JP6354259B2

JP6354259B2 - 疲労強度に優れた鋼板及びその製造方法

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Publication number: JP6354259B2
Application number: JP2014068436A
Authority: JP
Inventors: 毅志宇田川; 伊藤　幸夫; 幸夫伊藤
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: JP2015190011A

Description

本発明は、自動車用部品等に使用される疲労強度に優れた鋼板及びその製造方法に関する。

環境問題等の観点から自動車の低燃費化が強く望まれている。自動車の低燃費化には軽量化が有効であり、これを実現するために、自動車に使用される鋼板の高強度化による薄肉軽量化が求められている。しかしながら、鋼板の板厚を薄くすればするほど、鋼中に存在する介在物を起点とした破壊が顕在化してくる。このような破壊を抑制するためには、鋼中の介在物の低減・微細化を図ることが非常に重要である。

鋼板における介在物を制御するこれまでの技術としては、例えば特許文献１に記載の技術が提案されている。この技術の特徴の一つは、Ａｌ脱酸のために添加するＡｌ量を０．０１０％以下の範囲に制限することによって、Ａｌの酸化物系介在物及び窒化物系介在物の生成を抑制することにある。

特開２０１１−１９５８６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の鋼のようにＡｌ含有率を低くして疲労強度の劣化を防止しようとすると、原材料として低Ａｌの鉄スクラップを選択して使用するか、あるいはＡｌを低減する精錬処理が必須となり、製造コストが高くなるという問題がある。

本発明は、かかる背景に鑑み、高強度であると共に鋼中の介在物の数の低減及び大きさの低減を図ることによって疲労強度に優れる鋼、及び、かかる鋼を製造コストの増大を抑制しつつ製造することができる製造方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、質量％で、Ｃ：０．３０％以上０．７０％以下、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：１．００％以上４．００％以下、Ｍｏ：０．５０％以上３．００％以下、Ｖ：０％以上１．００％以下、Ａｌ：０．０１０％超０．０５０％以下、Ｏ：０．００１５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、
引張強さが１７００ＭＰａ以上であり、
伸びが９．２％超えであり、
断面観察により観察される鋼中の介在物の円相当径の最大値（極値統計法にて１２００ｍｍ³の容積中に存在すると予想される介在物の円相当径の最大値）が１５μｍ以下であると共に、円相当径１μｍ以上の介在物の個数が１１０個／ｍｍ²以下であることを特徴とする疲労強度に優れた鋼板にある。

本発明の他の態様は、上記態様の鋼板を製造する方法であって、
Ａｌ脱酸処理を施す際の溶鋼上に形成されるスラグの塩基度ｂを、下記式１及び式２を満たすように調整しながら上記溶鋼の精錬を行う精錬工程と、
式１：ｂ≧４．０
（ただし、ｂ＝［ＣａＯ］／［ＳｉＯ₂］、［ＣａＯ］はスラグ中に含有されるＣａＯの含有量（質量％）、［ＳｉＯ₂］はスラグ中に含有されるＳｉＯ₂の含有量（質量％））
式２：３９８×［Ａｌ］−２．２３×ｂ＋１９．３３≦２５．０
（ただし、［Ａｌ］は、鋼中のＡｌの含有率（質量％）の値を意味する）
上記精錬工程により作製された上記溶鋼を鋳造して鋼塊を得る鋳造工程と、
上記鋼塊を熱間圧延して熱延板を得る粗圧延工程と、
上記熱延板を仕上圧延して圧延板を得る仕上圧延工程と、
上記圧延板を焼入焼戻し処理する熱処理工程とを有し、
上記粗圧延工程と上記仕上圧延工程の合計減面率Ｇ（％）が、
式３：３６１５．５ｅ^{（−０．０５２６×Ｇ）}≦１００．０
を満たすように圧延することを特徴とする疲労強度に優れる鋼板の製造方法にある。

上記鋼板は、上記特定の化学成分を有し、かつ上記精錬工程から上記仕上圧延工程までの工程を適切に行うことにより、鋼中の介在物の個数及び大きさを上記特定の範囲に制御した上で、さらに上記熱処理工程を実施することにより、高い強度の鋼板を製造する。これにより、上記鋼板は、高強度であると共に、薄肉化した際の介在物に起因する疲労破壊が生じる可能性を従来よりも大幅に低減することができる。したがって、上記鋼板は、高強度化により薄肉化した鋼板として有効に利用することができる。

また、上記鋼板の製造方法においては、Ａｌ含有率を上記のごとく特許文献１に比べて高い範囲に設定し、かつ、精錬工程におけるＡｌ脱酸処理の条件を、上記のごとく、溶鋼上に生成するスラグの塩基度に基づいて適正化する。これにより、Ａｌ含有率が高くても酸素量を十分に低減することができ、介在物の個数の低減及び微細化を図ることができる。そして、このような介在物の制御によって、上述した疲労強度に優れた鋼板を得ることができ、かつ、Ａｌ含有率の低い鉄スクラップを原料として用いる必要がないため、原料コストの増加を抑制することもできる。

実施例１における、合計減面率Ｇに関する式３の左辺の値と鋼中に存在する介在物の個数との関係を示す説明図。実施例１における、鋼中の介在物個数と疲労試験結果との関係を示す説明図。

まず、上記鋼板の化学成分における各成分範囲の限定理由について説明する。

Ｃ（炭素）：０．３０％以上０．７０％以下；
Ｃは、高強度化に必要な元素であり、その効果を十分に得るためには０．３０％以上含有させることが必要である。一方、Ｃを過剰添加すると、製造性が悪化し、さらには、粗大な炭化物が形成されて強度が低下してしまうため、Ｃの添加は０．７０％を上限とする。

Ｓｉ（ケイ素）：２．５０％以下；
Ｓｉは、高強度化に必要な元素であり、その効果は微量でも得られるが、好ましくは、０．１０％%以上添加するのがよい。ただし、Ｓｉを過剰添加すると、製造性、特に冷間圧延が難しくなると共に浸炭、窒化処理性の阻害要因となるため、Ｓｉの添加は２．５０％を上限とする。

Ｍｎ（マンガン）：１．００％以下；
Ｍｎは、高強度化に必要な元素であり、その効果は微量でも得られるが、好ましくは０．１０％以上添加するのがよい。ただし、Ｍｎを過剰添加すると延性低下につながり、８．０％以上の伸びの確保が困難となるおそれがあるため、Ｍｎの添加は１．００％を上限とする。

Ｃｒ（クロム）：１．００％以上４．００％以下；
Ｃｒは、高強度化に必要な元素であると共に、浸炭、窒化処理等の表面処理を行った場合の高強度化にも有効な元素である。これらの効果を十分に得るためには、１．００％以上の添加が必要である。ただし、Ｃｒを過剰添加すると、粗大な炭化物が形成されて強度が低下し、また、コストアップにもつながるため、４．００％を上限とする。

Ｍｏ（モリブデン）：０．５０％以上３．００％以下；
Ｍｏは、高強度化に必要な元素であると共に浸炭、窒化処理等の表面処理を行った場合の高強度化にも有効な元素である。これらの効果を十分に得るためには０．５０％以上含有することが必要である。ただし、Ｍｏを過剰添加すると効果が飽和するだけでなくコストアップになるため、３．００％を上限とする。

Ｖ（バナジウム）：０％以上１．００％以下；
Ｖは、高強度化に有効な元素である。Ｖは、微量でも高強度化（高硬度化）の効果を発揮するが、より確実にこの効果を得るために０．１０％以上とすることが好ましい。ただし、Ｖを過剰添加すると粗大な介在物が生成して強度が低下すると共に、コストアップになるため、１．００％を上限とする。

Ａｌ（アルミニウム）：０．０１０％超０．０５０％以下；
Ａｌは、精錬工程における脱酸処理時に有効に作用し、酸素低減に必要な元素である。この効果を十分に得るため、Ａｌ含有率は０．０１０％超とする。ただし、Ａｌを過剰添加すると鋼中の粗大な介在物（アルミナ）が増加し、疲労強度を低下させる原因となるため、０．０５０％を上限とする。

Ｏ（酸素）：０．００１５％以下；
Ｏ含有率が高いと、粗大な介在物を形成し、疲労強度を低下させる原因となるため、０．００１５％を上限とする。より好ましくは、０．００１０％以下とするのがよい。

次に、上記鋼板の引張強さは、１７００ＭＰａ以上である。このような高強度を達成することによって、鋼板の薄肉化が可能となる。なお、１７００ＭＰａ以上の引張強さを得るには、後述するとおり、仕上圧延後に焼入焼戻し処理を行うことが必要である。

また、上記鋼板の伸びは、９．２％超えである。このような伸び特性を確保することによって、十分な靱性を確保することができ、疲労強度の低下を抑えることができる。

また、上記鋼板の断面観察により観察される鋼中の介在物の存在状態は、円相当径１μｍ以上の介在物の個数が１１０個／ｍｍ²以下であり、最大の介在物の円相当径が１５μｍ以下である。介在物の存在状態を上記の通りとするには、粗圧延工程及び仕上圧延工程の合計減面率をある程度大きな値とすることが必要である。減面率を高くするほど、単位断面積当たりの介在物の個数は減少傾向となるからである。また円相当径も減面率が低いと最大１５μｍ以下という条件を満足しなくなるおそれが生じる。なお、減面率の好ましい条件については後述する。

鋼中の介在物の観察は、鋼板の圧延方向に平行な断面を観察することにより行う。断面は、鋼板の厚み方向中央近傍、幅方向中央近傍を選択する。そして、所定の面積（面積４０ｍｍ²以上）の断面を観察し、その結果が鋼板全体を代表するものとして判断する。介在物の円相当径は、鋼板断面の光学顕微鏡観察により得られた画像から各介在物の面積を求めて算出することができる。

より具体的に説明すると、鋼板の断面を観察し、複数の視野の画像を採取する。次いで、各画像において観察される介在物の個々の円相当径を画像解析により求める。次いで、全画像における円相当径が１μｍ以上の介在物の合計個数を、全画像の合計面積で割り算することにより、１ｍｍ²単位面積当たりにおける円相当径１μｍ以上の介在物個数を求めることができる。

また、上記各画像における最大の介在物の円相当径を求め、これらのデータを用いて極値統計法にて解析し、１２００ｍｍ³に存在する最大の介在物を予想することにより、介在物の円相当径の最大値を求めることができる。なお、極値統計法とは、軸受鋼などの鋼中に存在する介在物評価でよく用いられている統計的手法であり、例えば、特開２０１３−２４１９８６号公報にも記載がある。

上記鋼板は、介在物の個数を、減面率を適切に制御することにより上記のごとく非常に少ない数に制御することと、各介在物の大きさを上記のごとく非常に小さく制御することの両方を行うことによって、介在物を起点とする疲労破壊が生じることを大幅に抑制することができる。

また、上記鋼板は、用途に応じて種々の板厚を選択することができる。介在物の上記のような制御による疲労強度の向上効果は、減面率を高め板厚が薄いほどその効果が有効に発揮される。例えば、板厚が０．２〜２ｍｍという薄板においても、介在物を起因とする疲労破壊を十分に抑制可能である。

次に、上記鋼板の製造方法は、上述したごとく、少なくとも、上記精錬工程、鋳造工程、粗圧延工程、仕上圧延工程、及び熱処理工程を有している。必要に応じて、浸炭処理あるいは窒化処理等の表面改質工程を追加することができる。

上記精錬工程では、上述したごとく、Ａｌ脱酸処理を施す際の溶鋼上に形成されるスラグの塩基度ｂを、下記式１及び式２を満たすように調整する。
式１：ｂ≧４．０
（ただし、ｂ＝［ＣａＯ］／［ＳｉＯ₂］、［ＣａＯ］はスラグ中に含有されるＣａＯの含有量（質量％）、［ＳｉＯ₂］はスラグ中に含有されるＳｉＯ₂の含有量（質量％））
式２：３９８×［Ａｌ］−２．２３×ｂ＋１９．３３≦２５．０
（ただし、［Ａｌ］は、Ａｌの含有率（質量％）の値を意味する）

スラグの塩基度ｂを４．０以上にすることによって、溶鋼中の酸素量を低減することができ、介在物（アルミナ）の生成を抑制することができる。さらに、スラグの塩基度ｂは、Ａｌ含有率との関係が、上記式２を満足するように調整する。種々の実験の結果、スラグの塩基度ｂが４．０以上であっても、上記式２を満たさない場合には、粗大な介在物を生成することがあり、疲労強度低下の原因となる。したがって、精錬工程における上記スラグの塩基度の調整は、上記式１及び式２の両方を満足するよう行う必要がある。

スラグの塩基度の調整は、ＳｉＯ₂とＣａＯとの混合比率を調整した粉末を溶鋼中に投入して撹拌することによって行うことができる。ＳｉＯ₂の比率を高めることにより塩基度を低くすることができ、ＣａＯの比率を高めることによって塩基度を高くすることが可能である。

スラグの塩基度の測定は、スラグを粉砕機にて粉末にした後、それをハンドプレス機を用いて、直径φ３２ｍｍ×厚さ５ｍｍ、密度９８％以上の圧粉体を成形し、それを蛍光Ｘ線分析にてスペクトルを得て、当該スペクトルからＳｉＯ₂の含有質量％とＣａＯの含有質量％を求め、塩基度ｂ＝ＣａＯ含有率（質量％）／ＳｉＯ₂含有率（質量％）を算出するという手順により行うことができる。

次に、上記鋳造工程では、上記精錬工程により作製された溶鋼を鋳造して鋼塊を得る。
鋳造方法としては、連続鋳造、半連続鋳造、鋳型内への鋳造等、公知のいずれの鋳造方法を用いてもよい。

上記粗圧延工程及び仕上圧延工程は、特に特殊な圧延方法を適用する必要はないが、前述したとおり、圧延時の減面率の介在物存在状態への影響が大きいため、以下の式３を満足する合計減面率Ｇとなる条件で上記粗圧延工程及び仕上圧延工程を実施する必要がある。また、仕上圧延は、熱間圧延により行っても、冷間圧延により行っても、どちらでもよい。

式３：３６１５．５ｅ^{（−０．０５２６×Ｇ）}≦１００．０、
上記式３は、合計減面率Ｇを変化させて多数の実験を行い、測定した介在物個数のデータから求めた実験式である。

上記熱処理工程では、焼入焼戻しを行う。焼入は、鋼板を８５０〜１０００℃に０．５〜５時間保持した後水冷又は油冷による急冷を行う条件とすることができる。また、焼戻しは、鋼板を４００〜５００℃に０．５〜２時間保持しした後空冷する条件で行うことができる。

なお、特に耐摩耗性が厳しく要求される用途に用いる場合には、浸炭、窒化（軟窒化は含まない）処理をさらに行うことができる。

（実施例１）
上記鋼板及びその製造方法に係る実施例について説明する。本例では、表１に示すごとく、複数種類の化学成分からなる鋼板（試料１〜２２）を作製し、複数の項目について評価した。各鋼板は、次のようにして作製した。

＜精錬工程及び鋳造工程＞
まず、表１に示された化学成分を有する鋼塊をそれぞれ作製した。具体的には、電気炉により、原料を溶解して成分調整した後、所望のスラグ塩基度が得られる割合で混合したＳｉＯ₂とＣａＯとの混合粉末を溶鋼中に投入する。その後、溶鋼を十分に撹拌し、生成したスラグとの反応促進を図った後、溶鋼を凝固させ、鋼塊を得た。

＜熱間加工工程＞
上記鋼塊に熱間鍛伸を施し、中間サイズの断面矩形の素材を製造し、表面の酸化スケール層を機械加工により除去した後、ロール径φ１５０ｍｍの２段圧延機により圧延面を適宜変更しながら１０ｍｍ厚の熱延板を得た（粗圧延工程）。なお、実際の工業生産では、鋼塊を熱間圧延する粗圧延工程により、中間サイズの圧延板を得るが、本例では、少量であるため、試験の都合上粗圧延工程の一部に相当する加工として熱間鍛伸を採用した。また上記機械加工は、スケール除去の目的だけでなく、その加工量を調整することにより、１ｍｍ厚の鋼板を得るまでの減面率を変化させた。すなわち、機械加工量を増加することにより粗圧延による減面率を低くすることができる。後述の冷間圧延前の機械加工も同様である。

＜冷間圧延工程＞
熱延板表面のスケール層を機械加工により除去すると共に、前記と同様に減面率調整のために加工量を調整し、その後、ロール径φ１５０ｍｍの２段圧延機により冷間圧延し、１ｍｍ厚の鋼板を得た（仕上圧延工程）。

＜焼入焼戻し工程＞
上記鋼板を９５０℃に１時間保持した後油冷する焼入処理を行った後、４２５℃に１時間保持した後空冷する焼戻し処理を行った（熱処理工程）。

＜引張試験及び疲労試験＞
冷間圧延後に熱処理を行って得られた鋼板を用い、板状試験片（ＪＩＳＺ２２４１のＪＩＳ１３Ｂ号試験片）を準備し、引張試験及び疲労試験を行った。疲労試験は、油圧サーボ試験機にて、片振りの１軸引張試験（引張−引張応力下）にて行った。応力の条件は３００±３００ＭＰａとした。その結果、１０⁸回まで破断しなかった場合を合格「〇」、１０⁸回未満で破断した場合を不合格「×」と評価した。また、引張試験の評価は、引張強さは１７００ＭＰａ以上を合格、伸びは９．２％超えを合格とした。試験結果を表２に示す。

＜介在物観察＞
冷間圧延により得られた鋼板を圧延方向に平行に切断し、得られた断面を研磨して観察面として、光学顕微鏡観察して得た複数の視野の画像（本例では６０の視野の画像（合計面積３０００ｍｍ²）を用いた）から、前述した手順により、介在物の単位面積当たりの個数（円相当径１μｍ以上をカウント）及び極値統計法による１２００ｍｍ³中に存在すると予想される最大の介在物円相当径を求めた。試験結果を表２に示す。

ここで、粗圧延工程と仕上圧延工程の合計減面率Ｇを変化させて１．０ｍｍ厚の圧延板を作製した場合の、合計減面率Ｇと鋼中に存在する介在物の個数との関係を調べた結果を図１に示す。同図には、表２に示した結果だけではなく、別途行った実験により得られたデータもプロットしてある。同図から明らかなように、減面率を高くすること、つまり、上述した式３の左辺の値を小さくすることにより、鋼中の介在物の個数が減少することがわかる。そして、式３の条件を満足するように圧延することにより、円相当径１μｍ以上の介在物の個数を１１０個／ｍｍ²以下にできることがわかる。

次に、表２から知られるごとく、試料１〜９は、介在物の大きさ及び個数が適正に制御され、かつ、強度特性及び疲労強度特性に優れた結果を示した。

試料１０は、Ｃ含有率が低すぎ、介在物の存在状態は問題ないが引張強さ及び疲労特性が十分に高い値を得られない結果となった。
試料１１は、Ｃ含有率が高すぎ、延性が低下し、伸び、疲労強度共に劣る結果となった。
試料１２は、Ｓｉ含有率が高すぎ、冷間圧延が困難となり鋼板が製造できず、疲労評価ができなかった。

試料１３は、Ｍｎ含有率が高すぎ、延性が低下して伸び及び疲労特性に劣る結果となった。
試料１４は、Ｃｒ含有率が低すぎ、材料強度が不足し、疲労強度も低下した。
試料１５は、Ｃｒ含有率が高すぎ、粗大な炭化物が生成し、延性が低下して伸び及び疲労強度が低下した。

試料１６は、Ｍｏ含有率が低すぎ、材料強度が不足し、疲労強度も低下した。
試料１７は、Ｖ含有率が高すぎ、粗大な炭化物が生成し、延性が低下して伸び及び疲労強度が低下した。

試料１８〜２１は、Ａｌ含有率とＯ含有率のいずれかがが高すぎるか、スラグ塩基度、式１及び式２のいずれかかが上述した条件を満たさないため、粗大な酸化物系介在物が増加した結果、上記のごとく求めた介在物の円相当径の最大値が１５μｍ超となり、疲労試験中に介在物を起点とした破壊が生じ、疲労強度が低下した。

試料２２は、式３を満足しないため介在物個数が圧延工程によって十分に低下しておらず、疲労強度が低下した。すなわち、介在物個数が多いほど疲労強度が低下する傾向があることが示された。

次に、上記試料２２による結果をさらに明確にする別の実施例を示す。図２は、試料４について圧延条件を式３の値が変化するように変化させ、得られた１．０ｍｍの鋼板について、介在物個数と疲労試験の結果との関係をグラフにより示したものである。図２から知られるように、円相当径１μｍ以上の介在物を１１０個／ｍｍ²以下とすることにより、狙いの疲労特性が得られることが分かる。

Claims

質量％で、Ｃ：０．３０％以上０．７０％以下、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：１．００％以上４．００％以下、Ｍｏ：０．５０％以上３．００％以下、Ｖ：０％以上１．００％以下、Ａｌ：０．０１０％超０．０５０％以下、Ｏ：０．００１５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、
引張強さが１７００ＭＰａ以上であり、
伸びが９．２％超えであり、
断面観察により観察される鋼中の介在物の円相当径の最大値（極値統計法にて１２００ｍｍ³の容積中に存在すると予想される介在物の円相当径の最大値）が１５μｍ以下であると共に、円相当径１μｍ以上の介在物の個数が１１０個／ｍｍ²以下であることを特徴とする疲労強度に優れた鋼板。
請求項１に記載の鋼板を製造する方法であって、
Ａｌ脱酸処理を施す際の溶鋼上に形成されるスラグの塩基度ｂを、下記式１及び式２を満たすように調整しながら上記溶鋼の精錬を行う精錬工程と、
式１：ｂ≧４．０
（ただし、ｂ＝［ＣａＯ］／［ＳｉＯ₂］、［ＣａＯ］はスラグ中に含有されるＣａＯの含有量（質量％）、［ＳｉＯ₂］はスラグ中に含有されるＳｉＯ₂の含有量（質量％））
式２：３９８×［Ａｌ］−２．２３×ｂ＋１９．３３≦２５．０
（ただし、［Ａｌ］は、鋼中のＡｌの含有率（質量％）の値を意味する）
上記精錬工程により作製された上記溶鋼を鋳造して鋼塊を得る鋳造工程と、
上記鋼塊を熱間圧延して熱延板を得る粗圧延工程と、
上記熱延板を仕上圧延して圧延板を得る仕上圧延工程と、
上記圧延板を焼入焼戻し処理する熱処理工程とを有し、
上記粗圧延工程と上記仕上圧延工程の合計減面率Ｇ（％）が、
式３：３６１５．５ｅ^{（−０．０５２６×Ｇ）}≦１００．０
を満たすように圧延することを特徴とする疲労強度に優れる鋼板の製造方法。