JP6947922B2 - 表面品質に優れた低温用高マンガン鋼材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
1)オーステナイト組織の安定化のために、特にC、Mn、及びCuの含有量を適切に制御したものである。オーステナイト安定化を介して優れた低温靭性を確保することができる。
2)鋼材の微細組織のサイズ及び粗大な結晶粒の数を適切に制御したものである。これにより、鋼材の表面品質を向上させることができる。
3)熱延鋼材の冷却条件を適切に制御したものである。これにより、粒界における炭化物の形成を抑制することができる。粒界に炭化物が形成されることを抑制することにより衝撃靭性を向上させることができる。
4)スラブの熱間圧延の前に、スラブの表層部に微細な再結晶組織が形成されるようにスラブに変形を加える処理を行ったものである。変形を加える処理の例として、強圧下条件の粗圧延処理または高温鍛造処理を挙げることができる。
スラブの熱間圧延の前に、スラブに変形を加える処理、例えば、強圧下条件の粗圧延処理または鍛造処理などを行ってスラブの表層部に微細な再結晶組織を形成することにより、熱間圧延の際の粒界割れが粗大な鋳造組織に沿って発生及び伝播することを防止して鋼材の表面品質を向上させることができる。また、スラブの表層部に微細な再結晶組織が形成されるため、スラブの高温延性を改善させることができる。
5)熱間圧延条件を適切に制御したものである。特に、熱間圧延の際の最終鋼材の厚さに応じて仕上げ圧延温度を制御したものである。これにより、高強度を確保することができる。
C(炭素)は、鋼中にオーステナイトを安定化させ、固溶されて強度を確保するのに必要な元素である。しかし、その含有量が0.3重量%未満の場合には、オーステナイト安定度が不足し、フェライトまたはマルテンサイトが形成されて低温靭性が低下する。これに対し、その含有量が0.8重量%を超えると、炭化物が形成されて表面欠陥が生じるため、その含有量は、0.3〜0.8重量%に制限することが好ましい。
Mn(マンガン)は、オーステナイト組織を安定化させる役割を果たす重要な元素である。低温靭性を確保するためには、フェライトの形成を抑制し、オーステナイト安定度を増加させる必要がある。このために、本発明では、少なくとも18重量%以上添加する必要がある。Mnの含有量が18重量%未満の場合には、ε−マルテンサイト相及びα’−マルテンサイト相が形成されて低温靭性が減少する。これに対し、その含有量が26重量%を超えると、製造原価が大幅に増加し、工程上熱間圧延段階における加熱の際に内部酸化が激しく発生し、表面品質が悪くなるという問題が発生するようになる。したがって、Mnの含有量は、18〜26重量%に制限することが好ましい。
Si(ケイ素)は、溶鋼の鋳造性を向上させ、特にオーステナイト鋼材に添加される場合、鋼材の内部に固溶されて強度を効果的に増加させる元素である。但し、1重量%を超えて添加する場合には、オーステナイト安定度を低下させ、靭性の低下を発生させることがあるため、Siの含有量の上限は、1重量%に制限することが好ましい。
Al(アルミニウム)は、適正添加量の範囲でオーステナイトを安定化させ、鋼材内の炭素の活動度に影響を与え、炭化物の形成を効果的に抑制して靭性を増加させる元素である。但し、0.5重量%を超えて添加する場合には、酸化物及び窒化物の形成を介して鋼の鋳造性及び表面品質を劣化させるという問題があるため、上記Alの含有量の上限は0.5重量%に制限することが好ましい。
Ti(チタン)は、単独あるいは複合で析出物を生成し、オーステナイト結晶粒を微細化させることで強度及び靭性を増加させる元素である。また、オーステナイト結晶粒内に十分な析出物の生成サイトが存在する場合には、結晶粒内に微細な析出物を形成し、析出硬化を介して強度を増加させる元素である。但し、0.1重量%を超えて添加すると、製鋼工程の際に多くの酸化物を生成し、連続鋳造の際に工程及び鋳片などの問題を起こしたり、炭窒化物が粗大化して鋼材の伸び率、靭性、及び表面品質などの劣化を起こすため、上記Ti(チタン)の含有量は、0.1重量%以下に制限することが好ましい。
Cr(クロム)は、オーステナイト組織において固溶強化を介して強度向上に優位性を示す。また、耐食性の効果を有するため、高温酸化に効果的であり、表面品質を向上させるという効果がある。かかる添加効果を得るためには、Crを1重量%以上添加することが好ましい。これに対し、Crを4.5重量%を超えて添加すると、炭化物の生成に有利となって極低温靭性を悪化させるという問題が発生するようになる。したがって、Crの含有量は、1〜4.5重量%に制限することが好ましい。
Cu(銅)は、マンガン及び炭素とともに、オーステナイトを安定化させるとともに、低温靭性を向上させる元素である。また、炭化物内の固溶度が非常に低く、オーステナイト内の拡散が遅いことから、オーステナイトと核生成された炭化物界面に濃縮され、炭素の拡散を妨げることにより、炭化物の成長を効果的に遅らせて炭化物の生成を抑制する効果がある。そのため、Crとともに用いることが好ましい。かかる添加効果を得るためには、Cuを0.1重量%以上添加することが好ましい。これに対し、Cuを0.9重量%を超えて添加すると、熱間脆性(hot shortness)欠陥が原因となって表面品質が悪くなるという問題が発生する。したがって、Cuの含有量は、0.1〜0.9重量%に制限することが好ましい。
S(硫黄)は、介在物の制御のために0.03重量%以下に制御される必要がある。
Sの含有量が0.03重量%を超えると、熱間脆性の問題が発生し、表面品質の劣化をもたらす。
P(リン)は、偏析が発生しやすい元素であって、鋳造の際に亀裂を発生させ、溶接性を低下させる。これを防止するために、その含有量は0.3重量%以下に制御する必要がある。Pの含有量が0.3重量%を超えると、鋳造性が悪化する可能性があるため、その含有量の上限は0.3重量%に制限することが好ましい。
N(窒素)は、炭素とともにオーステナイトを安定化させ、靭性を向上させる元素である。特に、炭素とともに固溶強化または析出物形成を介して強度を向上させるのに非常に有利な元素である。但し、0.03重量%を超えて添加する場合には、炭窒化物の粗大化により物性及び表面品質の劣化が発生するため、上記Nの含有量の上限は0.03重量%に制限することが好ましい。これに対し、0.001重量%未満で添加される場合には、その効果がわずかであるため、上記Nの含有量の下限は、0.001重量%に制限することが好ましい。
B(ホウ素)は、結晶粒界の強化を介した粒界破壊の抑制効果により表面品質の向上に大きな影響を与える。但し、過度に添加される場合には、粗大な析出物の形成などにより靭性及び溶接性を低下させるため、その含有量は0.004重量%以下に限定することが好ましい。
上記スラブの表層部に微細な再結晶組織が形成されるようにスラブに変形を加える変形付与段階を行った後、常温まで空冷し得る。ここで、スラブの表層部とは、表面のうちスラブの厚さ方向に表面から2mmの深さまでの領域を意味する。
上記のように空冷されたスラブを1100〜1250℃の温度に再加熱する。スラブ再加熱温度が低すぎると、熱間圧延の際に圧延荷重が過度にかかる可能性があるため、加熱温度は1100℃以上に設定することが好ましい。加熱温度が高いほど熱間圧延は容易であるが、本鋼材のようにMnの含有量が高い鋼は、高温加熱の際に内部粒界酸化が激しく発生し、表面品質が悪くなるという問題があるため、上記再加熱温度は1250℃以下に設定することが好ましい。
上記のように再加熱されたスラブを850〜950℃の温度で熱間仕上げ圧延して熱延鋼材を得る。熱延鋼材の厚さは8mm以上であることができ、好ましくは8〜40mmであり得る。
上記熱延鋼材を10℃/sec以上の冷却速度で600℃以下の加速冷却終了温度まで加速冷却する。上記熱延鋼材は、Crの含有量が1〜4.5重量%であり、且つCが含まれる鋼種であることから、低温靭性の低下をもたらす炭化物の析出を抑制するためには、加速冷却が不可欠である。
Claims (16)
- C:0.3〜0.8重量%、Mn:18〜26重量%、Si:0.01〜1重量%、Al:0.01〜0.5重量%、Ti:0.1重量%以下(0%を除く)、Cr:1〜4.5重量%、Cu:0.1〜0.9重量%、S:0.03重量%以下(0%を除く)、P:0.3重量%以下(0%を除く)、N:0.001〜0.03重量%、B:0.004重量%以下(0%を除く)、残部Fe及びその他の不可避不純物からなり、微細組織がオーステナイト単相組織であり、オーステナイト組織の平均結晶粒サイズが50μm以下であり、50μm以上のサイズを有するオーステナイト結晶粒の数がcm2当たりに1個未満であることを特徴とする低温用高マンガン鋼材。
- 前記高マンガン鋼材は1体積%以下(0%を含む)の析出物を含むことを特徴とする請求項1に記載の低温用高マンガン鋼材。
- 前記オーステナイト組織の平均結晶粒サイズが20〜30μmであることを特徴とする請求項1に記載の低温用高マンガン鋼材。
- 前記オーステナイト組織のうち30μm以上のサイズを有するオーステナイト結晶粒の数がcm2当たりに1個未満であることを特徴とする請求項1に記載の低温用高マンガン鋼材。
- 前記高マンガン鋼材は−196℃における圧延方向の衝撃エネルギーが100J以上であることを特徴とする請求項1に記載の低温用高マンガン鋼材。
- 前記高マンガン鋼材は−196℃における圧延方向の衝撃エネルギーに対する−196℃における厚さ方向の衝撃エネルギーの割合である材質異方性指数が0.6以上であることを特徴とする請求項1に記載の低温用高マンガン鋼材。
- 前記高マンガン鋼材は400MPa以上の降伏強度を有することを特徴とする請求項1に記載の低温用高マンガン鋼材。
- 前記高マンガン鋼材は8.0〜40mmの厚さを有することを特徴とする請求項1に記載の低温用高マンガン鋼材。
- 請求項1に記載の低温用高マンガン鋼材の製造方法であって、
C:0.3〜0.8重量%、Mn:18〜26重量%、Si:0.01〜1重量%、Al:0.01〜0.5重量%、Ti:0.1重量%以下(0%を除く)、Cr:1〜4.5重量%、Cu:0.1〜0.9重量%、S:0.03重量%以下(0%を除く)、P:0.3重量%以下(0%を除く)、N:0.001〜0.03重量%、B:0.004重量%以下(0%を除く)、残部Fe及びその他の不可避不純物からなるスラブを準備する段階と、
前記スラブの表層部に再結晶組織が形成されるようにスラブに変形を加える変形付与段階と、
前記のように表層部に再結晶組織が形成されたスラブを常温まで空冷する段階と、
前記のように空冷されたスラブを1100〜1250℃の温度に加熱する再加熱段階と、
前記のように再加熱されたスラブを850〜950℃の温度で仕上げ圧延して熱延鋼材を得る熱間圧延段階と、
前記熱延鋼材を10℃/sec以上の冷却速度で600℃以下の加速冷却終了温度まで加速冷却する加速冷却段階と、を含み、
前記変形付与段階は、前記スラブの表層部(ここで、スラブの表層部とは、表面のうちスラブの厚さ方向に表面から2mmの深さまでの領域を意味する)に150μm以上のサイズを有する結晶粒の数が単位cm 2 当たりに1個未満の再結晶組織が形成されるように行われることを特徴とする低温用高マンガン鋼材の製造方法。 - 前記変形付与段階は、1000〜1200℃での粗圧延処理によって行われることを特徴とする請求項9に記載の低温用高マンガン鋼材の製造方法。
- 前記変形付与段階は、1000〜1200℃の高温鍛造処理によって行われることを特徴とする請求項9に記載の低温用高マンガン鋼材の製造方法。
- 前記変形付与段階後のスラブの表層部の平均結晶粒サイズが100μm以下であることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか一項に記載の低温用高マンガン鋼材の製造方法。
- 前記変形付与段階は、初期スラブに対して15〜50%の厚さ減少率を有するように行われることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか一項に記載の低温用高マンガン鋼材の製造方法。
- 前記熱間圧延段階における熱間圧延の際に、最終鋼材の厚さが18mm以上の場合には、熱間仕上げ圧延最終パスの圧延温度が850℃以上900℃未満であり、最終鋼材の厚さが18mm未満の場合には、熱間仕上げ圧延最終パスの圧延温度が900℃以上950℃以下であることを特徴とする請求項9に記載の低温用高マンガン鋼材の製造方法。
- 前記熱間圧延段階における熱間圧延の際に、鋼材の厚さが18mm以上の場合には、未再結晶温度(Tnr)以下の温度における圧下率が全圧下率の40%以上であることを特徴とする請求項9に記載の低温用高マンガン鋼材の製造方法。
- 前記熱延鋼材は8〜40mmの厚さを有することを特徴とする請求項9に記載の低温用高マンガン鋼材の製造方法。
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