JP4960289B2 - 複層鋼 - Google Patents
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Description
本発明は、高強度を有すると同時に高延性を備える強度−延性バランスにすぐれた複層鋼に関するものである。
近年、自動車用材料には、省エネ化、高性能化、環境対策等の観点から軽量化が求められており、その主たる方策として、比重の小さい非鉄材料の利用による軽量化あるいは自動車用鋼材の高強度化による薄肉軽量化等の研究開発が行われている。
しかし、鋼材の代わりに比重の小さい非鉄材料、例えば、Ａｌ合金やＭｇ合金などの合金、を用いると、鋼材に比して、強度や剛性等の機械的特性が十分でないため、鋼材と同等の機械的特性を得るためには、板厚を大にしなければならず、また、断面形状を複雑にしなければならないため、成形性の低下、異材接合における脆化、腐食などの問題も発生し、期待に応えられるほどに十分な軽量化効果を得ることができなかった。
一方、自動車用鋼材を高強度化することにより薄肉化を図った場合には、鋼を高強度化することに付随して派生する諸特性（延性、靭性、剛性、加工性、脆化特性、耐腐食性、耐環境性等）の低下という問題点を解消することが必要とされるが、特に、高強度化と高延性化は一般的に相反する特性であるため、高強度を有すると同時に高延性を備える所謂強度−延性バランスにすぐれた鋼材が強く求められてきた。
しかし、鋼材の代わりに比重の小さい非鉄材料、例えば、Ａｌ合金やＭｇ合金などの合金、を用いると、鋼材に比して、強度や剛性等の機械的特性が十分でないため、鋼材と同等の機械的特性を得るためには、板厚を大にしなければならず、また、断面形状を複雑にしなければならないため、成形性の低下、異材接合における脆化、腐食などの問題も発生し、期待に応えられるほどに十分な軽量化効果を得ることができなかった。
一方、自動車用鋼材を高強度化することにより薄肉化を図った場合には、鋼を高強度化することに付随して派生する諸特性（延性、靭性、剛性、加工性、脆化特性、耐腐食性、耐環境性等）の低下という問題点を解消することが必要とされるが、特に、高強度化と高延性化は一般的に相反する特性であるため、高強度を有すると同時に高延性を備える所謂強度−延性バランスにすぐれた鋼材が強く求められてきた。
そのための一つの方策としては、特性の異なる複数の材料の複層化による材料の強度−延性バランスの改善が試みられている。本発明者らの一部は、鋼と他の材料との複層化材料として、組織、機械的特性の異なる鋼（炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、高マンガン鋼等）を層状に複数層重ねあわせて圧延し、必要に応じ熱処理することにより、強度および延性をともに向上させた複層鋼を提案している（例えば、特許文献１）。
また、例えば、高炭素鋼と黄銅を、複数層重ねあわせて圧接、圧延して得た複層材料においても、高強度、高延性を示す複層材料が得られること（例えば、非特許文献１）が知られている。
特願２００６−２０５２８３号
「ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ Ａ」Ｖｏｌ．２４Ａ，Ｊｕｌｙ１９９３，ｐ．１６４７−１６５３
また、例えば、高炭素鋼と黄銅を、複数層重ねあわせて圧接、圧延して得た複層材料においても、高強度、高延性を示す複層材料が得られること（例えば、非特許文献１）が知られている。
上記特許文献１記載の従来技術（以下、従来技術１という）においては、鋼材の組み合わせ、積層層数、積層プロセスを工夫することにより、高強度・高延性の複層鋼が得られることが示されており、例えば、第１の層としてオーステナイト系ステンレス鋼を、また、第２の層としてマルテンサイト系ステンレス鋼を用い、第１の層と第２の層を合計で１１層積層し、温間圧延および熱処理を行うことにより、強度（引張強さＴＳ）が１２２０ＭＰａ、延性（伸びＥＬ）が２５％の複層鋼が得られることが示され、さらに、第１の層として高マンガン鋼を、また、第２の層として炭素鋼を用い、第１の層と第２の層を合計で１１層積層し、熱間圧延および熱処理を行うことにより、強度（引張強さＴＳ）が１１５０ＭＰａ、延性（延びＥＬ）が３４％の複層鋼が得られることが示されている。
しかし、上記従来技術１においては、第１の層及び第２の層がいずれもステンレス鋼同士の組み合わせからなる複層鋼、あるいは、第２の層が高マンガン鋼からなる複層鋼であって、いわば、特殊鋼材同士の組み合わせで高強度・高延性を達成するものである。これらの特殊鋼材は、製造プロセスの厳密な調整・管理が必要とされ、添加成分元素の価格も高価であることから、製造コストが高いという欠点がある。
しかし、上記従来技術１においては、第１の層及び第２の層がいずれもステンレス鋼同士の組み合わせからなる複層鋼、あるいは、第２の層が高マンガン鋼からなる複層鋼であって、いわば、特殊鋼材同士の組み合わせで高強度・高延性を達成するものである。これらの特殊鋼材は、製造プロセスの厳密な調整・管理が必要とされ、添加成分元素の価格も高価であることから、製造コストが高いという欠点がある。
一方、上記非特許文献１記載の従来技術（以下、従来技術２という）においては、高炭素鋼と黄銅との組み合わせからなる複層材料として、確かに、強度（７００ＭＰａ程度）および延性（６０％）の高い材料が得られているが、自動車用材料として要求される特性を満足するものであるか否かを考えた場合には、延性は十分であったとしても、７００ＭＰａ程度の引張強さでは、強度特性が極めて不十分であるといわざるを得ず、これを自動車用材料として用いることは非常に難しい。また、従来技術２は、鋼材同士の組み合わせからなる複層鋼ではなく、材料コストも高くなる。
したがって、製造プロセスの簡易化を図ると同時に材料コストの低減を図るためにも、より安価かつ一般的な炭素鋼を用いて、高強度とともに高延性を有し、強度−延性バランスにすぐれた複層鋼の開発が強く望まれている。
したがって、製造プロセスの簡易化を図ると同時に材料コストの低減を図るためにも、より安価かつ一般的な炭素鋼を用いて、高強度とともに高延性を有し、強度−延性バランスにすぐれた複層鋼の開発が強く望まれている。
本発明の複層鋼は、上記の要請に応えるべく開発されたものであって、
「（１） フェライト組織が最大の体積分率を占める引張強さＴＳ１の炭素鋼または低合金鋼からなる第１の層と、マルテンサイト組織が最大の体積分率を占める引張強さＴＳ２が１２００ＭＰａ以上の炭素鋼または低合金鋼からなる第２の層を互いに積層し、さらに、上記第１の層を表層として合計３層以上を積層一体化して構成してなり、第１の層の層厚ｔ１と第２の層の層厚ｔ２の比（ｔ１／ｔ２）が１．２を超え、かつ、第２の層の引張強さＴＳ２と第１の層の引張強さＴＳ１の比（ＴＳ２／ＴＳ１）が１．２以上６以下であり、複層鋼全体としての引張強さが１０５０ＭＰａ以上、引張強さと全伸びの積が２１０００ＭＰａ・％以上であることを特徴とする複層鋼。
（２） 第１の層のそれぞれの層厚ｔ１が０．０４ｍｍ以上であり、第２の層のそれぞれの層厚ｔ２が０．１ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）記載の複層鋼。
（３） 複層鋼の合計層厚が３．０ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）、（２）記載の複層鋼
（４） 第１の層が、質量％で、
Ｃ：０．０００１〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．０％、
Ｍｎ：０．０１〜２．０％
を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなる炭素鋼であり、
第２の層が、質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．４％、
Ｓｉ：０．０５〜３．０％、
Ｍｎ：０．０５〜３．０％
を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなる炭素鋼であることを特徴とする前記（１）〜（３）記載の複層鋼。
（５） 第１の層が、質量％で、
Ｎｂ：０．００１〜０．１％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１％、
Ｖ：０．００１〜０．５％、
Ｃｒ：０．００１〜０．０１％、
Ｎｉ：０．００１〜０．０１％、
Ｍｏ：０．０１〜３．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．０％、
の１種又は２種以上をさらに含有する低合金鋼であることを特徴とする前記（４）記載の複層鋼。
（６） 第２の層が、質量％で、
Ｎｂ：０．００１〜０．１％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１％、
Ｖ：０．００１〜０．５％、
Ｃｒ：０．００１〜２．０％、
Ｎｉ：０．００１〜２．５％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．０％、
の１種又は２種以上をさらに含有する低合金鋼であることを特徴とする前記（４）、（５）記載の複層鋼。」
を特徴とするものである。
「（１） フェライト組織が最大の体積分率を占める引張強さＴＳ１の炭素鋼または低合金鋼からなる第１の層と、マルテンサイト組織が最大の体積分率を占める引張強さＴＳ２が１２００ＭＰａ以上の炭素鋼または低合金鋼からなる第２の層を互いに積層し、さらに、上記第１の層を表層として合計３層以上を積層一体化して構成してなり、第１の層の層厚ｔ１と第２の層の層厚ｔ２の比（ｔ１／ｔ２）が１．２を超え、かつ、第２の層の引張強さＴＳ２と第１の層の引張強さＴＳ１の比（ＴＳ２／ＴＳ１）が１．２以上６以下であり、複層鋼全体としての引張強さが１０５０ＭＰａ以上、引張強さと全伸びの積が２１０００ＭＰａ・％以上であることを特徴とする複層鋼。
（２） 第１の層のそれぞれの層厚ｔ１が０．０４ｍｍ以上であり、第２の層のそれぞれの層厚ｔ２が０．１ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）記載の複層鋼。
（３） 複層鋼の合計層厚が３．０ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）、（２）記載の複層鋼
（４） 第１の層が、質量％で、
Ｃ：０．０００１〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．０％、
Ｍｎ：０．０１〜２．０％
を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなる炭素鋼であり、
第２の層が、質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．４％、
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Ｍｎ：０．０５〜３．０％
を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなる炭素鋼であることを特徴とする前記（１）〜（３）記載の複層鋼。
（５） 第１の層が、質量％で、
Ｎｂ：０．００１〜０．１％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１％、
Ｖ：０．００１〜０．５％、
Ｃｒ：０．００１〜０．０１％、
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Ｍｏ：０．０１〜３．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．０％、
の１種又は２種以上をさらに含有する低合金鋼であることを特徴とする前記（４）記載の複層鋼。
（６） 第２の層が、質量％で、
Ｎｂ：０．００１〜０．１％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１％、
Ｖ：０．００１〜０．５％、
Ｃｒ：０．００１〜２．０％、
Ｎｉ：０．００１〜２．５％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．０％、
の１種又は２種以上をさらに含有する低合金鋼であることを特徴とする前記（４）、（５）記載の複層鋼。」
を特徴とするものである。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の複層鋼は、第１の層と第２の層がそれぞれ炭素鋼（普通鋼あるいは普通炭素鋼ともいう）または低合金鋼（Ｎｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕの１種又は２種以上の合金元素の含有量の合計が５％以下の合金鋼をいう）からなり、第１の層と第２の層が、合計で３層以上積層一体化された構造として構成されている。
そして、第１の層は、フェライト組織が最大の体積分率を占める炭素鋼または低合金鋼（以下、「α鋼」で示す）からなり、一方、第２の層はマルテンサイト組織が最大の体積分率を占める炭素鋼または低合金鋼（以下、「Ｍａｒ鋼」で示す）からなっている。
さらに、複層鋼全体としての高強度化を図るために、第２の層の構成材料として高い引張強さを有するＭａｒ鋼を用いるばかりでなく、複層鋼の第1の層および表層を構成するα鋼としても、少なくとも所定値以上の引張強さを備えなければならない。ここで、α鋼の引張強さをＴＳ１で示し、Ｍａｒ鋼の引張強さをＴＳ２で示した場合、ＴＳ２は１２００ＭＰａ以上で、かつ、Ｍａｒ鋼の引張強さＴＳ２とα鋼の引張強さＴＳ１の比の値（ＴＳ２／ＴＳ１）が１．２以上でかつ６以下を満足するようなＴＳ１の値でなければならない。
その一方で、本発明の複層鋼は単に強度を向上させるばかりでなく、同時にその延性も高めることが必要であるところ、第１の層および表層を構成するα鋼の層厚をｔ１、また、第２の層を構成するＭａｒ鋼の層厚をｔ２とした場合、第１の層（α鋼）の層厚ｔ１と第２の層（Ｍａｒ鋼）の層厚ｔ２は、
ｔ１／ｔ２＞１．２
の関係を満足していなければならない。
つまり、第１の層（α鋼）の層厚ｔ１が第２の層（Ｍａｒ鋼）の層厚ｔ２の１．２倍を超えない限り、仮に、複層鋼の高強度化が図れたとしても、複層鋼全体としての伸びの値（ＥＬ値）が著しく低下し、引張強さと全伸びの積は２１０００ＭＰａ・％未満にとどまるため、複層鋼にすぐれた強度−延性バランスを具備せしめることができないからである。
上記のとおり、本発明の複層鋼は、第１の層を層厚ｔ１のα鋼で構成し、また、第２の層を層厚ｔ２のＭａｒ鋼で構成し、ｔ１／ｔ２＞１．２となるように第１の層および第２の層の層厚をそれぞれ定め、さらに、α鋼の引張強さをＴＳ１、Ｍａｒ鋼の引張強さをＴＳ２とした場合に、１．２≦ＴＳ２／ＴＳ１≦６となるような鋼種の組み合せ等の調整によって、複層鋼全体としての引張強さが１０５０ＭＰａ以上、引張強さと全伸びの積が２１０００ＭＰａ・％以上である高強度、高延性かつ強度−延性バランスにすぐれた複層鋼を得ることができる。
そして、第１の層は、フェライト組織が最大の体積分率を占める炭素鋼または低合金鋼（以下、「α鋼」で示す）からなり、一方、第２の層はマルテンサイト組織が最大の体積分率を占める炭素鋼または低合金鋼（以下、「Ｍａｒ鋼」で示す）からなっている。
さらに、複層鋼全体としての高強度化を図るために、第２の層の構成材料として高い引張強さを有するＭａｒ鋼を用いるばかりでなく、複層鋼の第1の層および表層を構成するα鋼としても、少なくとも所定値以上の引張強さを備えなければならない。ここで、α鋼の引張強さをＴＳ１で示し、Ｍａｒ鋼の引張強さをＴＳ２で示した場合、ＴＳ２は１２００ＭＰａ以上で、かつ、Ｍａｒ鋼の引張強さＴＳ２とα鋼の引張強さＴＳ１の比の値（ＴＳ２／ＴＳ１）が１．２以上でかつ６以下を満足するようなＴＳ１の値でなければならない。
その一方で、本発明の複層鋼は単に強度を向上させるばかりでなく、同時にその延性も高めることが必要であるところ、第１の層および表層を構成するα鋼の層厚をｔ１、また、第２の層を構成するＭａｒ鋼の層厚をｔ２とした場合、第１の層（α鋼）の層厚ｔ１と第２の層（Ｍａｒ鋼）の層厚ｔ２は、
ｔ１／ｔ２＞１．２
の関係を満足していなければならない。
つまり、第１の層（α鋼）の層厚ｔ１が第２の層（Ｍａｒ鋼）の層厚ｔ２の１．２倍を超えない限り、仮に、複層鋼の高強度化が図れたとしても、複層鋼全体としての伸びの値（ＥＬ値）が著しく低下し、引張強さと全伸びの積は２１０００ＭＰａ・％未満にとどまるため、複層鋼にすぐれた強度−延性バランスを具備せしめることができないからである。
上記のとおり、本発明の複層鋼は、第１の層を層厚ｔ１のα鋼で構成し、また、第２の層を層厚ｔ２のＭａｒ鋼で構成し、ｔ１／ｔ２＞１．２となるように第１の層および第２の層の層厚をそれぞれ定め、さらに、α鋼の引張強さをＴＳ１、Ｍａｒ鋼の引張強さをＴＳ２とした場合に、１．２≦ＴＳ２／ＴＳ１≦６となるような鋼種の組み合せ等の調整によって、複層鋼全体としての引張強さが１０５０ＭＰａ以上、引張強さと全伸びの積が２１０００ＭＰａ・％以上である高強度、高延性かつ強度−延性バランスにすぐれた複層鋼を得ることができる。
そして、前記複層鋼は、例えば、以下の製造法によって製造することができる。
まず、相対的に強度ＴＳ２は高いが延性の低いＭａｒ鋼からなる層厚ｔ２の第２の層を、相対的に延性に優れるが強度ＴＳ１の低いα鋼からなる層厚ｔ１の第１の層で挟み、その上に、上記第２の層を積層し、この上に更に上記第１の層を積層し、このような積層工程を順次繰り返し、合計層数Ｎ層（但し、Ｎ≧３）であって、かつ、表層が延性に富む上記第１の層（α鋼）からなる積層体を形成する（なお、ｔ１／ｔ２＞１．２、かつ、１．２≦ＴＳ２／ＴＳ１≦６の条件を満たすことが必要）。
その後、上記積層体に対して熱間圧延、冷間圧延等の圧延を行うことにより、積層体を一体化し複層鋼を得る。圧延温度、圧下率等の圧延条件については、上記積層体を圧延で一体化できる条件であれば良く、特に限定されるものではないが、各層間の密着強度を強固なものにするという点からは、熱間圧延温度は６５０〜１１５０℃、圧下率（圧延前の層の厚さに対する圧延後の層の厚さの減少率）は４０〜６０％とすることが望ましい。
まず、相対的に強度ＴＳ２は高いが延性の低いＭａｒ鋼からなる層厚ｔ２の第２の層を、相対的に延性に優れるが強度ＴＳ１の低いα鋼からなる層厚ｔ１の第１の層で挟み、その上に、上記第２の層を積層し、この上に更に上記第１の層を積層し、このような積層工程を順次繰り返し、合計層数Ｎ層（但し、Ｎ≧３）であって、かつ、表層が延性に富む上記第１の層（α鋼）からなる積層体を形成する（なお、ｔ１／ｔ２＞１．２、かつ、１．２≦ＴＳ２／ＴＳ１≦６の条件を満たすことが必要）。
その後、上記積層体に対して熱間圧延、冷間圧延等の圧延を行うことにより、積層体を一体化し複層鋼を得る。圧延温度、圧下率等の圧延条件については、上記積層体を圧延で一体化できる条件であれば良く、特に限定されるものではないが、各層間の密着強度を強固なものにするという点からは、熱間圧延温度は６５０〜１１５０℃、圧下率（圧延前の層の厚さに対する圧延後の層の厚さの減少率）は４０〜６０％とすることが望ましい。
本発明の複層鋼の層厚については、高強度、高延性を有するとともに軽量化を図るという観点から、第１の層（α鋼）のそれぞれの層厚ｔ１が０．０４ｍｍ以上であり、第２の層（Ｍａｒ鋼）のそれぞれの層厚ｔ２が０．１ｍｍ以下であることが望ましく、また、複層鋼の合計層厚は３．０ｍｍ以下とすることが望ましい。
本発明の複層鋼の第１の層を構成するα鋼、あるいは、第２の層を構成するＭａｒ鋼については、いずれも製造が容易でかつ安価な炭素鋼（普通鋼あるいは普通炭素鋼ともいう）または低合金鋼を使用する。
第１の層を構成するα鋼としては、引張強さは十分でないが延性にすぐれた鋼を用いることが必要であり、具体的には、Ｃ：０．０００１〜０．１０％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％（いずれも質量%）、残部鉄及び不可避的不純物からなる成分組成を有する炭素鋼であって、その組織の主要相をフェライト組織とすることにより、例えば、引張強さがほぼ４００〜１０００ＭＰａの特性を有する鋼である。後述するように更に合計量が５％以下のＮｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕの１種又は２種以上からなる合金元素を含有してもよい。
一方、第２の層を構成するＭａｒ鋼としては、延性は低くても高引張強さを有する鋼を用いることが必要であり、具体的には、Ｃ：０．１２〜０．４％、Ｓｉ：０．０５〜３．０％、Ｍｎ：０．０５〜３．０％（いずれも質量%）、残部鉄及び不可避的不純物からなる成分組成を有する炭素鋼であって、上記α鋼に比してＣ含有量の高い炭素鋼、あるいは更に、α鋼に比してＳｉ、Ｍｎ成分の含有量を相対的に増加させて、その組織の主要相をマルテンサイト組織とすることにより、引張強さを１２００ＭＰａ以上に調整した鋼である。後述するように更に合計量が５％以下のＮｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕの１種又は２種以上からなる合金元素を含有してもよい。
なお、上記α鋼およびＭａｒ鋼のいずれにおいても、その延性（伸び）は、成分組成、熱処理条件等によって影響されるが、概ね、α鋼については、伸びは２０〜４５％、また、Ｍａｒ鋼については、伸びは３〜１０％のものとなる。
そして、本発明においては、引張強さ（ＴＳ１）は十分でないが延性にすぐれたα鋼と、延性は低くてもすぐれた引張強さ（ＴＳ２）を有するＭａｒ鋼（但し、１．２≦ＴＳ２／ＴＳ１≦６）とを、α鋼の層厚ｔ１とＭａｒ鋼の層厚ｔ２が、ｔ１／ｔ２＞１．２となるように積層し、一体化することにより、α鋼とＭａｒ鋼がそれぞれ有する特性を相兼ね備えたすぐれた特性、すなわち、すぐれた高強度、高延性と強度−延性バランス、の複層鋼を得ることができる。
第１の層を構成するα鋼としては、引張強さは十分でないが延性にすぐれた鋼を用いることが必要であり、具体的には、Ｃ：０．０００１〜０．１０％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％（いずれも質量%）、残部鉄及び不可避的不純物からなる成分組成を有する炭素鋼であって、その組織の主要相をフェライト組織とすることにより、例えば、引張強さがほぼ４００〜１０００ＭＰａの特性を有する鋼である。後述するように更に合計量が５％以下のＮｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕの１種又は２種以上からなる合金元素を含有してもよい。
一方、第２の層を構成するＭａｒ鋼としては、延性は低くても高引張強さを有する鋼を用いることが必要であり、具体的には、Ｃ：０．１２〜０．４％、Ｓｉ：０．０５〜３．０％、Ｍｎ：０．０５〜３．０％（いずれも質量%）、残部鉄及び不可避的不純物からなる成分組成を有する炭素鋼であって、上記α鋼に比してＣ含有量の高い炭素鋼、あるいは更に、α鋼に比してＳｉ、Ｍｎ成分の含有量を相対的に増加させて、その組織の主要相をマルテンサイト組織とすることにより、引張強さを１２００ＭＰａ以上に調整した鋼である。後述するように更に合計量が５％以下のＮｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕの１種又は２種以上からなる合金元素を含有してもよい。
なお、上記α鋼およびＭａｒ鋼のいずれにおいても、その延性（伸び）は、成分組成、熱処理条件等によって影響されるが、概ね、α鋼については、伸びは２０〜４５％、また、Ｍａｒ鋼については、伸びは３〜１０％のものとなる。
そして、本発明においては、引張強さ（ＴＳ１）は十分でないが延性にすぐれたα鋼と、延性は低くてもすぐれた引張強さ（ＴＳ２）を有するＭａｒ鋼（但し、１．２≦ＴＳ２／ＴＳ１≦６）とを、α鋼の層厚ｔ１とＭａｒ鋼の層厚ｔ２が、ｔ１／ｔ２＞１．２となるように積層し、一体化することにより、α鋼とＭａｒ鋼がそれぞれ有する特性を相兼ね備えたすぐれた特性、すなわち、すぐれた高強度、高延性と強度−延性バランス、の複層鋼を得ることができる。
さらに、本発明の複層鋼の第１の層を構成するα鋼は、合計量が５％以下の合金成分（Ｎｂ：０．００１〜０．１％、Ｔｉ：０．００１〜０．１％、Ｖ：０．００１〜０．５％、Ｃｒ：０．００１〜０．０１％、Ｎｉ：０．００１〜０．０１％、Ｍｏ：０．０１〜３．０％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％の１種又は２種以上。いずれも質量％）を更に含有することができる。
これらの合金成分を、それぞれ上記のごとく定められた所定量含有することによって、α鋼それ自体の有する強度、延性、靭性等の機械的特性を調整することができる。ただ、引張強さＴＳ１については、１．２≦ＴＳ２／ＴＳ１≦６を満足させることが必要であり、この値が６を超えたような場合には、例え、延性、靭性にすぐれた複層鋼が得られたとしても、強度−延性バランスを欠く好ましくない複層鋼が形成されることとなるので注意が必要であり、一方、良好な延性を確保するためには、ＴＳ２／ＴＳ１≧１．２とすることが必要である。
これらの合金成分を、それぞれ上記のごとく定められた所定量含有することによって、α鋼それ自体の有する強度、延性、靭性等の機械的特性を調整することができる。ただ、引張強さＴＳ１については、１．２≦ＴＳ２／ＴＳ１≦６を満足させることが必要であり、この値が６を超えたような場合には、例え、延性、靭性にすぐれた複層鋼が得られたとしても、強度−延性バランスを欠く好ましくない複層鋼が形成されることとなるので注意が必要であり、一方、良好な延性を確保するためには、ＴＳ２／ＴＳ１≧１．２とすることが必要である。
また、本発明の複層鋼の第２の層を構成するＭａｒ鋼としては、合計量が５%以下の合金成分（Ｎｂ：０．００１〜０．１％、Ｔｉ：０．００１〜０．１％、Ｖ：０．００１〜０．５％、Ｃｒ：０．００１〜２．０％、Ｎｉ：０．００１〜２．５％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％の１種又は２種以上。いずれも質量％）を添加含有することができる。
これらの合金成分を、それぞれ上記のごとく定められた所定量含有することによって、Ｍａｒ鋼の有する強度、延性、靭性等の機械的特性を調整することができるが、多量に添加含有させた場合には、鋼種が合金鋼の範疇となり、製造コストも高くなることから、添加含有する合金成分とその含有量を上記の如く定めた。
これらの合金成分を、それぞれ上記のごとく定められた所定量含有することによって、Ｍａｒ鋼の有する強度、延性、靭性等の機械的特性を調整することができるが、多量に添加含有させた場合には、鋼種が合金鋼の範疇となり、製造コストも高くなることから、添加含有する合金成分とその含有量を上記の如く定めた。
本発明の複層鋼は、第１の層を層厚ｔ１のα鋼で構成し、また、第２の層を層厚ｔ２のＭａｒ鋼で構成し、ｔ１／ｔ２＞１．２となるように第１の層および第２の層の層厚をそれぞれ定め、さらに、α鋼の引張強さをＴＳ１、Ｍａｒ鋼の引張強さをＴＳ２とした場合に、１．２≦ＴＳ２／ＴＳ１≦６となるように、鋼種を組み合わせる等によって強度比を調整することにより、第１の層および第２の層がそれぞれ有するすぐれた特性（即ち、第１層の有するすぐれた延性および第２層の有する高強度）を相兼ね備え、かつ、強度−延性バランスにすぐれた複層鋼を得ることができる。そして、複層鋼全体としては、引張強さが１０５０ＭＰａ以上、引張強さと全伸びの積が２１０００ＭＰａ・％以上を示すことから、例えば高強度、高延性が要求され、軽量化が求められる自動車用材料として好適な材料であるといえる。
本発明は、組織および機械的特性の異なるα鋼とＭａｒ鋼とを組み合わせて複層化してなる複層鋼であり、α鋼とＭａｒ鋼の強度の比および層厚の比を適正なものとすることにより、強度−延性バランスにすぐれ、しかも複層鋼全体としての高強度化・高延性化を図ることができる。
本発明者らは、まず、α鋼とＭａｒ鋼の強度の比ＴＳ２／ＴＳ１と、引張強さと全伸びの積ＴＳ×Ｅｌとの関係について検討を行った。その結果、図１に示すように、ＴＳ２／ＴＳ１が６以下になると、ＴＳ×Ｅｌが２１０００ＭＰａ・％以上になることがわかった。これは、Ｍａｒ鋼の強度に対してα鋼の強度が低すぎると、強度−延性バランスが低下することを意味する。
次に、本発明者らは、α鋼とＭａｒ鋼の層厚の比ｔ１／ｔ２と、引張強さと全伸びの積ＴＳ×Ｅｌとの関係について検討を行った。その結果、図２に示すように、ｔ１／ｔ２が１．２を超えると、ＴＳ×Ｅｌが２１０００ＭＰａ・％以上になることがわかった。これは、Ｍａｒ鋼の層厚よりも、α鋼の層厚を大きくすることによって、強度−延性バランスが向上することを意味する。
したがって、Ｍａｒ鋼をα鋼によって拘束し、変形時のＭａｒ鋼のネッキングを回避するためには、各層の強度の差が大き過ぎないこと、軟質のα鋼の層厚を大きくすること、が必要である。
次に、本発明者らは、α鋼とＭａｒ鋼の層厚の比ｔ１／ｔ２と、引張強さと全伸びの積ＴＳ×Ｅｌとの関係について検討を行った。その結果、図２に示すように、ｔ１／ｔ２が１．２を超えると、ＴＳ×Ｅｌが２１０００ＭＰａ・％以上になることがわかった。これは、Ｍａｒ鋼の層厚よりも、α鋼の層厚を大きくすることによって、強度−延性バランスが向上することを意味する。
したがって、Ｍａｒ鋼をα鋼によって拘束し、変形時のＭａｒ鋼のネッキングを回避するためには、各層の強度の差が大き過ぎないこと、軟質のα鋼の層厚を大きくすること、が必要である。
本発明の複層鋼は、強度ＴＳ２は高いが延性の低いＭａｒ鋼からなる層厚ｔ２の第２の層を、相対的に延性に優れるが強度ＴＳ１の低いα鋼からなる層厚ｔ１の第１の層で挟み、その上に、上記第２の層を積層し、この上に更に上記第１の層を積層し、このような積層工程を順次繰り返し、合計層数３〜２１層で、かつ、表層を延性に富む上記第１の層（α鋼）からなる積層体とし、その後、これを圧延により一体化することにより形成した複層鋼である。
本発明では、積層一体化された複層鋼を製造するために、第１の層と第２の層とからなる積層体を形成した後、例えば、熱間圧延、冷間圧延、温間圧延、熱間圧延及び冷間圧延を併用した圧延、熱間圧延及び温間圧延を併用した圧延等、適宜の圧延方法により積層体を一体化する。特に、熱間圧延を用いた場合には、圧延時に、第１の層と第２の層との層間に拡散が生じ、その結果として、各層間の層間密着強度が向上するようになる。
なお、冷間圧延、温間圧延を行った場合であっても、圧延後に所定の熱処理を施すことにより、前記同様、層間に拡散が生じる結果、各層間の層間密着強度が向上し、複層鋼の強度の向上、延性の向上が図られるが、その際の熱処理温度の下限は６００℃以上であることが望ましい。強度を高めるためには、圧延後、第２の層の組織がオーステナイトになる温度域以上、例えば、８００℃以上に加熱し、水冷することが好ましい。
なお、冷間圧延、温間圧延を行った場合であっても、圧延後に所定の熱処理を施すことにより、前記同様、層間に拡散が生じる結果、各層間の層間密着強度が向上し、複層鋼の強度の向上、延性の向上が図られるが、その際の熱処理温度の下限は６００℃以上であることが望ましい。強度を高めるためには、圧延後、第２の層の組織がオーステナイトになる温度域以上、例えば、８００℃以上に加熱し、水冷することが好ましい。
以下、具体的な実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
本発明では、第１の層として表１に示す３種のα鋼を用い、また、第２の層として同じく表１に示す４種のＭａｒ鋼を用いた。なお、それぞれの鋼の引張強さを同じく表１に示す。
表１に示す第１の層と第２の層を、表３（表２のつづき）に示す組み合わせ、各層層厚、積層層数、合計層厚となるように積層して積層体を形成し、さらに、これらの積層体を、表２に示す条件で圧延及び／または熱処理し一体化することにより、実施例１〜１２として示す本発明の複層鋼を製造した。
例えば、実施例１では、表１に示す第１の層として、厚さ１．３ｍｍのα鋼、また、第２の層として、厚さ１．０ｍｍのＭａｒ鋼を用い、第１の層を９層、第２の層を８層交互に積層し、表層が第１の層となるようにして、合計積層数１７層、合計層厚１９．７ｍｍの積層体を形成した。
次いで、上記積層体を、表３に示す各層層厚、積層層数、合計層厚となるように、表２に示す条件で熱間圧延し、さらに、同じく表２に示す条件で熱処理することにより、実施例１の複層鋼を作製した。
そして、作製した実施例１の複層鋼の各層の層厚方向中心位置を光学顕微鏡で観察したところ、第１の層は、フェライト組織がほぼ１００体積％を占めるα鋼であり、一方、第２の層はマルテンサイト組織がほぼ１００体積％を占めるＭａｒ鋼であることを確認した。
次いで、上記積層体を、表３に示す各層層厚、積層層数、合計層厚となるように、表２に示す条件で熱間圧延し、さらに、同じく表２に示す条件で熱処理することにより、実施例１の複層鋼を作製した。
そして、作製した実施例１の複層鋼の各層の層厚方向中心位置を光学顕微鏡で観察したところ、第１の層は、フェライト組織がほぼ１００体積％を占めるα鋼であり、一方、第２の層はマルテンサイト組織がほぼ１００体積％を占めるＭａｒ鋼であることを確認した。
得られた実施例１〜１２の本発明複層鋼についての、ｔ１／ｔ２の値、ＴＳ２／ＴＳ１の値、さらに、複層鋼全体としての引張強さ（ＭＰａ）、伸び（％）および強度−延性バランス指標値（引張強さ（ＭＰａ）×伸び（％）の値）を、表３に示す。
表３の結果からも明らかなように、実施例１〜１２の本発明複層鋼は、高強度とともに高延性を有し、しかも、強度−延性バランスに優れる複層鋼であることが確認された。
表３の結果からも明らかなように、実施例１〜１２の本発明複層鋼は、高強度とともに高延性を有し、しかも、強度−延性バランスに優れる複層鋼であることが確認された。
比較のため、表１および４に示す成分組成、金属組織、引張強さの鋼を、表５に示す組み合わせで第１の層および第２の層とし、これを表６(表５のつづき)に示す各層層厚、積層層数、合計層厚となるように積層体を形成し、この積層体を、表５に示す条件で圧延及び／または熱処理し一体化することにより、比較例２１〜２５として示す比較例の複層鋼を製造した。
得られた比較例２１〜２５の比較例複層鋼についての、ｔ１／ｔ２の値、ＴＳ２／ＴＳ１の値、さらに、複層鋼全体としての引張強さ（ＭＰａ）、伸び（％）および強度−延性バランス指標値（引張強さ（ＭＰａ）×伸び（％）の値）を、表６に示す。
得られた比較例２１〜２５の比較例複層鋼についての、ｔ１／ｔ２の値、ＴＳ２／ＴＳ１の値、さらに、複層鋼全体としての引張強さ（ＭＰａ）、伸び（％）および強度−延性バランス指標値（引張強さ（ＭＰａ）×伸び（％）の値）を、表６に示す。
実施例１〜１２の結果と、比較例２１〜２５の結果を対比してみると、
比較例２１は、実施例１とｔ１／ｔ２が異なるだけであるが、ｔ１／ｔ２が１．２以下になると、低強度で強度−延性バランスが劣っていることがわかる。また比較例２２は、実施例１と比較して第１の層の強度が低く、ＴＳ２／ＴＳ１が６超であるため、強度に対して延性の低下が大きく、強度−延性バランスが低下している。比較例２３は、実施例４と比較して、ｔ１／ｔ２が低いため、高強度ではあるものの、延性が低下し、強度−延性バランスが低下している。
比較例２１は、実施例１とｔ１／ｔ２が異なるだけであるが、ｔ１／ｔ２が１．２以下になると、低強度で強度−延性バランスが劣っていることがわかる。また比較例２２は、実施例１と比較して第１の層の強度が低く、ＴＳ２／ＴＳ１が６超であるため、強度に対して延性の低下が大きく、強度−延性バランスが低下している。比較例２３は、実施例４と比較して、ｔ１／ｔ２が低いため、高強度ではあるものの、延性が低下し、強度−延性バランスが低下している。
以上の結果からわかるように、本発明の複層鋼は、すぐれた高強度およびすぐれた延性を相兼ね備え、しかも、強度−延性バランスにすぐれたものであることから、例えば、自動車用材料のように軽量でかつ高強度、良加工性が要求される材料としては好適なものといえる。
Claims (6)
- フェライト組織が最大の体積分率を占める引張強さＴＳ１の炭素鋼または低合金鋼からなる第１の層と、マルテンサイト組織が最大の体積分率を占める引張強さＴＳ２が１２００ＭＰａ以上の炭素鋼または低合金鋼からなる第２の層を互いに積層し、さらに、上記第１の層を表層として合計３層以上を積層一体化してなり、第１の層の層厚ｔ１と第２の層の層厚ｔ２の比（ｔ１／ｔ２）が１．２を超え、かつ、第２の層の引張強さＴＳ２と第１の層の引張強さＴＳ１の比（ＴＳ２／ＴＳ１）が１．２以上６以下であり、複層鋼全体としての引張強さが１０５０ＭＰａ以上、引張強さと全伸びの積が２１０００ＭＰａ・％以上であることを特徴とする複層鋼。
- 第１の層のそれぞれの層厚ｔ１が０．０４ｍｍ以上であり、第２の層のそれぞれの層厚ｔ２が０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の複層鋼。
- 複層鋼の合計層厚が３．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の複層鋼
- 第１の層が、質量％で、
Ｃ：０．０００１〜０．１０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．０％、
Ｍｎ：０．０１〜２．０％
を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなる炭素鋼であり、
第２の層が、質量％で、
Ｃ：０．１２〜０．４％、
Ｓｉ：０．０５〜３．０％、
Ｍｎ：０．０５〜３．０％
を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなる炭素鋼であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の複層鋼。 - 第１の層が、質量％で、
Ｎｂ：０．００１〜０．１％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１％、
Ｖ：０．００１〜０．５％、
Ｃｒ：０．００１〜０．０１％、
Ｎｉ：０．００１〜０．０１％、
Ｍｏ：０．０１〜３．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．０％、
の１種又は２種以上をさらに含有する低合金鋼であることを特徴とする請求項４記載の複層鋼。 - 第２の層が、質量％で、
Ｎｂ：０．００１〜０．１％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１％、
Ｖ：０．００１〜０．５％、
Ｃｒ：０．００１〜２．０％、
Ｎｉ：０．００１〜２．５％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．０％、
の１種又は２種以上をさらに含有する低合金鋼であることを特徴とする請求項４または５記載の複層鋼。
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