JP6918941B2 - 高強度・高耐食性の複合縞鋼板及びその製造方法 - Google Patents

高強度・高耐食性の複合縞鋼板及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、複合板及びその製造方法に関し、特に複合縞鋼板及びその製造方法に関する。
縞鋼板は外形が美しく、表面が滑り防止できるとの利点を有するため、市場において広く応用される。現在、縞鋼板は炭素鋼の縞鋼板及びステンレス鋼の縞鋼板に分けられる。しかしながら、前記縞鋼板はそれぞれ以下の問題が存在する。
炭素鋼の縞鋼板は、長期の使用過程において、炭素鋼の錆により使用過程に安全上の潜在的なリスクが存在するため、腐食を防止するために定期的に縞鋼板に防腐処理を行う必要がある。防腐処理過程は製造コスト及び人件費が高騰であり、加工領域の環境に対する制限が極めて厳しい（例えば、防腐過程で塵埃が極めて少ないエリア内で行う必要がある）だけでなく、採用された防食材は人体健康に不利な化学物質（例えば、防腐材料用塗料）である。また、炭素鋼の縞鋼板に防腐処理を採用する場合、防腐処理は鋼板の使用に影響を与える。また、炭素鋼の縞鋼板は鋼板強度のグレードが低く、エッチングマージンを増加させる必要があることにより部材の重量が大きくなるという問題も存在する。
ステンレス鋼の縞鋼板は、降伏強度が低く、部材全体の安定性に影響を与えるという問題があり、部材安定性の要件を満足するために、使用する時に、ステンレス鋼の縞鋼板の厚さを増加させ、更に部材の重量に影響を与える。
また、炭素鋼の縞鋼板とステンレス鋼の縞鋼板はいずれも溶接の難易度が高いという問題が存在する。
上記の考慮に基づき、構造性能、例えば強度を提供するために炭素鋼を基層として採用し、耐食性を提供するためにステンレス鋼板を複合層として採用し、基層と複合層を複合縞鋼板に複合圧延することにより、強度と耐食性の総合的な要求を満足することが望ましい。
しかしながら、従来の技術は複合圧延を利用して複合縞鋼板を実現する場合に以下の技術的難点がある。
（１）複合縞鋼板には縞目模様を圧延する時、縞目模様層の金属が縞目模様付ロールの溝内に流動し、複合層と基層との接合面は大きな引張応力を受け、特に縞目模様の複合層の厚さが薄い場合、接着面が分離し、割れやすくなる。
（２）複合縞鋼板の複合層と基層の物性パラメータ及び高温変形特性の差が大きく、それにより圧延後の縞鋼板が最終パスのフレームの荷重配分により明らかに増大し、製造が不安定なり、製造された鋼板の表面品質が不均一となる。
（３）縞目の高さは縞鋼板製品の縞目の表面品質の主な指標であるが、現在の技術では縞目の高さを保証する要件が満たされにくい。
本発明の目的の一つは、高強度・高耐食の複合縞鋼板を提供することである。合理的な化学的な質量での配合比率により複合圧延された複合縞鋼板は、強度が高く、耐食性が高く、降伏強度が４７０ＭＰａ以上、引張強度が６１０ＭＰａ以上、破断強度が４１０ＭＰａ以上、伸び率が４０％以上である。
上記目的を達成するために、本発明は、基板と、その片面又は両面が前記の基板上に圧延・複合された縞目模様の複合層とを含む高強度・高耐食性の複合縞鋼板を提供する；前記基板の化学元素組成が、質量％で、以下のとおりである。
Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．０２〜０．０４％、Ｔｉ：０．００５〜０．０１８％、Ｎｂ：０．００５〜０．０２０％、０＜Ｂ＜０．０００３％、Ｎ＜０．００６％、残部が鉄及びその他の不可避的不純物である。
本発明にかかる高強度・高耐食の複合縞鋼板において、不可避不純物は、主にＳ及びＰ元素であり、不純物元素の含有量が低いほど技術効果が高いが、製鋼所の実際の製鋼レベルを考慮すると、本発明の技術案において、基板中のＰを０．０１５％以下、Ｓを０．０１０％以下に制御する。
本発明にかかる高強度・高耐食性複合縞鋼板において、前記基板の各化学元素の設計原理は以下のとおりである。
Ｃ：炭素は、オーステナイト安定化元素である。鋼中に固溶強化の作用を果たし、鋼の強度を明らかに向上させることができるが、Ｃの質量％が０．２０％を超えると、溶接性及び靭性に不利であり、鋼においてパーライト組織及び島状マルテンサイトのような硬い相の組織を増加させやすく、鋼の耐食性に悪影響を及ぼす。したがって、鋼板の強度−靭性のバランス及び鋼に対する耐食性の要求を総合的に考慮し、本発明にかかる高強度・高耐食の複合縞鋼板の基板における炭素の質量％を０．０１〜０．２０％となるように制御し、前記高強度・高耐食の複合縞鋼板の強度及び靭性を保証し、かつ溶接性が良好である。
Ｓｉ：本発明の技術案において、鋼中にケイ素を添加することにより鋼質の清浄度を向上させること及び脱酸ができる。ケイ素は鋼に固溶強化作用を果たすが、質量％が過剰となるケイ素は溶接性に不利である。縞目模様の複合層の鋼中にもケイ素を含むため、本発明の技術案において、基板中のケイ素の質量％を０．１０〜０．５０％となるように制御し、この範囲内のケイ素が縞目模様の複合層の耐食性にいかなる影響を与えず、かつ基板に良好な溶接性を備える。
Ｍｎ：本発明にかかる技術案において、Ｍｎはパーライト変態を遅らせることができ、臨界冷却速度を低下させ、鋼の焼入れ性を向上させ、同時に鋼に対して固溶強化作用を有し、鋼中に主な固溶強化元素である。しかし、マンガンの質量％が２．０％を超えると、偏析帯及びマルテンサイト組織が現れやすく、鋼の靭性に悪影響を及ぼす。また、偏析帯の出現による鋼の耐食性も低下する。一方、マンガンの質量が０．５％未満であると、鋼の強度レベルの向上に不利であるため、本発明にかかる高強度・高耐食の複合縞鋼板の基板では、マンガンの質量％を０．５〜２．０％に限定する。
Ａｌ：Ａｌは、鋼中の強脱酸元素である。鋼中に酸素元素の含有量を低減するために、アルミニウムの質量％を０．０２〜０．０４％となるように制御する。また、脱酸後に余分なアルミニウムは鋼中の窒素元素とＡｌ−Ｎ析出物を形成し、鋼の強度向上に寄与するとともに、熱処理加熱時に鋼のオーステナイト結晶粒度を微細化することができる。
Ｔｉ：Ｔｉは、強炭化物生成元素であり、鋼中に微量のＴｉを添加して鋼中のＮを固定することに役立ち、形成されたＴｉＮは複合ビレットを加熱する時に基層のオーステナイト結晶粒が大きすぎなく、旧オーステナイト結晶粒度を微細化する。チタンは鋼中に更に炭素と硫黄と化学的結合してＴｉＣ、ＴｉＳ、Ｔｉ４Ｃ２Ｓ２等を生成することができ、上記化合物は介在物及び第二相粒子の形式で存在する。チタンの上記炭化物や窒化物の析出物は溶接時に熱影響部の結晶粒の成長を阻害し、溶接性を改善することができる。したがって、本発明にかかる高強度・高耐食の複合縞鋼板中における基板のチタンの質量％を０．００５〜０．０１８％となるように制御する。
Ｎｂ：ニオブは、強炭化物生成元素であり、本発明に係る技術的解決手段において、基板にニオブを添加することは主に再結晶温度を向上させ、基板の結晶粒を微細化し、基板の低温衝撃靭性の向上に役立つ。したがって、本発明にかかるＮｂの質量％を０．００５〜０．０２０％となるように制御する。
Ｂ：ホウ素は鋼の焼入れ性を大幅に向上させ、ベイナイトの形成を抑制することができ、本発明にかかる高強度・高耐食の複合縞鋼板が高い強度を有することを確保するために、ホウ素の質量％を０＜Ｂ＜０．０００３％となるように制御する。
Ｎ：本発明にかかる技術案において、Ｎの役割は炭素と類似し、Ｎの質量％を０．００６％以下となるように制御することにより、本発明にかかる高強度・高耐食の複合縞鋼板の強度を確保する。好ましい実施形態の一部においては、前記高強度・高耐食の複合縞鋼板の強度を更に確保するために、好ましくは、Ｎの質量％を０．０００５％〜０．００５％に限定する。
更に、本発明にかかる高強度・高耐食性の複合縞鋼板において、前記基板が、更にＮｉ、Ｃｒ及びＭｏ元素の少なくとも１種を含有し、且つＮｉ＜０．２０％、Ｃｒ＜０．２０％、Ｍｏ＜０．１０％である。
ここで、Ｎｉを添加するのは、Ｎｉがオーステナイトを安定させる元素であり、ある程度で鋼の強度を向上させる。鋼中にニッケルを添加し、特に調質鋼にニッケルを添加すると鋼の低温衝撃靭性を大幅に向上させることができる。しかし、ニッケルは高価な合金元素であるため、多すぎると製造コストを増加させる。基板の低温衝撃靭性を更に向上させるために、ニッケルを適量添加することができ、Ｎｉの質量％は０．２０％以下となるように制御する。
Ｃｒを添加するのは、以下の理由による。Ｃｒの偏析傾向がマンガンより小さく、基板の鋼中に明らかな偏析帯及び帯状組織がある場合、マンガンの含有量を適切に低減し、低減された含有量をクロムで代替し、それにより鋼の強度及び耐食性を向上させることができる。また、基板にクロムを添加するのは、縞目模様の複合層のクロムの基板への拡散を抑制するの点でも有利である。したがって、本発明ではクロムを適量添加することができ、Ｃｒの質量％は０．２０％以下となるように制御する。
Ｍｏを添加するのは、以下の理由による。Ｍｏは更に結晶粒を微細化し、鋼の強度と靭性を向上させることができる。本発明の技術案において、モリブデンは鋼の焼戻し脆性を減少させることができ、同時に焼戻し時に非常に細かい炭化物を析出させ、鋼の素地を著しく強化することができる。また、モリブデンの添加は本発明にかかる高強度・高耐食の複合縞鋼板が発生しやすい自己焼戻し脆性を抑制することに役立つが、モリブデンは非常に高価な合金元素であるため、本発明の技術案において、Ｍｏの質量％を０．１０％以下に限定する。
更に、本発明にかかる高強度・高耐食性の複合縞鋼板において、前記縞目模様の複合層が、オーステナイト系ステンレス鋼である。
なお、本発明にかかる高強度・高耐食性の複合縞鋼板における縞目模様複合層は、各実施形態の具体的な状況に応じて、国家又は国際標準規制を満足するオーステナイト系ステンレス鋼、例えば３０４、３０４Ｌ、３１６、３１６Ｌを選択することができる。
更に、本発明にかかる高強度・高耐食性の複合縞鋼板において、前記基板の微細組織が、フェライト＋パーライトである。
更に、本発明にかかる高強度・高耐食性の複合縞鋼板において、基板と縞目模様の複合層との接合部に遷移層があり、前記遷移層の厚みが、２００μｍ以下である。
前記遷移層中の各化学元素の質量％は勾配分布を呈する。すなわち、縞目模様の複合層と基板における各化学元素の質量での配合比率の違いにより、各化学元素は厚さ方向に沿って質量％の高い側から質量％が低い他側に拡散し、遷移層における各元素勾配分布を形成する。前記遷移層は基板と縞目模様の複合層との結合強度を向上させることに役立ち、縞目模様形成過程での可塑性変形でデラミネーションが発生しにくく、また、前記遷移層は基板金属元素が縞目模様の複合層金属の流動を追いかけることを促進し、縞目の高さの形成に役立つ。
更に、本発明にかかる高強度・高耐食性の複合縞鋼板において、縞目模様複層の厚みが、高強度・高耐食性の複合縞鋼板の厚みに対して、１０〜４０％である。これは、以下の理由による。縞目模様の複合層の厚み制御は、縞目模様の成形性を確保し、縞鋼板の耐食性を確保することに役立ち、かつ鋼の力学的性質を向上させることに役立つ。縞目模様の複合層の厚みが高強度・高耐食の複合縞鋼板厚みの４０％を超えると、鋼の強度に影響を与える。縞目模様の複合層の厚みが高強度・高耐食の複合縞鋼板厚みの１０％未満であると、縞目模様の複合層は高い縞目の高さまでに圧延することができず、鋼の表面品質及び耐用年数を低下させる。したがって、縞目模様の複合層の厚み制御は、本発明にかかる高強度・高耐食縞鋼板が良好な耐食性能、力学的性質及び成形性を得ることに役立つ。
更に、本発明にかかる高強度・高耐食性の複合縞鋼板において、降伏強度が４７０ＭＰａ以上、引張強度が６１０ＭＰａ以上、破断強度が４１０ＭＰａ以上、伸び率が４０％以上である。
それに応じて、本発明の他の目的は、更に上記高強度・高耐食性の複合縞鋼板の製造方法を提供することであり、以下の工程を含む。
（１）基板スラブ及び複合層スラブを製造する；
（２）基板スラブ及び複層スラブを貼り合わせ、各層の貼合面の周辺を溶接して密封し、次に真空排気する工程；
（３）複合圧延：まず、張り合わせたスラブを１１００〜１１８０℃の温度で加熱し、そして、合計圧下率が少なくとも７０％、仕上げ圧延温度が少なくとも９００℃、多パス圧延における最後のパスで表面に縞目模様を圧延し、最後のパスの圧下率が１０％〜２０％となるように多パス圧延を行う；
（４）水冷した後巻取る工程。
本発明にかかる製造方法では、複合圧延により高強度・高耐食の複合縞鋼板が得られ、プロセス中の各パラメータの制御により基板と複合層との間の完全な冶金結合を実現し、得られた高強度耐食鋼は良好な耐食性と優れた力学性能を兼備する。
なお、好ましい実施形態の一部においては、工程（２）において、基板スラブと複合層スラブをビレットにアセンブルする前に、各層の貼合面とする表面を前処理して表面酸化膜を除去する。
また、工程（３）において、ビレット加熱温度を１１００〜１１８０℃に限定するのは、以下の理由による。この温度範囲内で加熱し、複合層スラブが均一なオーステナイト組織を得ることに役立ち、炭化物を完全に溶解させ、かつ基板スラブ中のニオブ、チタンなどの合金元素の化合物を全部又は部分で溶解させ、完全な冶金結合に役立つ。
また、本発明にかかる技術案において、表面縞目模様は縞目模様ロール圧延を採用し、表面縞目模様の態様は各実施形態の具体的な状況に応じて設定することができ、例えば、扁豆形、菱形とする。表面縞目模様の品質をさらに向上させるために、縞目模様ロールの縞目模様付きの深さを２．８〜４ｍｍに設定する。
更に、本発明にかかる製造方法では、前記工程（３）において、仕上げ圧延温度を９２０〜１０００℃に制御するのは、以下の理由による。仕上げ圧延温度が１０００℃を超えると、鋼板が縞目模様ロールに接着しやすく、縞目模様ローラ溝内に充填することにより、その後に製造された鋼板表面の縞目模様品質が基準を満たさないためである。
更に、本発明にかかる製造方法では、前記工程（４）において、巻取り温度が５００〜６５０℃である。これは、以下の理由による。巻取り温度が６５０℃を超えると、ロール時に鋼板表面の縞目模様が隣接する帯鋼表面に刻印される。
本発明にかかる高強度・高耐食の複合縞鋼板は、基板及び縞目模様の複合層の設計、特に基板の各化学元素の質量比の制御により、高強度及び高耐食性を有するようにする。前記高強度・高耐食の複合縞鋼板は、降伏強度が４７０ＭＰａ以上、引張強度が６１０ＭＰａ以上、破断強度が４１０ＭＰａ以上、伸び率が４０％以上である。
また、本発明にかかる高強度・高耐食の複合縞鋼板は、表面品質が高く、デラミネーション化現象がない。
本発明にかかる高強度・高耐食の複合縞鋼板の製造方法は、各プロセスパラメータの制御により、基板と複合層の完全な冶金結合を実現し、得られた高強度・高耐食の複合縞鋼板も上記利点を有する。
図１は実施例１の高強度・高耐食の複合縞鋼板の低倍率顕微鏡で観察した金属組織を示す。
図２は実施例１の高強度・高耐食の複合縞鋼板の基板の金属組織写真である。
図３は実施例１の高強度・高耐食の複合縞鋼板の基板と縞目模様層との間に位置する一側の遷移層の金属組織写真である。
図４は実施例１の高強度・高耐食の複合縞鋼板の基板と縞目模様の複合層との間に位置する他側の遷移層の金相の組織図である。
図５は実施例１の高強度・高耐食の複合縞鋼板の縞目模様の複合層における表面縞目模様の模式図である。
図６は実施例１の高強度・高耐食の複合縞鋼板の縞目模様の複合層における表面縞目模様の別の視角での構造概略図を示す。
以下は明細書の図面及び具体的な実施例を参照しながら、本発明にかかる高強度・高耐食の複合縞鋼板及びその製造方法について更に解釈・説明するが該解釈及び説明は、本発明の技術案を不当に限定するものではない。
実施例１〜４
表１は実施例１〜４の高強度・高耐食の複合縞鋼板における各スラブ層の化学元素組成の質量％を示す。
Figure 0006918941
実施例１〜４の高強度・高耐食性の複合縞鋼板は、以下の工程で製造される（各実施例における具体的なプロセスパラメータは表２を参照する）。
（１）表１に列挙された各化学成分に応じて基板スラブ及び複合層スラブを製造する；
（２）基板スラブ及び複層スラブを貼り合わせ、各層の貼合面の周辺を溶接して密封し、次に真空排気する；
（３）複合圧延：張り合わせたスラブを１１００〜１１８０℃の温度で加熱し、そして、合計圧下率が少なくとも７０％、仕上げ圧延温度が９２０〜１０００℃、多パス圧延における最後のパスで表面に縞模様を圧延し、最後のパスの圧下率が１０％〜２０％となるように多パス圧延を行う；
（４）水冷した後巻取る工程であり、巻取温度が５００〜６５０℃である。
表２は実施例１〜４の高強度・高耐食性の複合縞鋼板の製造方法における具体的なプロセスパラメータを示す。
Figure 0006918941
表３は、実施例１〜４の高強度・高耐食性の複合縞鋼板の各性能測定を経た後の測定結果を示す。
Figure 0006918941
表３からわかるように、実施例１〜４は降伏強度が４７０ＭＰａ以上、引張強度が６１０ＭＰａ以上、破断強度が４１０ＭＰａ以上、伸び率が４０％以上であり、本願の各実施例の強度が高く、力学性能に優れることを説明する。
図１は実施例１の高強度・高耐食の複合縞鋼板の低倍率顕微鏡で観察した金属組織を示す。図１に示すように、実施例１の高強度・高耐食の複合縞鋼板は縞目模様の複合層１及び基板２を有する。
図２は実施例１の高強度・高耐食の複合縞鋼板の基板の金属組織写真である。図２に示すように、基板はフェライト及びパーライト組織であり、微細組織の結晶粒が細かく、均一であり、フェライトの平均結晶粒径が１０μｍ以内である。
図３は実施例１の高強度・高耐食の複合縞鋼板の基板と縞目模様層との間に位置する一側の遷移層の金属組織写真である。図３に示すように、実施例１の基板１３は、縞目模様層１１との間に遷移層１２がある。
図４は実施例１の高強度・高耐食の複合縞鋼板の基板と縞目模様層との間に位置する他側の遷移層の金属組織図である。図４に示すように、実施例１の基板１３は、縞目模様層２１との間に遷移層２２がある。
図３及び図４を参照すると分かるように、実施例１の基板及び両面が基板上に圧延・複合された縞目模様の複合層の間に遷移層を有し、形成された遷移層１２、２２が基板１３と縞目模様層１１、２１との結合強度を向上させることに役立ち、それにより実施例１はデラミネーションが発生しにくい。
図５は実施例１の高強度・高耐食の複合縞鋼板の縞目模様の複合層における表面縞目模様の模式図である。図５に示すように、実施例１の表面縞目模様は、扁豆形である。
図６は実施例１の高強度・高耐食の複合縞鋼板の縞目模様の複合層における表面縞目模様の別の視角での構造概略図を示す。図６に示すように、実施例１の表面縞目模様高さｈは１．０２ｍｍである。
なお、以上に挙げられたのは本発明の具体的な実施例であり、本発明は以上の実施例に限定されず、それに伴って多くの類似変化を有する。当業者であれば、本発明の開示する内容から直接導き出されるか又は連想される全ての変形は、いずれも本発明の保護範囲に含まれるものである。

Claims (8)

  1. 基板と、その片面又は両面が前記の基板に圧延・複合された縞目模様の複合層とを含み、前記基板の化学元素組成が、質量％で、
    Figure 0006918941
    であり、残部が鉄及びその他の不可避的不純物であり；
    前記基板が、更に、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏ元素の少なくとも１種を含有し、且つ
    Figure 0006918941
    であり；および
    縞目模様の複合層の厚みが高強度・高耐食性の複合縞鋼板の厚みに対して、１０〜４０％であることを特徴とする高強度・高耐食性の複合縞鋼板。
  2. 前記縞目模様の複合層が、オーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１に記載の高強度・高耐食性の複合縞鋼板。
  3. 前記基板の微細組織が、フェライト＋パーライトであることを特徴とする請求項１に記載の高強度・高耐食性の複合縞鋼板。
  4. 基板と縞目模様の複合層との接合部に遷移層があり、前記遷移層の厚みが、２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の高強度・高耐食性の複合縞鋼板。
  5. 降伏強度が４７０ＭＰａ以上、引張強度が６１０ＭＰａ以上、破断強度が４１０ＭＰａ以上である請求項１〜４のいずれか一項に記載の高強度・高耐食性の複合縞鋼板。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の高強度・高耐食性の複合縞鋼板の製造方法であって、
    （１）基板スラブ及び複合層スラブを製造する工程と、
    （２）基板スラブ及びの複合層スラブを貼り合わせ、各層の貼合面の周辺を溶接して密封し、次に真空排気する工程と、
    （３）張り合わせたスラブを１１００〜１１８０℃の温度で加熱し、そして、合計圧下率が少なくとも７０％、仕上げ圧延温度が少なくとも９００℃、多パス圧延における最後のパスで表面に縞目模様を圧延し、最後のパスの圧下率が１０％〜２０％となるように多パス圧延を行うことにより複合鋼板を得る複合圧延工程と、
    （４）水冷した後巻取る工程と
    を含むことを特徴とする高強度・高耐食性の複合縞鋼板の製造方法。
  7. 前記工程（３）において、仕上げ圧延温度を９２０〜１０００℃に制御することを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
  8. 前記工程（４）において、巻取り温度が５００〜６５０℃であることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
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