JP6924284B2 - 低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板およびその製造方法 - Google Patents

低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、二相鋼板およびその製造方法に関し、特に低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板およびその製造方法に関する。該鋼板は、850MPa以上の降伏強度、1180MPa以上の引張強度、優れた成形性を有し、特に優れた冷間曲げ特性を有する。
地球のエネルギー危機及び環境問題の激化に伴い、省エネルギー及び安全は自動車製造業の主な発展方向となる。車重を低減することは省エネルギー及び排出対策の一つである。高強度の二相鋼は、良好な機械的性能と使用性能を有し、構造材の製造に適している。
市場の変化に伴い、より低コスト、より優れた性能への要求がますます顕在化してきている。現在、780DP、980DPは適用の主流であり、1180DPは成形性に劣るため、主に簡単な成形の構造材に用いられている。軽量で省エネの傾向が進むにつれて、将来の二相鋼の中心強度レベルが上昇し、1180DPへの需要が増加すると見込まれるが、1180DPが980DP相当の伸びと曲げ性能を有することが前提である。
従来の冷延超高強度二相鋼として、例えば、特許文献1には、1180MPa以上のTSを有し、穴拡げ性や曲げ性などの成形性に優れた高強度冷延鋼板、高強度溶融亜鉛めっき鋼板およびそれらの製造方法が開示されており、C:0.05〜0.3%、Si:0.5〜2.5%、Mn:1.5〜3.5%、P:0.001〜0.05%、S:0.0001〜0.01%、Al:0.001〜0.1%、N:0.0005〜0.01%、Cr 1.5%以下(0%を含む)であり、フェライト相およびマルテンサイト相を有し、組織全体に占める前記フェライト相の面積率が30%以上であり、(マルテンサイト相が占める面積)/(フェライト相が占める面積)が0.45超え1.5未満であることが要求される。その独特性は、高い割合のフェライト含有量に依存して高い成形性を得ることである。
特許文献2には、自動車部品用素材に適用する降伏強度(YS)が780MPa以上、引張強さ(TS)が1180MPa以上であり、かつスポット溶接性、延性および曲げ加工性に優れた高強度鋼板およびその製造方法が提供されており、C:0.05〜0.15%、Si:0.01〜1.00%、Mn:1.5〜4.0%、P:0.1%以下、S:0.02%以下、Al:0.01〜0.5%、Nb:0.005〜0.1%、Ti:0.005〜0.1%、Cr:0.01〜2.0%、B:0.0005〜0.005%であり、フェライトとマルテンサイトの平均結晶粒径を10μm以下とすることが要求される。その独特性は、B元素の添加及び対応するプロセスにより結晶粒を微細化しかつ焼入れ性を向上させ、かつCrを添加して焼入れ性を向上させることである。
特許文献3に開示された鋼板は、引張強さが1180MPa以上であり、加工性および低温脆性に優れている。当該高強度鋼板は、C:0.10〜0.30%、Si:1.40〜3.0%、Mn:0.5〜3.0%、P:0.1%以下、S:0.05%以下、Al:0.005〜0.20%、N:0.01%以下、O:0.01%以下を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、また、全体組織に対して、フレッシュマルテンサイトと残留オーステナイトの混合組織(MA組織)の体積率が6%以下(0%を含まない)であり、また、残留オーステナイトをX線回折法で測定したところ、全体組織に対する残留オーステナイトの体積率が5%以上であった。その独特性は、Si:1.40〜3.0%の添加により最終組織で残留オーステナイトを得、成形性能を向上させることである。
特許文献4における鋼板を熱処理することにより高強度鋼板を製造するための方法で、上記高強度鋼板の降伏強度YS>850MPa、引張強さTS>1180MPa、全伸び>13%であり、かつ穴拡げ率HER>30%であり、ここで前記鋼の化学組成として、0.13%≦C≦0.22%、1.2%≦Si≦1.8%、1.8%≦Mn≦2.2%、0.10%≦Mo≦0.20%、Nb≦0.05%、Ti<0.05%、Al≦0.5%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物であり、最終組織は3%から15%までの残留オーステナイトを含むことができる。その独特性は、1.2%≦Si≦1.8%の添加により、最終組織で残留オーステナイトが得られ、成形性能を向上させることである。
特許文献5で、降伏強度YSが1000MPaを超え、引張強さTSが1150MPaを超え、全伸びEが8%を超える鋼板を製造するための方法は、以下の工程を含む:鋼を圧延して鋼板を作製し、前記鋼は重量%で0.19%以上0.22%以下のC、2%〜2.6%のMn、1.45%〜1.55%のSi、0.15%〜0.4%のCr、0.020%未満のP、0.05%未満のS、0.08%未満のN、0.015%〜0.070%のAlを含み、115秒から240秒までの期間にかけて鋼板を380℃を超える第1過時効温度TOA1まで加熱した後、300秒から610秒までの期間にかけて鋼板を420℃〜450℃の間の第2過時効温度TOA2まで加熱し、鋼板を5℃/秒未満の冷却速度で100℃未満の温度に冷却した。鋼の組織は、80%超の焼戻しマルテンサイトを含み、5%超の残留オーステナイトを含んだ。その独特性は、0.19〜0.22%の高いC含有量、1.45〜1.55%のSi含有量で、独特の2次時効処理により残留オーステナイト及びマルテンサイト組織を得て高強度・高成形性を確保する。
中国特許出願公開第102227511B号明細書 中国特許出願公開第105829564A号明細書 中国特許出願公開第102828106A号明細書 中国特許出願公開第106661701A号明細書 中国特許出願公開第106661653A号明細書
本発明の目的は、低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板およびその製造方法を提供することであり、合金元素および製造プロセスの合理的な設計により、鋼板が低コストを前提として1180MPa級強度に達することを確保する。伸びや冷間曲げ特性に優れ、良好な成形性を有するように微細かつ均一なマルテンサイト+フェライトの二相組織が得られる。前記二相鋼板は、降伏強度が850MPaを超え、引張強度が1180MPaを超え、伸びが8%以上であり、90度冷間曲げ特性を表すパラメータR/tが2.5以下であり、ここで、Rが曲げ半径を表し、tが板厚を表し、その単位がmmである。
上記目的を達成するために、本発明の技術的手段は以下のとおりである。
本発明の鋼成分は、C+Mnを主とする成分系を設計し、1180MPa級強度に達することを確保し、Mo、Cr等の高価な合金元素を当該鋼に添加することなく低コストを確保する。Nb、Tiの微量添加により、オーステナイト結晶粒の成長を抑制する効果を奏し、結晶粒を効果的に微細化する。Mo、Crを添加しない特殊な成分設計と特殊な熱間圧延低温巻取プロセスの組み合わせにより、熱間巻取の引張強度が1000MPa未満となることを確保し、冷間圧延の製造性を確保する。
本発明の製造プロセスでは、微合金元素Cr、Moを添加せずに結晶粒の微細化に不利になるため、特殊な熱間圧延巻取温度を採用する。熱間圧延工程におけるベイナイト変態域は低温巻取(400〜500℃)であり、熱間圧延組織におけるベイナイトの含有量が80%以上となることを確保する。巻取した後、0.3℃/s以下の冷却速度で、370℃以下まで冷却し、マルテンサイト変態域に入らず、熱間圧延強度が冷間圧延の製造可能性を満たすことを確保する。以上のプロセスにより、冷間圧延状態が均一な多数の転位等の欠陥を有する変形ベイナイト組織となり、多量のオーステナイトの核形成部位を与え、オーステナイトが爆発的な核生成を呈するため、オーステナイト結晶粒が著しく微細化される。また、これらの欠陥も炭素原子の高速拡散の通り道となり、また基体組織全体が揃っているため、炭素濃度の差が小さく、オーステナイトが急速に生成し、体積分率が増大して微細かつ均一な最終組織が得られる。
具体的には、本発明の低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板は、質量%で、化学成分が、C:0.1%〜0.125%、Si:0.4%〜0.8%、Mn:2.6%〜2.9%、Al:0.01%〜0.05%、Nb:0.01〜0.03%、Ti:0.01〜0.03%であり、残部がFeおよび不可避不純物である。
本発明に係る二相鋼板の組織形態は、微細かつ均一なマルテンサイト+フェライトの二相組織であり、少なくとも75%以上のマルテンサイト及び残部のフェライトからなり、マルテンサイトの結晶粒径が5μm以下で、フェライトの結晶粒径が5μm以下である。
本発明に係る二相鋼板は、降伏強度が850MPaを超え、引張強度が1180MPaを超え、伸びが8%以上であり、90度冷間曲げ特性を表すパラメータR/tが2.5以下であるが、ここで、Rが曲げ半径を表し、tが板厚を表し、その単位がmmである。
本発明に係る前記二相鋼板の設計は以下のとおりである。
C:本発明に係る二相鋼板で、C元素の添加は鋼の強度を向上させ、マルテンサイトの硬さを向上させる。従って、Cの質量%が0.1%〜0.125%にあるように選択する理由は、以下の通りである。Cの質量%が0.1%未満であると、鋼板の強度が影響を受け、オーステナイトの形成量や安定性に不利になる。Cの質量%が0.125%を超えると、マルテンサイトの硬さが高くなり過ぎ、結晶粒のサイズが粗大になり、鋼板の成形性能に不利になる。好ましくは0.11%〜0.125%である。
Si:Siを添加することにより、焼入れ性を向上させることができる。そして、鋼中に固溶したSiは、転位の交互作用に影響を及ぼし、加工の硬化率を増加させることができ、二相鋼で伸びを適切に高めることができ、良好な成形性が得られる利点がある。Si含有量は、0.4%〜0.8%となるように制御し、好ましくは0.5%〜0.7%となるように制御する。
Mn:Mn元素の添加は、鋼の焼入れ性の向上に寄与し、鋼板の強度を効果的に高める。Mnの質量百分率が2.6%〜2.9%であることを選択する理由は以下の通りである。Mnの質量%が2.6%未満であると、鋼板の強度が不足する。Mnの質量%が2.9%を超えると、鋼板の強度が高すぎ、成形性能が低下し、偏析が生じやすくなる。従って、本発明に係る低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板では、Mnの質量%が2.6〜2.9%となるように制御し、好ましくは2.7%〜2.85%とする。
Al:Alの添加が脱酸素作用および結晶粒の微細化の役割を果たすため、Alの質量%が0.01%〜0.05%となるように制御し、好ましくは0.015〜0.045%とする。
Nb:以下の理由により、0.01〜0.03%のNbを添加する:非調質鋼に少量の強炭化物形成元素Nbを加えると、制御された圧延の過程において、ひずみ誘起析出相が質点(particles)のピン止めや亜結晶粒界の作用により、変形オーステナイトの再結晶温度を著しく低下させ、核生成質点を与え、結晶粒の微細化に著しい効果がある;連続焼鈍オーステナイト化過程において、均熱で未溶解の炭化物や窒化物の質点は、結晶粒界を質点でピン止めすることにより均熱のオーステナイト結晶粒の粗大化を阻止し、結晶粒を効果的に微細化する。添加量は、好ましくは0.015%〜0.025%である。
Ti:0.01〜0.03%のTiを添加するのは、添加する強炭化物形成元素Tiが高温でもオーステナイト結晶粒成長の抑制効果が強く、同時にTiの添加が結晶粒の有効化に寄与するためであり、好ましくはTiが0.015%〜0.025%となるように制御する。
Cr、Mo:Cr、Moは添加しない。まず、この設計により、鋼のコストを低減することができる。次に、本発明は独特の結晶粒微細化技術、即ち熱間圧延工程でベイナイト変態域間において低温巻取するプロセスを有するが、このプロセスはCrやMoフリー成分系に合わせて設計されるものであり、熱間巻取の引張強度が1000MPa未満であり、冷間圧延の可製造性を確保する。Cr、Moの結晶粒微細化および材料の強度を向上させる作用は、本発明では成分およびプロセスの合理的な設計により同様に達成でき、コストも低減する。
本発明では、不可避不純物の元素がP、N、Sを含み、不純物の含有量が低く抑えられるほど、実施の効果が良好である。Pの質量%はP≦0.015%となるように制御する。Sにより形成されたMnSが成形性に深刻な影響を与えるため、SはS≦0.003%となるように制御する。Nがスラブ表面に割れや気泡が発生しやすくなるので、N≦0.005%とする。
上記成分設計において、Mo、Cr等の高価な合金元素を添加せずに低コストを確保しつつ、30〜100℃/sの連続焼鈍ガスによる冷却速度で1180MPa級の引張強度を確保するためには、成分におけるC、Mnの合金添加量を確保して十分な焼入れ性を確保する必要がある。しかし、C、Mn合金元素の含有量は、優れた溶接性能および成形性能を確保し、強度が上限を超えることを回避する(高成形エネルギー1180MPa級の高強度鋼の各規格における強度上限は一定ではないが、1350MPaが一般的な標準であり、1300MPaが厳しい規格であり、強度が上限を超えると必ず成形性能の低下をもたらす)ように、上限を制御する必要がある。Nb、Tiの微量添加は、オーステナイト結晶粒成長を抑制する効果があり、結晶粒を効果的に微細化する。
また、熱間圧延工程において冷却してベイナイト変態域に入る際にフェライト変態域には入らないようにするために、熱間圧延組織のベイナイトの含有量を80%以上確保するには、C含有量とMn含有量の配合比を制御する必要がある。本発明の前記成分系相図において、C含有量が上昇すると、フェライト変態域は右シフトし、逆に左シフトする。Mn含有量が上昇すると、ベイナイト変態が上昇し、逆に下にシフトする。そのため、C含有量が高い場合には、Mn含有量を下限に制御することができる。C含有量が低い場合には、Mn含有量を上限に制御する必要がある。Siを添加してもフェライト変態域を右シフトさせることができるが、同じC含有量を添加する場合より効果が小さい。従って、本発明におけるC、Mn、Siの含有量はさらに以下の式:1.73×[C]×[Mn]+[Si]≧1を満たす必要がある。
鋼の生産過程におけるAlの窒化物とNb、Tiの炭窒化物との競争的析出関係から、本発明の成分系におけるAl、Nの含有量を総合すると、NbやTiの添加は一定の量を保ってこそ結晶粒を微細化する働きを果たす。従って、本発明においてNb、Ti含有量はさらに以下の式:[Nb]+[Ti]×3≧0.047を満たす必要がある。
本発明に係る低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板の製造方法は、
1)上記成分で製錬し、スラブを鋳造する製錬・鋳造工程、
2)1100〜1230℃に加熱し、0.6時間以上保温した後、Ar3以上の温度で熱間圧延し、圧延後30〜100℃/sの速度で急冷し、400〜500℃の温度で巻取した後、0.3℃/s以下の冷却速度で、370℃以下まで徐々に冷却する熱間圧延工程、
3)冷間圧延の圧下率を50〜70%に制御する冷間圧延工程、
4)均熱温度790〜840℃、好ましくは800〜820℃で焼鈍した後、v=3〜20℃/sの速度で、急冷開始温度T(T≧800−30×v)まで冷却し、その後、30〜100℃/sの速度で200〜270℃まで冷却する焼鈍工程、
5)焼戻し温度が200〜270℃であり、焼戻し時間が100〜400sである焼戻し工程、
6)0〜0.3%の率で平坦化する平坦化工程、
を含む。
本発明の製造方法において、
本発明に係る低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板の製造方法では、熱間圧延で1100〜1230℃に加熱し、0.6時間以上保温した後、Ar3以上の温度で熱間圧延し、圧延後30〜100℃/sの速度で急冷する。特殊な巻取温度(熱間圧延工程におけるベイナイト変態域は低温巻取(400〜500℃)する)を採用することにより、熱間圧延組織におけるベイナイトの含有量が80%以上であることを確保する。巻取した後、0.3℃/s以下の冷却速度で370℃以下まで徐々に冷却し、マルテンサイト変態域に入らず、熱間圧延強度が冷間圧延の可製造性を満たすことを確保する。
前記焼鈍工程において、焼鈍の均熱温度を790〜840℃に限定するのは、この焼鈍温度では、1180MPaの引張強度を確保しつつ、得られる結晶粒サイズを細かく保つことができ、良好な成形性能が得られるからである。焼鈍均熱が790℃未満では1180MPa引張強度が得られない。焼鈍均熱が840℃を超えると、結晶粒のサイズが粗大であり、成形性能が大幅に低下する。
各成分の同じ均熱温度での組織を総合的に対比すると、均熱温度が800〜820℃であると、C含有量は0.11〜0.125%であり、得られる結晶粒のサイズがより細かく、得られる機械性能が適宜であり、成形性能により優れる。細かい結晶粒サイズは良好な伸びと曲げ性能を確保するのに有利であるため、0.11〜0.125%Cはより好ましいC含有量の範囲であり、800〜820℃はより好ましい連続焼鈍の均熱温度プロセスウインドウである。
従来技術と比較して、本発明は合金成分とプロセスの合理的な設計により、Mo、Crを添加しない状況で、引張強度が1180MPaを超える微細かつ均一マルテンサイト+フェライトの二相組織を兼ね備えた鋼板が得られる。高強度を確保することを前提として、伸びや冷間曲げ特性に優れている。その降伏強度は850MPaを超え、引張強度は1180MPaを超え、伸びが8%以上であり、90度冷間曲げ特性を表すパラメータR/tが2.5以下である。ここで、Rが曲げ半径を表し、tが板厚を表し、その単位がmmである。
従って、本発明に係る製造方法は、合金成分設計および具体的プロセスパラメータ設計により、引張強度1180MPaを超え、低コストで、伸びが高く、冷間曲げ特性に優れた高成形性である冷間圧延高強度の二相鋼板が得られる。
以下、具体的な実施例を参照しながら、本発明についてさらに解釈・説明するが、該解釈および説明は、本発明の技術案を不当に限定するものではない。
本発明に係る鋼の実施例の成分は表1に示す(その成分の残部はFeである)。表2は実施例の鋼板のプロセスパラメータを示す。表3は実施例の鋼板の関連性能パラメータを示す。
本発明に係る鋼の実施例の製造方法は以下のとおりである。
(1)要求される合金成分を得て、できるだけS、Pの含有量を低減させる製錬および鋳造。
(2)1100〜1230℃に加熱し、0.6時間以上保温した後、Ar3以上の温度で熱間圧延し、圧延後30〜100℃/sの速度で急冷し、熱間圧延工程においてベイナイト変態域は低温巻取し(400〜500℃)、熱間圧延された最終組織におけるベイナイトの含有量が80%以上であることを確保し、巻取した後、0.3℃/s以下の冷却速度で、370℃以下まで徐々に冷却し、マルテンサイト変態域に入らず、熱間圧延強度が冷間圧延の可製造性要求を満たすことを確保する熱間圧延、
(3)冷間圧延の圧下率が50〜70%となるように制御する冷間圧延、
(4)均熱温度790〜840℃、好ましくは800〜820℃で焼鈍した後、v=3〜20℃/sの速度で、急冷開始温度T(T≧800−30×v)まで冷却し、その後、30〜100℃/sの速度で200〜270℃まで冷却する焼鈍、
(5)焼戻し温度が200〜270℃であり、焼戻し時間が100〜400sである焼戻し、
(6)0〜0.3%の率による平坦化。
表3から明らかなように、実施例1〜18は、本発明に係る成分およびプロセスで得られた低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板であり、得られた機械性能は以下のとおりである。その降伏強度は850MPaを超え、引張強度は1180MPaを超え、伸びが8%以上で、90度冷間曲げ特性を表すパラメータR/tが2.5以下であった。以上の結果から、本発明に係る低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板は、Mo、Cr等の高価な合金元素を添加しない状況で、1180MPaを超える引張強度が得られ、伸びが良く、冷間曲げ特性に優れることが明らかである。
Figure 0006924284
Figure 0006924284
Figure 0006924284

Claims (9)

  1. 質量%で、化学成分が、C:0.1%〜0.125%、Si:0.4%〜0.8%、Mn:2.6%〜2.9%、Al:0.01%〜0.05%、Nb:0.01〜0.03%、Ti:0.01〜0.03%であり、残部がFeおよびその他の不可避的不純物であり、かつ、1.73×[C]×[Mn]+[Si]≧1、[Nb]+[Ti]×3≧0.047を満たし、
    前記二相鋼板の組織形態が、微細かつ均一なマルテンサイト+フェライトの二相組織であり、少なくとも75%以上のマルテンサイト及び残部のフェライトからなり、マルテンサイトの結晶粒径が5μm以下で、フェライトの結晶粒径が5μm以下である、
    低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板。
  2. 前記C含有量が好ましくは0.11%〜0.125%であることを特徴とする請求項1に記載の低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板。
  3. 前記Siの含有量が好ましくは0.5%〜0.7%であることを特徴とする請求項1に記載の低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板。
  4. 前記Mn含有量が好ましくは2.7%〜2.85%であることを特徴とする請求項1に記載の低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板。
  5. 前記Alの含有量が好ましくは0.015〜0.045%であることを特徴とする請求項1に記載の低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板。
  6. 前記Nbの含有量が好ましくは0.015%〜0.025%であることを特徴とする請求項1に記載の低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板。
  7. 前記Tiの含有量が好ましくは0.015%〜0.025%であることを特徴とする請求項1に記載の低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板。
  8. 前記二相鋼板の降伏強度が850MPaを超え、引張強度が1180MPaを超え、伸びが8%以上であり、90度冷間曲げ特性を表すパラメータR/tが2.5以下であり、ここで、Rが曲げ半径を表し、tが板厚を表し、その単位がmmであることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板。
  9. 請求項1〜のいずれかに記載の低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板の制造方法であって、
    1)請求項1〜のいずれかに記載の成分で製錬し、スラブを鋳造する製錬・鋳造工程、
    2)1100〜1230℃に加熱し、0.6時間以上保温した後、Ar3以上の温度で熱間圧延し、圧延後30〜100℃/sの速度で急冷し、400〜500℃の温度で巻取した後、0.3℃/s以下の冷却速度で、370℃以下まで徐々に冷却する熱間圧延工程、
    3)冷間圧延の圧下率が50〜70%となるように制御する冷間圧延工程、
    4)均熱温度790〜840℃焼鈍した後、v=3〜15℃/sの速度で、下記式を満たす急冷開始温度まで冷却し、その後、30〜100℃/sの速度で200〜270℃まで冷却する焼鈍工程、
    (式)T≧800−30×v
    5)焼戻し温度が200〜270℃であり、焼戻し時間が100〜400sである焼戻し工程、
    6)0〜0.3%の率で平坦化する平坦化工程、
    を含む低コストで高成形性の1180MPa級冷間圧延焼鈍二相鋼板の製造方法。
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