JP6466582B2 - 降伏強度800MPa級高強度鋼及びその製造方法 - Google Patents

降伏強度800MPa級高強度鋼及びその製造方法 Download PDF

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Description

技術分野
本発明は、降伏強度800MPa級高強度鋼及びその製造方法に関する。
背景技術
高強度、溶接容易性の構造鋼を使用して、建設機械の梁構造、起重機のアームとダンプカーの車体などの移動設備の部品を製造する場合には、設備の自重を減少させ、燃料の消耗を減少させて、作業効率を高めることができる。国際競争の激化に伴い、高強度、溶接容易性の構造鋼を使用して、港機械、鉱山機械、掘削機、ローダーの梁構造、起重機のアームとダンプカーの車体などの移動設備の部品を製造することは、既に趨勢になる。建設機械の高性能、大型化、軽量化への発展要求に応じて、建設機械用鋼の強度級別はますます高くなって、500〜600MPa級から急速に700MPa、800MPaないし1000MPa以上に高まっている。建設機械用超高強度鋼の厳しい使用環境と力受け条件のため、鋼材品質に対して厳格な要求があり、当該要求には強度性能、衝撃性能、曲げ性能、溶接性及び板形などが含まれる。
現在、国内で降伏強度800MPa級高強度鋼板を生産する企業が非常に少ない。中国特許201210209649.5には、引張強度800MPa級高強度鋼板の製造方法が開示されており、Ni元素を添加せず、オンライン焼入れ+焼戻し工程(DQ+T)により、焼戻マルテンサイト+焼戻しベイナイト組織が得られ、その降伏強度は700MPaに過ぎない。中国特許2011100343384.3には、750〜880MPa級車両用高強度鋼及びその製造方法が開示されており、TMCP工程によって560〜600℃で巻取って、熱間圧延高強度鋼巻きを製造する。
現在、焼戻マルテンサイト+焼戻しベイナイト組織により製造された800MPa級高強度鋼は、異なる厚さ規格の各組織の比率の差異が大きく、厚い規格の強度が低く、性能の不都合が生じ易い。560〜600℃での高温巻取りにより製造された析出強化型高強度鋼は、析出物の顆粒の大きさ及び数量の影響を受け、鋼帯のヘッド、中、尾の強度変動が大きく、−40℃衝撃の要求を満たすことができない。
発明の開示
本発明の目的は、降伏強度800MPa級高強度鋼及びその製造方法を提供することにあり、上記高強度鋼は、オンライン焼入れ+焼戻し工程により製造され、その降伏強度が800〜950MPa、引張強度が850〜1000MPa、延伸率が12%超、−40℃衝撃エネルギーが40J超である。
上記の目的に達するために、本発明の技術方案は、以下のようである。
即ち、組成の重量百分率で、C:0.06〜0.14%、Si:0.10〜0.30%、Mn:0.80〜1.60%、Cr:0.20〜0.70%、Mo:0.10〜0.40%、Ni:0〜0.30%、Nb:0.010〜0.030%、Ti:0.010〜0.030%、V:0.010〜0.050%、B:0.0005〜0.0030%、Al:0.02〜0.06%、Ca:0.001〜0.004%、N:0.002〜0.005%、P≦0.020%、S≦0.010%、O≦0.008%であり、残部がFe及び不可避的不純物であり、かつ上記元素は0.40%<Ceq<0.50%、Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15、0.7%≦Mo+0.8Ni+0.4Cr+6V≦1.1%、3.7≦Ti/N≦7.0、1.0≦Ca/S≦3.0の関係を満たす降伏強度800MPa級高強度鋼である。
更に、前記高強度鋼は、降伏強度が800〜950MPa、引張強度が850〜1000MPa、延伸率が12%超、−40℃衝撃エネルギーが40J超である。
前記高強度鋼は、ミクロ組織が焼戻マルテンサイトである。
本発明鋼の組成設計において:
C:固溶強化組成であり、マルテンサイト組織の強度と可塑性靱性を調整し、低炭素マルテンサイトのオンライン焼入状態の引張強度とC含有量は下記の関係を満たす。即ち、
Rm=2940C(%)+820(MPa)
Rmは引張強度であり、C含有量が0.06%以上であると、焼入れ状態での引張強度が900MPaを超えることを保証でき,焼戻しにより更に調整して、引張強度を850MPa以上に低下させ、靭性を改善できる。C含有量が高いと、全体としてC当量が向上し、溶接時、クラックが発生し易い。従って、本発明のC含有量の範囲は、0.06〜0.14%とする。
Si:0.10%以上のSiは優れた脱酸素作用を発揮することができる。Siが0.30%を超えると、赤スケール疵を生じやすく、Siの含有量が高いと、マルテンサイト高強度鋼の靭性を悪化させる。従って、本発明のSiの含有量の範囲は0.10〜0.30%とする。
Mn:Mnの含有量が0.8%以上であると、鋼の焼入性を向上させる。Mnの含有量が1.6%を超えると、偏析及びMnSなどの不純物が生じやすく、マルテンサイト高強度鋼の靭性を悪化させる。従って、本発明のMnの含有量の範囲は、0.80〜1.60%とする。
Cr:Crの含有量が0.2%以上であると、鋼の焼入性を高めることができ、焼入れ時に全面マルテンサイト組織を形成することに有利である。焼戻温度が400〜550℃範囲であると、CrはCrの炭化物を形成して、中温焼戻し軟化に耐える作用を有し、Cr含有量が0.70%を超えると、溶接時に大きいスパークが生じて、溶接の品質に影響する。従って、本発明のCrの含有量の範囲は0.20〜0.70%とする。
Mo:0.10%以上のMo元素は鋼の焼入性を高めることができ、焼入れ時に全面マルテンサイト組織を形成することに有利である。400℃以上の高温下、MoはCと反応して化合物顆粒を形成して、高温焼入れ軟化及び溶接継手軟化に耐える作用を奏し、Mo含有量が高すぎると、炭素当量が向上し、溶接性能を悪化させることになる。同時に、Moは貴金属であり、コストを高める。よって、本発明のMoの含有量の範囲は0.10〜0.40%とする。
Ni:Ni元素はマルテンサイト組織を微細化し、鋼の靭性を改善する作用を奏し、Niの含有量が高すぎると、炭素当量も高くなり、溶接性を悪化させる。同時に、Niは貴金属に属して、コストを高める。よって、本発明のNi含有量の範囲は0〜0.30%とする。
Nb、Ti及びV:Nb、Ti及びVはマイクロアロイ元素であり、C、Nなどの元素とナノスケール析出物を形成し、加熱時にオーステナイト結晶粒子の成長を抑制する。Nbは非再結晶の臨界温度Tnrを向上させて、生産窓口を拡大できる。Tiの細小な析出物の顆粒は溶接性能を改善できる、Vは、焼戻し過程において、NとCと反応して、ナノスケールのV(C、N)顆粒を析出して、鋼の強度を向上させることができる。本発明において、Nbの含有量の範囲を0.01〜0.03%、Tiの含有量の範囲を0.01〜0.03%、Vの含有量の範囲を0.01〜0.05%とする。
B:微量なBは鋼の焼入性を高めて、鋼の強度を高めることができる。0.0030%を越えるBは、偏析が生じやすく、炭素ホウ素化合物を形成して、鋼の靭性を酷く悪化させる。従って、本発明のB含有量の範囲は0.0005〜0.0030%とする。
Al:Alは脱酸素剤として、鋼に0.02%以上のAlを添加すると、結晶粒子を微細化させ、衝撃靭性を高めることができる。Alの含有量が0.06%を超えると、Al酸化物が入り混じる欠陥が生じやすい。従って、本発明のAl含有量の範囲は0.02〜0.06%とする。
Ca:鋼製錬工程において、0.001%を超える微量なCa元素は、浄化剤として作用し、鋼の靭性を改善させる。Caの含有量が0.004%を超えると、サイズが大きいCa化合物を容易に成形して、却って靭性を悪化させる。従って、本発明のCaの含有量の範囲は0.001〜0.004%とする。
N:本発明はN元素の含有量の範囲を厳格に制御すべきである。焼戻し工程において、0.002%以上のN元素は、VとCと反応してナノスケールV(C、N)粒子を形成でき、析出強化作用を発揮する。溶接工程においても、析出強化により熱影響領域の軟化に耐えることができる。Nの含有量が0.005%を超えると、大きい析出物顆粒の形成を引き起こしやすくて、靭性を悪化させる。従って、本発明のNの含有量の範囲は0.002〜0.005%とする。
P、S及びO:P、S及びOは、不純物元素として鋼の可塑性、靭性に影響し、本発明のこれら四つの元素の制御範囲はP≦0.02%、S≦0.01%、O≦0.008%である。
オンライン焼入型降伏強度800MPa高強度鋼の炭素当量Ceqは、0.40%<Ceq<0.50%、Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/150を満たすべきであり、Ceqが低すぎると、溶接継手の軟化が出現しやすく、Ceqが高すぎると、溶接微細クラックが出現しやすい。
本発明において、0.7%≦Mo+0.8Ni+0.4Cr+6V≦1.1%と制御することは、800MPa高強度鋼のイコールマッチング(equal matching)溶接を保証し、溶接熱影響領域の強度及び低温靭性を調節して、母材鋼板の強度と低温靭性との最適なマッチングに達するためである。ここで、Mo、Ni及びCr元素は、何れも鋼の臨界冷却速度を減少させ、鋼の焼入性を高め、溶接継手の強度を高めることができる。Moは高温下でCと反応して化合物を形成し、溶接継手軟化に耐える作用を奏する。MoとNi元素は、何れも微細組織を有し、靭性を改善する作用を奏する。VはNと反応してナノスケールV(C、N)顆粒を形成して、継手軟化に耐えることができる。Mo、Ni、Cr及びV元素の組み合わせは、母材強度に基づいて溶接熱影響領域の強度及び靭性を調節ることができる。本発明において、Mo、Ni、Cr及びVの複合添加量は、0.7%≦Mo+0.8Ni+0.4Cr+6V≦1.1%を満たすべきであり、0.70%未満であると、溶接継手の強度と低温靭性の何れも低くなり、1.1%を超えると、溶接継手強度が高くなって、溶接クラックが生じ易い。
本発明において、3.7≦Ti/N≦7.0に制御すると、鋼におけるB原子を保護して、Bを十分に固溶させ、焼入性を向上できる。
本発明において、1.0≦Ca/S≦3.0に制御すると、鋼における硫化物を球状化させて、鋼の低温度靭性及び溶接性能を改善できる。
本発明の降伏強度800MPa級高強度鋼の製造方法は、下記の工程を含む。
1)溶錬、鋳造工程
上記組成で転炉または電気炉で製鋼、精錬、鋳造してスラブを製造する。
2)スラブの加熱工程
スラブを1150〜1270℃の炉で加熱し、スラブの芯部が前記温度に達すると、保温を開始し、保温時間を1.5時間超とする。
3)圧延工程
スラブを目標厚さに達するように、シングルスタンドで往復に圧延し、又は複数スタンドで熱間連続圧延する。圧延仕上げ温度Tfは、820〜920℃であり、かつAr<Tf<Tnrを満たす。
ここで、Arは、亜共析鋼オーステナイトがフェライトへ変態する開始温度であり、Ar=901−325C−92Mn−126Cr−67Ni−149Mo、
Tnrは、非再結晶の臨界温度であり、Tnr=887+464C+(6445Nb−644sqrt(Nb))+(732V−230sqrt(V))+890Ti+363Al−357Siである。
圧延の最終回バスの圧延の圧下率は15%超である。
4)焼入熱処理工程
圧延後、(Ms−150)℃以下までオンライン焼入れを行う。Msはマルテンサイトが変態する開始温度で、Ms=539−423C−30.4Mn−17.7Ni−12.1Cr−11.0Si−7.0Moである。層流冷却システムは、冷却速度をV>e(5.3−2.53c−0.16Si−0.82Mn−0.95Cr−1.87Mo−160B)℃/sに制御して、全面マルテンサイト組織の形成を保証する。
5)焼戻し熱処理工程
焼戻し熱処理:焼戻し温度が400〜550℃であり、鋼板芯部が炉温度に達すると、保温を開始し、20〜180分間保温する。
本発明の製造方法において、
本発明の工程(2)において、スラブを1150〜1270℃に加熱し,芯部保温時間を1.5h超とする。加熱温度が1150℃を超え、芯部保温時間が1.5hを超えると、合金元素の十分な固溶を保証できる。加熱温度が1270℃を超えると、オーステナイトの結晶粒子が成長しすぎ、結晶間の結合力が弱くなり、圧延の時にクラックが生じ易い。また、加熱温度が1270℃を超えると、スラブ表面の脱炭素を容易に引き起こし、製品の力学性能に影響する。
本発明の工程(3)において、圧延の最終回バスの温度をArより高くとするのは、オーステナイト領域の圧延を保証するためである。圧延仕上げ温度をTnrより低くとするのは、オーステナイト非再結晶領域で圧延することを保証するためである。オーステナイト非再結晶領域で圧延すると、オーステナイト結晶粒子と冷却後の組織を微細化させ、鋼の強靭性を改善できる。
本発明の工程(3)において、圧延の最後回バスの圧下率は15%超である。大きい圧下率で圧延するのは、非再結晶領域で十分な変形エネルギーを生じさせ、Ar〜Tnr温度範囲内で、オーステナイトの再結晶を誘発し、結晶粒子を微細化させるためである。
本発明の工程(5)の焼戻し処理:この組成系鋼の焼戻し温度を400℃超えとし、鋼板芯部が焼入れ温度に達した後に20分間以上保温すると、焼入れマルテンサイトにおける過飽和炭素原子が脱溶して、球状FeCセメンタイトを形成し、合金MoとVが、この温度下でCと反応して微細な合金炭化物を形成でき、鋼の塑性及び靭性を改善できる。同時に、鋼の内部応力を効率的に除去できる。焼入れ温度が550℃を超え、又は保温時間が長すぎると、球状のFeCセメンタイトと合金炭化物の粗大化が生じて、却って鋼の靭性を悪化させ、鋼の強度を低下させる。焼戻し温度と焼戻し時間を調整することで、強度と靭性の最適なマッチングを保証できる。
0.40%<Ceq<0.50%、
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15、
0.7%≦Mo+0.8Ni+0.4Cr+6V≦1.1%、
3.7≦Ti/N≦7.0、1.0≦Ca/S≦3.0である本発明に関わる関係式において、元素符号は、対応元素の重量百分率含有量を示す。
Ar=901−325C−92Mn−126Cr−67Ni−149Mo、
Tnr=887+464C+(6445Nb−644sqrt(Nb))+(732V−230sqrt(V))+890Ti+363Al−357Si、
Ms=539−423C−30.4Mn−17.7Ni−12.1Cr−11.0Si−7.0Mo、
(5.3−2.53C−0.16Si−0.82Mn−0.95Cr−1.87Mo−160B)である本発明に関わる計算式において、元素符号は対応元素の重量百分率含有量×100を示す。
本発明の有益な効果は下記のようである。
本発明において、制御圧延と制御冷却、及びオンライン焼入れ+焼戻し工程により、化学組成の設計、母材組織、焼入れ加熱温度、焼戻し加熱温度などの方面から制御して、超高強度を実現するとともに、良好な延伸率、低温衝撃靭性などの性能を得ることを保証できる。
従来の工程と比べて、本発明の組成、工程により製造された800MPa高強度鋼は、均一な焼戻マルテンサイト組織を有し、異なる厚さ規格、鋼巻(鋼板)ヘッド、中、尾の性能の変動が小さく、低温衝撃靭性も大幅に向上される。
図面の説明
図1は、本発明の鋼の実施例1のミクロ組織図である。 図2は、本発明の鋼の実施例5のミクロ組織図である。 図3は、本発明の鋼の実施例8のミクロ組織図である。
具体的な実施形態
以下、実施例に基づいて本発明を更に説明する。
50kg真空電気炉で溶錬を行い、本発明の鋼組成の実施例は表1に示すようである。50kg電気炉で溶錬された溶融鋼を厚さ120mmのスラブに鋳造し、電気炉に入れて加熱して、複数回のバスの圧延によりスラブの目的厚さ10mmとした。圧延仕上げ温度は820〜920℃であり、同時に圧延仕上げ温度TfはAr<Tf<Tnrを満たす。最後回バスの圧下率を17%とした。圧延の後に、オンライン焼入れを行い、焼入れの冷却速度V>e(5.3−2.53C−0.16Si−0.82Mn−0.95Cr−1.87Mo−160B)℃/sであり、最終冷却温度が(Ms〜150)℃以下である。焼戻し熱処理工程において、焼戻し温度は400〜550℃であり、焼戻し時間は鋼板芯部が焼戻し温度に達した後にさらに20〜180分間である。具体的な工程条件は、表2のようである。
オンライン焼入れ+焼戻し後の鋼板に対して、縦方向の引張りと縦方向の衝撃試験を行った。各試験試料板に対応する性能は、表3のようである。表3から分かるように、本発明は、降伏強度が8000Mpa以上である高強度調質鋼を製造でき、その引張強度が850〜1000MPa、延伸率が12%超、−40℃衝撃エネルギーが40J超である。
図1〜図3は、実施例1、5、8の試験鋼のミクロ組織図を示す。これらの図から、製品鋼板のミクロ組織は、均一なラス状の焼戻マルテンサイトであり、組織が緻密であることが分かる。
Figure 0006466582
Figure 0006466582
Figure 0006466582

Claims (2)

  1. 組成の重量百分率で、C:0.06〜0.14%、Si:0.10〜0.30%、Mn:0.80〜1.60%、Cr:0.20〜0.70%、Mo:0.10〜0.40%、Ni:0〜0.30%、Nb:0.010〜0.030%、Ti:0.010〜0.030%、V:0.010〜0.050%、B:0.0005〜0.0030%、Al:0.02〜0.06%、Ca:0.001〜0.004%、N:0.002〜0.005%、P≦0.020%、S≦0.010%、O≦0.008%であり、残部がFe及び不可避的不純物であり、かつ前記元素は、0.40%<Ceq<0.50%、Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15、0.7%≦Mo+0.8Ni+0.4Cr+6V≦1.1%、3.7≦Ti/N≦7.0、1.0≦Ca/S≦3.0を満たし、
    前記高強度鋼は、ミクロ組織が焼戻マルテンサイトであり、
    前記高強度鋼は、降伏強度が800〜950MPa、引張強度抗が850〜1000MPa、延伸率が12%超、−40℃衝撃エネルギーが40J超である降伏強度800MPa級高強度鋼。
  2. 1)溶錬、鋳造工程
    請求項1に記載の前記組成で転炉または電気炉で製鋼、精錬、鋳造してスラブを製造する;
    2)スラブの加熱工程
    スラブを1150〜1270℃の炉で加熱し、スラブの芯部が前記温度に達すると、保温を開始し、保温時間を1.5時間超とする;
    3)圧延工程
    スラブを目標厚さに達するように、シングルスタンドで往復に圧延し、又は複数スタンドで熱間連続圧延し、圧延仕上げ温度Tfは、820〜920℃であり、かつAr<Tf<Tnrを満たし、
    ここで、Arは、亜共析鋼オーステナイトがフェライトへ変態する開始温度であり、Ar=901−325C−92Mn−126Cr−67Ni−149Mo、
    Tnrは、非再結晶の臨界温度であり、Tnr=887+464C+(6445Nb−644(Nb) 1/2 )+(732V−230(V) 1/2 )+890Ti+363Al−357Siであり、
    圧延の最終回バスの圧延の圧下率は15%超である;
    4)焼入熱処理工程
    圧延後、(Ms−150)℃以下までオンライン焼入れを行い、Msはマルテンサイトが変態する開始温度で、Ms=539−423C−30.4Mn−17.7Ni−12.1Cr−11.0Si−7.0Moであり、層流冷却システムは、冷却速度をV>e(5.3−2.53c−0.16Si−0.82Mn−0.95Cr−1.87Mo−160B)℃/sに制御して、全面マルテンサイト組織の形成を保証する;
    5)焼戻し熱処理工程
    焼戻し温度が400〜550℃であり、鋼板芯部が炉温度に達すると、保温を開始し、20〜180分間保温する焼戻し熱処理
    を含む、請求項1に記載の降伏強度800MPa級高強度鋼の製造方法。
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