TWI510643B - 高碳熱軋鋼板及其製造方法 - Google Patents

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Description

高碳熱軋鋼板及其製造方法
本發明是有關於一種冷加工性(cold workability)與淬火性優良的高碳熱軋鋼板及其製造方法。
目前，齒輪、變速器(transmission)、靠背椅(seat recliner)等的自動車用零件，是為了在藉由冷加工將作為JIS G 4051所規定的機械構造用碳鋼鋼材的熱軋鋼板加工成所期望的形狀後，確保所期望的硬度實施淬火處理製造而成。因此，對原材料的熱軋鋼板要求優良的冷加工性或淬火性，至今為止提出了各種鋼板。
例如，專利文獻1中揭示了一種淬火後的韌性優良的熱軋鋼板，作為鋼成分，以質量%計含有C：0.10%~0.37%、Si：1%以下、Mn：1.4%以下、P：0.1%以下、S：0.03%以下、sol.Al：0.01%~0.1%、N：0.0005%~0.0050%、Ti：0.005%~0.05%、B：0.0003%~0.0050%，B-(10.8/14)N*≧0.0005%，N*=N-(14/48)Ti，其中在右邊≦0的情況下，滿足N*=0，剩餘部分包含Fe及不可避免 的雜質，作為鋼中析出物的TiN的平均粒徑為0.06 μm~0.30 μm，且淬火後的舊沃斯田鐵(austenite)粒徑為2 μm~25 μm。
專利文獻2中揭示了一種冷加工性、淬火性、熱處理後的韌性優良的回火省略型Ti-B系高碳鋼板的製造方法，該高碳鋼板以質量%計，含有C：0.15%~0.40%、Si：0.35%以下、Mn：0.6%~1.50%、P：0.030%以下、S：0.020%以下、sol.Al：0.01%~0.20%、N：0.0020%~0.012%、Ti：0.005%~0.1%、B：0.0003%~0.0030%，且滿足B≦0.0032-0.014×sol.Al-0.029×Ti，剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質。
專利文獻3中揭示了一種冷加工性優良的高碳熱軋鋼板，具有：如下的組成，以質量%計含有C：0.20%~0.48%、Si：0.1%以下、Mn：0.20%~0.60%、P：0.02%以下、S：0.01%以下、sol.Al：0.1%以下、N：0.005%以下、Ti：0.005%~0.05%、B：0.0005%~0.003%、Cr：0.05%~0.3%、Ti-(48/14)N≧0.005，剩餘部分為Fe及不可避免的雜質；以及如下的組織，肥粒鐵(ferrite)平均粒徑為6 μm以下，碳化物平均粒徑為0.1 μm以上且小於1.20 μm，實質地不含有碳化物的肥粒鐵粒的體積率為5%以下。
先前技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本專利第4265582號公報
專利文獻2：日本專利特開平5-98356號公報
專利文獻3：日本專利特開2005-97740號公報
然而，專利文獻1至專利文獻3所記載的高碳鋼板中，存在無法穩定地獲得冷加工性與淬火性均優良的高碳鋼板的問題。
本發明的目的在於提供一種能夠穩定地獲得優良的冷加工性與淬火性的高碳熱軋鋼板及其製造方法。
本發明者等人對添加了B的高碳熱軋鋼板的冷加工性與淬火性進行了研究之後，結果獲得如下發現。
i)設為包含肥粒鐵與雪明碳鐵的微組織，且將肥粒鐵的平均粒徑設為10 μm~20 μm，雪明碳鐵的球狀化率設為90%以上，藉此可穩定地獲得優良的冷加工性。
ii)藉由使sol.Al量超過0.10%而可有效地實現出提高淬火性的固溶B(solute B)的效果，從而穩定地獲得優良的淬火性。
iii)因可有效地實現出淬火性提高的效果，故可降低作為固溶強化元素的Si、Mn量，即便保持熱軋的狀態下亦可獲得穩定的冷加工性。
本發明根據上述發現而完成，本發明提供一種高碳熱軋鋼板，具有如下的組成：以質量%計含有C：0.20%~0.48%、Si：0.1%以下、Mn：0.5%以下、P：0.03%以下、S：0.01%以下、sol.Al：超過0.10%且為1.0%以下、N：0.005%以下、B：0.0005%~0.0050%，剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質；且具有包含肥粒 鐵與雪明碳鐵的微組織，上述肥粒鐵的平均粒徑為10 μm~20 μm，上述雪明碳鐵的球狀化率為90%以上。
本發明的高碳熱軋鋼板中，較佳為除上述組成外，進而一併或者個別地以質量%計，含有合計為2%以下的Cu、Ni中的至少1種，合計為1.0%以下的Cr、Mo中的至少1種，合計為0.1%以下的Sb、Sn中的至少1種。
本發明的高碳熱軋鋼板可藉由如下來製造：對具有上述組成的鋼進行粗軋後，在850℃以上的終軋溫度(hot rolling finishing temperature)進行精軋，在600℃以上的捲繞溫度進行捲繞後，在680℃以上Ac1 變態點以下的退火溫度進行退火。
根據本發明，可製造能夠穩定地獲得優良的冷加工性與淬火性的高碳熱軋鋼板。本發明的高碳熱軋鋼板適合於自動車的齒輪、變速器、靠背椅等。
a‧‧‧雪明碳鐵的最大徑
b‧‧‧雪明碳鐵的最小徑
圖1是表示使雪明碳鐵的最大徑a及最小徑b為a/b≦3即a/b=1.5的情況的圖。
圖2是表示使雪明碳鐵的最大徑a及最小徑b為a/b>3即a/b=6的情況的圖。
以下，對作為本發明的高碳熱軋鋼板及其製造方法進行 詳細說明。另外，只要未作特別說明，作為成分的含量的單位的「%」表示「質量%」。
1)組成
C：0.20%~0.48%
C是為了獲得淬火後的強度而重要的元素。在冷加工為零件後，為了藉由熱處理而獲得所期望的硬度，C量必須至少設為0.20%以上。然而，若C量超過0.48%則會硬質化，且冷加工性會劣化。因此，C量設為0.20%~0.48%。為了獲得充分的熱處理後的硬度，C量較佳為0.26%以上。
Si：0.1%以下
Si為藉由固溶強化而提昇強度的元素。然而，若Si量超過0.1%，則會硬質化，且冷加工性會劣化。因此，Si量設為0.1%以下。即便S量為零亦不會有問題。
Mn：0.5%以下
Mn為藉由固溶強化而提昇強度的元素。然而，若Mn量超過0.5%，則會硬質化，或形成由偏析引起的帶狀組織(band structure)，因而冷加工性會劣化。因此，Mn量設為0.5%以下，較佳設為0.4%以下。即便Mn量為零亦不會有問題，但若降低Mn則石墨容易析出，因此較佳為將Mn量設為0.2%以上。
P：0.03%以下
P為藉由固溶強化提昇強度的元素。然而，若P量超過0.03%則導致晶界脆化，從而淬火後的韌性劣化。因此，P量設為 0.03%以下。為了獲得優良的淬火後的韌性，P量較佳為0.02%以下。即便P量為零亦不會有問題，但過度的降低會提高製造成本，因此若考慮成本方面則較佳為將P量設為0.005%以上。
S：0.01%以下
S會形成硫化物而使冷加工性及淬火後的韌性劣化，因此是必須降低的元素。若S量超過0.01%，則冷加工性及淬火後的韌性會顯著劣化。因此，S量設為0.01%以下。為了獲得優良的冷加工性及淬火後的韌性，S量較佳為0.005%以下。即便S量為零亦不會有問題。
sol.Al：超過0.10%且為1.0%以下
sol.Al促進雪明碳鐵的球狀化且提高冷加工性。然而，在為含有B的鋼的情況下，若sol.Al量為0.10%以下，則當在如下的環境氣體中進行加熱時，容易形成BN，提高淬火性的固溶B會減少從而鋼板表層部的淬火性會顯著降低，上述環境氣體包含為了在滲碳淬火或光輝淬火(bright hardening)中控制C勢而混合的N2 氣體。若sol.Al量設為超過0.10%，則優先地形成AlN從而抑制BN的形成，因而藉由形成AlN，沃斯田鐵粒微細化，因確保了固溶B量，而可穩定地實現出淬火性。另一方面，若sol.Al量超過1.0%，則會因固溶強化而過度地硬質化，從而冷加工性會劣化。
N：0.005%以下
若N量超過0.005%，則在淬火處理的加熱時，因BN 的形成而固溶B量降低，而且，藉由大量的BN或AlN的形成，沃斯田鐵粒會過度微細化，冷卻時會促進肥粒鐵的生成，從而淬火後的韌性劣化。因此，N量設為0.005%以下。即便N量為零亦不會有問題。
B：0.0005%~0.0050%
B為提高淬火性的重要元素。然而，若B量小於0.0005%，則無法實現充分地提高淬火性的效果，另一方面，若B量超過0.0050%，則熱軋的負荷變高而操作性降低，並且亦導致冷加工性的劣化。因此，B量設為0.0005%~0.0050%。
剩餘部分雖設為Fe及不可避免的雜質，但為了促進雪明碳鐵的球狀化，且為了冷加工性或淬火性的進一步提高，較佳為一併或者個別地含有合計為2%以下的Cu、Ni中的至少1種，合計為1.0%以下的Cr、Mo中的至少1種，合計為0.1%以下的Sb、Sn中的至少1種。另外，關於Sb及Sn，與上述sol.Al同樣地，新確認到藉由抑制B的氮化而改善淬火性的效果。因此，尤佳為以進一步確實地提高淬火性為目的來添加該些元素。
2)微組織
為了穩定地獲得優良的冷加工性，必須形成包含肥粒鐵與雪明碳鐵的微組織，且必須將肥粒鐵的平均粒徑設為10 μm~20 μm，雪明碳鐵的球狀化率設為90%以上。這是因為，在肥粒鐵的平均粒徑小於10 μm時會硬質化，而且肥粒鐵的平均粒徑超過20 μm，或者在雪明碳鐵的球狀化率小於90%時即便軟質化，延性亦 會降低，因而冷加工性會劣化。
此處，對鋼板的輥軋方向的板厚剖面進行研磨後，進行硝酸浸蝕液(nital)腐蝕，使用掃描電子顯微鏡以1000倍對板厚中央部附近10個部位進行觀察，藉由依據JIS G0552：1998的切斷法來求出各部位的肥粒鐵的平均粒徑，進而將10個部位的平均粒徑加以平均，從而求出肥粒鐵的平均粒徑。另外，此時，微組織的相構成亦可同時地得到確認。
而且，在上述組織觀察中對各雪明碳鐵的最大徑a與最小徑b的比a/b進行計算，以該比為3以下的雪明碳鐵的個數相對於全部雪明碳鐵個數的比例(%)而求出雪明碳鐵的球狀化率。例如，可如圖1、圖2所示般，決定最大徑a與最小徑b。
3)製造條件
終軋溫度：850℃以上
本發明的高碳熱軋鋼板是對如上述般組成的鋼進行包含粗軋與精軋的熱軋而形成為所期望的板厚的鋼板。此時，若終軋溫度小於850℃，則沃斯田鐵粒會變得微細，因而在之後的冷卻過程中形成的肥粒鐵的平均粒徑小於10 μm。因此，終軋溫度設為850℃以上。另外，終軋溫度的上限雖未作特別規定，但若過高，則有時微組織會混粒化，從而在淬火性容易產生不均，因而終軋溫度的上限較佳設為1000℃。
捲繞溫度：600℃以上
若捲繞溫度小於600℃，則肥粒鐵的平均粒徑小於10 μm。因此，捲繞溫度設為600℃以上。另外，捲繞溫度的上限雖未作特別規定，但為了避免由鏽皮(scale)引起的表面性狀的劣化，較佳設為750℃。
退火溫度：680℃以上Ac1 變態點以下
對於捲繞後的鋼板而言，進行酸洗後，為了不生成波來鐵而形成包含肥粒鐵與雪明碳鐵的微組織，且為了將雪明碳鐵的球狀化率設為90%以上，必須以680℃以上Ac1 變態點以下的退火溫度進行退火。若退火溫度小於680℃則雪明碳鐵的球狀化率無法為90%以上，若超過Ac1 變態點則加熱中產生沃斯田鐵，冷卻中生成波來鐵，從而冷加工性劣化。而且，維持在上述溫度的退火時間較佳為20小時以上40小時以下。若退火時間為20小時以上，則就容易地將雪明碳鐵的球狀化率調整為所期望的範圍這一理由而言較佳，若退火時間為40小時以下，則就充分地獲得退火的效果並且抑制因長時間進行退火而導致製造成本的上升這一理由而言較佳。
另外，例如在加熱速度為100℃/hr的formastor的實驗中求出熱膨脹曲線，根據該變化點可求出Ac1 變態點。
為了熔製本發明的高碳鋼，轉爐、電爐均可使用。而且，經如此熔製而成的高碳鋼藉由造塊-分塊軋製或連續鑄造而形成鋼坯。鋼坯通常在被加熱後，受到熱軋。另外，在以連續鑄造製造而成的鋼坯的情況下，亦可應用直軋(direct rolling)，該直軋直接進行軋製，或者為了抑制溫度降低而保熱並進行軋製。而且， 在對鋼坯進行加熱並熱軋的情況下，為了避免由鏽皮引起的表面狀態的劣化，較佳為將鋼坯加熱溫度設為1280℃以下。在熱軋中，為了確保終軋溫度，亦可在熱軋中藉由板坯加熱器(Sheet Bar heater)等的加熱單元來進行被輥軋材料的加熱。
實施例
將具有如表1所示的鋼編號A至O的組成的高碳鋼熔製出，然後依據表2所示的製造條件進行熱軋後，進行酸洗，在表2所示的退火溫度進行退火，從而製造板厚為4.0 mm的熱軋退火板(鋼板No.1~No.18)。
對如上述般製造而成的鋼板，藉由上述方法求出微組織的相構成、肥粒鐵的平均粒徑、雪明碳鐵的球狀化率。然後，與輥軋方向平行地採取JIS 5號試驗片，依據JIS Z 2201求出拉伸強度及伸長率。進而，藉由如下的方法評估淬火性。
淬火性：利用環境淬火法(controlled atmosphere hardening)進行淬火試驗，並測量洛氏(rockwell)硬度(HRC )，該環境淬火法從鋼板採取平板試驗片(寬度50 mm×長度50 mm)，在RX氣體(RX gas)中混合了空氣並將碳勢(carbon potential)控制成與鋼中的C量相等的環境氣體中，在900℃進行1小時加熱保持後，立即投入到50℃的油中，並對油進行攪拌。然後，根據鋼中的C量，若當C：0.20%時HRC ≧42，若當C：0.35%時HRC ≧54，若當C：0.48%時HRC ≧58，則淬火性優良。
將結果表示於表2中。
可知本發明例的鋼板具有包含肥粒鐵與雪明碳鐵的微組織，肥粒鐵的平均粒徑為10 μm~20 μm，雪明碳鐵的球狀化率為90%以上，伸長率高且冷加工性優良，而且，淬火後獲得相應於C量足夠的硬度，且淬火性亦優良。
a‧‧‧雪明碳鐵的最大徑
b‧‧‧雪明碳鐵的最小徑

Claims (5)

  1. 一種高碳熱軋鋼板，具有如下的組成：以質量%計含有C：0.20%~0.48%、Si：0.1%以下、Mn：0.5%以下、P：0.03%以下、S：0.01%以下、sol.Al：超過0.10%且為1.0%以下、N：0.005%以下、B：0.0005%~0.0050%，剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質；且具有包含肥粒鐵與雪明碳鐵的微組織，上述肥粒鐵的平均粒徑為10μm~20μm，上述雪明碳鐵的球狀化率為90%以上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高碳熱軋鋼板，其中以質量%計更含有合計為2%以下的Cu、Ni中的至少1種。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之高碳熱軋鋼板，其中以質量%計更含有合計為1.0%以下的Cr、Mo中的至少1種。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之高碳熱軋鋼板，其中以質量%計更含有合計為0.1%以下的Sb、Sn中的至少1種。
  5. 一種如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之高碳熱軋鋼板的製造方法，包括：對具有如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之高碳熱軋鋼板的組成的鋼進行粗軋後，在850℃以上的終軋溫度進行精軋，在600℃以上的捲繞溫度進行捲繞後，在680℃以上Ac1 變態點以下的退火溫度進行退火。
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