JP4893844B2 - 成形性および耐衝撃性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
α≦50000×{(Ti%)/48+(Nb%)/93+(Mo%)/96+(V%)/51}である穴拡げ性に優れた低降伏比の高強度冷延鋼板や高強度めっき鋼板が提案されている。
(%Mn)+1000×(%B) ≧ 35×(%C) …(1)
[2]前記焼戻しマルテンサイト相の平均粒径が2.0μm以上であることを特徴とする[1]に記載の成形性および耐衝撃性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板。
C:0.03〜0.13%
Cは、鋼を強化するにあたり重要な元素であり、高い固溶強化能を有するとともに、マルテンサイト相による組織強化を利用する際に、その面積率や硬度を調整するために不可欠な元素である。C量が0.03%未満では、必要な面積率のマルテンサイト相を得るのが困難になるとともに、マルテンサイト相が硬質化しないため、十分な強度が得られない。一方、C量が0.13%を超えると、溶接性が劣化するともに、マルテンサイト相が著しく硬化するとともに、自己焼戻し作用が抑制されて成形性、特に穴拡げ性の低下を招く。したがって、C量は0.03〜0.13%とする。
Siは、本発明において極めて重要な元素であり、焼鈍時に、フェライト変態を促進するとともに、フェライト相からオーステナイト相へ固溶Cを排出してフェライト相を清浄化し、延性を向上させると同時に、オーステナイト相を安定化するため急冷が困難な連続溶融亜鉛めっきラインで焼鈍する場合でもマルテンサイト相を生成し、複合組織化を容易にする。また、Siは、フェライト相を固溶強化してフェライト相とマルテンサイト相の硬度差を低減し、その界面での亀裂の生成を抑制して局部変形能を改善し、穴拡げ性の向上に寄与する。さらに、フェライト相に固溶したSiは、加工硬化を促進して延性を高めるとともに、歪が集中する部位での歪伝播性を改善して穴拡げ性を向上させるともに高速変形時の局所的な破壊を抑制する。こうした効果を得るには、Si量を1.0%以上にする必要がある。一方、Si量が2.0%を超えると、効果が飽和するとともに、表面性状に甚大な問題を生ずるようになる。したがって、Si量は1.0〜2.0%とする。
Mnは、鋼の熱間脆化の防止ならびに強度確保のために有効であるとともに、焼入れ性を向上させて複合組織化を容易にする。さらに、焼鈍時に未変態オーステナイト相の割合を増加させて、そのC濃度を減少させ、焼鈍時の冷却過程や溶融亜鉛めっき処理後の冷却過程で生成するマルテンサイト相の自己焼戻しを生じやすくし、最終組織でのマルテンサイト相の硬度を低減し、局部変形を抑制して穴拡げ性の向上に大きく寄与する。さらに、Mnの添加は変態点を低下させて加熱時のオーステナイトへの逆変態を促進し、マルテンサイト相を緻密に分散させる。こうした効果を得るには、Mn量を2.4%以上にする必要がある。一方、Mn量が3.5%を超えると、偏析層の生成が著しく成形性の劣化を招く。したがって、Mn量は2.4〜3.5%とする。
Pは、所望の強度に応じて添加できる元素であり、また、フェライト変態を促進するために複合組織化にも有効な元素である。こうした効果を得るには、P量を0.001%以上にする必要がある。一方、P量が0.05%を超えると、溶接性の劣化を招くとともに、亜鉛めっきを合金化処理する場合には、合金化速度を低下させ、亜鉛めっきの品質を損なう。したがって、P量は0.001〜0.05%とする。
Sは、粒界に偏析して熱間加工時に鋼を脆化させるとともに、硫化物として存在して局部変形能を低下させるため、その量は0.01%以下、好ましくは0.003%以下、より好ましくは0.001%以下とする必要がある。しかし、生産技術上の制約から、S量は0.0001%以上にする必要がある。したがって、S量は0.0001〜0.01%、好ましくは0.0001〜0.003%、より好ましくは0.0001〜0.001%とする。
Alは、フェライト相を生成させ、強度-延性バランスを向上させるのに有効な元素である。こうした効果を得るには、Al量を0.001%以上にする必要がある。一方、Al量が0.1%を超えると、表面性状の劣化を招く。したがって、Al量は0.001〜0.1%とする。
Nは、鋼の耐時効性を劣化させる元素である。特に、N量が0.01%を超えると、耐時効性の劣化が顕著となる。その量は少ないほど好ましいが、生産技術上の制約から、N量は0.0005%以上にする必要がある。したがって、N量は0.0005〜0.01%とする。
Bは、焼入れ性を向上させて複合組織化を容易にする。さらに、冷却時のフェライトやバーライトなどの拡散変態を抑制して、未変態オーステナイト相の割合を増加させて、そのC濃度を減少させ、焼鈍時の冷却過程や溶融亜鉛めっき処理後の冷却過程で生成するマルテンサイト相の自己焼戻しを生じやすくし、最終組織でのマルテンサイト相の硬度を低減し、局部変形を抑制して穴拡げ性の向上に大きく寄与する。こうした効果を得るには、B量を0.0003%以上にする必要がある。一方、B量が0.01%を超えると、延性の低下を招く。したがって、B量は0.0003〜0.01%とする。
焼戻しマルテンサイト相は、主に溶融亜鉛めっき後の2次冷却の過程でマルテンサイト変態と同時に焼戻しが起こる自己焼戻しにより生成するが、これを効率的に生ぜしめるには、Ms点を上昇させるように未変態オーステナイト中のC濃度は小さいほど好ましい。ベイナイト相は均熱後の1次冷却もしくは引続く保持過程で生成するが、これを効率的に生ぜしめるには、未変態オーステナイトが安定しないようにC濃度は小さいほど好ましい。したがって、焼戻しマルテンサイト相とベイナイト相を所定の分率で得るためには、焼鈍時の未変態オーステナイト量とその中のC濃度を調整する必要がある。未変態オーステナイト量は変態点を成分元素で制御して調整ができるが、特に影響が大きいMnとBの添加量を厳密に制御する必要がある。未変態オーステナイト中のC濃度は、鋼中への添加量に加え、C元素が均熱時に未変態オーステナイト中に分配される傾向を持つことから未変態オーステナイト量に強く依存する。これらを考慮して、上記した成分組成の範囲内で焼戻しマルテンサイト相とベイナイト相を所定の分率で得るためには、Mn、B、Cの添加量は経験的に求めた下式の範囲に制御する必要がある。
(%Mn)+1000×(%B) ≧ 35×(%C)
Tiは、C、S、Nと析出物を形成して強度および靭性の向上に有効に寄与する。また、析出強化により鋼を強化するため、所望の強度に応じて添加できる。さらに、TiはBと同時に含有させた場合には、NをTiNとして析出させるため、BNの析出が抑制され、上記したBの効果が有効に発現される。こうした効果を得るには、Ti量を0.0005%以上にする必要がある。一方、Ti量が0.1%を超えると、析出強化が過度に働き、延性の低下を招く。したがって、Ti量は0.0005〜0.1%とする。
Nbは、析出強化により鋼を強化するため、所望の強度に応じて添加できる。こうした効果を得るには、Nb量を0.0005%以上添加する必要がある。Nb量が0.05%を超えると、析出強化が過度に働き、延性の低下を招く。したがって、Nb量は0.0005〜0.05%とする。
Cr、Mo、Ni、Cuは、固溶強化元素としての役割のみならず、焼鈍時の冷却過程において、オーステナイト相を安定化し、複合組織化を容易にする。こうした効果を得るには、Cr量、Mo量、Ni量、Cu量は、それぞれ0.01%以上にする必要がある。一方、Cr量が1.0%、Mo量が1.0%、Ni量が2.0%、Cu量が2.0%を超えると、めっき性、成形性、スポット溶接性が劣化する。したがって、Cr量は0.01〜1.0%、Mo量は0.01〜1.0%、Ni量は0.01〜2.0%、Cu量は0.01〜2.0%とする。
Caは、SをCaSとして析出させ、亀裂の発生や伝播を助長するMnSの生成を抑制し、穴拡げ性を向上させる効果を有する。このような効果を得るには、Ca量を0.001%以上にする必要がある。一方、Ca量が0.005%を超えると、その効果は飽和する。したがって、Ca量は0.001〜0.005%とする。
焼戻しマルテンサイト相とベイナイト相の合計の面積率(ベイナイト相がないときは焼戻しマルテンサイト相の面積率):30%以上
ミクロ組織には、980MPa以上の強度を達成するために、マルテンサイト相を含有する。穴拡げ性のような局所変形能を向上し、かつ高速変形時の歪み伝播性を高めるために、マルテンサイト相は比較的軟質な焼戻しされたマルテンサイト相を含む必要がある。このような効果は焼戻しマルテンサイトの一部がベイナイトに置き換わっても同様に得ることができる。これらの効果を有効に発現するためには、組織全体に占める焼戻しマルテンサイト相とベイナイト相の合計の面積率を30%以上(ベイナイト相がないときは焼戻しマルテンサイト相の面積率を30%以上)にする必要がある。マルテンサイト相は、焼戻しされていないマルテンサイト相を含むことができる。なお、焼戻しマルテンサイト相とベイナイト相の両方を含む場合には、強度確保の観点から組織全体に占める焼戻しマルテンサイト相の割合は10%以上であることが好ましい。
焼戻しマルテンサイトが上記した面積率を満足したとしても、粗大かつ疎に分布した場合には、それらの隣接する異相との界面での亀裂伝播が進行し易く、特に高速変形での延性を低下させ充分なエネルギー吸収能を得ることができない。焼戻しマルテンサイトが微細かつ密に分布した場合には、各々の焼戻しマルテンサイト粒が亀裂伝播の抵抗になり、特に高速変形での延性を上昇させエネルギー吸収能を向上させる。この効果を充分に得るためには、焼戻しマルテンサイト相の最近接間距離を10μm以下とする必要がある。
焼戻しマルテンサイト相の粒径が過度に微細になると、局所的な亀裂の発生の起点が高密度となり、局部変形能を低下させやすくなるので、その平均粒径を2.0μm以上にすることが好ましい。
LTM = ( dM / 2 ) × ( 4π/ 3f )1/3
LTM:最近接間距離
dM:焼戻しマルテンサイト平均粒径
f:焼戻しマルテンサイト面積率
3)製造条件
本発明の高強度溶融亜鉛めっき鋼板は、上述したように、例えば、上記の成分組成を有する鋼板を、5℃/s以上の平均加熱速度でAc1変態点以上の温度域に加熱後、5℃/s未満の平均加熱速度で(Ac3-50)℃以上の温度域に加熱し、引き続き(Ac3-50)℃〜(Ac3+50)℃の温度域で30〜500s均熱し、3〜30℃/sの平均冷却速度で600℃以下の温度域まで1次冷却する条件で焼鈍後、溶融亜鉛めっき処理を施し、200℃〜400℃の温度域を15℃/s以下の平均冷却速度で2次冷却する方法によって製造できる。
5℃/s以上の平均加熱速度でAc1変態点以上の温度域に加熱することにより、回復や再結晶フェライト相の生成を抑制しながらオーステナイト変態を起こさせることができるため、オーステナイト相の割合が増加し、最終的にマルテンサイト相の所定の面積率が得られやすくなる。またマルテンサイト相を均一に分散できるため、焼戻しマルテンサイト相の最近接間距離を低減することができる。その結果、必要な強度を確保し穴拡げ性を向上しながら高速変形での吸収エネルギーを高めることができる。Ac1変態点までの平均加熱速度が5℃/s未満の場合や加熱温度がAc1変態点に満たない場合には、回復、再結晶の進行が著しく、必要な焼戻しマルテンサイトおよびベイナイトの面積率と所定の焼戻しマルテンサイト相の最近接間距離を達成することが困難になる。
所定のマルテンサイト相の面積率や粒径を達成するには、加熱から均熱においてオーステナイト相を適正なサイズまで成長させる必要がある。しかし、高温域での平均加熱速度が大きい場合には、オーステナイト相が微細に分散するため個々のオーステナイト相が成長することができなくなり、最終組織での焼戻しマルテンサイト相を所定の面積率で得ることが困難になる。このため、(Ac3-50)℃以上の高温域への平均加熱速度を5℃/s未満とする。加熱温度が低い場合には、加熱速度を低くしたとしても、未変態オースナイトが成長しないため所定の焼戻しマルテンサイトの面積率を得ることができない。このため、加熱温度は(Ac3-50)℃以上とする。
均熱時にオーステナイト相の割合を高めることにより、オーステナイト相中のC量が低減してMs点が上昇し、溶融亜鉛めっき処理後の冷却過程での自己焼戻し効果が得られるとともに、焼戻しによりマルテンサイト相の硬度が低減してもなお十分な強度の達成が可能となり、980MPa以上のTSと優れた穴拡げ性および高い高速変形時の吸収エネルギーを得ることができる。しかし、均熱温度が(Ac3+50)℃を超えると、未変態オーステナイトの結晶粒径が粗大化し、所定の最近接間距離を満足することができない。また、均熱時間が30sに満たない場合は、未変態オーステナイトが充分に成長しないため、所定のマルテンサイト相の面積率や粒径を得ることができない。一方、均熱時間が500sを超える場合は、効果が飽和するとともに、生産性を阻害する。
均熱後は、均熱温度から3〜30℃/sの平均冷却速度で600℃以下の温度域(冷却停止温度)まで冷却する必要があるが、これは、平均冷却速度が3℃/s未満だと、冷却中にフェライト変態が進行して充分な面積率の未変態オーステナイト相が得られず、また未変態オーステナイト相中へのCの濃化が進み自己焼戻し効果が得られにくく、最終組織での焼戻しマルテンサイト相を所定の面積率と最近接間距離で得ることが困難になり、穴拡げ性の低下と高速変形時のエネルギー吸収能の低下を招く。平均冷却速度が30℃/sを超えると、フェライト変態抑制の効果が飽和するとともに、一般的な生産設備ではこれを実現することが困難となる。また、冷却停止温度を600℃以下としたのは、600℃を超えると、冷却中のフェライト相の生成が著しく、焼戻しマルテンサイト相とベイナイト相を所定の面積率で得ることが困難になるためである。
焼鈍後に、300〜550℃の温度域で20〜150s熱処理することで、自己焼戻しによるマルテンサイト相の硬度の低下をより促進させたり、またはベイナイト相を現出することにより、各相の間の硬度差をより効果的に低減させて穴拡げ性および高速変形時のエネルギー吸収能の一層の改善を図ることができる。熱処理温度が300℃未満の場合や、熱処理時間が20s未満の場合には、こうした効果が小さい。一方、熱処理温度が550℃を超える場合には、フェライト相やパーライト相の変態が進行したり、Cの濃化が過剰となりマルテンサイトの自己焼戻しを阻害するため、最終組織で所定の焼戻しマルテンサイト分率を得ることが困難となる。熱処理時間が150sを超える場合には、その効果が飽和するとともに生産性を阻害する。
溶融亜鉛めっきを施したのち、200℃〜400℃の温度域を15℃/s以下の平均冷却速度となるように2次冷却する必要があるが、これは、自己焼戻しが生ずる温度域での滞留時間を確保するためである。400℃を超える温度ではマルテンサイト変態が充分に生じておらず、200℃未満の温度では元素の拡散が行われないため、平均冷却速度を15℃/s以下にしたとしても自己焼戻しが充分に進行しない。一方、平均冷却速度が15℃/sを超える場合には、マルテンサイト変態が生じたとしても自己焼戻しが充分に進行するのに必要な時間が確保できない。
Claims (9)
- 成分組成は、質量%でC:0.03〜0.13%、Si:1.0〜2.0%、Mn:2.4〜3.5%、P:0.001〜0.05%、S:0.0001〜0.01%、Al:0.001〜0.1%、N:0.0005〜0.01%、B:0.0003〜0.01%を含有し、かつ、C、Mn、Bの含有量が下式(1)を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、組織は、焼戻しマルテンサイト相とベイナイト相を合計の面積率で30%以上(ベイナイト相がないときは焼戻しマルテンサイト相を面積率で30%以上)含有し、かつ、焼戻しマルテンサイト相の最近接間距離が10μm以下であることを特徴とする成形性および耐衝撃性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板。
(%Mn)+1000×(%B) ≧ 35×(%C) …(1) - 前記焼戻しマルテンサイト相の平均粒径が2.0μm以上であることを特徴とする請求項1に記載の成形性および耐衝撃性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板。
- さらに、成分組成として、質量%で、Ti:0.0005〜0.1%、Nb:0.0005〜0.05%から選ばれる少なくとも1種の元素を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の成形性および耐衝撃性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板。
- さらに、成分組成として、質量%で、Cr:0.01〜1.0%、Mo:0.01〜1.0%、Ni:0.01〜2.0%、Cu:0.01〜2.0%から選ばれる少なくとも1種の元素を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の成形性および耐衝撃性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板。
- さらに、成分組成として、質量%で、Ca:0.001〜0.005%を含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の成形性および耐衝撃性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板。
- 高強度溶融亜鉛めっき鋼板が高強度合金化溶融亜鉛めっき鋼板であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の成形性および耐衝撃性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板。
- 請求項1、3〜5のいずれかに記載の成分組成を有する鋼板を、5℃/s以上の平均加熱速度でAc1変態点以上の温度域に加熱したのち、5℃/s未満の平均加熱速度で(Ac3-50)℃以上に加熱し、引続いて(Ac3-50)℃以上(Ac3+50)℃以下の温度域で30〜500s均熱し、3〜30℃/sの平均冷却速度で600℃以下の温度域まで1次冷却し、次いで、溶融亜鉛めっきを施したのち、200℃〜400℃の温度域を15℃/s以下の平均冷却速度となるように2次冷却することを特徴とする成形性および耐衝撃性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
- 前記1次冷却後、前記溶融亜鉛めっきを施す前に、300〜550℃の温度域で20〜150s保持することを特徴とする請求項7に記載の成形性および耐衝撃性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
- 前記溶融亜鉛めっきを施した後、前記2次冷却前に450〜600℃の温度域で亜鉛めっきの合金化処理を施すことを特徴とする請求項7または8に記載の成形性および耐衝撃性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
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