JP3857939B2 - 局部延性に優れた高強度高延性鋼および鋼板並びにその鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、自動車外板等の素材として好適な局部延性に優れた高延性、高強度鋼、同鋼板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車などの鋼板使用分野では、部材の軽量化が指向されており、プレス成形性に優れた、高強度の鋼板が求められている。高強度かつ高延性に優れた鋼板として、歪誘起変態（ＴＲＩＰ）を利用した高強度鋼板が提案されている。この種の鋼板は、残留オーステナイトを有し、鋼板の成形時には残留オーステナイトによって成形が容易である一方、成形後には残留オーステナイトがマルテンサイト化するため高強度を備えたものとなる。
【０００３】
この種の鋼板として、例えば特開平７−１８８８３４号（特許第２８７６９６８号）公報には、Ｍｎ：２．０〜６．０％を含有し、残留オーステナイト量を２０体積％以上有する高強度鋼板が開示されている。この鋼板は、熱延板あるいは冷延板を８００℃以上に再加熱してオーステナイト化して冷却し、その後６５０〜７５０℃の焼鈍温度にて焼鈍を２回行うことによって、オーステナイト中への合金元素の濃縮を促進して２０％以上の残留オーステナイトを生成させたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように高Ｍｎ成分の鋼を用いると、多量の残留オーステナイトを比較的容易に生成させることができ、高延性を有する高強度鋼板を得ることができる。かかる鋼板が用いられる用途においては、プレスにより形状加工とともに穴拡げ加工が施されるため、優れた局部延性が要求されることが多い。ところが、残留オーステナイトを２０体積％以上生成させると、均一伸びは大きく改善されるものの、局部延性の劣化が著しいという問題がある。これは、組織中に多量の残留オーステナイトがあると、加工時にこれが一斉にマルテンサイトに変態して硬質相を形成し、マルテンサイトに比して軟質のマトリックス組織との境界でボイドが生成するためと推測される。
【０００５】
ところで、R.L.Millerは、Metallurgical Transactions Vol. 3, April(1972) p905-912に記載されているように、０．１１％Ｃ−５．７％Ｍｎ鋼を熱間圧延後、圧下率６０〜８５％の冷間圧延を施すことによって、１μm 程度の超微細ポリゴナルフェライトと残留オーステナイトからなる７８０Ｎ超級ＴＲＩＰ鋼に関する研究を行っている。しかし、この研究は、強度が１０００ＭＰａ以上の熱延板を冷間圧延することを前提とする技術であり、量産性に問題があるうえ、良好な局部延性が得られていない。
また、古川等は、CAMP-ISIJ Vol.2(1989)p744, Vol.3(1990)p796, Vol.4(1991)p1946 に記載されているように、０．１％Ｃ−５％Ｍｎ系鋼を中心として、熱間圧延、再加熱により数十％のオーステナイト分率を有するフェライト、オーステナイト２相鋼の研究を行っている。しかし、再加熱を要して生産性に問題があるうえ、オーステナイト分率が高く、延性にとって最適なオーステナイトの安定度に制御されていないため、良好な局部延性が得られていない。
【０００６】
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、局部延性に優れた高強度高延性鋼、鋼板並びにその鋼板の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、オーステナイトを安定化し、残留オーステナイトの生成に寄与するＭｎを３．０〜７．０％と多量に添加した鋼について、２０％以上の残留オーステナイトの生成を抑制することによって局部延性を向上させる手段を鋭意研究したところ、理論的にはオーステナイトが生じないＡ１点直下の温度域にて熱延板に焼き戻し熱処理を施すことによって、適量の残留オーステナイトが生成することを見出した。すなわち、鋼材が全体に亘って成分的に均一であると想定すると、Ａ１点以下の焼き戻しでは残留オーステナイトが析出することは理論的に考えられない。しかし、高Ｍｎ化により不可避的に生じるＭｎ偏析帯に着目すれば、そのＭｎ偏析帯およびその近傍部（両者を合わせて偏析部と呼ぶ。）では局部的にＡ１点は平均場（平衡状態における均一成分の組織）としてのＡ１点よりも若干低温化しており、この傾向は鋼材中のＭｎ量が増えるほど低下する。この平均場としてのＡ１点とＭｎ偏析部での局部的なＡ１点との間の温度で保持すれば、Ｍｎ偏析部のみに逆変態が生じ、熱間圧延によって生成したラス、ラメラ構造の微細マルテンサイト・ベイナイト組織から短時間でＭｎが濃化した適量の残留オーステナイトが析出する。
【０００８】
本発明はかかる知見により完成されたものであり、本発明の高強度高延性鋼あるいは鋼板は、mass％で、
Ｃ ：０．０６〜０．２０％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：３．０〜７．０％、
Ａｌ：０．１０％以下
を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、残留オーステナイトが体積率で１０％以上、２０％未満であり、焼き戻しマルテンサイトおよび焼き戻しベイナイトが面積率で３０％以上である。良好なめっき性を得るには、Ｓｉを１．００％以下に止めるのがよい。
【０００９】
また、本発明の高強度高延性鋼板の製造方法は、前記成分を有する鋼を熱間圧延し、得られた熱延板に必要に応じて圧下率２０％以下の冷間圧延を施し、前記熱延板あるいは冷間圧延によって得られた冷延板に焼き戻し熱処理を施し、冷却する。この際、前記焼き戻し熱処理は７００℃以下、Ａ１点を超える焼き戻し温度にて２０秒以上、９００秒以下保持するか、あるいはＡ１点以下、（Ａ１点−５０）℃以上の焼き戻し温度にて２０秒以上、３時間以下保持する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の高強度高延性鋼、鋼板の化学成分（単位はmass％）の限定理由について説明する。
【００１１】
Ｃ：０．０６〜０．２０％
Ｃは強力なオーステナイト安定化元素であるとともに重要な強度向上元素である。このような作用を得るため、下限を０．０６％とする。しかし、Ｃ量が０．２０％を超えると溶接性が劣化する。したがって、Ｃ含有量は０．０６〜０．２０％、好ましくは０．０６〜０．１５％とする。
【００１２】
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉはセメンタイト中に固溶しないため、その析出を抑制する作用があり、未変態オーステナイト中へのＣの濃縮をさらに増加させることができる。しかし、Ｓｉが２．０％を超えると表面品質を劣化させると共に溶接性も劣化させるようになるので、２．０％以下とする。めっき性をより向上させるには、好ましくは１．００％以下、さらに好ましくは０．５０％以下とする。
【００１３】
Ｍｎ：３．０〜７．０％以下
Ｍｎは本発明において重要な添加元素であり、一般的にオーステナイト形成元素としてその中に濃縮し、オーステナイトの安定化をもたらす。また、鋼自体の強度も上昇させる。さらに、本発明では通常は必要とされないＭｎの偏析を利用するので、残留オーステナイトが適量確保できる程度にＭｎの偏析帯を存在させることが必要である。Ｍｎの添加量が３．０％未満ではこれらの作用が過少であり、一方７．０％を超えて添加すると、たとえ適正な温度で熱処理しても生成する残留オーステナイト量が２０％以上となり、局部伸びが劣化するようになり、また溶接性も劣化するようになる。このため、Ｍｎ量を３．０〜７．０％、好ましくは３．５〜７．０％、さらに好ましくは４．０〜６．５％とする。Ｍｎ量を４．０％以上とすることによって、ＴＳ（引張強さ）×Ｅｌ（全伸び）の値が２４０ＭＰａ以上の強度・延性バランスを得ることができる。
Ａｌ：０．１０％以下
Ａｌは脱酸元素として０．１０％以下添加することができる。
本発明鋼、鋼板は上記基本成分の他、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるが、さらに特性を向上させる下記補助元素の添加を妨げない。不純物としては、Ｐ、Ｓ、Ｎ等が含まれるが、延性劣化防止の観点から、Ｐは０．０１５％以下、Ｓは０．０１０％以下に止めるのがよい。
【００１４】
補助元素としては、上記の基本元素に加えて下記の各元素群の元素を単独で、あるいは複合して添加することができる。
オーステナイト形成元素であり、焼き入れ性も向上させる元素であるＮｉ，Ｃｕ，Ｃｏの１種以上を合計量で４％程度以下添加することができる。４％を超えて添加し過ぎると、残留オーステナイト量が増え過ぎ、局部延性が悪化するようになるので好ましくない。また、Ｃｕを添加する場合には、熱間圧延割れを抑制するため、Ｃｕの半分量以上程度のＮｉを同時に添加することが推奨される。
また、焼き入れ性の向上を図るためにＣｒ，Ｍｏ，Ｂの１種以上を合計量で１．０％程度以下添加することもできる。ただし、Ｍｏを添加する場合には、Ｍｏの添加量は０．５％以下に止めることが好ましい。０．５％を超えて過剰に添加すると、ＣをＭｏ₂Ｃ として吸着し、残留γ量を減少させるようになるため好ましくない。
また、組織の微細化、析出強化を図るためにＮｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒの１種以上を０．０５％程度以下添加することもできる。これらの元素も０．０５％を超えて過剰に添加すると残留γを減少させるようになる。
一方、溶接性を向上させるには、本発明の鋼、鋼板における各添加成分を下記の溶接割れ感受性指数Ｐｃｍが０．４２以下となるように調整することが推奨される。この様に調整することで、高強度・高延性に加え、さらに溶接性も向上させることができる。Ｐｃｍの値は０．３７以下がより好ましく、０．３２以下がより一層好ましい。
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５×Ｂ
但し、各元素の記号は添加する質量％を意味する。
【００１５】
次に、本発明鋼、鋼板の組織について説明する。
本発明鋼、鋼板は、基本的に残留オーステナイト、焼き戻しマルテンサイト、焼き戻しベイナイトおよびフェライトによって構成される。機械的特性の内、延性、特に局部延性は残留オーステナイト量によって大きく支配される。残留オーステナイト量が体積率で１０％未満では２５％程度以上の高延性（全伸び）を確保することが困難になる。一方、Ｍｎ含有量を３．０〜７．０％とした場合、残留オーステナイト量が１０％以上であれば、強度−延性バランスを示すＴＳ×Ｅｌの値が２００ＭＰａ以上となり、優れた強度−延性バランスを得ることが可能となる。一方、残留オーステナイト量が２０％以上になると、加工により変態するマルテンサイト量が過多となり、加工を受けた際に基地（焼き戻しマルテンサイト、焼き戻しベイナイトおよびフェライト）との境界で硬度差に起因してボイドが発生し易くなり、局部延性（局部伸び）が８％程度以下に劣化するようになる。このため、残留オーステナイト量を１０％以上、２０％未満とし、好ましくは１２％以上、１８％以下とする。
【００１６】
一方、材料の強度は、組織中の焼き戻しマルテンサイト、焼き戻しベイナイト、フェライトの量によって左右される。焼き戻しマルテンサイト・ベイナイトは合計量（面積率）で３０％以上とし、好ましくは５０％以上にするのがよい。本発明の鋼、鋼板の組織は、焼き戻しマルテンサイト・ベイナイト量が３０％未満ではフェライト量が過多となって、強度が５９０ＭＰａを下回るようになり、高強度の確保が困難となる。
【００１７】
次に、本発明鋼板の製造方法について説明する。
本発明鋼板は、前記成分の鋼片を常法により熱間圧延し、必要に応じてさらに圧下率２０％以下の冷間圧延を施し、その熱延板（冷間圧延を施さない場合）あるいは冷延板（冷間圧延を施した場合）に、７００℃以下、Ａ１点を超える焼き戻し温度にて２０秒以上、９００秒以下保持する焼き戻し熱処理、あるいはＡ１点以下、（Ａ１点−５０）℃以上の焼き戻し温度にて２０秒以上、３時間以下保持する焼き戻し熱処理を施すことによって製造される。
【００１８】
熱間圧延の条件は特に限定されないが、鋼片加熱温度は１１００〜１２５０℃程度、仕上圧延温度はＡr₃点以下、巻き取り温度は６００℃〜室温程度とされる。本発明の鋼成分では、高Ｍｎ量であり、焼き入れ性に優れるため、熱間圧延後は空冷、徐冷でも焼き入れ組織が得られ、フェライトのほか、ラス・ラメラ組織の微細なマルテンサイト、ベイナイトが得られる。
【００１９】
熱延後に冷間圧延を施す場合、圧下率は２０％以下とされる。圧下率が２０％超では、熱延ラス・ラメラ構造が破壊され、後述の焼き戻し熱処理により速やかに適量の残留オーステナイトが生成し難くなる。また、加工中に熱延板に割れが生じたり、割れなかったとしても、焼き戻し熱処理の際に再結晶が生じてポリゴナルフェライトが生成するようになり、後述の焼き戻し熱処理によって適量の残留オーステナイトの生成が困難になる。このため、圧下率を２０％以下、好ましくは１５％以下とする。
【００２０】
上記のように、本発明では熱延板を再加熱してオーステナイト化せず、また冷間加工によって熱間圧延により生成したラス・ラメラ構造を破壊することなく、微細マルテンサイト・ベイナイト構造のまま、焼き戻しを施す。本発明では、熱延板あるいは冷延板を再加熱によって再度オーステナイト化し、焼き入れを行うことはしない。これは、オーステナイト化後、たとえ水冷により微細なマルテンサイト・ベイナイトを生成させたしたとしても、旧オーステナイト粒径が熱延板ほど微細にならないためと推定されるが、局部延性が改善されないことが本発明者によって確かめられたためである。
【００２１】
前記焼き戻し熱処理において、焼き戻し温度が７００℃以下、Ａ１点を超える温度範囲で２０秒以上、９００秒以下保持すること、あるいはＡ１点以下、（Ａ１点−５０）℃以上の温度範囲で２０秒以上、３時間以下保持することは本発明において重要な条件である。
本発明の成分の鋼に対して、平均場としてのＡ１点以上に２０分以上保持すると鋼組織の全体に亘って残留オーステナイトが生成するようになり、残留オーステナイトが容易に２０％以上の体積率となって、局部延性を劣化させる。一方、平均場としてのＡ１点とＭｎ偏析部あるいはラス間のような不均一部での局部的なＡ１点との間の温度に短時間保持すれば、残留オーステナイト量が１０％以上、２０％未満の間に止まり、均一伸びを確保することができる上、局部伸びを大いに改善することができる。
【００２２】
このように、本発明では熱処理条件として、均一場として想定されるＡ１点以下の温度にすることが基本であるが、Ａ１点を多少超えた温度であっても残留オーステナイトの生成が進み過ぎない様に保持時間を短時間にすれば所定量の残留オーステナイトを得ることができる。このため、焼き戻し温度の上限を７００℃とした。しかし、７００℃を超える温度になると、たとえ短時間でもＭｎの偏析帯以外でも残留オーステナイトの生成が進む様になって、適正量の残留オーステナイトを得ることが難しくなる。また、焼き戻し温度があまり低過ぎると、たとえＭｎが偏析していても残留オーステナイトを生成することができないようになるので、下限を平均場としての（Ａ１点−５０）℃とする。
また、この焼き戻し温度を７００℃以下で、平均場としてのＡ１点＋５℃以下の範囲にうまく制御しつつ、保持時間を適切に制御するか、あるいはＡ１点以下の温度として残留オーステナイト量が２０％未満の条件を満たす範囲で可能な限り長時間の保持を行えば、本発明の鋼、鋼板の引張強度が９８０ＭＰａ以上となり、より一層高強度化することができる。このように焼き戻し条件を調整することで、焼き戻しベイナイトおよび焼き戻しマルテンサイトの中で、高強度化への寄与が大きい焼き戻しマルテンサイト量を十分に確保することができるようになるため、９８０ＭＰａ以上の高強度化が可能になるものと考えられる。
【００２３】
前記焼き戻し温度における保持時間は、少なくとも２０秒以上は必要である。この程度の時間がないと、１０％以上の残留オーステナイトが生成できないようになる。一方、保持時間は、あまり長時間とすると、たとえＡ１点以下であっても、残留オーステナイトの生成が進み過ぎて、その量が２０％以上となってしまうおそれがある。保持時間の上限は、焼き戻し温度にもよるが、焼き戻し温度が平均場としてのＡ１点を超え、７００℃以下の場合には、９００秒以内とすることが必要である。また、焼き戻し温度を平均場としてのＡ１点以下に抑えた場合には、１時間（３６００秒）程度の長時間であっても残留オーステナイト量を２０％未満とすることができるが、せいぜい３時間程度までとすることが残留オーステナイト量の点および生産性の観点から必要であると考えられる。９８０ＭＰａ以上の高強度を必要としない場合には、Ａ１点以下、（Ａ１点−５０）℃以上の温度範囲内で６０〜４８０秒とすることが好ましい。
【００２４】
上記の焼き戻し熱処理により局部的な逆変態を生じさせて、オーステナイトにＣ濃度、Ｍｎ濃度を短時間で濃化することが可能となり、局部延性にとって適切な体積率で１０％以上、２０％未満の残留オーステナイトを確保することができ、実施例に示すように８％以上の局部伸びを得ることができる。
【００２５】
以上のとおり、本発明の鋼種は焼き戻し工程において、基本的にＡ１点以下に２０秒以上保持し、平衡論、均一場を想定してはありえない、Ｍｎ偏析あるいはラス間という不均一場を利用してＴＲＩＰ鋼の創生を行うものであるが、条鋼分野で用いられるようなＩＨ（高周波加熱）等の急速加熱では、Ａ１点を超える焼き戻し温度であっても、加熱時間を例えば５秒程度以下の短時間に調整することにより、同様の組織と特性が得ることができる。
【００２６】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はかかる実施例により限定的に解釈されるものではない。
【００２７】
【実施例】
表１に示す化学成分を有する鋼を大気溶解し、その鋼塊（４０kg）を１１５０℃に加熱し、熱間圧延を行い、表２に示す仕上圧延終了温度（ＦＤＴ）にて圧延を終了した。得られた熱延板（板厚３．０mm）の組織をレペラ腐食し、光学顕微鏡観察（４００倍）したところ、組織はマルテンサイト（Ｍ）、ベイナイト（Ｂ）およびフェライト（Ｆ）で形成されていた。なお、表１にはＡ１点の温度を付記した。Ａ１点は下記式により求めた。
Ａ１（℃）＝７２３−１０．７＊Ｍｎ％＋２９．１＊Ｓｉ％
【００２８】
【表１】

【００２９】
熱延後、そのまま、あるいは表２に示す圧下率（冷延率）にて冷間圧延を施し、同表に示す焼き戻し熱処理を熱延板あるいは冷延板に施した。熱処理後の鋼板の組織を前記と同様にして光学顕微鏡観察し、焼き戻しＭ＋Ｂの面積率を求めた。また、Ｘ線回折法により組織中の残留オーステナイト（γ_R ）量を求めた。これらの結果を表２に併せて示す。なお、面積率は体積率と同等の値を取るが、表中、焼き戻しＭ＋Ｂの値とγＲの値との合計が１００％を超えるものがある。これは、レペラ腐食した組織ではマルテンサイトとオーステナイトとが区別されないためである。
【００３０】
さらに、焼き戻し熱処理後の鋼板を板厚１．４mmに面削し、ＪＩＳ５号試験片を作成し、引張試験を行い機械的性質を測定した。これらの測定結果を表２および表３に併せて示す。
【００３１】
【表２】

【００３２】
【表３】

【００３３】
表２および表３より、鋼成分、焼き戻しマルテンサイト・ベイナイト量、残留オーステナイト量が適正な発明例では、局部伸びが８％以上有し、強度・延性バランス（ＴＳ・Ｅｌ）が２３０ＭＰａ以上有し、高強度、高延性であるうえ、局部延性にも優れることがわかる。一方、成分が適正でも、焼き戻し処理が不適当な試料No. ９，１１，２０，３７では所期の所定の残留オーステナイト量が得られず、局部伸びが６％程度に止まり、あるいは均一伸びが劣化した。また、冷延率が４０％と高いNo. １８では冷間圧延中に割れ、また冷延率が２５％のNo. １９では割れなかったものの、焼き戻し熱処理の際に再結晶が生じて、残留オーステナイト量が不足し、局部延性が劣化した。なお、No. １４はＣ量が過多で、溶接性が劣り、No. １７はＳｉ量が過多でめっき性および溶接性が劣る比較例である。また、試料No. ２４，２７，２９，３１，３４はＮｉ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｍｏなどの補助元素が過剰に添加されているため、残留オーステナイト量が適正範囲内に収まらず、その結果、局部伸びあるいは均一伸びが劣化している。
【００３４】
【発明の効果】
本発明鋼、鋼板によれば、Ｍｎを３．０〜７．０％含有した特定成分の下、残留オーステナイトの生成を抑制して１０％以上、２０％未満とし、焼き戻しマルテンサイトおよび焼き戻しベイナイトを面積率で３０％以上としたので、高強度、高延性でありながら、優れた局部延性を得ることができる。また、本発明の製造方法によれば、前記高強度熱延鋼板を容易に製造することができる。

Claims (8)

1. mass％で、
   Ｃ ：０．０６〜０．２０％、
   Ｓｉ：２．０％以下、
   Ｍｎ：３．０〜７．０％、
   Ａｌ：０．１０％以下
   を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、残留オーステナイトが体積率で１０％以上、２０％未満であり、焼き戻しマルテンサイトおよび焼き戻しベイナイトが面積率で３０％以上である、局部延性に優れた高強度高延性鋼。
2. Ｓｉが１．００％以下である請求項１に記載した局部延性に優れた高強度高延性鋼。
3. さらに、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏの１種以上を合計量で４％以下を含む、請求項１又は２に記載した高強度高延性鋼。
4. さらに、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｂの１種以上を合計量で１．０％以下を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載した高強度高延性鋼。
5. さらに、Ｎｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒの１種以上を合計量で０．０５％以下を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載した高強度高延性鋼。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載された鋼によって形成された、局部延性に優れた高強度高延性鋼板。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載された成分を有する鋼を熱間圧延し、得られた熱延板に焼き戻し熱処理を施し、冷却する高強度高延性鋼板の製造方法であって、
   前記焼き戻し熱処理は７００℃以下、Ａ１点を超える焼き戻し温度にて２０秒以上、９００秒以下保持するか、あるいはＡ１点以下、（Ａ１点−５０）℃以上の焼き戻し温度にて２０秒以上、３時間以下保持する、局部延性に優れた高強度高延性鋼板の製造方法。
8. 請求項１から５のいずれか１項に記載された成分を有する鋼を熱間圧延し、得られた熱延板に冷間圧延を施し、得られた冷延板に焼き戻し熱処理を施し、冷却する高強度高延性鋼板の製造方法であって、
   前記冷間圧延における圧下率を２０％以下とし、
   前記焼き戻し熱処理は７００℃以下、Ａ１点を超える焼き戻し温度にて２０秒以上、９００秒以下保持するか、あるいはＡ１点以下、（Ａ１点−５０）℃以上の焼き戻し温度にて２０秒以上、３時間以下保持する、局部延性に優れた高強度高延性鋼板の製造方法。