JP6004139B1 - 磁極用熱延鋼板およびその製造方法、ならびに水力発電用リム部材 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]成分組成は、質量%で、C :0.03%以上0.12%以下、Si:0.15%以上0.70%以下、Mn:0.8%以上1.4%以下、P :0.03%以下、S :0.005%以下、Al:0.08%以下、N :0.006%以下、Ti:0.12%以上0.22%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、組織は、フェライト相が面積率で98%以上であり、析出したFeが鋼中に含まれるFe量に対して0.22質量%以下、析出したTiが鋼中に含まれるTi量に対して80質量%以上、析出したTiを含む炭化物の平均粒子径が6nm以下であり、圧延方向の降伏強さが700MPa以上、磁束密度B50が1.5T以上、磁束密度B100が1.6T以上、溶接熱影響部のビッカース硬さの最低値が(母材のビッカース硬さの平均値−30)以上である磁極用熱延鋼板。
[2]さらに、下記式(1)を満たす上記[1]に記載の磁極用熱延鋼板。
[4]上記[1]ないし[3]のいずれか一項に記載の成分組成を有する鋼素材を、1100℃以上1350℃以下の温度で加熱し、次いで、1100℃以上の温度で粗圧延を完了し仕上げ圧延温度840℃以上とする熱間圧延を施し、仕上げ圧延終了後3秒以内に30℃/s以上の平均冷却速度で冷却した後、550℃以上700℃以下の温度で巻き取る磁極用熱延鋼板の製造方法。
[5]前記熱間圧延において、最終パスにおける圧下率が15%以下とする上記[4]に記載の磁極用熱延鋼板の製造方法。
[6]鋼板表面にさらにめっき処理を施す上記[4]または[5]に記載の磁極用熱延鋼板の製造方法。
[7]前記めっき処理が溶融亜鉛めっき処理、合金化溶融亜鉛めっき処理、電気亜鉛めっき処理のいずれかである上記[6]に記載の磁極用熱延鋼板の製造方法。
[8]前記めっき処理において形成されるめっき層の組成は、Zn、Si、Al、Ni、Mgの1種または2種以上を含む上記[6]または[7]に記載の磁極用熱延鋼板の製造方法。
[9]上記[1]ないし[3]のいずれか一項に記載の磁極用熱延鋼板からなる水力発電用リム部材。
なお、本発明において、磁極用熱延鋼板とは、めっき処理を施していないもの(熱延鋼板)、溶融亜鉛めっき処理を施したもの(GI)、溶融亜鉛めっき処理後にさらに合金化処理を施したもの(GA)、電気亜鉛めっき処理を施したもの(EG)のいずれも対象とする。
転位密度が多い状態であると磁束密度は著しく低下する。そのため、転位密度を多く含むベイナイト相やマルテンサイト相といった低温変態相を含まない組織とする必要がある。本発明においては、所望の磁気特性を満足するために、フェライト相の面積率は98%以上とする。フェライト相以外の残部は、マルテンサイト相、セメンタイト相、ベイナイト相を2%以内であれば含有することができる。また、残留オーステナイト相は本発明の磁極用熱延鋼板では基本的には生成されず、少なくとも0.1%以下である。なお、フェライト相の面積率は、後述する実施例に記載の方法にて測定することができる。
析出物としてのFeはセメンタイトに由来する。粗大なセメンタイトは磁束密度を低下させる原因となるため、できる限り低減することが望ましい。セメンタイトを低減し本発明で求める磁束密度を得るには析出したFeが鋼中に含まれるFe量に対しての割合(以下、Fe析出量と称することもある)は0.22%以下とする必要がある。望ましくは0.20%以下である。なお、Fe析出量は、後述する実施例に記載の方法にて測定することができる。
本発明においては、微細なTiを含む炭化物を分散させることにより降伏強さが700MPa以上の高強度を得ることができる。析出したTiの鋼中に含まれるTi量に対する割合(Ti析出量もしくはTi析出割合と称することもある)が80%を下回る場合には所望の降伏強さが得られず、さらに固溶Tiの影響により磁束密度が低下する。以上の観点から、Ti析出量は80%以上とする。望ましくは85%以上である。なお、Ti析出量は、後述する実施例に記載の方法にて測定することができる。
Tiを含む炭化物を分散させることにより上昇する強度量は、炭化物粒子径の低下にともない上昇する。降伏強さが700MPa以上の高強度を得るには、析出したTiが鋼中に含まれるTi量に対して80質量%以上に加え、析出したTiを含む炭化物の平均粒子径が6nm以下である必要がある。なお、炭化物の平均粒子径は、後述する実施例に記載の方法にて測定することができる。
CはTiと結合することでTiを含む微細な炭化物を形成し、鋼板の高強度化に寄与する元素である。降伏強さが700MPa以上を得るには、Cは0.03%以上含有する必要がある。好ましくは0.04%以上である。一方、0.12%を上回る含有はセメンタイトを生成させ、磁束密度を低下させる。従って、C上限量は0.12%とする。好ましくは0.10%以下である。
Siは、熱に対して安定な固溶強化元素であり、溶接熱影響部の軟化を抑制する効果がある。さらにセメンタイトを微細化し、セメンタイト析出による磁束密度低下の悪影響を抑制させる効果がある。このように、Siは本発明において重要な要件である。これらの効果を得るためのSi下限量は0.15%である。好ましくは0.20%以上であり、より好ましくは0.35%以上である。一方、Si含有量が0.70%を超えるとSi含有による磁束密度低下の悪影響が顕在化するうえ、鋼板表面に赤スケールが発生し、外観を損なったり、めっき性が低下する。以上から、Si上限量は0.70%とする。好ましくは、0.60%以下である。
Tiを含む炭化物はオーステナイトからフェライトへの変態温度の低温化にともない、微細化する。Mnは、オーステナイトからフェライトへの変態温度を下げる効果があるため、Mnを含有することでTiを含む炭化物が微細化し高強度化する。降伏強さが700MPa以上を得るには、Mnは0.8%以上含有する必要がある。一方、1.4%を超えるとベイナイト相が生成しやすくなり、粗大なセメンタイト生成による強度低下や磁束密度のばらつきの原因となる。以上から、Mn含有量の範囲は0.8%以上1.4%以下とする。好ましくは0.9%以上1.3%以下である。
Pは、粒界に偏析して溶接部の靱性を著しく悪化させる元素である。そのため、Pは極力低減することが好ましい。本発明では上記問題を回避すべく、P含有量を0.03%以下とする。好ましくは0.02%以下である。
Sは、鋼中でMnSなどの介在物として存在する。この介在物は、粗大であることから磁束密度低下の要因となる。したがって、本発明では、S含有量を極力低減することが好ましく、0.005%以下とする。好ましくは0.003%以下である。
Alを製鋼の段階で脱酸剤として含有する場合、0.02%以上含有することになる。一方で、Al含有量が0.08%を超えるとアルミナなどの粗大な介在物により磁束密度が低下する。したがって、Al含有量は0.08%以下とする。好ましくは0.07%以下である。
Nは、Tiと結合して粗大な窒化物を形成させることにより磁束密度低下の要因となる。さらに、強化に寄与するTiを含む微細な炭化物の析出量が減少するために強度低下にもつながる。そのため、N含有量は極力低減することが好ましく、上限量を0.006%とする。好ましくは0.005%以下である。
Tiは微細な炭化物を形成し、鋼板の高強度化に寄与する元素である。降伏強さ700MPa以上を得るには、少なくともTiは0.12%以上含有する必要がある。一方、0.22%を超えると熱間圧延前のスラブ加熱時に粗大なTiを含む炭化物を溶解することができず、高強度化への寄与が飽和する。また、粗大なTiを含む炭化物は磁束密度が低下する要因となる。以上から、Ti含有量の範囲を0.12%以上0.22%以下とする。好ましくは0.14%以上0.18%以下である。
本発明の磁極用熱延鋼板は、上記した成分組成の鋼素材(鋼スラブ)を1100℃以上1350℃以下の温度で加熱し、次いで、1100℃以上の温度で粗圧延を完了し仕上げ圧延温度840℃以上とする熱間圧延を施し、仕上げ圧延終了後3秒以内に30℃/s以上の平均冷却速度で冷却した後、550℃以上700℃以下の温度で巻き取ることで製造することができる。
熱間圧延に先立ち鋼素材を加熱して実質的に均質なオーステナイト相とする必要がある。加熱温度が1100℃を下回るとTiおよびNbを含む粗大な炭化物を溶解することができず、降伏強さおよび磁束密度が低下する。一方、加熱温度が1350℃を上回ると、スケール生成量が多くなり、熱間圧延時にスケールが噛み込み、熱延鋼板の表面性状が悪化する。そのため、鋼素材の加熱温度は1100℃以上1350℃以下とした。好ましくは1150℃以上1300℃以下である。但し、鋼素材に熱間圧延を施すに際し、鋳造後の鋼素材が1100℃以上1350℃以下の温度域にある場合、或いは鋼素材の炭化物が溶解している場合には、鋼素材を加熱することなく直送圧延してもよい。
Ti、V、およびNbと結合しないCはFe炭化物として析出する。含有したCのほぼ全てをTi、VおよびNbを含む微細な炭化物として析出させるには、仕上げ圧延前の粗圧延を1100℃以上で完了させる必要がある。粗圧延を1100℃未満で完了した場合、粗圧延で導入されたひずみを駆動力として、その後の長時間保持によりオーステナイト中にTi、VおよびNbを含む炭化物が粗大に析出する。そして、粗大化した炭化物が、降伏強さおよび磁束密度に対する悪影響を顕在化させる。仕上げ圧延温度が840℃未満では、仕上げ圧延中にフェライト変態が開始してフェライト粒が伸展された組織となる。この伸展したフェライト粒の内部には多量の転位が導入されるため、磁束密度低下の要因となる。したがって、仕上げ圧延温度は840℃以上とする。好ましくは860℃以上である。なお、仕上げ圧延での温度は1100℃未満であるが、仕上げ圧延でのタンデム圧延は粗圧延に比べ析出し成長する時間がないため、上記の粗圧延時の悪影響が顕在化しない。
本発明では、Si添加により溶接性の向上を図る。しかしながら、同時に固溶Siの影響により高磁場での磁気特性が低下する傾向にある。そこで、さらなる磁気特性改善のため、磁気特性を低下させる磁壁の存在密度に着目し、磁壁の存在密度を低下させることを検討した。その結果、熱間圧延時の最終パスにおける圧下率を15%以下とすることで、粒内へ蓄積されるひずみを最低限としたうえで、ひずみエネルギーを駆動力とし、磁壁が移動することを見出した。仕上げ圧延の最終パスにおける圧下率を15%以下とすることで、磁束密度B50が1.55T以上、磁束密度B100が1.65T以上を達成できる。以上より、仕上げ圧延の最終パスにおける圧下率は15%以下が好ましい。より好ましくは12%以下である。
Tiを含む炭化物は、オーステナイトからフェライトへの変態温度の低温化にともない微細化する。平均粒子径6nm以下の炭化物を得るには、オーステナイトからフェライトへの変態温度は700℃以下とする必要がある。そのためには、仕上げ圧延終了後3秒以内に平均冷却速度30℃/s以上で冷却する必要がある。なお、平均冷却速度は仕上げ圧延温度から700℃までの平均冷却速度である。
巻取温度が700℃を超えると炭化物が粗大化し、所望の降伏強さおよび磁気特性が得られない。一方で、550℃未満ではベイナイト相が生成することにより、磁気特性が低下する。以上から、巻取り温度の範囲を550℃以上700℃以下とする。好ましくは、580℃以上680℃以下である。
各相の面積率は以下の手法により評価した。熱延鋼板もしくは合金化溶融亜鉛めっき鋼板から、圧延方向に平行な断面が観察面となるよう切り出し、板厚中心部の金属組織を3%ナイタールで腐食現出し、走査型光学顕微鏡で400倍に拡大して10視野分撮影した。フェライト相は粒内に腐食痕やセメンタイトが観察されない形態を有する組織である。これらを画像解析によりフェライト相以外のベイナイト相やマルテンサイト相、パーライト等を分離し、観察視野に対する面積率によって求めた。面積を求めるにあたりフェライト粒界はフェライト相の一部として計上した。
熱延鋼板もしくは合金化溶融亜鉛めっき鋼板から圧延方向に対して平行方向にJIS5号引張試験片を作製し、JIS Z 2241(2011)の規定に準拠した引張試験を5回行い、平均の降伏強さ(YS)、引張強さ(TS)、全伸び(El)を求めた。引張試験のクロスヘッドスピードは10mm/minとした。
熱延鋼板もしくは合金化溶融めっき鋼板から30mm×280mmのサンプルを採取し、直流磁気特性測定装置を用いて、JIS C 2555に準拠した測定により磁束密度B50および磁束密度B100を求めた。B50およびB100は、それぞれ磁化力5000A/mおよび10000A/mにおける磁束密度を示す。
溶接試験として直径1.2mmのワイヤーを用いた炭酸ガスアーク溶接を行い評価した。溶接条件は、溶接速度が80cm/min、溶接電流が220A、溶接電圧が25V、板隙1mmの突き合わせ溶接である。溶接後、ビード部断面を切り出し、その断面の板厚中央部を0.5mm間隔で試験荷重0.49Nのビッカース硬さ試験を行った。一方、母材の硬さは溶接部から30mm以上離れた位置を試験荷重0.49Nで5点測定した平均値とした。表3には母材の硬さ(母材硬度の平均値)と溶接熱影響部での最小硬さ(溶接熱影響部硬度最低値)との差を記した。
Claims (9)
- 成分組成は、質量%で、C :0.03%以上0.12%以下、Si:0.15%以上0.70%以下、Mn:0.8%以上1.4%以下、P :0.03%以下、S :0.005%以下、Al:0.08%以下、N :0.006%以下、Ti:0.12%以上0.22%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
組織は、フェライト相が面積率で98%以上であり、
析出したFeが鋼中に含まれるFe量に対して0.22質量%以下、析出したTiが鋼中に含まれるTi量に対して80質量%以上、析出したTiを含む炭化物の平均粒子径が6nm以下であり、
圧延方向の降伏強さが700MPa以上、磁束密度B50が1.5T以上、磁束密度B100が1.6T以上、溶接熱影響部のビッカース硬さの最低値が(母材のビッカース硬さの平均値−30)以上である磁極用熱延鋼板。 - 前記成分組成に加えて、質量%で、V:0.01%以上0.05%未満、Nb:0.01%以上0.05%未満の一種以上を含有する請求項1または2に記載の磁極用熱延鋼板。
- 請求項1ないし3のいずれか一項に記載の磁極用熱延鋼板の製造方法であって、
鋼素材を、1100℃以上1350℃以下の温度で加熱し、次いで、1100℃以上の温度で粗圧延を完了し仕上げ圧延温度840℃以上とする熱間圧延を施し、仕上げ圧延終了後3秒以内に30℃/s以上の平均冷却速度で冷却した後、550℃以上700℃以下の温度で巻き取る磁極用熱延鋼板の製造方法。 - 前記熱間圧延において、最終パスにおける圧下率が15%以下とする請求項4に記載の磁極用熱延鋼板の製造方法。
- 鋼板表面にさらにめっき処理を施す請求項4または5に記載の磁極用熱延鋼板の製造方法。
- 前記めっき処理が溶融亜鉛めっき処理、合金化溶融亜鉛めっき処理、電気亜鉛めっき処理のいずれかである請求項6に記載の磁極用熱延鋼板の製造方法。
- 前記めっき処理において形成されるめっき層の組成は、Zn、Si、Al、Ni、Mgの1種または2種以上を含む請求項6または7に記載の磁極用熱延鋼板の製造方法。
- 請求項1ないし3のいずれか一項に記載の磁極用熱延鋼板からなる水力発電用リム部材。
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