JP5434675B2 - 高張力冷延鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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なお、「伸びフランジ性に優れた」とは、穴拡げ率λが100%以上である場合をいい、「伸び特性に優れた」とは、伸びElが30%以上である場合をいい、「強度−伸び−伸びフランジ性バランスに優れた」とは、引張強さTS、全伸びEl、穴広げ率λの積TS×El×λが2000000MPa%2以上である場合をいうものとする。
しかしながら、鋼板を素材とする自動車の車体用部品の多くがプレス加工により成形されるため、車体部品用として使用される高張力鋼板には、優れたプレス成形性を有することが要求される。そのため、鋼板の機械的特性として、高い強度TSを有しながら、高い伸びフランジ性(穴拡げ率λ)および高延性を有することが求められている。
しかしながら、DP鋼板は、変形能の差が大きいマルテンサイト相とフェライト相が混在する結果、マルテンサイトとフェライトの界面でのボイド発生、亀裂進展が容易なため、伸びフランジ性(穴広げ性λ)が悪いという問題点がある。
しかしながら、焼き戻しを施してマルテンサイトの硬度を低下させた場合でも、マルテンサイトの変形能が大きく改善されるわけではなく、依然としてフェライト相との変形能の差が大きいため、DP鋼の伸びフランジ性は悪い。また、通常の工程に加えて焼き戻し焼鈍の工程が増えるため、コスト面でも不利である。
しかしながら、このTRIP鋼板も、歪誘起変態により生成したマルテンサイトと母相組織の界面で破壊が進行しやすいため、伸びフランジ性に劣るという欠点を有しており(特許文献4の例では、TSが108MPaのとき、λ:20%)、適用用途が限られている。
しかしながら、このような微細分散した残留オーステナイト相を含む鋼を作製するために、(1)オーステナイト安定化元素としてCo、Ni、Ag、Ptなどの高価な元素を添加するため、コストが高くなることや、(2)1270℃5時間以上の溶体化処理やオーステナイト安定化元素を偏析させるための長時間焼鈍が必要であり、かつ焼鈍時間を厳密に制御する必要があり、工程が複雑過ぎて工業材料に適していないこと、(3)残留オーステナイトを確保するためにSiを添加する必要があり、めっき鋼板には適用できない、(4)残留オーステナイトが小さ過ぎて、歪誘起変態が起こりにくく、TRIP鋼の特徴である高い伸びが発現することが難しい、などの問題点がある。
(1)引張強さ500MPa以上を有する高張力冷延鋼板であって、質量%で、C:0.03〜0.20%、Si:0.01〜1.5%、Mn:1.0%以下、P:0.08%以下、S:0.005%以下、Al:0.01〜0.08%、N:0.001〜0.005%、Ti、Nb、Vのうちの1種または2種以上を合計で0.02〜1.0%、を少なくとも含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成と、硬度が200Hv以上の硬質フェライト相と200Hv未満の軟質フェライト相の2種類のフェライト相からなる組織を有し、前記軟質フェライト相の粒径が10μm以下であり、かつ軟質フェライト相の結晶粒の60%以上の結晶粒が、他の軟質フェライト相の結晶粒と接していないことを特徴とする高張力冷延鋼板。
(2)前記組成が、質量%で、Ca、REMのうちの1種または2種以上を合計で0.1% 以下をさらに含むものであることを特徴とする(1)に記載の高張力冷延鋼板。
(4)前記鋼スラブが、質量%で、Ca、REMのうちの1種または2種以上を合計で0.1%以下をさらに含む組成であることを特徴とする(3)に記載の高張力冷延鋼板の製造方法。
その考えに基づき、軟質相の結晶粒が粗大でなく、しかも、それらの結晶粒が繋がっていないで孤立した状態であれば、伸びフランジ性を顕著に改善できることを見出した。さらには、硬質相の変形能が大きければ、伸びフランジ性を顕著に改善できることを見出した。
まず、本発明の高強度鋼板の組織について説明する。
良好な延性(伸び)を得るためには変形能の大きい軟質相が必要である。一方で、500MPa以上の高強度を得るためには、硬質相が必要である。さらには、良好な伸びフランジ性を得るためには、硬質相にもある程度の変形能が必要である。
本発明では、硬質層及び軟質相として、強度の大きく異なる2種類のフェライト相(以下、それらをそれぞれ軟質フェライト相と硬質フェライト相という場合もある。)を用い、組織をそれらのフェライト層からなる複合組織とする。
軟質フェライト相としては、析出物密度の低いフェライト相を用い、硬質フェライト相としては、高密度の析出物を含む析出強化フェライトを利用することとした。析出強化フェライトは、高密度に分散した析出物により高強度となっており、かつ、転位密度が低いため、マルテンサイトなどの高密度に転位を含む組織に比べて変形能も大きい。
したがって、軟質フェライト相の粒径は10μm以下が望ましい。なお、容易に進展を開始する亀裂の大きさは、鋼板の強度レベルによっても違う。本発明の範囲では、10μmが臨界の大きさである。
軟質フェライト粒が硬質相中に孤立していれば、硬質相との界面近傍で発生した亀裂は一つのフェライト粒の範囲内でしか容易に成長できないので、亀裂は大きくならず、破壊が遅れ、良好な伸びフランジ性が得られる。全軟質フェライト粒のうち60%以上のフェライト粒が孤立した状態にあれば、所望の伸びフランジ性が得られる。
従来のDP鋼やTRIP鋼では、軟質相が母相であり、軟質相が非常に広い領域に繋がっている(鋼板全体に繋がっていることもある)。そのため、亀裂が容易に大きくなり、早期破壊に至り、伸びフランジ性が悪くなる。
C:0.03〜0.20%
CはTiやNb、Vなどの合金元素と結合して、微細炭化物を析出するために必須である。鋼板強度として500MPa以上を達成するためには、最低でも0.03%必要である。一方、C が過剰になると、鋳造段階で中心偏析による欠陥が生じ易くなるうえ、溶接性も悪くなる。従って上限を0.20%とした。
Si:0.01〜1.5%
Siは軟質フェライト相の固溶強化元素として有用な元素である。軟質フェライト相の強度が高くなると、硬質相との強度差が小さくなるため、応力集中が緩和され、伸びフランジ性を向上させる。従って、好ましくは1.0% 以上必要である。しかしながら、めっき鋼板としてめっきを施す場合、Si添加はめっき性を著しく劣化させるため、Siは少ない方が良い。0.01%程度だとめっき性に大きく影響しないため、めっき性を考慮する必要がある場合の下限値は0.01%とする。一方、1.5%を超えて添加すると、Siの効果が飽和するだけでなく、加工性が劣化するため、上限を1.5%とした。
Mnは、Siと同様に固溶強化元素として有用である。しかしながら、微細炭化物の析出を抑制する効果が強いため、本発明では大量添加することはできない。1.0% を超えて添加すると微細炭化物の析出による強化量が著しく小さくなるため、上限値を1.0%とした。
P:0.08%以下
Pは熱延時の加工性を劣化させるため、低い方が望ましい。0.08%以下だと影響が小さいため、0.08%を上限とした。より好ましくは0.03%以下が望ましい。
SはMn硫化物を形成し、Mn硫化物が破壊起点となり伸びフランジ性を劣化させる。従って、Sは低い方が望ましい。後述するように、CaやREMを添加するとMn硫化物の生成が抑制されるため、CaやREMを適量添加した場合は、Sは最大0.005%まで添加しても伸びフランジ性に顕著な影響は出ない。従って、Sの上限を0.005%とした。望ましくは0.002%以下、さらに望ましくは0.001%以下とする。
Al:0.01〜0.08%
Alは、脱酸のために0.01%以上を添加するが、添加量が増加するとアルミナ等の介在物が増加し、伸びフランジ性が劣化するため0.08%を上限とする。
Nは、Tiと結合しTiNとして析出するため、析出強化に利用できる有効なTi量が減少するうえ、粗大なTiNが存在すると、破壊起点となり伸びフランジ性を劣化させる。0.005%を越えると伸びフランジ性が著しく劣化してくるので、0.005%を上限とする。また、極低化は経済的に不利なため下限を、0.0001%とする。
Ti、Nb、V:1種または2種以上を合計で0.02〜1.0%
Ti、Nb、Vは、炭化物析出によるフェライト相の強化の目的で、0.02%以上の添加が必要である。ただし、添加量が増加すると、粗大なTiN等の介在物が増加し、伸びフランジ性が劣化するため1.0%を上限とする。
Ca、REM:1種または2種以上を合計で0.1%以下
Ca、REMを添加すると、Mn硫化物の生成が抑制され、伸びフランジ性を改善できる。特にS量が多い場合に有効である。ただし、多量に添加すると、Ca酸化物等の介在物を生成し、破壊起点となるため、伸びフランジ性に悪影響を及ぼす。そのため、上限を合計で0.1%とした。
本発明鋼の製造において最も重要な留意すべきことは、軟質および硬質の2種類のフェライト相を生成すること、および軟質フェライト相の結晶粒が出来るだけ孤立している状態とすることである。そのために、製造方法として重要な点は、冷延後の焼鈍〜冷却の工程である。スラブから冷延板を得るまでの工程は、通常の冷延板製造工程と同様である。
以下に、各工程について説明する。
規定の組成の鋼スラブを、加熱温度1100℃以上に加熱したのち、粗圧延してシートバーとする。この時の加熱温度が1100℃未満だと、熱延終了時の温度が900℃未満となり、熱延終了時の組織に圧延方向に伸びた未再結晶粒が含まれ、機械特性、特に穴広げ特性に異方性が生じ、結果的に特性が劣化する。従って、熱延時の加熱温度は1100℃以上である必要がある。
また、上記理由により、仕上圧延出側温度は900℃以上とする必要がある。さらには、巻取温度が750℃超だと熱延コイルが室温まで冷却されるのに要する時間が長くなり過ぎるため、経済的に不利である。従って、熱延板の巻き取り温度は750℃以下とする。
通常の冷延工程と同様であり、用途に応じて必要な圧下率の冷延を行なう。
冷延後焼鈍工程:
鋼の組織をオーステナイト単相とするため、冷延工程で得られた冷延板を(Ac3変態点温度)〜(Ac3変態点温度+50℃)の温度範囲の焼鈍温度T1に加熱し10〜120s保持する。
焼鈍温度T1は、Ac3変態点温度以下だとオーステナイト単相組織とならないため、その下限温度はAc3変態点温度とする。焼鈍温度T1が高過ぎると、オーステナイト結晶粒が粗大となり、冷却後のマルテンサイト組織が粗大になり、伸びフランジ性が悪化する。そのため、焼鈍温度T1の上限は(Ac3変態点温度+50℃)とした。該焼鈍温度での保持時間t1が10s未満だと、オーステナイト変態が完了しない可能性がある。逆に120s超保持することは、オーステナイト変態は完了し、オーステナイト結晶粒が粗大化するだけなので、経済的に無駄である。従って120s以下とした。
(1)硬質フェライト生成工程:
強度を確保するため、一定分率の硬質フェライト相を生成させる必要がある。前記焼鈍温度T1での保持が終了後、該焼鈍温度から(Ar3変態点温度−150℃)〜(Ar3変態点温度−30℃)の温度範囲の所定温度(以下、硬質フェライト生成処理温度T2)まで冷却し、その温度で500〜1000s(t2)保持することで、硬質フェライトを生成させることができる。
鋼をAr3変態点温度未満の温度で保持すると、オーステナイト相からフェライト相への変態が開始するが、(Ar3変態点温度−150℃)〜(Ar3変態点温度−30℃)の温度域でフェライト変態させると、フェライト変態とほぼ同時に、生成したフェライト相とオーステナイト母相との界面近傍で、Ti、Nb、Vなどの炭化物が析出する、いわゆる相界面析出が起こる。そして、フェライト変態が進行しフェライト―オーステナイト界面が移動するとともに析出を繰り返し、その結果、生成したフェライト相の内部に微細な炭化物が高密度に分布することになり、硬質なフェライト相が得られる。
硬質フェライト生成処理温度T2が低いほど、またその温度での保持時間t2が長いほど硬質フェライト分率は高くなる傾向にある。
保持時間t2は、硬質フェライト生成処理温度T2に依って設定する必要があるが、500s未満だと硬質フェライト分率が低過ぎて、500MPa以上の鋼板強度が達成できない可能性が高いうえ、軟質フェライトが孤立せずに連結する可能性が高い。逆に1000s超保持すると、硬質フェライト分率が高過ぎ、伸びや伸びフランジ性が悪くなるうえ、プロセス時間が長くなり経済的に不利である。従って、保持時間t2は500〜1000sが望ましい。
前記焼鈍温度T1から硬質フェライト生成処理温度T2までの冷却速度は、平均で20℃/s以上とする。冷却速度が遅いと冷却中にフェライト変態が開始し、相界面析出が起こらないため、所定の組織を得ることができない。
硬質フェライト生成処理温度T2で所定時間t2保持することにより硬質フェライトを生成後、軟質フェライトを生成するための所定温度(以下、軟質フェライト生成処理温度T3)まで急冷し、残部を軟質フェライトとする。軟質なフェライト相は、フェライト中に含まれる炭化物析出物および転位を低密度にすることにより、得ることができる。炭化物の析出を抑制することは、フェライト変態温度を低くし、Ti、Nb、Vの拡散が起こりにくい状態にすることで実現できる。逆に、フェライト変態温度が低過ぎると、フェライト中に転位が導入され、フェライトが硬くなる。本発明の鋼の組成範囲では、フェライト変態温度が(Ar3変態点温度−150℃)より高いと、フェライト中に炭化物が析出し、(Ar3変態点温度−250℃)より低いと転位密度が高くなる。従って、軟質フェライト生成処理温度は、(Ar3変態点温度−250℃)〜(Ar3変態点温度−150℃)とする。
該保持時間t3は、所望の強度や、鋼の組成、前記硬質フェライト生成処理温度T2、軟質フェライト生成処理温度T3によって調整すべきであるが、10s以下だとオーステナイトが残存する可能性が高いうえ、保持時間t3を正確に制御することが難しい。逆に1000s以上保持することは、プロセス時間が長くなり経済的に不利である。従って、軟質フェライト生成処理温度T3での保持時間t3は10〜1000sとする。
前記焼鈍温度T2から軟質フェライト生成処理温度T3までの冷却速度は、平均で20℃/s以上とする。冷却速度が遅いと冷却中に硬質フェライトが生成し、硬質フェライト分率が高くなり過ぎて、延性が劣化する場合がある。
Ac3=910−203×(C%)0.5−15.2×Ni%+44.7×Si%+104×V%+31.5×Mo%−30×Mn%−11×Cr%−20×Cu%+700×P%+400×Al%+400×Ti%
Ar3=910 −273 ×(C%)+25×Si%−74×Mn%−56×Ni%−16×Cr%−9×Mo% −5×Cu%
軟質フェライトと硬質フェライトの識別は、マイクロビッカース試験機を用いて硬度測定をおこない、200Hv以上の粒を硬質フェライトとした。また、硬質フェライトおよび軟質フェライトの粒径測定、および孤立した軟質フェライトの割合を測定するため、同時に光学顕微鏡による観察を実施した。光学顕微鏡観察には、鏡面研磨後、ナイタール溶液(硝酸5%+エタノール95%)でエッチングした鋼試料を用いた。
本発明鋼は、すべて500MPa以上の引張り強度を有し、伸びフランジ性に優れ(穴拡げ率λが100% 以上)、強度−伸び−伸びフランジ性バランスにも優れることがわかる。また、本発明の請求項の範囲で製造した鋼板は、光学顕微鏡で観察した組織も上述した組織になっている。一方、本発明の範囲を満たさない比較例は、強度が500MPaに満たないか、あるいは、強度−伸び−伸びフランジ性バランスに劣る。
Claims (4)
- 引張強さ500MPa以上を有する高張力冷延鋼板であって、質量%で、
C:0.03〜0.20%、
Si:0.01〜1.5%、
Mn:1.0%以下、
P:0.08%以下、
S:0.005%以下、
Al:0.01〜0.08%、
N:0.001〜0.005%、
Ti、Nb、Vのうちの1種または2種以上を合計で0.02〜1.0%、
を少なくとも含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成と、硬度が200Hv以上の硬質フェライト相と200Hv未満の軟質フェライト相の2種類のフェライト相からなる組織を有し、
前記軟質フェライト相の粒径が10μm以下であり、かつ軟質フェライト相の結晶粒の60%以上の結晶粒が、他の軟質フェライト相の結晶粒と接していないことを特徴とする高張力冷延鋼板。
- 前記組成が、質量%で、Ca、REMのうちの1種または2種以上を合計で0.1%以下をさらに含むものであることを特徴とする請求項1に記載の高張力冷延鋼板。
- 引張強さ500MPa以上を有する請求項1に記載の高張力冷延鋼板の製造方法であって、質量%で、
C:0.03〜0.20%、
Si:0.01〜1.5%、
Mn:1.0%以下、P:0.08%以下、
S:0.005%以下、
Al:0.01〜0.08%、
N:0.001〜0.005%、
Ti、Nb、Vのうちの1種または2種以上を合計で0.02〜1.0%、
を少なくとも含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成の鋼スラブを、加熱温度:1100℃以上に加熱したのち、粗圧延してシートバーとし、該シートバーに仕上げ圧延出側温度:900℃以上とする仕上圧延を施し、巻取温度:750℃ 以下で巻き取り熱延板とする熱間圧延工程と、
前記熱延板に酸洗および冷間圧延を行い冷延板とする冷間圧延工程と、
前記冷延板に(Ac3変態点温度)〜(Ac3変態点温度+50℃)の温度範囲の焼鈍温度に加熱し10〜120s保持する焼鈍処理を施した後、該焼鈍温度から(Ar3 変態点温度−150℃)〜(Ar3変態点温度−30℃)の温度範囲の所定温度までの平均冷却速度が20℃/s以上となる冷却を施し、該所定温度で500〜1000s保持し、その後該焼鈍温度から(Ar3変態点温度−250℃)〜(Ar3変態点温度−150℃)の温度範囲の所定温度までの平均冷却速度が20℃/s以上となる冷却を施し、該所定温度で10〜1000s保持する焼鈍工程と、
を順次施すことを特徴とする高張力冷延鋼板の製造方法。 - 前記鋼スラブが、質量%で、Ca、REMのうちの1種または2種以上を合計で0.1%以下をさらに含む組成であることを特徴とする請求項3に記載の高張力冷延鋼板の製造方法。
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