TWI510647B - 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壓製成形性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，是為了在藉由冷壓製成形將作為JIS G 4051所規定的機械構造用碳鋼鋼材的高碳熱軋鋼板成形為所期望的形狀後，確保所期望的硬度實施淬火處理製造而成。因此，對原材料的鋼板要求優良的壓製成形性與淬火性，至今為止提出了各種高碳熱軋鋼板。
例如，專利文獻1中揭示了一種淬火後的衝擊特性優良的熱軋鋼板，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0.06μm~0.30μm，且淬火後的舊沃斯田鐵(austenite)粒徑為2μm~25μm。
專利文獻2中揭示了一種回火省略型Ti-B系高碳薄鋼板的製造方法，對具有如下鋼組成的板厚為6mm以下的熱軋鋼板進行塑性加工後，在Ac3~950℃的溫度區進行均熱後，水中或者油中淬火的成形性與韌性優良，上述鋼組成以質量%計，含有C：0.15%~0.40%、Si≦0.35%、Mn：0.6%~1.50%、P≦0.030%、S≦0.020%、Ti：0.005%~0.1%、sol.Al：0.01%~0.20%、N：0.0020%~0.012%、B：0.0003%~0.0030%，其中B≦0.0032-0.014×sol.Al-0.029×Ti，剩餘部分實質地包含Fe。
進而，專利文獻3中揭示了一種高碳熱軋鋼板，具有：如下的組成：以質量%計，含有C：0.20%~0.48%、Si：0.1%以下、Mn：0.20%~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%，滿足Ti-(48/14)N≧0.005(式中的元素符號表示各個元素的含量的質量%)，且剩餘部分為Fe及不可避免的雜質；以及如下的組織：肥粒鐵平均粒徑為6μm以下，碳化物平均粒徑為0.1μm以上且小於1.20μm，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~專利文獻3中記載的高碳熱軋鋼板中，確認延性的降低或在淬火後鋼板表層部的硬度降低，從而難以穩定地具備優良的壓製成形性與淬火性。
本發明的目的在於提供一種穩定地具備優良的壓製成形性與淬火性、尤其鋼板表層部的淬火性的高碳熱軋鋼板及其製造方法。
本發明者等人為了達成上述目的而進行積極研究之後，獲得如下發現。
i)若形成包含肥粒鐵相與碳化物的微組織，且將肥粒鐵相的平均粒徑設為10μm~20μm，碳化物的球狀化率設為90%以上，則軟質化，從而可靠地實現延性提高，且穩定地獲得優良的壓製成形性。
ii)若將Al量設為0.1質量%以上，且在氮氣為主體的環境中進行用以使碳化物球狀化的退火(以後，簡稱作球狀化退火)，則鋼板表層部的平均N量為0.1質量%以上，淬火後的鋼板表層部的硬度降低得到抑制，從而穩定地獲得優良的淬火性。
本發明基於上述發現而完成，提供一種高碳熱軋鋼板， 具有如下的成分組成(chemical composition)：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、Al：0.1%~0.6%、Cr：0.05%~0.5%、B：0.0005%~0.0050%、Ca：0.0010%~0.0050%，自表面向板厚方向深入0.1mm的表層部的平均N量為0.1%以上，板厚中央部的平均N量為0.01%以下，剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質；且具有如下的微組織：包含肥粒鐵相與碳化物，上述肥粒鐵相的平均粒徑為10μm~20μm，上述碳化物的球狀化率為90%以上。
本發明的高碳熱軋鋼板中，亦可進而個別地或者同時地以質量%計，含有合計為2%以下的Cu、Ni、Mo中的至少一種，或者合計為0.10%以下的Ti、V中的至少一種。
本發明的高碳熱軋鋼板可藉由如下方式來製造：對具有上述成分組成的鋼進行粗軋後，在850℃~950℃的終軋溫度(hot rolling finishing temperature)進行熱軋，以500℃以上的捲繞溫度(coiling temperature)進行捲繞後，進行酸洗，在含有50vol.%以上的氮氣的環境中，在680℃以上AcI變態點以下的退火溫度進行球狀化退火。
根據本發明，可製造穩定地具備優良的壓製成形性與淬火性、尤其鋼板表層部的淬火性的高碳熱軋鋼板。本發明的高碳熱軋鋼板適合於齒輪、變速器、靠背椅等的自動車用零件。
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)成分組成
C：0.20%~0.48%
C是為了獲得淬火後的硬度而重要的元素。為了獲得壓製成形、淬火後的自動車用零件所需的硬度，必須將C量至少設為0.20%以上。另一方面，若C量超過0.48%則會硬質、低延性化，從而壓製成形性會劣化。因此，C量設為0.20%~0.48%，較佳設為0.26%~0.48%。
Si：0.1%以下
若Si量超過0.1%則會硬質、低延性化，從而壓製成形性會劣化。因此，Si量設為0.1%以下，較佳設為0.05%以下。即便Si量為0(零)亦不會有問題。
Mn：0.5%以下
若Mn量超過0.5%則不僅會硬質、低延性化，且由偏析引起的帶狀組織(band structure)發達，微組織變得不均勻，因 而壓製成形性劣化。因此，Mn量設為0.5%以下，較佳設為0.4%以下。即便Mn量為0(零)亦不會有問題，但為了抑制石墨析出，較佳為將Mn量設為0.2%以上。
P：0.03%以下
若P量超過0.03%則壓製成形性及淬火後的韌性會顯著劣化。因此，P量設為0.03%以下，較佳設為0.02%以下。即便P量為0(零)亦不會有問題，但為了抑制成本上升，較佳為將P量設為0.005%以上。
S：0.01%以下
若S量超過0.01%則壓製成形性及淬火後的韌性會顯著劣化。因此，S量設為0.01%以下，較佳設為0.005%以下。即便S量為0(零)亦不會有問題。
Al：0.1%~0.6%
Al因與N的化學親和力大，故促進N吸收，而使當在氮氣為主體的環境中進行球狀化退火時，鋼板表層部的平均N量達到0.1%以上，並且防止淬火後的鋼板表層部的硬度降低，從而提高淬火性。為了實現此種效果，必須將Al量設為0.1%以上。另一方面，若Al量超過0.6%則會因固溶強化而硬質、低延性化，從而不僅壓製成形性劣化，且因變態點上升而使得從沃斯田鐵單相域開始的淬火處理變得困難，淬火性降低。因此，Al量設為0.1%~0.6%。
Cr：0.05%~0.5%
Cr不僅提高淬火性，且抑制對淬火性有害的石墨的生成。為了實現此種效果，必須將Cr量設為0.05%以上。另一方面，若Cr量超過0.5%，則會硬質、低延性化，從而壓製成形性劣化。因此，Cr量設為0.05%~0.5%。
B：0.0005%~0.0050%
B提高淬火姓，因此必須將B量設為0.0005%以上。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，並且亦導致壓製成形性的劣化。因此，B量設為0.0005%~0.0050%。
Ca：0.0010%~0.0050%
Ca在鑄造含有0.1%以上的Al的鋼時，可使熔鋼的流動變得順暢。為了實現此種效果，必須將Ca量設為0.0010%以上。另一方面，若Ca量超過0.0050%則夾雜物增加，從而壓製成形性劣化。因此，Ca量設為0.0010%~0.0050%。
自鋼板表面向板厚方向深入0.1mm的表層部的平均N量：0.1%以上
如上述般，將Al量設為0.1%以上，而促進N吸收使當在氮氣為主體的環境中進行球狀化退火時，鋼板表層部的平均N量越達到0.1%以上。因此，表層部在淬火處理時固溶N(solute N)量增加，不僅淬火性而且淬火硬度亦增大，因而可防止淬火後的 鋼板表層部的硬度降低。若Al量小於0.1%則鋼板表層部的平均N量無法達到0.1%以上，從而無法充分地防止淬火後的鋼板表層部的硬度降低。此處，鋼板表層部是指自鋼板表面向板厚方向深入0.1mm的地方為止的整個區域。
鋼板板厚中央部的平均N量：0.01%以下
若鋼板板厚中央部的平均N量超過0.01%，則在熱軋的階段已促進了BN的形成，從而無法充分獲得提高淬火性的固溶B，因此在淬火處理的冷卻時會促進肥粒鐵相的生成，從而淬火後的韌性劣化。因此，鋼板板厚中央部的平均N量設為0.01%以下。此處，鋼板板厚中央部的平均N量是指球狀化退火前的鋼板的N量。而且，鋼板板厚中央部規定為板厚1/4的位置至3/4的位置之間。即便N量為0(零)亦不會有問題，而若考慮到成本方面，則較佳為將N量設為0.001%以上。
剩餘部分雖設為Fe及不可避免的雜質，但為了促進碳化物的球狀化，且為了提高淬火性，而含有合計為2%以下的Cu、Ni、Mo中的至少一種，或進而為了抑制石墨的生成並提高淬火性，而個別含有合計為0.10%以下的Ti、V中的至少一種。
2)微組織
本發明中，為了提高壓製成形性，必須在熱軋後進行球狀化退火，而形成包含肥粒鐵相與碳化物的微組織。尤其為了具備優良的壓製成形性與淬火性，必須將肥粒鐵相的平均粒徑設為 10μm~20μm，碳化物的球狀化率設為90%以上。
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倍對板厚中央部的10個部位進行組織觀察，藉由依據JIS G 0552：1998的切斷法來求出各位置的粒徑，進而將10個部位的粒徑加以算數平均，從而獲得肥粒鐵相的平均粒徑。而且，在上述組織觀察的各位置中，對碳化物的最大徑a與最小徑b的比a/b進行計算，求出a/b為3以下的碳化物的數量相對於全部碳化物數量的比例(%)，將10個部位的球狀化率加以算術平均而獲得碳化物的球狀化率。
3)製造條件
熱軋的終軋溫度：850℃~950℃
具有上述成分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℃，則軋製時的沃斯田鐵粒變得微細，因而球狀化退火後的肥粒鐵相的平均粒徑小於10μm，若超過950℃，則肥粒鐵相的平均粒徑超過20μm。因此，熱軋的終軋溫度設為850℃~950℃。
捲繞溫度：500℃以上
將熱軋後的鋼板加以捲繞，若捲繞溫度小於500℃，則球狀化退火後的肥粒鐵相的平均粒徑及碳化物會微細化且硬質、低延性化，從而壓製成形性劣化。因此，捲繞溫度設為500℃以上。另外，為了避免由鏽皮(scale)引起的表面性狀的劣化，較佳為 將捲繞溫度設為750℃以下。
球狀化退火：在含有50vol.%以上的氮氣的環境中，680℃以上Ac1變態點以下的退火溫度
對於捲繞後的鋼板而言，在利用酸洗去除鏽皮後，為了使碳化物球狀化，形成所期望的肥粒鐵相的平均粒徑，並且將鋼板表層部的平均N量設為0.1%以上，而在含有50vol.%以上的氮氣的環境中，在680℃以上Ac1變態點以下的退火溫度下進行球狀化退火。此時，在環境中的氮氣量小於50vol.%的情況下，無法使自鋼板表面向板厚方向深入0.1mm的表層部的平均N量達到0.1%以上。而且，在退火溫度小於680℃的情況下，無法使碳化物的球狀化率為90%以上。進而，在退火溫度超過Ac1變態點的情況下，加熱中產生沃斯田鐵相，冷卻中生成波來鐵，從而壓製成形性劣化。因此，必須在含有50vol.%以上的氮氣的環境中，在680℃以上Ac1變態點以下的退火溫度下來進行球狀化退火。另外，維持為上述溫度的退火時間較佳為20小時~40小時。而且，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。
為了熔製具有本發明的成分組成的高碳鋼，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，在為連續鑄造中所製造的鋼坯的情況下，亦可應用直軋，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A至M的成分組成的鋼熔製出，然後依據表2所示的熱軋條件進行熱軋後，進行酸洗，在含有95vol.%的氮氣與5vol.%的氫氣的環境中，以表2所示的退火溫度進行球狀化退火，從而製造板厚為3.0mm的熱軋鋼板的試樣1~試樣14。
對如上述般製造的試樣，分析鋼板表層部的N量，並且藉由上述方法而求出肥粒鐵相的平均粒徑與碳化物的球狀化率。然後，與輥軋方向平行地採取JIS 13號B拉伸試驗片，求出拉伸強度TS、總伸長率El。進而，進行淬火處理來求出鋼板表層部的洛氏C級的硬度(HRC)，上述淬火處理採取寬度50mm×長度50mm的試驗片，將RX氣體(RX gas)混合於空氣中並將碳勢(carbon potential)調整成與鋼中C量相等的環境中，以870℃加熱30秒後投入到120℃的油中。
然後，壓製成形性藉由El來評估，淬火性藉由鋼板表層部的HRC來評估，對於El、HRC而言，C量依存性均大，因而 若C：0.20%時El≧42%、HRC≧35，C：0.35%時El≧35%、HRC≧45，C：0.48%時El≧30%、HRC≧45，則壓製成形性及淬火性優良。
將結果表示於表2。可知本發明例的壓製成形性及淬火性優良，其中本發明例具有包含肥粒鐵相與碳化物的微組織，鋼板表層部的平均N量為0.1質量%以上，肥粒鐵相的平均粒徑為10μm~20μm，碳化物的球狀化率為90%以上。

Claims (4)

  1. 一種高碳熱軋鋼板，具有如下的成分組成：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、Al：0.1%~0.6%、Cr：0.05%~0.5%、B：0.0005%~0.0050%、Ca：0.0010%~0.0050%，自表面向板厚方向深入0.1mm的表層部的平均N量為0.1%以上，板厚中央部的平均N量為0.01%以下，剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質；且具有包含肥粒鐵相與碳化物的微組織，上述肥粒鐵相的平均粒徑為10μm~20μm，上述碳化物的球狀化率為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、Mo中的至少一種。
  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0.10%以下的Ti、V中的至少一種。
  4. 一種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3項中任一項所述之高碳熱軋鋼板的成分組成的鋼進行粗軋後，在850℃~950℃的終軋溫度進行熱軋，在500℃以上的捲繞溫度進行捲繞後，進行酸洗，在含有50vol.%以上的氮氣的環境中，在680℃以上Ac1變態點以下的退火溫度進行碳化物的球狀化退火。
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