JP5672421B1 - 高強度熱延鋼板およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

引張強さ980MPa以上の曲げ加工性に優れた高強度熱延鋼板およびその製造方法を提供する。C：0.1％超0.2％以下、Si：0.5％以上3.0％以下、Mn：1.0％以上3.5％以下、P：0.05％以下、S：0.004％以下、Al：0.10％以下、N：0.008％以下、Ti：0.05％以上0.15％以下およびV：0.10％超0.30％以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成とし、フェライト相を主相とする組織の表層領域と、ベイナイト相を主相とする組織の内部領域からなり、前記表層領域の鋼板厚さ方向に占める割合を、鋼板の表裏面より、それぞれ全板厚の1.0％以上5.0％以下とすることで、引張強さTSが980MPa以上である高強度熱延鋼板とする。

Description

本発明は、自動車の構造部品や骨格、トラック(truck)のフレーム(frame)等の素材として好適な、引張強さが980MPa以上の高強度熱延鋼板に係り、特に曲げ加工性（bending workability）の向上に関する。
近年、地球環境の保全の観点から、自動車排ガス規制(automobile exhaust gas regulations)が強化されている。このような状況下、トラック等の自動車の燃費向上(improvement of fuel efficiency)が重要な課題となっており、使用する材料の一層の高強度および薄肉化が要求されている。これに伴い、自動車部品の素材として高強度熱延鋼板が積極的に適用されるようになり、その需要は年々高まっている。特に、引張強さ：980MPa以上の高強度熱延鋼板は、自動車の燃費を飛躍的に向上し得る素材として大いに期待されている。
しかしながら、鋼板の高強度化に伴い、一般的には、曲げ加工性が低下する。そのため、高強度熱延鋼板に自動車部品用として要求される曲げ加工性を付与すべく、種々の検討がなされている。
例えば、特許文献１には、質量％でC：0.05〜0.15％、Si：0.2〜1.2％、Mn：1.0〜2.0％、P：0.04％以下、S：0.0030％以下、Al：0.005〜0.10％、N：0.005％以下およびTi：0.03〜0.13％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成からなる鋼素材を、1200〜1350℃に加熱し、1200秒以上保持した後、粗圧延の終了温度を1050℃以上とし、かつ仕上げ圧延の終了温度を830〜930℃として、熱間圧延を終了後、平均冷却速度：35℃/ｓ以上の速度で巻取り温度：350〜550℃まで冷却することにより熱延鋼板とする技術が提案されている。
特許文献１に提案された技術によると、鋼板の両表面より、それぞれ全板厚の1.5〜3.0％深さまでの表層領域が、ベイナイト(bainite)面積率：80％未満で、かつ粒径が2〜15μmのフェライト(ferrite)相の面積率：10％以上であり、前記表層領域以外の内部領域が、ベイナイト相の面積率：95％超である熱延鋼板が得られるとしている。特許文献１に提案された技術によると、表層領域を上記のように軟質な組織とすることで、曲げ加工性に優れた引張強さ：780MPa以上の高強度熱延鋼板が得られるとしている。
特許文献２には、質量％でC：0.05〜0.19％、Si：0.05〜1.0％、Mn：0.3〜2.5％、P：0.03％以下、S：0.025％以下、Ti：0.005〜0.1％、Cr：0.03〜1.0％、Sol.Al：0.005〜0.1％、N：0.0005〜0.01％、B：0.0001〜0.01％、かつ3C≦0.27Mn＋0.2Cr＋0.05Cu＋0.11Ni＋0.25Mo≦3C＋0.3（C、Mn、Cr、Cu、Ni、Moの値は質量％）を満たし、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼スラブを、1070℃以上1300℃以下に加熱した後、仕上げ圧延温度を850℃以上1070℃以下とする熱間圧延を施し、仕上げ圧延後、1.2/C≦Vc≦1.8/C（Cの値は質量％）を満足する冷却速度Vc(℃/sec)で300℃以下まで冷却することにより熱延鋼板とする技術が提案されている。
特許文献２に提案された技術によると、鋼の表層部において、ミクロ組織の面分率の80％以上がベイナイトであり、ビッカース硬さ(Vickers hardness)Hvが210以上300以下であり、ベイナイトの長軸長さの平均値が5μm以下であり、平均粒界炭化物粒径が0.5μm以下である熱延鋼板が得られるとしている。特許文献２に提案された技術によると、鋼表層部の組織を均一微細でベイナイト組織主体に制御し中程度に硬くし、更に粒界析出炭化物を微細化することで、疲労特性に優れかつ曲げ成形性に優れた機械構造鋼管用熱延鋼板が得られるとしている。
特開２０１２−０６２５５８号公報 特開２００９−２７０１４２号公報
しかしながら、特許文献１に提案された技術では、必ずしも引張強さ：980MPa以上の高強度熱延鋼板が得られず、改善の余地があった。
特許文献２に提案された技術では、冷却停止温度を３００℃以下とし、主に冷却速度を調整することで鋼板組織を制御するため、量産時における冷却速度の変動により所望の鋼板組織を安定して確保することが困難な場合があった。更に、特許文献２に提案された技術では、冷却停止温度を300℃以下とするため、鋼板の表層領域が硬質な組織となる傾向にあり、熱延鋼板に十分な曲げ加工性を付与することができない場合があった。
本発明は、上記従来技術が抱える問題を解決し、引張強さ：980MPa以上という高強度を有し、更に良好な曲げ加工性を有する、特に板厚3.2mm以上14mm以下の高強度熱延鋼板およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の目的を達成するために、引張強さ：980MPa以上という高強度を維持した状態で、熱延鋼板の曲げ加工性を向上すべく鋭意研究した。その結果、熱延鋼板の強度−曲げ加工性バランス(strength-bending workability balance)を確保するうえでは、熱延鋼板の表層領域をフェライト相主体の組織とし、熱延鋼板の表層領域以外の領域（内部領域）をベイナイト相主体の組織とすることが、極めて有効であることを知見した。そして、更に研究を進めた結果、表層領域のフェライト分率、および内部領域のベイナイト分率を適正化し、更に表層領域が鋼板厚さ方向に占める割合を最適化すると、引張強さTSが980MPa以上という高強度を維持したまま熱延鋼板の曲げ加工性が顕著に向上することを知見した。
本発明者らは、熱延鋼板の組織(microstructure)を上記のような所望の組織とする手段、すなわち、ベイナイト主体の組織としつつ、熱延鋼板の表層領域に所定量のフェライト相を形成する手段について検討した。検討の末、所定の組成を有する鋼素材を加熱して熱間圧延を施すことにより熱延鋼板とするに際し、鋼素材の加熱温度を1250℃以上としたうえで該加熱温度における鋼素材の保持時間を3600s以上とすることに想到した。
鋼素材を高温域で長時間保持すると、鋼素材の表層部が脱炭される。また、鋼のC濃度が低いほど、フェライト相は形成され易い。そこで、本発明者らは、この脱炭現象（decarburizing）を活用し、鋼素材の加熱時に鋼素材表層部を脱炭することにより、熱間圧延終了後の冷却および巻取り工程で熱延鋼板の表層領域に生成するフェライト量を、熱延鋼板の表層領域以外の領域よりも高くすることを試みた。その結果、鋼素材の加熱温度を1250℃以上とし、該加熱温度における鋼素材の保持時間を3600s以上とすることで、熱間圧延終了後の冷却および巻取り後に所望の組織を有する熱延鋼板が得られることが明らかになった。以上のように脱炭現象を活用することで、熱延鋼板の表層領域において所望の組織を安定して確保できることを知見した。
本発明は、かかる知見に基づき、更に検討を重ねた末に完成されたものである。すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
［１］ 質量％で、C：0.1％超0.2％以下、Si：0.5％以上3.0％以下、Mn：1.0％以上3.5％以下、P：0.05％以下、S：0.004％以下、Al：0.10％以下、N：0.008％以下、Ti：0.05％以上0.15％以下、V：0.10％超0.30％以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、フェライト相を主相とする表層領域と、ベイナイト相を主相とする内部領域からなり、前記表層領域が、主相であるフェライト相の面積率が80％以上であり、残部がベイナイト相、マルテンサイト相、残留オーステナイト相のうちから選ばれた１種または２種以上であり、前記残部の面積率が0％以上20％以下である組織を有し、前記内部領域が、主相であるベイナイト相の面積率が90％超であり、残部がフェライト相、マルテンサイト相、残留オーステナイト相のうちから選ばれた１種または２種以上であり、前記残部の面積率が0％以上10％未満である組織を有し、前記表層領域の鋼板厚さ方向に占める割合が、鋼板の表裏面より、それぞれ全板厚の1.0％以上5.0％以下である曲げ加工性に優れた高強度熱延鋼板。
［２］ 前記［１］において、前記組成に加えて更に、質量％で、Nb：0.003％以上0.2％以下、B ：0.0002％以上0.0015％以下、Cu：0.005％以上0.2％以下、Ni：0.005％以上0.2％以下、Cr：0.005％以上0.2％以下、Mo：0.005％以上0.2％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する曲げ加工性に優れた高強度熱延鋼板。
［３］ 前記［１］または［２］において、前記組成に加えて更に、質量％でCa：0.0002％以上0.01％以下、REM：0.0002％以上0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有する曲げ加工性に優れた高強度熱延鋼板。
［４］ 前記［１］ないし［３］のいずれかに記載の組成からなる鋼素材を、1250℃以上の温度域に加熱し、該温度域に3600s以上保持した後、粗圧延と、仕上圧延終了温度を840℃以上940℃以下とする仕上圧延からなる熱間圧延を施し、熱間圧延終了後、直ちに冷却を開始し、平均冷却速度25℃/s以上で冷却し、巻取り温度350℃以上500℃以下で巻き取る曲げ加工性に優れた高強度熱延鋼板の製造方法。
本発明によれば、引張強さが980MPa以上であり且つ曲げ加工性に優れた高強度熱延鋼板が得られる。したがって、本発明を自動車の構造部品、骨格、あるいはトラックのフレーム等に適用すれば、自動車の安全性(automotive safety)を確保しつつ車体重量(auto weight)を軽減でき、環境負荷(environment load)を低減することが可能となる。また、本発明は、引張強さ：980MPa以上という高強度を維持したまま、曲げ加工性が向上した熱延鋼板を安定して製造することができ、産業上極めて有用なものである。
以下、本発明について具体的に説明する。
まず、本発明熱延鋼板の成分組成の限定理由について説明する。なお、以下の成分組成を表す％は、特に断らない限り質量％を意味するものとする。
C ：0.1％超0.2％以下
Cは、鋼の強度を向上させ、ベイナイトの生成を促進する。そのため、本発明では、C含有量を0.1％超とする必要がある。一方、C含有量が0.2％を超えると、ベイナイトの生成制御が困難となり、硬質なマルテンサイト(martensite)の生成が増え、熱延鋼板の曲げ加工性が低下する。したがって、C含有量は0.1％超0.2％以下とする。好ましくは、0.12％以上0.18％以下である。
Si：0.5％以上3.0％以下
Siは、曲げ加工性を阻害する粗大な酸化物やセメンタイト(cementite)を抑制し、曲げ加工性を良好にするフェライト相を生成し易くするため、0.5％以上を含有させることが有効である。また、Siは、固溶強化(solute strengthening)にも寄与する元素である。一方Si含有量が3.0％を超えると、熱延鋼板の表面性状(surface quality)が著しく劣化し、化成処理性(phosphatability)や耐食性の低下を招く。したがって、Si含有量は0.5％以上3.0％以下とする。好ましくは0.5％以上2.5％以下であり、より好ましくは0.6％以上2.0％以下である。さらに好ましくは、０．７％以上である。
Mn：1.0％以上3.5％以下
Mnは、本発明における最も重要な添加元素の一つである。Mnは、固溶して鋼の強度を増加させ、更に焼き入れ性（hardenability）の向上を介してベイナイトの生成を促進する元素である。このような効果を得るためには、Mn含有量を1.0％以上とする必要がある。Mnは、スラブ鋳造時においてスラブ中央部に濃化し易い元素であり、この濃化により熱延鋼板の表層部の曲げ加工性を維持したまま高強度化が実現できる。一方、Mn含有量が3.5％を超えると、表層部のMn濃度も高くなってしまい、熱延鋼板の曲げ加工性の低下を招く。したがってMn含有量は1.0％以上3.5％以下とする。好ましくは1.5％以上3.0％以下であり、より好ましくは2.0％超2.5％以下である。
P ：0.05％以下
Pは、固溶して鋼の強度増加に寄与する元素であるが、粒界、特に旧オーステナイト粒界(prior-austenite grain boundaries)に偏析し、低温靭性（low-temperature toughness）や加工性の低下を招く元素でもある。このため、P含有量は極力低減することが好ましいが、0.05％までの含有は許容できる。したがって、P含有量は0.05％以下とする。しかし、P含有量を過度に低減しても精錬コストの増大に見合う効果が得られないため、P含有量は0.003％以上0.03％以下とすることが好ましく、0.005％以上0.02％以下とすることがより好ましい。
S ：0.004％以下
Sは、TiやMnと結合して粗大な硫化物を形成し、熱延鋼板の加工性を低下させる。そのため、S含有量は極力低減することが好ましいが、0.004％までの含有は許容できる。したがって、S含有量は0.004％以下とする。しかし、S含有量を過度に低減しても精錬コストの増大に見合う効果が得られないため、S含有量は0.0003％以上0.004％以下とすることが好ましい。
Al：0.10％以下
Alは、脱酸剤（deoxidizing agent）として作用し、鋼の清浄度（cleanness）を向上させるのに有効な元素である。一方、Alの過剰な添加は酸化物系介在物（oxide inclusion）の増加を招き、熱延鋼板の靭性を低下させるとともに、疵発生の原因となる。したがって、Al含有量は0.10％以下とする。好ましくは0.005％以上0.08％以下である。更に好ましくは0.01％以上0.05％以下である。
N ：0.008％以下
Nは、窒化物形成元素（nitride-forming elements）と結合することにより窒化物として析出し、結晶粒微細化に寄与する。しかし、Nは、高温でTiと結合して粗大な窒化物になり易く、熱延鋼板の曲げ加工性を低下させるため、本発明では極力低減することが好ましい。したがって、本発明ではN含有量を0.008％以下とする。好ましくは0.001％以上0.006％以下である。より好ましくは0.002％以上0.005％以下である。
Ti：0.05％以上0.15％以下
Tiは、本発明における最も重要な添加元素の一つである。Tiは、炭窒化物を形成して結晶粒を微細化することにより、また析出強化(precipitation strengthening)により、鋼の強度増加に寄与する。また、Tiは、300℃以上450℃以下の低温下では、微細な（Ti,V）Cのクラスター(cluster)を多数形成し、鋼中のセメンタイト量を低減して熱延鋼板の曲げ加工性を高める役割がある。この様な効果を発現させるためには、Ti含有量を0.05％以上とする必要がある。一方、Ti含有量が0.15％を超えて過剰になると、上記した効果が飽和する。また、Ti含有量が0.15％を超えて過剰になると、スラブ加熱時に粗大なTiCが鋼中に溶け残り、熱延鋼板の曲げ加工性の低下を招くうえに、ベイナイト変態前の固溶C量を低下させるため、鋼板の強度を低下させる。したがって、Ti含有量は0.05％以上0.15％以下とする。好ましくは0.08％以上0.13％以下である。
V ：0.10％超0.30％以下
Vは、本発明における最も重要な添加元素の一つである。Vは、炭窒化物を形成して結晶粒を微細化することにより、また析出強化により、鋼の強度増加に寄与する。Vは、焼き入れ性を向上させ、ベイナイト相の形成および微細化に貢献する。Vは、300℃以上450℃以下の低温下では微細な（Ti,V）Cのクラスターを多数形成し、鋼中のセメンタイト量を低減して熱延鋼板の曲げ加工性を高める役割がある。この様な効果を発現させるためには、V含有量を0.10％超とする必要がある。一方、V含有量が0.30％を超えて過剰になると、熱延鋼板の延性を低下させるとともにコスト高となる。したがって、V含有量は0.10％超0.30％以下とする。好ましくは0.15％以上0.25％以下である。
以上が本発明熱延鋼板の基本成分であるが、本発明の熱延鋼板は、例えば穴拡げ加工性(hole expansion formability)の向上や高強度化を目的として、必要に応じて選択元素としてNb：0.003％以上0.2％以下、B：0.0002％以上0.0015％以下、Cu：0.005％以上0.2％以下、Ni：0.005％以上0.2％以下、Cr：0.005％以上0.2％以下、Mo：0.005％以上0.2％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することができる。
Nb：0.003％以上0.2％以下
Nbは、炭窒化物の形成を介して鋼の強度増加に寄与する元素である。このような効果を発現させるためには、Nb含有量を0.003％以上とすることが好ましい。一方、Nb含有量が0.2％を超えると、変形抵抗（deformation resistance）が増加するため、熱延鋼板製造時、熱間圧延の圧延荷重（rolling force）が増加し圧延機への負担が大きくなり過ぎて圧延操業そのものが困難になるおそれがある。また、Nb含有量が0.2％を超えると、粗大な析出物を形成して熱延鋼板の加工性が低下する傾向にある。したがって、Nb含有量は0.003％以上0.2％以下とすることが好ましい。なお、より好ましくは0.01％以上0.15％以下であり、更に好ましくは0.015％以上0.1％以下である。
B ：0.0002％以上0.0015％以下
Bは、オーステナイト粒界に偏析し、フェライトの生成および成長を抑制する元素である。また、Bは、焼き入れ性を向上させベイナイト相の形成および微細化に寄与する元素でもある。このような効果を発現させるためには、B含有量を0.0002％以上とすることが好ましい。但し、B含有量が0.0015％を超えると、マルテンサイト相の生成を促進させるため、熱延鋼板の曲げ加工性が大幅に低下するおそれがある。したがって、Bを含有する場合には、その含有量を0.0002％以上0.0015％以下の範囲とすることが好ましい。また、0.0004％以上0.0012％以下とすることがより好ましい。
Cu：0.005％以上0.2％以下
Cuは、固溶して鋼の強度増加に寄与する元素である。また、Cuは、焼き入れ性を向上させる作用を有し、特にベイナイト変態温度を低下させ、ベイナイト相の微細化に寄与する元素でもある。これらの効果を得るためには、Cu含有量を0.005％以上とすることが好ましいが、その含有量が0.2％を超えると熱延鋼板の表面性状の低下を招く。したがって、Cu含有量は0.005％以上0.2％以下の範囲とすることが好ましい。なお、より好ましくは0.01％以上0.15％以下である。
Ni：0.005％以上0.2％以下
Niは、固溶して鋼の強度増加に寄与する元素である。また、Niは、焼き入れ性を向上させる作用を有し、ベイナイト相を形成し易くする。これらの効果を得るためには、Ni含有量を0.005％以上とすることが好ましい。但し、Ni含有量が0.2％を超えると、マルテンサイト相が生成し易くなり、熱延鋼板の穴拡げ加工性が大幅に低下するおそれがある。したがって、Ni含有量は0.005％以上0.2％以下とすることが好ましい。なお、より好ましくは0.01％以上0.15％以下である。
Cr：0.005％以上0.2％以下
Crは、炭化物を形成して熱延鋼板の高強度化に寄与する。この効果を発現させるためには、Cr含有量を0.005％以上とすることが好ましい。一方、Cr含有量が0.2％を超えて過剰になると、熱延鋼板の耐食性低下が懸念される。したがって、Cr含有量は0.005％以上0.2％以下とすることが好ましい。より好ましくは0.01％以上0.15％以下である。
Mo：0.005％以上0.2％以下
Moは、焼き入れ性の向上を通じてベイナイト相の形成を促進し、熱延鋼板の穴拡げ加工性の向上と高強度化に寄与する。このような効果を得るためには、Mo含有量を0.005％以上とすることが好ましい。但し、Mo含有量が0.2％を超えると、マルテンサイト相が生成し易くなり、熱延鋼板の曲げ加工性が低下するおそれがある。したがって、Mo含有量は0.005％以上0.2％以下とすることが好ましい。より好ましくは0.01％以上0.15％以下である。
また、本発明の熱延鋼板は、必要に応じてCa：0.0002％以上0.01％以下、REM：0.0002％以上0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有することができる。
Ca：0.0002％以上0.01％以下
Caは、硫化物系の介在物の形状を制御する元素であり、熱延鋼板の曲げ加工性の向上に有効である。この効果を発現させるためには、Ca 含有量を0.0002％以上とすることが好ましい。但し、Ca含有量が0.01％を超えると、熱延鋼板の表面欠陥を引き起こすおそれがある。したがって、Ca含有量は0.0002％以上0.01％以下とすることが好ましい。また、0.0004％以上0.005％以下とすることがより好ましい。
REM：0.0002％以上0.01％以下
REMは、Caと同様、硫化物系の介在物の形状を制御し、熱延鋼板の曲げ加工性に対する硫化物系介在物の悪影響を改善する。この効果を発現させるためには、REM含有量を0.0002％以上とすることが好ましい。但し、REM含有量が0.01％を超えて過剰になると、鋼の清浄度が悪化し、熱延鋼板の穴拡げ加工性が低下する傾向にある。したがって、REMを含有する場合は、その含有量を0.0002％以上0.01％以下とすることが好ましい。また、0.0004％以上0.005％以下とすることがより好ましい。
本発明において、上記以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Sb、Sn、Zn等が挙げられ、これらの含有量はSb：0.01％以下、Sn：0.1％以下、Zn：0.01％以下であれば許容できる。
次に、本発明熱延鋼板の組織の限定理由について説明する。
本発明熱延鋼板の組織は、鋼板の表裏面の表層部（以下、表層領域という）の組織が、それ以外の鋼板内部（以下、内部領域という）の組織を、鋼板の表裏から挟む構造になっている。そして、内部領域における組織を実質的にベイナイト単相組織とする一方、表層領域の組織をフェライト相主体の組織とし、表層領域を内部領域よりも軟質な組織とすることで、引張強さTSが980MPa以上という高強度を維持したまま熱延鋼板の曲げ加工性の向上を図る。
表層領域の組織は、主相であるフェライト相の面積率が80％以上であり、残部がベイナイト相、マルテンサイト相、残留オーステナイト相のうちから選ばれた１種または２種以上であり、前記残部の面積率が0％以上20％以下である組織とする。
表層領域におけるフェライト相の面積率：80％以上
表層領域において、主相であるフェライト相の面積率が80％未満であると、熱延鋼板の曲げ加工性が低下し、980MPa以上の引張強さと良好な曲げ加工性を確保することが困難となる。したがって、表層領域におけるフェライト相の面積率は80％以上とする。好ましくは90％以上であり、100％（すなわち、フェライト単相組織）としてもよい。
表層領域におけるベイナイト相、マルテンサイト相、残留オーステナイト相の合計面積率：0％以上20％以下
表面領域において、フェライト相以外の組織は、ベイナイト相、マルテンサイト相および残留オーステナイト相のいずれか１種以上であり、これらの相の面積率は合計で0％以上20％以下である。好ましくは10％以下である。
一方、内部領域の組織は、主相であるベイナイト相の面積率が90％超であり、残部がフェライト相、マルテンサイト相、残留オーステナイト相のうちから選ばれた１種または２種以上であり、前記残部の面積率が0％以上10％未満である組織とする。
内部領域におけるベイナイト相の面積率：90％超
内部領域において、主相であるベイナイト相の面積率が90％以下になると、熱延鋼板の強度や曲げ加工性が低下し、所望の高強度と良好な曲げ加工性が安定して確保できない。したがって、内部領域におけるベイナイト相の面積率は90％超とする。好ましくは95％以上であり、100％（すなわち、ベイナイト単相組織）とすることが最も好ましい。
内部領域におけるフェライト相、マルテンサイト相、残留オーステナイト相の合計面積率：0％以上10％未満
内部領域において、ベイナイト相以外の組織は、フェライト相、マルテンサイト相、残留オーステナイト相のうちのいずれか１種以上であり、これらの相の面積率は合計で0％以上10％未満とする。好ましくは5％以下である。
表層領域の鋼板厚さ方向に占める割合：鋼板の表裏面より、それぞれ全板厚の1.0％以上5.0％以下
本発明では、表層領域が熱延鋼板全体に占める割合を最適化することで、熱延鋼板の強度−曲げ加工性バランスを図り、引張強さが980MPa以上であり且つ曲げ加工性に優れた熱延鋼板とする。表層領域の鋼板厚さ方向の深さが、鋼板の表裏面より、それぞれ全板厚の1.0％未満であると、熱延鋼板に良好な曲げ加工性を付与することが困難となり、熱延鋼板の曲げ加工時にワレが発生し易くなる。一方、曲げ加工性を向上させる軟質な表層領域の鋼板厚さ方向の深さが、鋼板の表裏面より、それぞれ全板厚の5.0％を超えると、熱延鋼板全体の強度が低下してしまい、980MPa以上という所望の引張強さが得られない。したがって、表層領域の鋼板厚さ方向に占める割合は、鋼板の表裏面より、それぞれ全板厚の1.0％以上5.0％以下とする。より好ましくは1.5％以上3.5％以下である。
以上のように組成および組織を規定することで、引張強さTSが980MPa以上であり、しかも自動車部品用素材として要求される曲げ加工性を備えた高強度熱延鋼板が得られる。なお、本発明の熱延鋼板の板厚は特に限定されないが、3.2mm以上14mm以下程度の板厚とすることが好ましい。
次に、本発明熱延鋼板の好ましい製造方法について説明する。
本発明は、上記した組成の鋼素材を、1250℃以上の温度域に加熱し、該温度域に3600s以上保持した後、粗圧延と、仕上圧延終了温度を840℃以上940℃以下とする仕上圧延からなる熱間圧延を施し、熱間圧延終了後、直ちに冷却を開始し、平均冷却速度25℃/s以上で冷却し、巻取り温度350℃以上500℃以下で巻き取ることを特徴とする。なお、製造方法で示す「℃」は、特に断らない限り「表面温度」を意味するものとする。
鋼素材の製造方法は、特に限定する必要はなく、上記した組成を有する溶鋼を、転炉等で溶製し、連続鋳造等の鋳造方法でスラブ等の鋼素材とする、常用の方法がいずれも適用できる。なお、造塊−分塊方法を用いてもよい。
鋼素材の加熱温度：1250℃以上
加熱温度での鋼素材の保持時間：3600s以上
鋼素材の加熱温度と該加熱温度での鋼素材の保持時間は、本発明における重要な製造条件の要素の一つである。スラブ(slab)等の鋼素材の加熱温度を1250℃以上とし、1250℃以上の温度域における鋼素材の保持時間を3600s以上とすることで、鋼素材表層が脱炭し、表層部の炭素濃度が低下する。その結果、鋼素材表層部が内部よりもフェライト相が形成され易い状態となり、上記の熱延鋼板組織を安定して確保できる。
鋼素材中では、Tiなどの炭窒化物形成元素の殆どが粗大な炭窒化物として存在している。この粗大で不均一な炭窒化物の存在は、熱延鋼板の曲げ加工性を低下させる。この粗大な析出物を熱間圧延前に固溶させるためにも、鋼素材の加熱温度を1250℃以上に限定する必要がある。好ましくは1260℃以上1350℃以下である。また、1250℃以上の温度域における鋼素材の保持時間は3600s以上であり、4000s以上とすることが好ましい。但し、1250℃以上の温度域における鋼素材の保持時間が長くなり過ぎると、スケール発生量(scale generation amount)が増大し、続く熱間圧延工程においてスケール噛み込み(biting of scale)等が発生し易くなり、熱延鋼板の表面品質が劣化することが懸念されるため、7200s以下とすることが好ましい。
鋼素材の加熱、保持に続き、鋼素材に粗圧延と仕上圧延からなる熱間圧延を施す。粗圧延は、所望のシートバー(sheet bar)寸法が確保できればよく、その条件は特に限定する必要はない。粗圧延に続いて、仕上圧延を施す。なお、仕上圧延の前、或いはスタンド間の圧延途中で、デスケーリング(descaling)を行うことが好ましい。
仕上圧延終了温度：840℃以上940℃以下
仕上圧延終了温度は、本発明における重要な製造条件の要素の一つである。仕上圧延終了温度が840℃未満では、フェライト相とオーステナイト相の２相域圧延でのフェライト相分率が大きくなり、上記の所望の熱延鋼板組織を確保することが困難となる。一方、仕上圧延終了温度が940℃を超えて過剰に高くなると、鋼板の表層領域のオーステナイト粒が成長し、焼入れ性が高くなり、フェライト以外のベイナイトなどの相が生成し易くなるため、上記の所望の熱延鋼板組織を確保することが困難となる。したがって、仕上圧延終了温度は840℃以上940℃以下の範囲とする。好ましくは850℃以上930℃以下であり、より好ましくは860℃以上920℃以下である。
平均冷却速度：25℃/s以上
仕上圧延を終了した後、直ちに、好ましくは1.5s以内に強制冷却を開始し、巻取り温度で冷却を停止し、コイル状に巻き取る。仕上圧延終了温度から巻取り温度までの平均冷却速度が25℃/s未満であると、熱延鋼板の内部領域においてベイナイト相を十分に生成することができない。したがって、上記平均冷却速度は25℃/s以上とする。好ましくは30℃/s以上である。平均冷却速度の上限は特に規定しないが、平均冷却速度が大きくなりすぎると、ベイナイト変態が促進され、表層領域において所望の組織を確保することが困難となるため、平均冷却速度は120℃/ｓ以下とすることが好ましい。なお、上記平均冷却速度は、鋼板の表面における平均冷却速度とする。
巻取り温度：350℃以上500℃以下
巻取り温度が350℃未満では、熱延鋼板の内部領域に、硬質なマルテンサイト相や残留オーステナイト相が形成され易くなる。その結果、所望の組織を確保できなくなり、熱延組織に所望の曲げ加工性を付与することが困難となる。一方、巻取り温度が500℃を超えると、熱延鋼板の内部領域にフェライト相が形成され易くなり、さらに粗大なパーライトやマルテンサイトが形成されるため、熱延鋼板の強度と曲げ加工性が低下する。以上の理由により、巻取り温度は350℃以上500℃以下の範囲とする。好ましくは350℃以上450℃以下である。
なお、本発明においては、連続鋳造時の鋼の成分偏析低減のために、電磁撹拌（EMS）および軽圧下鋳造（IBSR）等を適用することができる。電磁撹拌処理を施すことにより、板厚中心部に等軸晶を形成させ、偏析を低減させることができる。また、軽圧下鋳造を施した場合は、連続鋳造スラブの未凝固部の溶鋼の流動を防止することにより、板厚中心部の偏析を低減させることができる。これらの偏析低減処理の少なくても１つを適用することにより、後述する曲げ加工性をより優れたレベルにすることができる。
なお、巻取り後、熱延鋼板には常法にしたがい、調質圧延を施してもよく、また、酸洗を施して表面に形成されたスケールを除去してもよい。或いは更に、溶融亜鉛めっき(hot dip galvanizing)、電気亜鉛めっき(electrogalvanizing)等のめっき処理や、化成処理(chemical conversion coating)を施してもよい。
表１に示す組成の溶鋼を転炉で溶製し、連続鋳造法によりスラブ（鋼素材）とした。後述する表1〜3中の鋼Aの熱延鋼板No.1’以外のものについては、連続鋳造の際に、成分の偏析低減処理のため、電磁撹拌（EMS）を行った。次いで、これらの鋼素材を、表２に示す条件で加熱・保持し、粗圧延と表２に示す条件の仕上圧延とからなる熱間圧延を施し、仕上圧延終了後、表２に示す条件で冷却し、表２に示す巻取り温度で巻取り、表２に示す板厚の熱延鋼板とした。
得られた熱延鋼板から試験片を採取し、組織観察、引張試験、曲げ試験を実施した。組織観察方法および各種試験方法は次のとおりとした。
（i）組織観察
得られた熱延鋼板から走査電子顕微鏡（SEM）用試験片を採取し、圧延方向に平行な板厚断面を研磨後、腐食液（3％ナイタール溶液(nital solution)）で組織を現出させ、走査電子顕微鏡（SEM）を用い、800〜1500倍の倍率で表層近傍を観察し、表層領域を特定した。表層領域は、内部領域と比べ、フェライトが多く観察されるため、表層領域と内部領域を識別できる。
表層領域特定後、試験片の表裏面それぞれについて、表層領域が形成されている領域の深さ（試験片の表裏面それぞれからの厚さ方向の深さ）を測定し、試験片の表裏面それぞれに形成された表層領域が試験片厚さ方向（鋼板厚さ方向）に占める割合を求めた。具体的には、試験片表面において表層領域が形成されている領域の深さ（試験片表面から厚さ方向の深さ）d1と、試験片裏面において表層領域が形成されている領域の深さ（試験片裏面から厚さ方向の深さ）d2とを測定し、これらの平均値d（＝(d1＋d2)/2）を求め、試験片の全厚（すなわち熱延鋼板の板厚）tに対する前記平均値dの比率（d/t×100（％））を算出することにより、試験片の表裏面それぞれに形成された表層領域が試験片厚さ方向（鋼板厚さ方向）に占める割合を求めた。上記深さ（d1およびd2）の測定は、SEMを用いて800〜1500倍の倍率で撮影した画像のスケールバー(scale bar)で測定した。
表層領域における各相の面積率は、SEMを用いて表層領域の深さ方向中央位置およびその近傍を3000倍で5視野撮影し、中央位置から深さ方向±20μmの範囲で画像処理を行い、各相の面積率を定量化することにより求めた。内部領域における各相の面積率は、SEM(scanning electron microscope)を用いて板厚1/4位置および板厚1/2位置を3000倍で各5視
野撮影し、画像処理を行い、各相の面積率を定量化することにより求めた。
（ii）引張試験
得られた熱延鋼板から、引張方向が圧延方向と直角方向になるようにJIS5号試験片（GL：50mm）を採取し、JIS Z 2241(2011)の規定に準拠して引張試験を行い、降伏強度（降伏点）YP、引張強さTS、全伸びElを求めた。
（iii）曲げ試験
得られた熱延鋼板にせん断加工を施し、試験片の長手方向が圧延方向と直角になるように20mm×150mmの曲げ試験片を採取した。せん断端面を有するこれらの試験片を用いて、JIS Z 2248(2006)に規定の押し曲げ法に準拠し、180°の曲げ試験を行った。このとき、n＝3個で、ワレが発生しない最小の曲げ半径を限界曲げ半径R（mm）とし、Rを熱延鋼板の板厚t（mm）で除したR/t値を求め、熱延鋼板の曲げ加工性を評価した。なお、本発明では、R/tの値が0.50以下である場合を曲げ加工性に優れていると評価した。
得られた結果を表３に示す。
Figure 0005672421
Figure 0005672421
Figure 0005672421
発明例の熱延鋼板はいずれも、所望の強度（TS：980MPa以上）と、優れた曲げ加工性（R/t値：0.50以下）を兼備した熱延鋼板となっている。一方、本発明の範囲を外れる比較例の熱延鋼板は、所定の強度が確保できていないか、十分な曲げ加工性が確保できていない。
本出願は、２０１３年４月１５日に日本に出願された特願２０１３−０８４４４９号に基づき優先権を主張するものであって、その内容の全てここに取り込む。

Claims (4)

  1. 質量％で、
    C ：0.1％超0.2％以下、Si：0.5％以上3.0％以下、
    Mn：1.0％以上3.5％以下、P ：0.05％以下、
    S ：0.004％以下、Al：0.10％以下、
    N ：0.008％以下、Ti：0.05％以上0.15％以下、
    V ：0.10％超0.30％以下
    を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、フェライト相を主相とする表層領域と、ベイナイト相を主相とする内部領域からなり、前記表層領域が、主相であるフェライト相の面積率が80％以上であり、残部がベイナイト相、マルテンサイト相、残留オーステナイト相のうちから選ばれた１種または２種以上であり、前記残部の面積率が0％以上20％以下である組織を有し、前記内部領域が、主相であるベイナイト相の面積率が90％超であり、残部がフェライト相、マルテンサイト相、残留オーステナイト相のうちから選ばれた１種または２種以上であり、前記残部の面積率が0％以上10％未満である組織を有し、前記表層領域の鋼板厚さ方向に占める割合が、鋼板の表裏面より、それぞれ全板厚の1.0％以上5.0％以下である高強度熱延鋼板。
  2. 前記組成に加えて更に、質量％で、Nb：0.003％以上0.2％以下、B：0.0002％以上0.0015％以下、Cu：0.005％以上0.2％以下、Ni：0.005％以上0.2％以下、Cr：0.005％以上0.2％以下、Mo：0.005％以上0.2％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する請求項１に記載の高強度熱延鋼板。
  3. 前記組成に加えて更に、質量％でCa：0.0002％以上0.01％以下、REM：0.0002％以上0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有する請求項１または２に記載の高強度熱延鋼板。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の組成からなる鋼素材を、1250℃以上の温度域に加熱し、該温度域に3600s以上保持した後、粗圧延と、仕上圧延終了温度を840℃以上940℃以下とする仕上圧延からなる熱間圧延を施し、熱間圧延終了後、直ちに冷却を開始し、平均冷却速度25℃/s以上で冷却し、巻取り温度350℃以上500℃以下で巻き取ることにより、
    フェライト相を主相とする表層領域と、ベイナイト相を主相とする内部領域からなり、前記表層領域が、主相であるフェライト相の面積率が80％以上であり、残部がベイナイト相、マルテンサイト相、残留オーステナイト相のうちから選ばれた１種または２種以上であり、前記残部の面積率が0％以上20％以下である組織を有し、前記内部領域が、主相であるベイナイト相の面積率が90％超であり、残部がフェライト相、マルテンサイト相、残留オーステナイト相のうちから選ばれた１種または２種以上であり、前記残部の面積率が0％以上10％未満である組織を有し、前記表層領域の鋼板厚さ方向に占める割合が、鋼板の表裏面より、それぞれ全板厚の1.0％以上5.0％以下である高強度熱延鋼板を製造する高強度熱延鋼板の製造方法。
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