靭性を低下させるので、0.0050%以下に抑制するものとする。

Nは0.010%を超えると靭性を低下させるので、0.010%以下に抑制する。

以上が本発明の基本成分である。本発明では、基本成分に加えてさらに、下記成分を選択して含有することができる。それらは、Cu:1.0%以下、Ni:2.0%以下、Cr:0.5%以下、V:0.1%以下、Ca：0.0030%以下、Rem：0.02%以下、Mg：0.005%以下の中から選んだ少なくとも１種または２種以上であり、これらの元素は、いずれも鋼の強度を向上するのに寄与するか、ＨＡＺ（溶接熱影響部）靭性を向上するのに寄与する元素であり、必要に応じ、単独あるいは複合して含有することができる。各選択成分の範囲とその規定理由について、以下に説明する。

Cuは、固溶強化により鋼の強度を向上する元素である。本発明では、0.05%以上含有してもよいが、1.0%を超えて含有すると、靭性が低下する。このため、Cuは、0.05〜1.0%の範囲で含有してもよい。

Niは、靭性を保ちつつ強度を向上する元素である。本発明では、0.05%以上含有してもよいが、2.0%を超えて含有しても効果が飽和するため、コスト的に不利となる。このため、Niは、0.05〜2.0%の範囲で含有してもよい。

Crは、鋼の強度を向上する元素である。本発明では、0.05%以上含有してもよいが、0.5%を超えて含有するとＨＡＺ（溶接熱影響部）の靭性が低下する。このため、Crは0.05〜0.5%の範囲で含有してもよい。

Vは、V(CN)として析出強化により、鋼の強度を向上する元素であり、0.003%以上含有してもよいが、0.1%を超えて含有すると、靭性を低下させる。このため、Vは、0.003〜0.1%の範囲で含有してもよい。

Caは、0.0003%以上の含有で、介在物の形態制御により、S、Oとのバランスを適切に選択することで、ＨＡＺ（溶接熱影響部）靭性を向上させる。一方、0.0030%を超えて含有してもその効果が飽和する。このため、Ｃａは、0.0003〜0.0030%の範囲で含有してもよい。

Remは、Rem(O、S)を形成してＨＡＺ（溶接熱影響部）靭性を向上させる。このような効果は、0.0003%以上の含有で認められるが、0.02%を超えて含有しても、その効果が飽和する。このためRemは、0.0003〜0.02%の範囲で含有してもよい。なお、Remとは希土類元素のことを意味し、代表的なものは、La、Ce、Hfなどである。

Mgは、結晶粒の微細化により強度を向上する元素であるが、含有量が0.005%を超えるとその効果は飽和に達するので、Mgは、0.005%以下の範囲で含有してもよい。

上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。

例えば、Nbは、本発明において、不可避的不純物に該当する。Nbは、再加熱時にNbCとして析出して、鋼板表層部が再加熱時に軟質化するのを妨げてしまうため、不可避的不純物に該当するレベルの0.005%以下に抑える。

さて、次に、優れた加工性をもつようにする観点から、本発明の鋼板は、下記（１）式を満たす必要がある。
表層部の硬さ＋15Ｈｖ＜板厚中心部の硬さ・・・（１）
鋼板の硬さが（１）式を満たす場合に、優れた曲げ加工性が得られるからである。（１）式において、「表層部の硬さ」及び「板厚中心部の硬さ」はビッカ−ス硬さとして測定されたものであり、（１）式は、鋼板の表層部よりも板厚中心部（鋼板の厚さ方向中央部）の方が硬く、その差がビッカ−ス硬さで15よりも大きいことを示すものである。

上記の鋼板を得るための製造プロセスについて、以下に説明する。

まず、上記した組成の溶鋼を、転炉等で溶製し、連続鋳造等で鋼素材とする。

ついで、鋼素材を、1000〜1300℃の温度範囲に加熱し、鋼素材を完全にオーステナイト化する。加熱温度が1000℃未満では、熱間圧延を低温で行うことになり、圧延機への負荷が増大して圧延能率が低下する。一方、加熱温度が1300℃を超えると、結晶粒が粗大化するうえ、酸化ロスが顕著となり、歩留が低下する。

加熱後、950℃以下での累積圧下率30%以上、圧延終了温度750℃以上で熱間圧延を行なう。

本発明にいう950℃以下の圧延は、未再結晶温度域での圧延に相当する。オーステナイト未再結晶域で累積圧下率30%以上の熱間圧延を行うことにより、オーステナイト結晶粒界の面積を増大させ、圧延による歪エネルギーも多く蓄積させることができる。これにより、オーステナイト粒界およびオーステナイト粒内からのベイナイト変態を促進させる。より高温の再結晶域での圧延によるオーステナイト粒の微細化と、上記したオーステナイト未再結晶域での圧延の相乗効果により、生成するベイナイトは、大角粒界で区切られた、パケットサイズの小さいベイナイトとなる。これにより、厚鋼板として良好な靭性が得られる。

熱間圧延は、750℃以上の圧延終了温度で終了するようにする。本発明では、950℃以下の圧延を規定しているため、圧延終了温度は必然的に950℃以下になるが、圧延終了温度が低いほど靭性は向上する。しかし、圧延終了温度を750℃未満にしてもその効果は飽和し、圧延能率を低下させるだけなので、本発明では、圧延終了温度を750℃以上とした。好ましい圧延終了温度は800℃〜900℃である。

熱間圧延終了後、鋼板を冷却するが、冷却は空冷でも、水冷でもよい。水冷には、圧延機の後にオンラインに設置された加速冷却装置を用いるのが、効率もよいし、高強度の鋼板を得られる。

冷却は550℃以下まで行う。550℃以下に冷却する前に次に述べる再加熱を行うと、変態が終了していないため、所望の鋼板の強度が得られない場合がある。また、本発明による、表層部を内部よりもむしろ軟らかくする作用が十分でなくなる場合もある。

さて、本発明のように鋼板の表層部の方が内部よりもむしろ軟らかくなるようにするためには、従って、上記のような冷却を行った後に、鋼板表層部を、650℃以上、Ａ_c1変態点未満に、板厚中心部を630℃以下に加熱することが必要になる。鋼板表層部が650℃以下の温度までしか再加熱されない場合には、表層部は軟質化せず、目的とする表層部が内部より軟らかい硬さの分布にならない。

再加熱による軟質化は、変態によって生成した硬質のベイナイト組織が回復することにより生じるが、この効果は、本発明の鋼板では、650℃以上への再加熱で顕著になる。

鋼板表層部の再加熱をＡ_c1変態点未満とするのは、Ａ_c1変態点以上の温度まで再加熱を行うと、鋼板表層部の組織が不均一となることに加え、表層部の硬度低下も顕著となり、かつ、鋼板の内部の温度も上昇し、鋼板全体としての強度が大幅に低下する恐れがあるからである。

一方、鋼板全体として所望の強度を確保するため、鋼板内部の強度まで低下させないようにすることが必要である。このためには、鋼板の成分設計と再加熱時の温度管理が重要であり、成分設計については前述した通りである。再加熱時の温度管理としては、鋼板内部の代表である板厚中心部の再加熱は630℃以下の温度までに制限する。630℃を超えると、鋼板内部の硬度低下が顕著になり、やはり、本発明による、表層部を内部よりもむしろ軟らかくする作用が十分でなくなるか、鋼板全体としての強度が大幅に低下する恐れがあるからである。なお、鋼板の温度は、表面の温度を放射温度計等によって測定するよりほかに方法がないため、本発明に規定する鋼板の温度は、特にことわらない限り、全て、鋼板の表面の温度を以って代表するものとする。

鋼板の板厚方向に上記の温度分布を与えるには、鋼板を加熱炉にて加熱する際、加熱時間を十分長くとらずに表層部が内部よりも高い温度の状態で加熱炉から抽出する方法や、図１に示すように誘導加熱装置１０により鋼板１の表層部を集中的に発熱させる方法、あるいは、図２に示すように、被圧延材である鋼板１の幅方向に列設したバーナのバーナ炎２により、鋼板１の表面を加熱する方法等を用いることができる。誘導加熱装置を用いる場合、その配置は、厚板圧延ラインにおける搬送経路上、すなわち、オンラインでも、あるいはオフラインでも構わないが、エネルギーコストの観点からは、圧延、冷却直後に加熱が可能なオンラインとすることが好ましい。また、誘導加熱装置やバーナにより加熱する場合、板厚中心部がＡ_c1変態点を超えて加熱されないようにするための、板厚に応じた加熱時間の関係を、モデル式や数表にて予め決めておき、再加熱対象の被圧延材がくるごとに、その関係から決まる加熱時間だけ、手動または自動で再加熱するようにするのが好ましい。

表１に示す各組成の溶鋼を、転炉で溶製し、連続鋳造法で鋼素材（スラブ）とした（鋼記号Ａ〜ＡＣ）。これらスラブ（鋼素材：250mm厚）を用いて、表２に示す圧延条件にて板厚40mmに熱間圧延して、空冷または水冷した後、誘導加熱装置による再加熱を行い、Ｎｏ．１〜３９の供試鋼を得た。板厚表面の温度は、放射温度計で、板厚中心部の温度は、誘導加熱の入力電力量から求められる表層部の発熱量と、表面温度の測定値から、シミュレーションにより、求めた。

これらの厚鋼板について、全厚のＪＩＳ５号引張試験片を採取し、引張試験を行い、降伏点（ＹＳ）、引張強さ（ＴＳ）を測定した。また、板厚の1/4の厚さの部分（1/4t部）がちょうど板厚中心になるようにJIS４号衝撃試験片を採取し、シャルピー試験を行って、破面遷移温度（vTrs）を求めた。さらに、板厚方向の硬さの分布を測定し、表層部の硬さと内部（板厚中心部）の硬さを測定し、その差（ΔHv）を求めた。硬さは、板厚方向の断面を、ダイヤを当てる面にして測定した、ビッカース硬さにより評価し、表層部の硬さは、表面から板厚方向に2mmの位置の測定値である。その結果を表３に示す。ここで、鋼板の材質としての所望の値は、ＹＳ＞450MPa、ＴＳ＞570MPa、ＹＲ＜0.85、vTrs＜-20℃、ΔHv＞15とした。

化学成分、製造条件が本発明の範囲内であるＮｏ．１〜１４の鋼板は、機械的性質、硬さの分布ともに上記の目標とする範囲内に入った。しかし、化学成分あるいは製造条件が本発明の範囲から外れるＮｏ．１５〜３９の鋼板は、強度（ＹＳ、ＴＳ）、靭性（vTrs）のどれかが上記の目標とする範囲から外れていた。

本発明の実施の形態について説明するための図である。（ａ）平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）正面図。本発明の実施の形態について説明するための図である。

符号の説明

１鋼板（被圧延材）
２バーナ炎
１０誘導加熱装置
３０テーブルローラ

Claims

質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０３％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：１．０
〜２．５％、Ａｌ：０．０１〜０．０８％、Ｍｏ：０．２０〜０．８０％、Ｔｉ：０．０
０５〜０．０２５％、Ｂ：０．００１０〜０．００４０％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：
０．００５０％以下、Ｎ：０．０１０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物
の成分組成を有する鋼素材を、１０００℃〜１３００℃に加熱後、９５０℃以下での累積
圧下率３０％以上、圧延終了温度を７５０℃以上で熱間圧延して鋼板とした後、５５０℃
以下まで冷却を行い、その後、鋼板表層部が６５０℃以上、Ａ_ｃ１変態点未満に、板厚中
心部が６３０℃以下になるように再加熱することを特徴とする下記（１）式を満たす加工性に優れた高張力鋼板の製造方法。
鋼板の表層部の硬さ＋15Ｈｖ＜鋼板の板厚中心部の硬さ・・・（１）
ここで、表層部の硬さ及び板厚中心部の硬さは、ビッカース硬さ（Ｈｖ）として測定されたものである。
さらに、成分組成が、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：０．５％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｃａ：０．００３０％以下、Ｒｅｍ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．００５％以下から選んだ少なくとも１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の加工性に優れた高張力鋼板の製造方法。