JP4659134B2 - 穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度鋼板及び亜鉛めっき鋼板、並びにそれらの鋼板の製造方法 - Google Patents
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- C23C2/04—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the coating material
- C23C2/06—Zinc or cadmium or alloys based thereon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
- C23C2/26—After-treatment
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Description
特に、安全意識の高まりに加え、法規制の強化から、衝突安全性を確保する必要性が高まっており、そのため、これまで低強度の鋼板しか用いられていなかったような複雑形状を有する部品にまで、高強度鋼板を適用しようとするニーズがある。
しかしながら、材料の成形性は、材料の強度が上昇するのに伴って劣化するので、複雑形状を有する部材に高強度鋼板を用いる際には、成形性と高強度の両方を満足する鋼板を製造する必要がある。
また、自動車部材では、走行中に繰り返し荷重を受けることから、あわせて疲労耐久性にも優れていることが求められる。
例えば、延性や張り出し成形性に優れる鋼板として、鋼板組織がフェライト及びマルテンサイトから成るDP(Dual Phase)鋼板や、鋼板組織中に残留オーステナイトを含むTRIP(Transformation Induced Plasticity)鋼板がある(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
一方、穴拡げ性に優れる鋼板としては、鋼板組織を析出強化したフェライト単相組織とした鋼板やベイナイト単相組織とした鋼板が知られている(例えば、特許文献3、特許文献4、特許文献5、特許文献6、非特許文献1参照)。
しかしながら、鋼板組織を軟質なフェライトと硬質なマルテンサイトより成る組織とすると、両組織の変形能が異なることから、穴拡げ加工のような大加工を伴う場合には、両組織の界面に微小なマイクロボイドが形成され、穴拡げ性が著しく劣化するという問題を有する。
特に、引張最大強度540MPa以上のDP鋼板では、鋼板中のマルテンサイト体積率は比較的高く、フェライトとマルテンサイトの界面も多く存在することから、界面に形成されたマイクロボイドは容易に連結し、亀裂形成、破断へと至る。
このような理由により、DP鋼板の穴拡げ性は劣位であることが知られている(例えば、非特許文献2参照)。
DP鋼では、硬質組織が変形し難いことから、繰り返し変形によって生じる転位運動や表面凹凸の変化は、フェライト側での転位運動によって担われている。このため、DP鋼の疲労耐久性のなお一層の向上には、フェライトにおいて疲労亀裂の形成を抑制することが重要となる。しかしながら、フェライトは軟質であり、フェライト中での亀裂形成を抑制することは難しいという問題がある。このため。DP鋼の更なる疲労耐久性の向上には課題がある。
TRIP鋼板に含まれる残留オーステナイトは、加工を受けるとマルテンサイトへと変態する。例えば、延引張加工や張り出し加工であれば、残留オーステナイトがマルテンサイトへと変態することで、加工部を高強度化し、変形の集中を抑制することで、高い成形性を確保可能である。
あるいは、粒界にセメンタイトやパーライト組織が存在する鋼板も、穴拡げ性は劣位である。これはフェライトとセメンタイトの境界が微小ボイド形成の起点となるためである。
また、これらのTRIP鋼板や粒界にセメンタイトやパーライト組織が存在する鋼板も、硬質組織のため、疲労耐久性についてはDP鋼と同様である。
しかし、鋼板組織をベイナイト単相組織とする鋼板は、鋼板組織をベイナイト単相組織とするため、冷延鋼板の製造にあたっては、一旦、オーステナイト単相となる高温まで加熱せねばならず、生産性が悪い。また、ベイナイト組織は転位を多く含む組織であることから、加工性に乏しく、延性や張り出し性を必要とする部材へは適用し難いという欠点を有していた。
即ち、析出強化は、フェライト中に、NbやTi等の合金炭化物が整合析出することで成し遂げられるが、冷延鋼板においては、フェライトは加工され、その後の焼鈍時に、再結晶することから、熱延板段階で整合析出していたNbやTi析出物との方位関係が失われる。そのため、その強化能が大幅に減少してしまい強度確保が難しくなる。
しかし、析出強化鋼では、一旦表面に凹凸が形成されると、凹凸部に大きな応力集中を生じることから、亀裂の伝播を抑制できず、析出強化による疲労耐久性向上には限界がある。
これらは、鋼板組織を、一旦、フェライトとマルテンサイトよりなる複合組織とし、その後、マルテンサイトを焼き戻し軟質化することで、組織強化により得られる強度-延性バランスの向上と穴拡げ性の向上を同時に得ようとするものである。
しかしながら、マルテンサイトの焼き戻しにより、硬質組織を軟化させたとしても、依然として、マルテンサイトは硬質であることから、穴拡げ性劣化を避けることが出来ない。加えて、マルテンサイトの軟化により、強度低下が生じることから、強度低下を補うためマルテンサイト体積率を増加させねばならず、硬質組織分率増加に伴う穴拡げ性の劣化が引き起こされるという問題を有していた。また、冷却終点温度が変動すると、マルテンサイト体積率がばらつくことから、材質がばらつき易いという問題も有していた。
これら形状不良の原因は、単なる板の変形のみに依るのではなく、冷却時の温度ムラに起因した残留応力を原因とする場合があり、板形状としては良好でも、切断後に反りやキャンバーといった形状不良を引き起こす場合がある。また、後工程で矯正しがたいという課題も有している。このことから、材質確保の点だけでなく、使い易さの観点でも課題がある。
このように、延性と穴拡げ性は、それぞれの特性を確保するために必要な組織が異なっており、このために両方の特性を兼備する鋼板を提供することは困難とされていた。その上、さらに疲労耐久性についてもそれを向上させようとする試みはなされていなかった。
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、DP鋼並み優れた延性と、単一組織の鋼板が有するものと同等の優れた穴拡げ性を両立しながら高強度とし、さらに、疲労耐久性を向上させた鋼板並びにその製造方法を提供するものである。
(1)本発明は、穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度冷延鋼板であって、質量%で、C:0.05%〜0.20%、Si:0.3〜2.0%、Mn:1.3〜2.6%、P:0.001〜0.03%、S:0.0001〜0.01%、Al:2.0%以下、N:0.0005〜0.0100%、O:0.0005〜0.007%を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる組成を有し、鋼板組織が主として体積%で50%超のフェライトと5%以上の硬質組織からなり、硬質組織は、ベイナイト、マルテンサイト及び残留オーステナイトからなり、隣接する何れかのフェライトとの結晶方位差が9°未満である硬質組織の割合が、硬質組織全体の体積率の50%以上であり、引張最大強さが540MPa以上であることを特徴とする。
(2)本発明は、さらに、質量%で、B:0.0001〜0.010%未満を含有することを特徴とする。
(3)本発明は、さらに、質量%で、Cr:0.01〜1.0%、Ni:0.01〜1.0%、Cu:0.01〜1.0%、Mo:0.01〜1.0%の1種または2種以上を含有することを特徴とする。
(4)本発明は、さらに、質量%で、Nb、Ti、Vの1種または2種以上を合計で0.001〜0.14%含有することを特徴とする。
(5)本発明は、さらに、質量%で、Ca、Ce、Mg、REMの1種または2種以上を合計で0.0001〜0.5%含有することを特徴とする。
(6)本発明は、(1)〜(5)のいずれかに記載の冷延鋼板の表面に亜鉛系めっきを有することを特徴とする。
(8)本発明は、穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度溶融亜鉛めっき冷延鋼板の製造方法であって、(1)〜(5)のいずれかに記載の化学成分を有する鋳造スラブを直接又は一旦冷却した後1050℃以上に加熱し、Ar3変態点以上で熱間圧延を完了し、400〜670℃の温度域にて巻き取り、酸洗後、圧下率40〜70%の冷延を施し、連続溶融亜鉛めっきラインを通板するに際して、200〜600℃間の加熱速度(HR1)が2.5〜15℃/秒で、600℃〜最高加熱温度間の加熱速度(HR2)が(0.6×HR1)℃/秒以下加熱した後、最高加熱温度を760℃〜Ac3変態点として焼鈍した後、630℃〜570℃間を平均冷却速度3℃/秒以上で(亜鉛めっき浴温度―40)℃〜(亜鉛めっき浴温度+50)℃まで冷却した後、亜鉛めっき浴に浸漬前、あるいは、浸漬後の何れか一方、あるいは、両方で、(亜鉛めっき浴温度+50)℃〜300℃の温度域で30秒以上保持することを特徴とする。
(9)本発明は、穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度合金化溶融亜鉛めっき冷延鋼板の製造方法であって、(1)〜(5)のいずれか1項に記載の化学成分を有する鋳造スラブを直接又は一旦冷却した後1050℃以上に加熱し、Ar3変態点以上で熱間圧延を完了し、400〜670℃の温度域にて巻き取り、酸洗後、圧下率40〜70%の冷延を施し、連続溶融亜鉛めっきラインを通板するに際して、200〜600℃間の加熱速度(HR1)が2.5〜15℃/秒で、600℃〜最高加熱温度間の加熱速度(HR2)が(0.6×HR1)℃/秒以下で加熱した後、最高加熱温度を760℃〜Ac3変態点として焼鈍した後、630℃〜570℃間を平均冷却速度3℃/秒以上で(亜鉛めっき浴温度―40)℃〜(亜鉛めっき浴温度+50)℃まで冷却した後、必要に応じて460〜540℃の温度で合金化処理を施し、亜鉛めっき浴に浸漬前、浸漬後、あるいは、合金化処理後の何れか、あるいは、その合計で(亜鉛めっき浴温度+50)℃〜300℃の温度域で30秒以上保持することを特徴とする。
(10)本発明は、穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度電気亜鉛系めっき冷延鋼板の製造方法であって、(7)に記載の方法で鋼板を製造したのち、亜鉛系の電気めっきを施すことを特徴とする。
本発明者は、引張り最大強度540MPa以上の高強度鋼板において、鋼板組織をフェライトと硬質組織とした場合でも、優れた延性と優れた穴拡げ性を両立させることができるようにすることを目的として鋭意検討を行った。
その結果、硬質組織と隣接するいずれかのフェライトとの結晶方位差が9°未満とする硬質組織の割合を、硬質組織全体の体積率の50%以上とすることで、換言すると、隣接するいずれかのフェライトとの結晶方位差が9°未満となっている硬質組織を主体とすることで、複合組織鋼板の特徴である優れた延性を確保しながらも、優れた穴拡げ性が確保可能なことを見出した。また、そのようにした鋼板は、疲労耐久性にも優れたものとなることを見出した。
一般的に、軟質組織であるフェライトは、ベイナイトやマルテンサイトなどの硬質組織とは変形能が異なる。フェライトと硬質組織よりなる鋼板では、軟質なフェライトは変形し易いものの、硬質なベイナイトやマルテンサイトは変形し難い。その結果、そのような鋼板に、穴拡げ加工や伸びフランジ加工のような大変形を行う場合、両組織の界面に変形が集中し、マイクロボイド形成、亀裂形成、亀裂伝播、破断へと至ることから、従来は、優れた延性と穴拡げ性の両立は不可能と考えられていた。
また、疲労耐久性についても、疲労亀裂はフェライト側、あるいは、フェライトと硬質組織の界面を伝播するため、それを抑制するのは難いという問題がある。
この原因は、フェライトと硬質組織の結晶構造が類似であることに起因していると考えられる。すなわち、両組織は、結晶構造が類似であることから、変形を担う転位のすべり系も同様であると考えられる。また、両者の結晶方位差が小さい場合には、フェライト中に生じた変形と同様の変形が硬質組織中でも生じると考えられる。
また、フェライトと結晶方位が異なる硬質組織が存在していたとしても、その周りには、フェライトと類似の結晶方位を有する硬質組織が存在し、どちらも硬質組織であることから、その変形能の差は小さいと考えられ、穴拡げ性の劣化を伴わず、高強度化がもたらされたと考えられる。
加えて、穴拡げ加工のような大変形下では、フェライトも加工硬化によって十分硬くなっており、硬質組織との変形能の差が小さくなっているため、硬質組織であっても変形可能と考えられる。
さらに、硬質組織の結晶方位とそれに隣接するフェライトの結晶方位との差を小さくすることで、繰り返し変形中での硬質組織の変形が可能となる。その結果、繰り返し変形中に硬質組織も変形することから、あたかも、フェライトを強化したかのような挙動を示し、疲労亀裂の形成が抑制されると考えられる。それと同時に、硬質組織は、依然として硬いことから、一旦形成した亀裂の伝播抵抗としても作用する。これらのことから、鋼の疲労耐久性も向上したものと考えられる。
この角度が9°以上であれば、大変形下でも変形能は乏しく、フェライトと硬質組織の界面への歪集中やマイクロボイドの形成を促進し、穴拡げ性を大幅に劣化させてしまう。このことから、結晶方位差は9°未満とする必要がある。
結晶方位差が9°未満の結晶方位関係を満たすフェライトは、硬質組織に隣接するすべてのフェライトである必要はない。硬質組織とそれに隣接するいずれかのフェライトとの間で結晶方位差が9°未満の結晶方位関係を満たせば良い。隣接するフェライト全てとの間で結晶方位差を9°未満とすることが望ましいが、そのためには、全てのフェライトを同一方位とする必要があり、技術的に極めて難しい。
たとえ一方の隣接するフェライトとの間で結晶方位差が大きくとも、同様の方位を有するフェライトが変形することで、硬質組織との界面への歪の集中が緩和可能である。更には、形成する硬質組織は、最も多くの界面が隣接するフェライトと類似の結晶方位を有する場合が多い。
このことから隣接する全てのフェライトと硬質組織が上記方位関係を有さなくとも、マイクロボイド形成抑制による穴拡げ性向上が成し遂げられたと本発明者は考えている。
一方、全硬質組織の体積率の50%以上が隣接するフェライトと特定の結晶方位関係(結晶方位差9°未満)を持つ場合、特定の結晶方位関係を持たない硬質組織が存在したとしても、これら硬質組織は、結晶方位関係を有する硬質組織に取り囲まれることとなり、フェライトと接する界面を有する割合が少なくなり、変形の集中やマイクロボイド形成サイトになり難いことから、穴拡げ性が向上する。
硬質組織の体積率は、5%以上とすることが望ましい。これは、硬質組織の体積率が5%未満では、540MPa以上の強度確保が難しいためである。更に望ましくは、鋼板中に存在するベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイトの体積率の合計の50%以上をマルテンサイト組織とすることが望ましい。これは、マルテンサイトの方が、ベイナイトに比較し高強度であり、少ない体積率で高強度化が図られるためである。
加えて、フェライトと結晶方位関係を有さない硬質組織の間に、結晶方位差9°未満の硬質組織を配置することで、更に、穴拡げ性と伸びのバランスが向上する。これは、変形能の近い組織を隣接して配置することで、各組織界面での変形の集中を抑制し、穴拡げ性を向上させるためである。
また、その他の硬質組織として、残留オーステナイトを含有しても良い。残留オーステナイトは、変形時にマルテンサイトへと変態することで、加工部を硬化し、変形の集中を妨げる。その結果、特に優れた延性が得られる。
鋼板組織をフェライトと硬質組織の複相組織とするのは、優れた延性を得るためである。軟質なフェライトは、延性に富むことから、優れた延性を得るためには必須である。加えて、適度な量の硬質組織を分散させることで、優れた延性を確保しながら、高強度化が可能である。優れた延性を確保するためには、フェライト主相とする必要がある。
また、強度、穴拡げ性及び延性を劣化させない範囲であれば、その他の組織として、パーライトやセメンタイトを含有しても良い。
また、結晶方位関係の同定に関しては、透過型電子顕微鏡(TEM)による内部組織観察、FESEM−EBSP法を用いた結晶方位マッピングにより可能である。特に、FESEM−EBSP法を用いた結晶方位マッピングは、広い視野を簡便に測定可能であることから特に有効である。
即ち、マルテンサイトは転位を多く含む組織であることから、フェライトやベイナイトに比較し、Image Qualityは格段に低く、容易に判別可能である。このことから、本発明にて、FESEM−EBSP法を用いて、ベイナイトとマルテンサイトの判別を行う場合は、Image Quality像を用いて判別を行った。各10視野以上の観察を行い、ポイントカウント法や画像解析により各組織の面積率を求めることが出来る。
方位差の決定にあたっては、様々な成分並びに製造条件を有する鋼板を作成し、穴拡げ試験後、あるいは、引張試験後の試験片を埋め込み、研磨し、破断部近傍の変形挙動、特に、マイクロボイド形成挙動を調査したところ、上記のようにして求めた隣接するフェライトと硬質組織の結晶方位差が9°未満のフェライトと硬質組織界面において、マイクロボイド形成の顕著な抑制が見られた。
更には、硬質組織全体に占める隣接するフェライトと硬質組織の結晶方位差が9°未満の硬質組織の割合を、50%以上に制御することで、顕著な穴拡げ性及び疲労耐久性向上効果があることを見出した。
このことから、硬質組織全体に占める結晶方位差が9°未満の硬質組織の割合を50%以上とする必要がある。なお、マイクロボイド形成の抑制は、穴拡げ性の向上のみならず、引張試験では局部伸びの向上をもたらす、このことから本発明の硬質組織の結晶方位差を制御した複合組織鋼板は、通常のDP鋼に比較し、局部伸びに優れる。
本発明においてフェライトの結晶粒径については特に限定しないが、強度伸びバランスの観点から公称粒径で7μm以下であることが望ましい。
C:0.05%〜0.20%
Cは、ベイナイトやマルテンサイトを用いた組織強化を行う場合、必須の元素である。Cが0.05%未満では、540MPa以上の強度確保が難しいことから、下限値を0.05%とした。一方、Cの含有量を0.20%以下とする理由は、Cが0.20%を超えると、硬質組織体積率が多くなりすぎてしまい、大部分の硬質組織とフェライトの結晶方位差を9°未満としても、不可避的に存在する上記結晶方位関係を持たない硬質組織の体積率が多くなりすぎてしまい、界面での歪集中やマイクロボイド形成を抑制できず、穴拡げ値が劣位となるためである。
Siは強化元素であるのに加え、セメンタイトに固溶しない事から、粒界での粗大セメンタイトの形成を抑制する。0.3%未満の添加では、固溶強化による強化が期待できない、あるいは、粒界への粗大セメンタイトの形成が抑制できないことから0.3%以上添加する必要がある。一方で、2.0%を越える添加は、残留オーステナイトを過度に増加せしめ、打ち抜きや切断後の穴拡げ性や伸びフランジ性を劣化させる。このことから上限は2.0%とする必要がある。加えて、Siの酸化物は、溶融亜鉛めっきとの濡れ性が悪いことから、不メッキの原因となる。そこで、溶融亜鉛めっき鋼板の製造にあたっては、炉内の酸素ポテンシャルを制御し、鋼板表面へのSi酸化物形成を抑制するなどが必要となる。
Mnは、固溶強化元素であるのと同時に、オーステナイト安定化元素であることから、オーステナイトがパーライトへと変態するのを抑制する。1.3%未満ではパーライト変態の速度が速すぎてしまい、鋼板組織をフェライト及びベイナイトの複合組織とすることが出来ず、540MPa以上のTSが確保出来ない。また、穴拡げ性も劣る。このことから、下限値を1.3%以上とする。一方、Mnを多量に添加すると、P、Sとの共偏析を助長し、加工性の著しい劣化を招くことから、その上限を2.6%とした。
Pは鋼板の板厚中央部に偏析する傾向があり、溶接部を脆化させる。0.03%を超えると溶接部の脆化が顕著になるため、その適正範囲を0.03%以下に限定した。Pの下限値は特に定めないが、0.001%未満とすることは、経済的に不利であることからこの値を下限値とすることが好ましい。
Sは、溶接性ならびに鋳造時および熱延時の製造性に悪影響を及ぼす。このことから、その上限値を0.01%以下とした。Sの下限値は特に定めないが、0.0001%未満とすることは、経済的に不利であることからこの値を下限値とすることが好ましい。また、SはMnと結びついて粗大なMnSを形成することから、穴拡げ性を低下させる。このことから、穴拡げ性向上のためには、出来るだけ少なくする必要がある。
Alは、フェライト形成を促進し、延性を向上させるので添加しても良い。また、脱酸材としても活用可能である。しかしながら、過剰な添加はAl系の粗大介在物の個数を増大させ、穴拡げ性の劣化や表面傷の原因になる。このことから、Al添加の上限を2.0%とした。下限は、特に限定しないが、0.0005%以下とするのは困難であるのでこれが実質的な下限である。
Nは、粗大な窒化物を形成し、曲げ性や穴拡げ性を劣化させることから、添加量を抑える必要がある。これは、Nが0.01%を超えると、この傾向が顕著となることから、N含有量の範囲を0.01%以下とした。加えて、溶接時のブローホール発生の原因になることから少ない方が良い。下限は、特に定めることなく本発明の効果は発揮されるが、N含有量を0.0005%未満とすることは、製造コストの大幅な増加を招くことから、これが実質的な下限である。
Oは、酸化物を形成し、曲げ性や穴拡げ性を劣化させることから、添加量を抑える必要がある。特に、酸化物は介在物として存在する場合が多く、打抜き端面、あるいは、切断面に存在すると、端面に切り欠き状の傷や粗大なディンプルを形成することから、穴拡げ時や強加工時に、応力集中を招き、亀裂形成の起点となり大幅な穴拡げ性あるいは曲げ性の劣化をもたらす。
これは、Oが0.007%を超えると、この傾向が顕著となることから、O含有量の上限を0.007%以下とした。0.0005%未満とすることは、製鋼時の脱酸等に手間が掛かり過度のコスト高を招き経済的に好ましくないことから、これを下限とした。ただし、Oを0.0005%未満としたとしても、本発明の効果である540MPa以上のTSと優れた延性を確保可能である。
B:0.0001〜0.010%
Bは、0.0001%以上の添加で粒界の強化や鋼材の強度化に有効であるが、その添加量が0.010%を超えると、その効果が飽和するばかりでなく、熱延時の製造製を低下させることから、その上限を0.010%とした。
Cr:0.01〜1.0%
Crは、強化元素であるとともに焼入れ性の向上に重要である。しかし、0.01%未満ではこれらの効果が得られないため下限値を0.01%とした。1%超含有すると大幅なコスト高を招くことから上限を1%とした。
Ni:0.01〜1.0%
Niは、強化元素であるとともに焼入れ性の向上に重要である。しかし、0.01%未満ではこれらの効果が得られないため下限値を0.01%とした。1%超含有すると大幅なコスト高を招くことから上限を1%とした。
Cu:0.01〜1.0%
Cuは、強化元素であるとともに焼入れ性の向上に重要である。しかし、0.01%未満ではこれらの効果が得られないため下限値を0.01%とした。逆に、1%超含有すると製造時および熱延時の製造性に悪影響を及ぼすため、上限値を1%とした。
Mo:0.01〜1.0%
Moは、強化元素であるとともに焼入れ性の向上に重要である。しかし、0.01%未満ではこれらの効果が得られないため下限値を0.01%とした。1%超含有すると大幅なコスト高を招くことから上限は1%であるが、0.3%以下がより好ましい。
Nbは、強化元素である。析出物強化、フェライト結晶粒の成長抑制による細粒強化および再結晶の抑制を通じた転位強化にて、鋼板の強度上昇に寄与する。添加量が0.001%未満ではこれらの効果が得られないため、下限値を0.001%とした。0.14%超含有すると、炭窒化物の析出が多くなり成形性が劣化するため、上限値を0.14%とした。
Ti:0.001〜0.14%
Tiは、強化元素である。析出物強化、フェライト結晶粒の成長抑制による細粒強化および再結晶の抑制を通じた転位強化にて、鋼板の強度上昇に寄与する。添加量が0.001%未満ではこれらの効果が得られないため、下限値を0.001%とした。0.14%超含有すると、炭窒化物の析出が多くなり成形性が劣化するため、上限値を0.14%とした。
V:0.001〜0.14%
Vは、強化元素である。析出物強化、フェライト結晶粒の成長抑制による細粒強化および再結晶の抑制を通じた転位強化にて、鋼板の強度上昇に寄与する。添加量が0.001%未満ではこれらの効果が得られないため、下限値を0.001%とした。0.14%超含有すると、炭窒化物の析出が多くなり成形性が劣化するため、上限値を0.14%とした。
Ca、Ce、Mg、REMは脱酸に用いる元素であり、これらの元素から選ばれた1種または2種以上を合計で0.0001%以上含有することで、脱酸後の酸化物サイズを低下させ、穴拡げ性向上に寄与する。
しかしながら、含有量が合計で0.5%を超えると、成形加工性の悪化の原因となる。そのため、含有量を合計で0.0001〜0.5%とした。なお、REMとは、Rare Earth Metalの略であり、ランタノイド系列に属する元素をさす。一般には、REMやCeはミッシュメタルにて添加されることが多く、LaやCeの他にランタノイド系列の元素を複合で含有する場合がある。不可避不純物として、これらLaやCe以外のランタノイド系列の元素を含んだとしても本発明の効果は発揮される。ただし、金属LaやCeを添加したとしても本発明の効果は発揮される。
マルテンサイトやベイナイトは、オーステナイトから変態することから、オーステナイトと特定の方位関係を有することが知られている。一方、冷延後の鋼板に対し、オーステナイト単相域での焼鈍を行い、その後除冷を行って、オーステナイト粒界にフェライトを形成させた場合、オーステナイトとフェライト間には特定の結晶方位関係が存在する場合があることが知られている。
しかしながら、冷延後に二相域での焼鈍を行う場合、加工されたフェライト中に形成する再結晶フェライトと、熱延板中に存在するセメンタイトやパーライトを核として形成するオーステナイトは、それぞれ異なる場所で核生成することから、特定の結晶方位関係を持ち難い。図1(ii)に、冷延後に通常の昇温速度でAc1以上に加熱した場合の相変態の様子を模式的に示す。
この結果、二相域での焼鈍を行う場合には、鋼板組織中に存在するフェライトとオーステナイトから変態し形成される硬質組織(ベイナイトやマルテンサイトなど)の方位関係を制御することは出来なかった。
この結果、高強度化には寄与しながらも、延性や穴拡げ性を劣化させない、即ち、540MPa以上の引張最大強度、延性、穴拡げ性を同時に具備する鋼板が製造可能となった。
まず、冷延後の焼鈍の際の昇温過程において、フェライト及びオーステナイト組織の結晶方位関係を制御する。そのためには、連続焼鈍ラインを通板する場合、200〜600℃間の加熱速度(HR1)を2.5〜15℃/秒とし、600℃〜最高加熱温度間の加熱速度(HR2)を(0.6×HR1)℃/秒以下とする必要がある。
加えて、CやMnをはじめとする合金元素は、再結晶も遅延することから、これら合金元素を多く含む高強度鋼板は、再結晶が遅く、益々、結晶方位関係を制御することが難しくなる。
この加熱速度が15℃/秒超では、フェライト再結晶が完了しない内に、逆変態が開始し、その後に生成するオーステナイトとの方位関係を制御することが出来ない。この理由で加熱速度の上限を15℃/秒以下とした。
また、加熱速度の下限を2.5℃/秒としたのは、次の理由による。
加熱速度が2.5℃/秒未満では転位密度が少なくなることから、再結晶フェライトの核生成サイトが低減し、600℃〜最高加熱温度での加熱速度を本発明の範囲としたとしても、フェライト再結晶に比較し、逆変態が早く起こる。その結果、フェライト及びオーステナイト間での結晶方位関係が失われることから、焼鈍に引き続く冷却過程で所定の温度にて保持を行ったとしても、フェライトとベイナイトの間には、特定の方位関係が存在しない。その結果、優れた穴拡げ性、BH性、並びに、疲労耐久性の効果を得ることが出来ない。加えて、再結晶フェライトの核生成サイトの低減は、再結晶フェライトの粗大化や未再結晶フェライトの残留を招く場合がある。フェライトの粗大化は、軟質化をもたらすことから好ましくなく、未再結晶フェライトの存在は、延性を大幅に劣化させることから好ましくない。
鋼板をAc1変態点以上に加熱すると、セメンタイトはオーステナイトへの変態を開始する。本発明者は、詳細なメカニズムは不明なものの、この際の加熱速度が上記範囲内にあると、再結晶フェライトとセメンタイトの界面に、フェライトと特定の方位関係を有するオーステナイトを形成させることが出来ることを見出した。
このオーステナイトは、加熱中、あるいは、その後の冷却中に成長し、セメンタイトはオーステナイトへと完全に変態してしまう。この結果、二相域での焼鈍を行う場合でも、再結晶フェライトとオーステナイトの結晶方位関係を制御できるようになった。
一方、加熱速度を極端に低下させたとしても、本発明の効果である540MPa以上の引張最大強度、穴拡げ性、並びに、延性の両立は可能であるが、生産性が劣化する。このことから、600℃〜最高加熱温度間の加熱速度は、(0.1×HR1)℃/秒以上とすることが望ましい。
一方、過度に加熱温度を上げることは、経済上好ましくない。このことから加熱温度の上限をAc3変態点(Ac3℃)とすることが望ましい。
なお、Ac3変態点は、下記式にて決定される。
Ac3=910-203×(C)1/2+44.7×Si-30×Mn+700×P+400×Al-11×
Cr-20×Cu-15.2×Ni+31.5×Mo+400×Ti
冷却速度が小さすぎると、冷却過程にてオーステナイトがパーライト組織へと変態することから、540MPa以上の強度に必要な量の硬質組織を確保できない。冷却速度を大きくしたとしても、材質上なんら問題はないが、過度に冷却速度を上げる事は、製造コスト高を招くこととなるので、上限を200℃/秒とすることが好ましい。冷却方法については、ロール冷却、空冷、水冷およびこれらを併用したいずれの方法でも構わない。
本発明では、引き続き450℃〜300℃の温度域で30秒以上保持する必要がある。これは、オーステナイトを、主相であるフェライトとの結晶方位差9°未満のベイナイト及びマルテンサイトへと変態させるためである。
しかし、この450〜300℃の温度域で滞留させる工程は先の630℃〜570℃間を平均冷却速度3℃/秒以上で冷却する工程に連続して行う必要があり、630℃〜570℃間を平均冷却速度3℃/秒以上で冷却する工程にて300℃より低い温度まで一旦冷却した後に再度450〜300℃の温度域に加熱する熱処理を施して滞留させても結晶方位差を制御することはできなくなる。
上記の成分組成を有する鋼を転炉または電気炉等により溶製し、必要に応じて溶鋼を真空脱ガス処理し、ついで鋳造してスラブとする。
本発明において熱間圧延に供するスラブは特に限定するものではない。すなわち、連続鋳造スラブや薄スラブキャスターなどで製造したものであればよい。また、鋳造後に直ちに熱間圧延を行う連続鋳造−直接圧延(CC−DR)のようなプロセスにも適合する。
熱延スラブ加熱温度は、1050℃以上にする必要がある。スラブ加熱温度が過度に低いと、仕上げ圧延温度がAr3変態点を下回ってしまいフェライト及びオーステナイトの二相域圧延となり、熱延板組織が不均一な混粒組織となり、冷延及び焼鈍工程を経たとしても不均一な組織は解消されず、延性や穴拡げ性に劣る。
スラブ加熱温度の上限は特に定めることなく、本発明の効果は発揮されるが、加熱温度を過度に高温にすることは、経済上好ましくないことから、加熱温度の上限は1300℃未満とすることが望ましい。
なお、Ar3変態温度は合金組成に応じて次の式により計算し、把握することができる。
Ar3=901−325×C+33×Si−92×
(Mn+Ni/2+Cr/2+Cu/2+Mo/2)
一方、仕上げ温度の上限は特に定めることなく、本発明の効果は発揮されるが、仕上げ圧延温度を過度に高温と使用とした場合、その温度を確保するため、スラブ加熱温度を過度に高温にせねばならない。このことから、仕上げ圧延温度の上限温度は、1000℃以下とすることが望ましい。
また、670℃を超える温度で巻き取ることは、鋼板表面に形成する酸化物の厚さを過度に増大させるため、酸洗性が劣るので好ましくない。下限については特に定めることなく本発明の効果は発揮されるが、室温以下の温度で巻き取ることは技術的に難しいので、これが実質の下限となる。なお、熱延時に粗圧延板同士を接合して連続的に仕上げ圧延を行っても良い。また、粗圧延板を一旦巻き取っても構わない。
酸洗した熱延鋼板を圧下率40〜70%で冷間圧延して、連続焼鈍ラインや連続溶融亜鉛めっきラインを通板する。圧下率が40%未満では、形状を平坦に保つことが困難である。また、最終製品の延性が劣悪となるのでこれを下限とする。
一方、70%を越える冷延は、冷延荷重が大きくなりすぎてしまい冷延が困難となることから、これを上限とする。圧下率45〜65%がより好ましい範囲である。圧延パスの回数、各パス毎の圧下率については特に規定することなく本発明の効果は発揮される。
また、その際の最高加熱温度も、連続焼鈍ラインを通板する場合と同様の理由により、760℃〜Ac3変態点の範囲とする。さらに、焼鈍後の冷却に関しても、連続焼鈍ラインを通板する場合と同様の理由により、630℃と570℃間を3℃/秒以上で冷却する必要がある。
浴浸漬板温度が溶融亜鉛めっき浴温度−40)℃を下回ると、めっき浴浸漬進入時の抜熱が大きく、溶融亜鉛の一部が凝固してしまいめっき外観を劣化させる場合があることから、下限を(溶融亜鉛めっき浴温度−40)℃とする。ただし、浸漬前の板温度が(溶融亜鉛めっき浴温度−40)℃を下回っても、めっき浴浸漬前に再加熱を行い、板温度を(溶融亜鉛めっき浴温度−40)℃以上としてめっき浴に浸漬させても良い。また、めっき浴浸漬温度が(溶融亜鉛めっき浴温度+50)℃を超えると、めっき浴温度上昇に伴う操業上の問題を誘発する。また、めっき浴は、純亜鉛に加え、Fe、Al、Mg、Mn、Si、Crなどを含有しても構わない。
この熱処理温度の上限を(亜鉛めっき浴温度+50)℃としたのは、この温度以上では、セメンタイトやパーライトの形成が顕著となり、硬質組織の体積率を減じることから、540MPa以上の強度確保が困難となるためである。一方、300℃未満では、詳細な原因は不明なものの、結晶方位差9°以上となる硬質組織が多量に形成し、主相であるフェライトと硬質組織の結晶方位差を9°未満とする硬質組織の体積率を十分に確保することが出来ない。このことから熱処理温度の下限は、300℃以上とする。
滞留時間の上限は特に定めることなく、本発明の効果を得ることが出来るが、滞留時間の増加は、有限の長さを有する設備での熱処理を考えた場合、通板速度を落とした操業を意味することから、経済性が悪く好ましくない。
この場合の保持時間とは、単に等温保持のみを意味するのではなく、この温度域での滞留を意味し、この温度域での除冷や加熱も含まれる。
また、めっき密着性をさらに向上させるために、焼鈍前に鋼板に、Ni、Cu、Co、Feの単独あるいは複数より成るめっきを施しても本発明を逸脱するものではない。
また、めっき前の焼鈍の手法によらず、加熱中の露点を―20℃以上とすることで、めっきの濡れ性やめっきの合金化の際の合金化反応に有利に働く。
また、本発明の成形性と穴拡げ性に優れた高強度高延性溶融亜鉛めっき鋼板の素材は、通常の製鉄工程である精錬、製鋼、鋳造、熱延、冷延工程を経て製造されることを原則とするが、その一部あるいは全部を省略して製造されるものでも、本発明に係わる条件を満足する限り、本発明の効果を得ることができる。
表1に示す成分を有するスラブを、1200℃に加熱し、仕上げ熱延温度900℃にて熱間圧延を行い、水冷帯にて水冷の後、表2、表3に示す温度で巻き取り処理を行った。熱延板を酸洗した後、厚み3mmの熱延板を1.2mmまで冷間圧延を行い、冷延板とした。
これらの冷延板に表2、表3に示す条件で焼鈍熱処理を行い、焼鈍設備により焼鈍を行った。炉内雰囲気は、COとH2を複合した気体を燃焼させ発生したH2O、CO2を導入する装置を取り付け、露点を−40℃としたH2を10体積%含むN2ガスを導入し、表2、表3で示す条件で焼鈍を行った。
なお、本鋼板は、フェライトと硬質組織より成る複合組織鋼板であり、降伏点伸びが出現しない場合が多い。このことから、降伏応力は0.2%オフセット法により測定した。TS×Elが、16000(MPa×%)以上となるものを強度−延性バランスが良好な高強度鋼板とした。
この良好な強度-延性バランス、並びに、良好な強度−穴拡げ性バランスを同時に具備するものを、穴拡げ性と延性のバランスが優れた高強度鋼板とした。
ミクロ組織の同定にあたっては、前述の手法を用いて行い、各組織を同定した。ただし、残留オーステナイトは、その化学的安定性が低い場合、ミクロ組織観察試験片作製時の研磨や、自由表面を出したことによる周りの結晶粒からの粒界拘束の消失により、マルテンサイトへと変態する場合がある。この結果、X線による測定のように、鋼板内に含まれる残留オーステナイトの体積率を直接測定した場合と、一旦、研磨等により自由表面を出し、表面に存在する残留オーステナイトを測定した場合では、その体積率が異なる場合がある。
また、隣接するフェライトと硬質組織の方位差は、前述の方法にて測定し、以下のような評点付けを行った。
○:硬質組織全体に占める結晶方位差が9°未満の硬質組織の割合が50%以上
△:硬質組織全体に占める結晶方位差が9°未満の硬質組織の割合が30%以上
×:硬質組織全体に占める結晶方位差が9°未満の硬質組織の割合が30%未満
特に、硬質組織全体に占める結晶方位差が9°未満の硬質組織の割合が50%以上となると、特に、顕著な穴拡げ率の向上が見られることから、この範囲を本発明の範囲とした。
表4、表5に、得られた鋼板の測定結果を示す。
この結果、540MPa以上の引張最大強度と延性並びに穴拡げ性を極めて高いバランスで有し、かつ、疲労耐久性も有する鋼板が製造可能である。
表4に示す鋼番号C−5は、焼鈍温度が740℃と低く、鋼板組織中に、熱延時に形成したパーライト組織や、これが球状化したセメンタイトが残ることから、硬質組織であるベイナイトやマルテンサイトが十分な体積率確保できないため、高強度を確保できない。また、強度−延性バランス、穴拡げ性、疲労耐久性のいずれにも劣る。
表5に示す鋼番号M−1〜3は、C含有量が0.034と低く、十分な量の硬質組織を確保できないことから540MPa以上の高強度を確保できない。
表5に示す鋼番号N-1〜3は、Mn含有量が3.2と高く、焼鈍時にフェライト体積率が一旦減ると、冷却過程で、十分な量のフェライトを出すことが出来ない。このことから、著しく強度-延性バランスも劣る。
また、以上の鋼番号の鋼板についても疲労限界比が0.5を下回っており、疲労耐久性の向上効果が見られない。
Claims (10)
- 質量%で、
C :0.05%〜0.20%、
Si:0.3〜2.0%、
Mn:1.3〜2.6%、
P :0.001〜0.03%、
S :0.0001〜0.01%、
Al:2.0%以下、
N :0.0005〜0.0100%、
O:0.0005〜0.007%、
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる組成を有し、鋼板組織が主として体積%で50%超のフェライトと5%以上の硬質組織からなり、硬質組織は、ベイナイト、マルテンサイト及び残留オーステナイトからなり、隣接する何れかのフェライトとの結晶方位差が9°未満である硬質組織の割合が、硬質組織全体の体積率の50%以上であり、引張最大強さが540MPa以上であることを特徴とする穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度冷延鋼板。
ここで、結晶方位差は、[1-1-1]の結晶方位差及び(110)面の法線方向の結晶方位差の両方を併せた値である。 - さらに、質量%で、B:0.0001〜0.010%未満を含有することを特徴とする請求項1に記載の穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度冷延鋼板。
- さらに、質量%で、
Cr:0.01〜1.0%、
Ni:0.01〜1.0%、
Cu:0.01〜1.0%、
Mo:0.01〜1.0%
の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に記載の穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度冷延鋼板。 - さらに、質量%で、Nb、Ti、Vの1種または2種以上を合計で0.001〜0.14%含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度冷延鋼板。
- さらに、質量%で、Ca、Ce、Mg、REMの1種または2種以上を合計で0.0001〜0.5%含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度冷延鋼板。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の鋼板の表面に亜鉛系めっきを有することを特徴とする穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度亜鉛めっき冷延鋼板。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の化学成分を有する鋳造スラブを直接又は一旦冷却した後1050℃以上に加熱し、Ar3変態点以上で熱間圧延を完了し、400〜670℃の温度域にて巻き取り、酸洗後、圧下率40〜70%の冷延を施し、連続焼鈍ラインを通板するに際して、200〜600℃間の加熱速度(HR1)が2.5〜15℃/秒で、600℃〜最高加熱温度間の加熱速度(HR2)が(0.6×HR1)℃/秒以下で加熱した後、最高加熱温度を760℃〜Ac3変態点として焼鈍した後、630℃〜570℃間を平均冷却速度3℃/秒以上で冷却し、450℃〜300℃の温度域で30秒以上保持することを特徴とする穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度冷延鋼板の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の化学成分を有する鋳造スラブを直接又は一旦冷却した後1050℃以上に加熱し、Ar3変態点以上で熱間圧延を完了し、400〜670℃の温度域にて巻き取り、酸洗後、圧下率40〜70%の冷延を施し、連続溶融亜鉛めっきラインを通板するに際して、200〜600℃間の加熱速度(HR1)が2.5〜15℃/秒で、600℃〜最高加熱温度間の加熱速度(HR2)が(0.6×HR1)℃/秒以下加熱した後、最高加熱温度を760℃〜Ac3変態点として焼鈍した後、630℃〜570℃間を平均冷却速度3℃/秒以上で(亜鉛めっき浴温度―40)℃〜(亜鉛めっき浴温度+50)℃まで冷却した後、亜鉛めっき浴に浸漬前、あるいは、浸漬後の何れか一方、あるいは、両方で、(亜鉛めっき浴温度+50)℃〜300℃の温度域で30秒以上保持することを特徴とする穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度溶融亜鉛めっき冷延鋼板の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の化学成分を有する鋳造スラブを直接又は一旦冷却した後1050℃以上に加熱し、Ar3変態点以上で熱間圧延を完了し、400〜670℃の温度域にて巻き取り、酸洗後、圧下率40〜70%の冷延を施し、連続溶融亜鉛めっきラインを通板するに際して、200〜600℃間の加熱速度(HR1)が2.5〜15℃/秒で、600℃〜最高加熱温度間の加熱速度(HR2)が(0.6×HR1)℃/秒以下で加熱した後、最高加熱温度を760℃〜Ac3変態点として焼鈍した後、630℃〜570℃間を平均冷却速度3℃/秒以上で(亜鉛めっき浴温度―40)℃〜(亜鉛めっき浴温度+50)℃まで冷却した後、必要に応じて460〜540℃の温度で合金化処理を施し、亜鉛めっき浴に浸漬前、浸漬後、あるいは、合金化処理後の何れか、あるいは、その合計で(亜鉛めっき浴温度+50)℃〜300℃の温度域で30秒以上保持することを特徴とする穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度合金化溶融亜鉛めっき冷延鋼板の製造方法。
- 請求項7に記載の方法で鋼板を製造したのち、亜鉛系の電気めっきを施すことを特徴とする穴拡げ性と延性のバランスが極めて良好で、疲労耐久性にも優れた高強度電気亜鉛系めっき冷延鋼板の製造方法。
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