JP2005307246A - 結晶粒の微細な複合組織高張力鋼 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明鋼は、質量%で、C:0.001〜0.75%、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.1〜5.0%を満たす成分を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼で、その金属組織が体積%で50〜95%のフェライトと残部がマルテンサイトまたは焼き戻しマルテンサイトの混合組織であって、各々の粒径が平均直径で2μm以下であることを特徴とする。また、さらに質量%で、Cu:0.1〜3.0%を含有し、前記金属組織中に平均直径で5nm以上のCuの金属系析出物を体積%で、0.1〜3.0%含有することを特徴とする。
【選択図】 なし
Description
この様な要求に対し、従来、鋼板の製造方法を改善して、金属組織の微細化(結晶粒の細粒化)を図り、鋼の強度、靭性を改善するための圧延方法が開発されてきた。この様な方法の例としては、いわゆる制御圧延法が上げられ、加速冷却法と組み合わせた製造法として、特許文献1や特許文献2などに開示されている。
また、より結晶粒を微細化する方法として、制御圧延法に比較してさらに低温かつ大歪で行うなどの方法が提案され、結晶粒を1μm以下に顕著に微細化できることが、特許文献3、特許文献4などに開示されている。
また、上記特許文献3、4に記載の発明は、結晶粒の微細化のみに着目したものであった。従って、非常に微細な結晶粒を有する鋼という新しいコンセプトに対して、機械的特性の向上を目的とし、最も望ましい金属組織状態が実現できていない。
本発明は、特性向上の観点から最も適当な混合組織状態や析出物などの金属組織状態を有する、結晶粒の微細な複合組織高張力鋼を提供することを目的とするものである。
(1) 質量%で、
C :0.001〜0.75%、 Si:0.01〜0.5%、
Mn:0.1〜5.0%
を満たす成分を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼で、その金属組織が体積%で50〜95%のフェライトと残部がマルテンサイトまたは焼き戻しマルテンサイトの混合組織であって、各々の粒径が平均直径で2μm以下であることを特徴とする、結晶粒の微細な複合組織高張力鋼。
(2) さらに質量%で、 Cu:0.1〜3.0%
を含有し、前記金属組織中に平均直径で5nm以上のCuの金属系析出物を体積%で、0.1〜3.0%含有することを特徴とする、上記(1)に記載の結晶粒の微細な複合組織高張力鋼。
(3) さらに質量%で、
Ti:0.001〜0.3%、 Nb:0.001〜0.3%、
V :0.001〜0.3%
のいずれか1種または2種以上を含有することを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の結晶粒の微細な複合組織高張力鋼。
(4) さらに質量%で、
Ni:0.01〜5.0%、 Cr:0.01〜3.0%、
Mo:0.01〜1.0%、 B :0.0001〜0.003%
のいずれか1種または2種以上を含有することを特徴とする、上記(1)ないし(3)のいずれか1項に記載の結晶粒の微細な複合組織高張力鋼。
(5) さらに質量%で、
REM:0.001〜0.10%、Ca:0.0003〜0.0030%
のいずれか1種または2種を含有することを特徴とする、上記(1)ないし(4)のいずれか1項に記載の結晶粒の微細な複合組織高張力鋼。
(6) さらに質量%で、
N :0.001〜0.1%を含有するとともに、
Al:0.001〜0.10%、 Zr:0.001〜0.30%、
Ta:0.001〜0.30%、 Hf:0.001〜0.30%
のいずれか1種または2種以上を含有することを特徴とする、上記(1)ないし(5)のいずれか1項に記載の結晶粒の微細な複合組織高張力鋼。
まず、細粒鋼の機械的特性について考察してみると、以下のようになるものと考えられる。
結晶粒径が微細化すると降伏強度(YS)が増加する。一方、引張強度(TS)も増加するが、その増加の程度は降伏強度の増加に比較して小さい。このため、結晶粒径が1μm程度以下にまで顕著に微細化すると、降伏強度と引張強度がほぼ同等となってしまい塑性不安定性が発現するために、加工硬化することなく破断に至る。
このような細粒鋼の引張特性における均一伸びを改善するためには、比較的に大きな硬質相を細粒組織内に分散させ、降伏強度をあまり上昇させることなく、引張強度を上げて、細粒組織においても十分な加工硬化を現出させてやることが必要である。
そこで本発明者らは、上記のような結晶粒が1μm程度以下に微細化した細粒鋼の組織状態と引張特性の関連を吟味し、強度を低下させることなく延性を良好とする、結晶粒の微細な複合組織高張力鋼を創案した。
(1)フェライトの微細化
フェライトは、変態や再結晶などの現象を極限的に利用することによって、その結晶粒径を直径で1μm以下に微細化できる。このとき、結晶粒径を1μm以下まで微細化することによって得られる降伏強度および引張強度は概ね700MPa以上であり、結晶粒径2μm以下では500MPa以上である。一方、同一の成分系での従来鋼の粒径の下限は5μm程度であり、その場合の引張強度は350MPa程度であることを考慮すれば、細粒化による強化を十分に享受するためには、2μm以下の結晶粒径が必要である。
次に、上記したような細粒組織中に分散させるべき硬質相は、母相の微細フェライト組織との硬度差が大きい程良い。このような観点から実際の実験結果を見ると、硬質相はマルテンサイトおよび焼き戻しマルテンサイトが好ましいことが判った。
硬質相としては、当然、母相であるフェライトの硬度(ビッカース硬さ200程度)以上であることを考えると、ビッカース硬さ220程度であるパーライトやそれと同等の硬さであるベイナイトは、硬質相としてあまり相応しくないことが判る。このような硬質相の存在により、細粒組織鋼においては、降伏強度の増加に比較して引張強度が顕著に増加し、均一伸びの改善が認められた。
このような硬質相による均一伸びの改善は、硬質相の硬さ及び母相中での存在量が支配的であり、硬質相の結晶粒径にはあまり依存しないことが判った。また、このとき硬質相の量は概ね体積分率で5%以上50%以下の範囲で良好な均一伸びの改善が認められた。
次に、硬質相の分散状態については、局部延性の観点から調査した結果、硬質相の結晶粒径が小さいほど局部延性の低下が抑制されることが判った。さらに、このような硬質相による局部延性の劣化は、硬質相の分散間隔が母相の結晶粒径以上になる場合に顕著に現れることが判明した。これは、延性破壊の起点が結晶粒界から硬質相−母相界面に変化するためと考えられる。超微細粒鋼の場合には1μm以下の分散状態が好ましいものと考えられ、このような観点から、顕著に局部延性の劣化を抑制可能な硬質相のサイズとして、母相の結晶粒径と同程度以下の2μm以下が好ましいことが判った。
次に、上記したような微細硬質相を分散した細粒組織鋼において、Cuを添加することは特別に有効な延性を損なわない強化方法であることが判った。その析出相を利用することによって、母相である微細組織の結晶粒をより微細化し、細粒化強化を促進するとともに、析出相自身による析出強化が得られる。
このような強化では延性をあまり損なわない点について考察すると、Cu添加による強化は、上に述べたように母相の細粒化強化とCuの析出相による析出強化の2者であり、これらはいずれも延性の劣化の抑制に有効であると考えられるからである。
また、後者はCuの析出相が金属Cuであるという特殊性に基づいている。これは、以下のように考えられる。
Cuの析出相は、鋼中の析出相としては他にはない母相より柔らかい面心立方構造の金属Cuである。従って、加工初期の歪み量が小さい場合には、Cu析出相の結晶構造が母相の鉄(体心立方構造)とは異なるので、母相中を移動してきた転位はCu析出相中に進入せず移動を抑制するので、転位のピン止めによって析出強化が得られる。
上記したような発見に基づき、本発明の結晶粒の微細な複合組織高張力鋼の満たすべき成分、組織条件を明確にした。
Cは、鋼の強化を行うのに有効な元素であり、0.001%未満では強度を得るための量が十分でない。一方、その含有量が0.75%を超えると溶接性を顕著に劣化させる。そこでC含有量は0.001〜0.75%とする。
その他、不可避的不純物であるP,Sの含有量は、延性確保の観点から、それぞれ0.02%以下、0.008%以下が好ましい。
本発明の要点は、以下の点にある。
(1)2μm以下の平均結晶粒径のフェライトを50〜95%含有する。
(2)上記の残部5〜50%は平均結晶粒径2μm以下のマルテンサイトもしくは焼き戻 しマルテンサイトの分散組織とする。
(3)さらに、好ましくは、体積分率で0.1%以上3.0%以下のCuの金属析出物を 平均粒径で5nm以上のサイズで分散した組織とする。
一般に、細粒鋼では結晶粒微細化による降伏強度の上昇が顕著で、降伏強度と引張強度が同等となり、加工硬化が起こらないために引張試験における均一伸びが極めて小さいという欠点がある。これを打開するためには、細粒組織中に硬質の金属組織を分散させることが必要である。このような硬質相は、母相の微細フェライト組織との硬度差が大きい程良い。
Cuの析出相を利用することによって、母相であるフェライト微細組織の結晶粒をより微細化し、細粒化強化を促進するとともに、析出相自身による析出強化が得られる。なお、このような強化では延性をあまり損なわないことを先に述べた。しかし、このような微細Cu析出物による強化は、引張強度の増加に比較して降伏強度の増加の程度が大きく、超微細粒鋼の場合には、そもそも微細化強化により顕著に降伏強度が上昇し、引張試験における加工硬化が小さく均一伸びが小さい傾向にあるので、この降伏強度の上昇を極端に大きくすることは延性改善の観点から回避しなければならない。
表1は、実施例の鋼の成分を示すものである。なお、表中で下線をつけて示した番号の鋼は比較鋼であることを示しており、本発明に一致しない項目に下線をつけて示してある。
次に表2〜4には、このような成分の鋼を用い種々の製造条件で製造した本発明鋼及び比較鋼について得られた金属組織状態(各組織体積分率と結晶粒径、金属Cu析出物体積率と粒径)、降伏強度(YS)、引張強度(TS)、降伏比、均一伸び、全伸びを示す。 また、本発明の狙いは強度(降伏強度)が高く、延性に優れた鋼とすることであり、この指標として降伏強度(MPa)×全伸び(%)の値を示した。概ね、これらの積が14000MPa・%を超えるものを優れた特性を有するものと考えられる。
代表的製造方法は、板厚100mmの素材を1400℃に加熱し、一度、室温まで水冷する。次にこの素材を700℃に加熱し、圧延機を用いた3〜8パスの連続する圧延によって板厚3〜10mmに圧延する。圧延終了後は直ちに室温まで水冷した。この際、フェライト結晶粒径は圧延温度を制御することによって実施する。
以上のことより、本発明の結晶粒の微細な混合組織鋼は、強度、延性に優れていることが明らかであり、本発明は有効であることが判る。
Claims (6)
- 質量%で、
C :0.001〜0.75%、
Si:0.01〜0.5%、
Mn:0.1〜5.0%
を満たす成分を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼で、その金属組織が体積%で50〜95%のフェライトと残部がマルテンサイトまたは焼き戻しマルテンサイトの混合組織であって、各々の粒径が平均直径で2μm以下であることを特徴とする、結晶粒の微細な複合組織高張力鋼。 - さらに質量%で、
Cu:0.1〜3.0%
を含有し、前記金属組織中に平均直径で5nm以上のCuの金属系析出物を体積%で、0.1〜3.0%含有することを特徴とする、請求項1に記載の結晶粒の微細な複合組織高張力鋼。 - さらに質量%で、
Ti:0.001〜0.3%、
Nb:0.001〜0.3%、
V :0.001〜0.3%
のいずれか1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1または2に記載の結晶粒の微細な複合組織高張力鋼。 - さらに質量%で、
Ni:0.01〜5.0%、
Cr:0.01〜3.0%、
Mo:0.01〜1.0%、
B :0.0001〜0.003%
のいずれか1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の結晶粒の微細な複合組織高張力鋼。 - さらに質量%で、
REM:0.001〜0.10%、
Ca :0.0003〜0.0030%
のいずれか1種または2種を含有することを特徴とする、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の結晶粒の微細な複合組織高張力鋼。 - さらに質量%で、
N :0.001〜0.1%
を含有するとともに、
Al:0.001〜0.10%、
Zr:0.001〜0.30%、
Ta:0.001〜0.30%、
Hf:0.001〜0.30%
のいずれか1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の結晶粒の微細な複合組織高張力鋼。
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