JP5037744B2 - 高強度鋼板及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2010年11月5日に、日本に出願された特願2010−248032号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(1)本発明の一態様に係る高強度鋼板は、その化学組成が、質量%で、C:0.05%以上かつ0.10%未満、Si:0.20%以上かつ0.50%以下、Mn:0.20%以上かつ1.20%未満、Cr:0.20%以上かつ1.20%以下、Mo:0.20%以上かつ0.60%以下、Nb:0.010%以上かつ0.050%以下、Ti:0.005%以上かつ0.030%以下、Al:0.01%以上かつ0.10%以下、B:0.0003%以上かつ0.0030%以下、V:0%以上かつ0.10%以下、Cu:0%以上かつ0.50%以下、Ca:0%以上かつ0.0030%以下を含有し、Ni:0.1%以下、P:0.012%以下、S:0.005%以下、N:0.0080%以下に制限し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、下記(式1)により定義されるPcmが0.22%以下であり、下記(式2)により定義されるAが2.0以下であり、下部ベイナイトの組織分率とマルテンサイトの組織分率との和が90%以上であり、前記下部ベイナイトの組織分率が70%以上であり、旧オーステナイト粒のアスペクト比が2以上であり、降伏強度が885MPa以上であり、引張強度が950MPa以上かつ1130MPa以下である。
Pcm=〔C〕+〔Si〕/30+〔Mn〕/20+〔Cu〕/20+〔Ni〕/60+〔Cr〕/20+〔Mo〕/15+〔V〕/10+5×〔B〕・・・(式1)
A=(〔Mn〕+1.5×〔Ni〕)/(〔Mo〕+1.2×〔V〕)・・・(式2)
ここで、〔C〕、〔Si〕、〔Mn〕、〔Cu〕、〔Ni〕、〔Cr〕、〔Mo〕、〔V〕、〔B〕は、それぞれ、前記化学組成中のC、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Bの質量%である。
Pcm=〔C〕+〔Si〕/30+〔Mn〕/20+〔Cu〕/20+〔Ni〕/60+〔Cr〕/20+〔Mo〕/15+〔V〕/10+5×〔B〕・・・(式3)
A=(〔Mn〕+1.5×〔Ni〕)/(〔Mo〕+1.2×〔V〕)・・・(式4)
ここで、〔C〕、〔Si〕、〔Mn〕、〔Cu〕、〔Ni〕、〔Cr〕、〔Mo〕、〔V〕、〔B〕は、それぞれ、前記化学組成中のC、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Bの質量%である。
その結果、MnおよびNiは、下部ベイナイト変態を抑制する作用があるため、特に水冷を途中で停止するプロセスにおいては、下部ベイナイトの組織分率を低下させ、水冷停止温度が低い時にはマルテンサイトの組織分率を高め、水冷停止温度が高い時には上部ベイナイトの組織分率(上部ベイナイト分率)を高める傾向が強いことが明らかとなった。また、MoおよびVは、フェライトや上部ベイナイトの生成を抑制して、下部ベイナイトの組織分率を高める傾向が強いことも確かめられた。したがって、水冷を途中で停止するプロセスにおいて下部ベイナイト主体の組織を安定的に得やすくするためには、Mn及びNiの量を抑制し、Mo及びVの量を増加させることが非常に有効であることを知見した。具体的には、C量が0.05%以上かつ0.10%未満であり、下記(式5)により定義されるPcmが0.22%以下である成分組成の条件に加えて、下記(式6)により定義されるA(A値)を2.0以下に調整すれば、マルテンサイトの組織分率と下部ベイナイトの組織分率との和が90%以上の場合には下部ベイナイト分率が70%以上である組織が確実に得られることを知見した(図3)。
Pcm=〔C〕+〔Si〕/30+〔Mn〕/20+〔Cu〕/20+〔Ni〕/60+〔Cr〕/20+〔Mo〕/15+〔V〕/10+5×〔B〕・・・(式5)
A=(〔Mn〕+1.5×〔Ni〕)/(〔Mo〕+1.2×〔V〕)・・・(式6)
ここで、〔C〕、〔Si〕、〔Mn〕、〔Cu〕、〔Ni〕、〔Cr〕、〔Mo〕、〔V〕、〔B〕は、それぞれ、化学組成中のC、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Bの質量%である。
まず、本実施形態の鋼成分の限定理由を述べる。なお、以下では、「%」は、「質量%」を意味する。
Cは、下部ベイナイトを主体とする組織を有する本実施形態の鋼の強度に大きく影響する重要な元素である。885MPa以上の降伏強度を得るために、C量は、0.05%以上であることが必要であり、0.055%以上又は0.060%以上であることが好ましい。しかしながら、C量が0.10%以上では引張強度が過剰に高くなる。そのため、C量は、0.10%未満、望ましくは0.095%以下又は0.090%以下である。
Vは、焼入性を向上させ、焼戻しマルテンサイト組織または焼戻しベイナイト組織中での析出強化効果もあり、強度向上に有効であることから、必要に応じてVを添加してもよい。しかしながら、多量のVの添加は溶接性を阻害する場合があり、高価な元素でもあるため、V量は、0.10%以下、望ましくは0.090%以下又は0.080%以下である。また、合金コストの低減のためには、Vを意図的に鋼中に添加する必要がなく、V量の下限は0%である。
Cuは、固溶強化により強度を向上させる元素であり、必要に応じてCuを添加してもよい。例えば、Cu量が0.05%以上になるようにCuを鋼中に添加することができる。しかしながら、Cuを多量に添加すると、固溶強化による強度向上の効果が限界に達する。そのため、Cu量は、0.50%以下、望ましくは0.40%以下又は0.30%以下である。また、Cuは、高価な元素であるので、合金コストを低減するために、Cuを意図的に鋼中に添加する必要がなく、Cu量の下限は0%である。
Caは、鋼板の硫化物を球状化して、MnSによる曲げ加工性の低下を軽減する効果があり、必要に応じてCaを鋼中に添加してもよい。なお、この目的のためにCaを鋼中に添加して、0.0001%以上のCaを鋼中に含有させてもよい。しかし、Caの多量の添加は溶接性を低下させることがあるので、Ca量の上限は、0.0030%以下、望ましくは0.0020%以下または0.0010%以下である。また、合金コストの低減のためには、Caを意図的に鋼中に添加する必要がなく、Ca量の下限は0%である。
上述したように、Pcmが0.22%以下の条件のもとで83%以上の降伏比を満たすためには、鋼板の組織におけるマルテンサイト分率と下部ベイナイト分率との和が90%以上であり、このうち下部ベイナイトの分率が70%以上であることが必要である。この下部ベイナイト主体の組織を安定的に得やすくするために、上記(式6)により定義されるA(A値)が、2.0以下になるように、成分組成を調整する。
なお、選択元素であるV及びCuが鋼中に含まれない場合、Pcm及びAは、それぞれ、下記(式7)及び(式8)により定義される。これらの(式7)及び(式8)は、それぞれ、上記(式5)及び(式6)に対応している。
Pcm=〔C〕+〔Si〕/30+〔Mn〕/20+〔Ni〕/60+〔Cr〕/20+〔Mo〕/15+5×〔B〕 ・・・(式7)
A=(〔Mn〕+1.5×〔Ni〕)/〔Mo〕 ・・・(式8)
なお、上記(式5)〜(式8)において、式中の各変数に対応する元素(例えば、V、Cu、Ni)が鋼中に含まれない場合には、その変数に0を代入する。
上記各元素の量の範囲と、Pcm及びAの条件とを満足する成分組成が、本実施形態における成分組成である。
上述したように、通常の溶接施工管理に必要とされる溶接性を確保しながら83%以上の降伏比を満たすためには、マルテンサイト分率と下部ベイナイト分率との和が90%以上であり、このうち下部ベイナイトの分率が70%以上であることが必要である。
ここで、下部ベイナイトには、多量の微細なセメンタイトが、フェライトラスの界面やフェライトラス内に存在している。この微細なセメンタイトは降伏強度を高め、特に直径(円相当径)が1〜10nm程度のセメンタイトの降伏強度向上効果が大きいといわれており、このような微細なセメンタイトが多いことが望ましい。しかしながら、数nmのセメンタイトを精度良く測定することは容易ではない。一方、C量等の製造条件に応じて一定量のセメンタイトが鋼中に生成することを考慮すると、微細なセメンタイトが多くなるほど、粗大なセメンタイトが少なくなる傾向がある。そこで、本発明者らは、降伏強度とセメンタイトの大きさ、個数密度について詳細に調査した結果、具体的には、鋼板組織中の直径(円相当径)50nm以上の比較的粗大なセメンタントの個数密度が、20個/μm3以下であることが、微細なセメンタイトを多く含み降伏強度を顕著に向上させるための好ましい条件であることを知見した。鋼板組織中にこのような微細なセメンタイトを多く含むことにより、83%以上の降伏比を容易に達成することができる。なお、このセメンタントの個数密度の下限は、0個/μm3である。
なお、抽出レプリカ法により所定体積の鋼板の素地を電解により溶出させてセメンタイトを抽出したサンプルを作製し、このサンプルを透過型電子顕微鏡(TEM)により観察して50nm以上の円相当径を有するセメンタイト(50nm以上のセメンタイト)の単位体積当りの個数(個数密度)を得ることができる。
さらに、後述のように旧オーステナイト(旧オーステナイト粒)のアスペクト比が2以上である。旧オーステナイトのアスペクト比は、旧オーステナイトの短軸長に対する長軸長の比(軸比)であり、各旧オーステナイト粒の軸比の平均値である。そのため、このアスペクト比の下限は、1である。
制御圧延効果を高めるNbや、焼入性に寄与するMoなどの合金元素の炭化物あるいは炭窒化物を十分に鋼中に固溶させるために、上記スラブを1100℃以上の温度(加熱温度)に加熱する(S1)。この加熱温度の上限は、特に制限されないが、生産性が低下したり、加熱時のオーステナイトの粒径が極端に大きくなったりするため、1300℃であることが好ましい。、
この加熱されたスラブに対して未再結晶温度域での累積圧下率が60%以上になるように目標の板厚まで熱間圧延を行う(S2)。熱間圧延されたスラブ、すなわち、鋼板(鋼)では、その板厚の多くは6〜25mmであるが、必ずしもこの板厚に限定されない。ここで、未再結晶温度域での累積圧下率が60%以上であると、十分な加工歪を鋼中に導入することができ、鋼板の強度特性を適切に制御できる。なお、未再結晶温度域は、Ar3以上かつ960℃以下の温度域であり、この温度域では、圧延後の再結晶(加工歪の減少)を防止することができる。また、Ar3(Ar3変態点)は、冷却時にフェライト変態が開始する温度であり、富士電波工機製の熱間加工再現試験装置(THERMECMASTOR−Z)を用いて測定できる。このAr3の測定では、鋼(サンプル)を、1200℃まで加熱して10分間保持した後、2.5℃/分で冷却して、冷却時の体積変化を測定し、この体積変化に基づいてAr3を決定する。なお、未再結晶温度域での累積圧下率は、100%未満である。
熱間圧延により得られた鋼板(鋼)に対して、熱間圧延に引き続きオンラインで、Ar3以上の温度(水冷開始温度)から加速冷却(水冷)を行う。オンラインで加速冷却を行うことで焼入れ性を高めることができ、Pcmの低減に有利である。加速冷却開始温度をAr3以上の温度にするのは、Ar3未満の温度から加速冷却を開始すると、フェライトや上部ベイナイトが生成して鋼板の強度が大きく低下するためである。加速冷却を開始した後、300℃以上かつ450℃以下の温度(水冷停止温度)でこの加速冷却を停止し、その後放冷を行う(S3)。水冷停止温度が450℃超では、上部ベイナイトが生成しやすく、降伏強度および引張強度が低下する傾向が強い。また、水冷停止温度が300℃未満では、マルテンサイトの組織分率が高くなり、降伏比が低下するので、降伏強度の下限と引張強度の上限との両立が難しくなる。ここでは、加速冷却(水冷)は、上記冷却停止温度以上かつAr3以下の温度域において鋼板の1/4t部の平均冷却速度が10℃/s以上である冷却であり、この加速冷却の平均冷却速度の上限は、特に制限されない。また、放冷(大気中に保持)は、室温以上かつ上記冷却停止温度未満の温度域において鋼板の1/4t部の平均冷却速度が1℃/s以下である冷却であり、この放冷の平均冷却速度の下限は、特に制限されない。なお、鋼板の1/4t部は、鋼板の表面から板厚中心(深さ)方向に板厚の1/4の距離離れた部分であり、この1/4t部の冷却速度は、温度解析を行って得られた温度変化から求めた。また、上記の加速冷却後の放冷により、70%以上の下部ベイナイトが得られ、十分に微細なセメンタイトを確保することができる。この場合、得られる鋼板の多くについて、50nm以上の比較的粗大なセメンタントの個数密度が、20個/μm3以下である。
本実施形態により製造された鋼板では、下部ベイナイト分率とマルテンサイト分率との和が90%以上、下部ベイナイト分率が70%以上、オンライン加速冷却で製造した鋼板の組織の特徴として旧オーステナイトのアスペクト比が2以上になる。また、本実施形態では、焼戻しを行うことなく、885MPa以上の降伏強度と、950MPa以上かつ1130MPa以下の引張強度とを達成することができる。
一方、鋼板に対して、オンラインで加速冷却を行わず冷却完了後に再加熱と焼入れとを行った場合には、鋼板の旧オーステナイトのアスペクト比は、2.0未満になる。この場合には、降伏比を確保するために焼戻しが必要であるため、工程数及び工程所要時間が増加し、工業的にはコストが高くなる。
また、加速冷却後に鋼板を巻き取り、コイルの状態で鋼板を放置した場合、放冷時の冷却速度が非常に小さくなり、50nm以上の比較的粗大なセメンタイトの個数密度が、20個/μm2を超えてしまう。そのため、コイルの状態の鋼板に対して加速冷却後の放冷を行うことは望ましくなく、鋼板の温度が250℃以下になるまで鋼板一枚毎に放置して空冷を行うことが望ましい。すなわち、鋼板の温度が250℃以下になるまで、鋼板を重ねることなく(例えば鋼板の表面が空気と接触できるように)放冷することが望ましい。鋼板の温度が250℃以下に到達した後では、鋼板を重ねて放冷してもよい。
加えて、熱間圧延後、加速冷却を行うことにより得られた鋼板を高温で焼戻すと、セメンタイトが粗大化しやすく、十分に微細なセメンタイトを確保することが困難である。
これらの鋼板No.1〜55について、以下に示す方法により、下部ベイナイトおよびマルテンサイトの組織分率、50nm以上のセメンタイトの個数(個数密度)、旧オーステナイトのアスペクト比、y型溶接割れ試験での溶接金属の拡散性水素量を測定し、降伏強度、引張強度、溶接性、靭性を評価した。これらの測定及び評価により得られた鋼板の組織及び特性を表5及び6に示す。
また、Ar3(Ar3変態点)は、富士電波工機製の熱間加工再現試験装置(THERMECMASTOR−Z)を用いて測定され、このAr3の測定では、鋼(サンプル)を、1200℃まで加熱して10分間保持した後、2.5℃/分で冷却して、冷却時の体積変化を測定し、この体積変化に基づいてAr3を決定した。
また、y型溶接割れ試験では、2体の試験材のそれぞれに対して温度および湿度や入熱などの条件を同一に設定した溶接を行い、このうち1体を溶接後すぐにサンプルを採取し、JIS Z 3118(2007)に規定のガスクロマトグラフ法により溶接金属の拡散性水素量を測定した。分析の結果、拡散性水素量が5.0ml/100gを超えた場合のみ、残りの1体の試験材を上記溶接性(割れ有無)の評価試験に採用した。
表2中の鋼板No.1〜18では、すべて、下部ベイナイト分率とマルテンサイト分率との和(下部ベイナイト分率+マルテンサイト分率)が90%以上であり、かつ下部ベイナイト分率が70%以上であり、降伏強度、引張強度、降伏比、溶接性、靭性が、上記の目標値を満足していた。ここで、溶接性の評価のため実施したy型溶接割れ試験において溶接金属中の拡散性水素の量が5.1〜6.0ml/100gの範囲であったことから、この範囲では溶接割れが生じないことが確認できた。したがって、炭酸ガスアーク溶接において、拡散性水素量が溶接施工管理がやや不十分であった際に混入し得ると考えられる3.0〜5.0ml/100g程度であれば、この拡散性水素量は上記範囲の拡散性水素量より低いわけであるから溶接割れが生じないとみなせる。ここで、鋼板No.1〜18に対して500℃での焼戻しをさらに行った場合には、50nm以上の比較的粗大なセメンタイトの個数密度が増加し、焼戻しを行わない場合に比べて降伏強度が低下した。また、例えば、鋼板No.7の製造条件のうち未再結晶温度域での累積圧下率を60%未満に変更した場合には、十分な加工歪を鋼中に導入できないため、強度特性の何れか(例えば、靭性)が鋼板No.7に比べて低下した。
これに対し、表1及び表2中の下線で示す各化学成分の量が本発明の条件を満足しない鋼板No.19〜42では、本発明の製造条件を満足しているにもかかわらず、降伏強度、引張強度、溶接性、靭性のうちひとつ以上が目標値に満たない。
なお、鋼板No.54では、鋼片を圧延して鋼板を製造し、放冷を行った後、鋼板を、930℃に再加熱して810℃から350℃までの温度域を40℃/sの冷却速度で冷却した。そのため、例えば鋼板No.52と比べると、鋼板No.54では、製造コストが増加した。
Claims (4)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.05%以上かつ0.10%未満、
Si:0.20%以上かつ0.50%以下、
Mn:0.20%以上かつ1.20%未満、
Cr:0.20%以上かつ1.20%以下、
Mo:0.20%以上かつ0.60%以下、
Nb:0.010%以上かつ0.050%以下、
Ti:0.005%以上かつ0.030%以下、
Al:0.01%以上かつ0.10%以下、
B:0.0003%以上かつ0.0030%以下、
V:0%以上かつ0.10%以下、
Cu:0%以上かつ0.50%以下、
Ca:0%以上かつ0.0030%以下
を含有し、
Ni:0.1%以下、
P:0.012%以下、
S:0.005%以下、
N:0.0080%以下
に制限し、
残部がFe及び不可避的不純物からなり、下記(式1)により定義されるPcmが0.22%以下であり、下記(式2)により定義されるAが2.0以下であり、下部ベイナイトの組織分率とマルテンサイトの組織分率との和が90%以上であり、前記下部ベイナイトの組織分率が70%以上であり、旧オーステナイト粒のアスペクト比が2以上であり、降伏強度が885MPa以上であり、引張強度が950MPa以上かつ1130MPa以下であることを特徴とする高強度鋼板。
Pcm=〔C〕+〔Si〕/30+〔Mn〕/20+〔Cu〕/20+〔Ni〕/60+〔Cr〕/20+〔Mo〕/15+〔V〕/10+5×〔B〕・・・(式1)
A=(〔Mn〕+1.5×〔Ni〕)/(〔Mo〕+1.2×〔V〕)・・・(式2)
ここで、〔C〕、〔Si〕、〔Mn〕、〔Cu〕、〔Ni〕、〔Cr〕、〔Mo〕、〔V〕、〔B〕は、それぞれ、前記化学組成中のC、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Bの質量%である。 - 50nm以上のセメンタイトの個数密度が、20個/μm3以下であることを特徴とする請求項1に記載の高強度鋼板。
- 板厚が、6mm以上かつ25mm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の高強度鋼板。
- 質量%で、
C:0.05%以上かつ0.10%未満、
Si:0.20%以上かつ0.50%以下、
Mn:0.20%以上かつ1.20%未満、
Cr:0.20%以上かつ1.20%以下、
Mo:0.20%以上かつ0.60%以下、
Nb:0.010%以上かつ0.050%以下、
Ti:0.005%以上かつ0.030%以下、
Al:0.01%以上かつ0.10%以下、
B:0.0003%以上かつ0.0030%以下、
V:0%以上かつ0.10%以下、
Cu:0%以上かつ0.50%以下、
Ca:0%以上かつ0.0030%以下
を含有し、
Ni:0.1%以下、
P:0.012%以下、
S:0.005%以下、
N:0.0080%以下
に制限し、
残部がFe及び不可避的不純物からなり、下記(式3)により定義されるPcmが0.22%以下であり、下記(式4)により定義されるAが2.0以下である化学組成を有する鋼を1100℃以上に加熱し;
未再結晶温度域での累積圧下率が60%以上になるように前記鋼に熱間圧延を行い;
前記鋼を、オンラインで、Ar3以上の温度から450℃以下かつ300℃以上の温度まで10℃/s以上の冷却速度で加速冷却し、加速冷却の停止後放冷する;
ことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
Pcm=〔C〕+〔Si〕/30+〔Mn〕/20+〔Cu〕/20+〔Ni〕/60+〔Cr〕/20+〔Mo〕/15+〔V〕/10+5×〔B〕・・・(式3)
A=(〔Mn〕+1.5×〔Ni〕)/(〔Mo〕+1.2×〔V〕)・・・(式4)
ここで、〔C〕、〔Si〕、〔Mn〕、〔Cu〕、〔Ni〕、〔Cr〕、〔Mo〕、〔V〕、〔B〕は、それぞれ、前記化学組成中のC、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Bの質量%である。
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