JPWO2020179387A1 - 熱延鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)質量%で、
C:0.15〜0.30%、
Si:0.50〜4.00%、
Mn:2.00〜4.00%、
P:0.100%以下、
S:0.005%以下、
Al:0.010〜0.500%、
N:0.010%以下、および
V:0.20〜1.00%
を含有し、Si/V比が10.0以下であり、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、
面積率で焼戻しマルテンサイトを90%以上含有し、
前記焼戻しマルテンサイト中に含まれるセメンタイトのうち、長径が400nm以下でアスペクト比が3〜5のセメンタイトの含有量が70%以上であり、
前記焼戻しマルテンサイト中に円換算直径8〜15nmのV含有炭化物が30個/μm2以上の個数密度で析出していることを特徴とする、熱延鋼板。
(2)さらに、質量%で、
Nb:0.01〜0.10%、
Ti:0.01〜0.10%、
B:0.0001〜0.0050%、
Cr:0.005〜1.000%、
Mo:0.005〜0.500%、
Cu:0.50〜3.00%、及び
Ni:0.25〜1.50%
の1種または2種以上を含有し、
CrおよびMoの1種または2種を含有する場合は、Cr、MoおよびVの含有量が(2Cr+Mo)/2V≦2.0の関係を満足する、
上記(1)に記載の熱延鋼板。
(3)上記(1)又は(2)に記載の化学組成を有するスラブを1100℃以上に加熱する工程、
加熱されたスラブを仕上げ圧延することを含む熱間圧延工程であって、前記仕上げ圧延の終了温度が850〜1050℃である熱間圧延工程、
得られた鋼板を350℃以下まで40℃/秒以上の平均冷却速度で冷却する工程、
前記鋼板を350℃以下の巻取温度で巻き取る工程、並びに
前記鋼板を400℃超480℃未満の焼戻し温度Tで、下記式(1):
15000<(T+273)×(log(t)+20)<17000 ・・(1)
を満たす時間t(秒)にわたって焼戻す工程
を含むことを特徴とする、熱延鋼板の製造方法。
本発明の実施形態に係る熱延鋼板は、質量%で、
C:0.15〜0.30%、
Si:0.50〜4.00%、
Mn:2.00〜4.00%、
P:0.100%以下、
S:0.005%以下、
Al:0.010〜0.500%、
N:0.010%以下、および
V:0.20〜1.00%
を含有し、Si/V比が10.0以下であり、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、
面積率で焼戻しマルテンサイトを90%以上含有し、
前記焼戻しマルテンサイト中に含まれるセメンタイトのうち、長径が400nm以下でアスペクト比が3〜5のセメンタイトの含有量が70%以上であり、
前記焼戻しマルテンサイト中に円換算直径8〜15nmのV含有炭化物が30個/μm2以上の個数密度で析出していることを特徴としている。
P=(T+273)(log(t)+273)
式中、Tは焼戻し温度(℃)であり、tは焼戻し時間(秒)である。焼戻し後の硬さはこの焼戻しパラメータPの関数として一般に表すことができ、それゆえ焼戻し温度および焼戻し時間から焼戻し後の鋼板の硬さや引張強度を予測することが可能である。
Cは、鋼板の強度確保のために必須の元素である。0.15%未満では所要の高強度が得られないため、C含有量は0.15%以上とする。C含有量は0.16%以上、0.18%以上または0.20%以上であってもよい。一方、0.30%を超えると、成形性や溶接性が低下するため、C含有量は0.30%以下とする。C含有量は0.28%以下、0.26%以下または0.25%以下であってもよい。
Siは焼戻しを遅らせる効果がある元素である。0.50%未満では所要の焼戻し遅延効果が得られないため、Si含有量は0.50%以上とする。Si含有量は0.60%以上、0.80%以上、1.00%以上または1.50%以上であってもよい。一方、Si含有量が4.00%を超えると、加工性が低下するため、Si含有量は4.00%以下とする。Si含有量は、3.50%以下または3.00%以下であってもよい。また、Si/V比が10.0を超えると、V含有炭化物の析出駆動力が低下するため、Si/V比は10.0以下とする。Si/V比は9.5以下、8.0以下、7.0以下または6.0以下であってもよい。なお、Si/V比の下限値は、特に限定されないが、例えば0.5、0.8または1.0であってもよい。
Mnは焼入れ性元素である。2.00%未満では焼戻し処理前のマルテンサイト量を確保できず、ベイナイト変態やパーライト変態が起こり、粗大セメンタイト量が増加する。このため、Mn含有量は2.00%以上とし、2.10%以上、2.20%以上または2.30%以上であってもよい。一方、Mn含有量が4.00%を超えると、PやSの共偏析を助長し、加工性を著しく劣化させるため、Mn含有量は4.00%以下とする。Mn含有量は、3.50%以下、3.00%以下または2.80%以下であってもよい。
P含有量は低いほど好ましく、0.100%超含有すると、成形性や溶接性に悪影響を及ぼすとともに、疲労特性も低下させるため、0.100%以下とする。好ましくは0.050%以下、より好ましくは0.030%以下である。P含有量は0%であってもよいが、過剰な低減はコスト上昇を招くため、好ましくは0.0001%以上とする。
Sは、鋼中でMnS等の非金属介在物を生成し、鋼材部品の延性の低下を招く元素である。このため、S含有量は0.005%以下とし、好ましくは0.003%以下、より好ましくは0.002%以下である。S含有量は少ないほど好ましく0%であってもよいが、精錬工程において極低化するためには、精錬に要する時間が多くなり、コストの大幅な増加を招く。このため、下限を好ましくは0.0001%以上または0.0005%以上とする。
Alは、脱酸剤として作用し、脱酸工程で添加することが好ましい。こうした効果を得るには、Al含有量を0.010%以上にする必要がある。Al含有量は、0.020%以上、0.030%以上または0.040%以上であってもよい。一方、0.500%を超えると粗大なAl酸化物が生成し、冷間成形性の低下を引き起こす。このため、上限を0.500%以下とする。Al含有量は、0.400%以下、0.300%以下または0.100%以下であってもよい。
Nは、加工性劣化や溶接時のブローホール発生にも寄与するため少ない方が良い。0.010%を越えると加工性が劣化してくるので、0.010%を上限とする。N含有量は、0.005%以下または0.004%以下であってもよい。N含有量は0%であってもよいが、過剰な低減はコスト上昇を招くため、好ましくは0.001%以上とする。
Vは、炭化物の形態制御に有効な元素である。V含有炭化物、例えば炭化バナジウム(VC)は水素のトラップサイトとして作用し、鋼板の耐水素脆性の向上に役立つ。また、微細分散して析出したV含有炭化物は、鋼板を粒子分散強化し、降伏強度および降伏比を高める。本発明において、0.20%未満では、V含有炭化物の析出量が小さく、耐水素脆性、降伏強度および/または降伏比の向上が不十分であるため、下限を0.20%以上とする。V含有量は0.25%以上、0.30%以上または0.40%以上であってもよい。一方、Cと結合するV量は化学量論比によって定まるため、過剰なV含有量はコストの増加およびV含有炭化物の粗大化を招く。したがって、上限を1.00%とする。V含有量は、0.80%以下、0.70%以下または0.60%以下であってもよい。
NbおよびTiは、Vと同様に炭化物の形態制御に有効な元素である。またTiは、Nと優先的に結合することにより、焼入れ性向上のためにBを添加する場合には、BのNとの結合を抑制する効果がある。しかし、多量に添加しすぎると、VCよりもNbおよび/またはTiを含んだV炭化物の方が溶解度が低いため、熱間圧延工程および焼戻し工程でこれらが析出して粗大化し、固溶炭素濃度を減らすため、微細なV含有炭化物が得られない場合がある。したがって、NbおよびTi含有量はそれぞれ0.10%以下とし、0.08%以下または0.05%以下であってもよい。一方、TiおよびNbを添加する場合には、各々の含有量を0%超としてもよいが、各々の含有量の下限値を0.01%とすることが好ましい。Bは、熱処理工程において、オーステナイトの粒界に偏析することにより、フェライト変態を抑制する元素である。B含有量は0%超であってもよいが、より高い効果を得る観点から、B含有量を0.0001%以上とすることが好ましい。一方、B含有量が0.0050%を超えると、フェライト変態抑制効果が飽和するので、0.0050%を実質的な上限とすることが好ましい。B含有量は、0.0030%以下または0.0020%以下であってもよい。
CrおよびMoの1種または2種を含有する場合において、(2Cr+Mo)/2Vが2.0を超えるとV含有炭化物の組成がMoおよび/またはCrリッチになり、その結果、析出物が粗大化し易くなり、強度−延性バランスおよび耐溶接熱影響部軟化特性が低下する場合がある。(2Cr+Mo)/2Vの値は1.5以下であってもよく、1.0以下であってもよい。また、(2Cr+Mo)/2Vの値は0であってもよく、0.01以上であってもよい。なお、CrおよびMo含有量はそれぞれ0%超であってもよいが、(2Cr+Mo)/2Vの値が上記範囲内となるように、Cr:0.005〜1.000%およびMo:0.005〜0.500%の範囲から適切なCrおよびMo含有量を選択することが好ましい。
Cuは、焼戻し過程において、単独で析出し、強度上昇に有効に寄与する。また、V含有炭化物の微細析出を促進する。Cu含有量は0%超であってもよいが、より高い効果を得る観点から0.50%以上とすることが好ましい。Cu含有量は、0.80%以上または1.00%以上であってもよい。一方、Cu含有量が3.00%超となると、上記の効果が飽和するだけでなく、鋼板強度が顕著に増大し成形性の劣化を招く。このため、Cu含有量は3.00%以下とし、2.80%以下または2.50%以下であってもよい。
Niは、Cu添加時に鋼板表面に発生する表面欠陥の防止に有効であり、Cuを添加する場合に必要に応じて含有させることができる。その場合に、Ni含有量はCu含有量に依存し、およそCu含有量の半分程度、すなわち0.25〜1.50%程度とすることが好ましい。Ni含有量は0%超であってもよいが、より高い効果を得る観点から0.25%以上とすることが好ましく、0.30%以上または0.50%以上とすることがより好ましい。また、Ni含有量は1.40%以下または1.20%以下であってもよい。
マルテンサイトは炭素および合金元素が過飽和に固溶し、また高密度の転位が存在した微細組織であり、炭化物の核生成サイトが豊富に存在し、焼戻した際に炭化物が多量に分散して析出できる組織である。組織回復とともにセメンタイトやV含有炭化物が多量に析出しうるために、焼戻しマルテンサイトの下限を面積率で90%以上とし、例えば、面積率で95%以上、96%以上、97%以上、98%以上、99%以上、または100%であってもよい。
焼戻しで生成するセメンタイトは微細であるほど、打ち抜き性に優れ、また細長い形状であれば、亀裂の進展抑制に優れる。したがって、長径が400nm以下で、アスペクト比が3〜5のセメンタイト含有量が70%以上とする。好ましくは75%以上、さらに好ましくは80%以上とする。長径が400nm以下でアスペクト比が3〜5のセメンタイト含有量の上限値は、特に限定されず100%であってもよいが、一般的には95%以下または90%以下である。本発明において、焼戻しマルテンサイト中にアスペクト比が5超のセメンタイトが含まれていてもよいし、アスペクト比が3未満のセメンタイトが含まれていてもよい。なお、本発明において、アスペクト比とは、セメンタイトの最も長い径(長径)とそれに直交するセメンタイトの径のうち最も長い径(短径)との比を言うものである。
焼戻しマルテンサイト中に微細なV含有炭化物が多く析出すること、より具体的には円換算直径8〜15nmのV含有炭化物が30個/μm2以上の個数密度で析出することで、これらの析出物が可動転位の運動に対する抵抗となり、析出強化を発現させて熱延鋼板の降伏強度および降伏比を高めて衝突時のエネルギー吸収能を向上させることができる。さらにまた、V含有炭化物、例えばVCだけでなく、Nbおよび/またはTi等とVとの複合炭化物も水素のトラップサイトとして作用するため、上記の微細なV含有炭化物を多く析出させることで熱延鋼板の耐水素脆性も向上させることができる。母相に対するV含有炭化物の体積率が同じ場合、数が多いほどV含有炭化物の大きさが微細になり降伏強度および降伏比が増加するとともに、耐水素脆性も向上する。これらの効果を得るため、本実施形態の熱延鋼板は、焼戻しマルテンサイト中に円換算直径8〜15nmのV含有炭化物を30個/μm2以上の個数密度で含有する。上記の個数密度は、好ましくは32個/μm2以上、さらに好ましくは35個/μm2以上である。
焼戻しマルテンサイトの同定は、板厚方向断面をナイタール試薬により腐食し、鋼板の表面から板厚の1/4の位置を中心とする1/8〜3/8厚(鋼板の表面から板厚の1/8〜3/8の位置)の範囲を、電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)により3000倍の倍率(視野面積:1370μm2)で観察し、組織の内部に含まれるセメンタイトの位置とバリアントとを観察することにより行う。具体的には、焼戻しマルテンサイトは、マルテンサイトラスの内部にセメンタイトが生成するが、マルテンサイトラスとセメンタイトとの結晶方位関係が2種類以上あるため、生成したセメンタイトは複数のバリアントを持つ。これらセメンタイトの特徴を検出することにより、焼戻しマルテンサイトを同定し、面積率を算出する。
またセメンタイトの同定は、板厚方向断面をナイタール試薬により腐食し、鋼板の表面から板厚の1/4の位置を中心とする1/8〜3/8厚の範囲を、走査型電子顕微鏡(SEM)による2次電子像(10000倍、視野面積:123μm2)を用いて観察することにより行うことができる。2次電子像で明るいコントラストで撮影された領域をセメンタイトとし、視野内のすべてのセメンタイトについて測定を行い、長径が400nm以下でアスペクト比が3〜5のセメンタイトの含有量を測定する。
V含有炭化物の円換算直径および個数密度は以下のようにして決定される。まず、鋼板表面から1/4位置における、直径3.0mmの円形領域の抽出レプリカサンプルを、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて6万倍の倍率(視野面積:4.5μm2)で3視野観察し、各視野においてエネルギー分散型X線分光法(EDX)によりVが検出される析出物について、画像解析装置を用いて各析出物の面積を求め、これを円換算直径に換算する。次いで、当該円換算直径が8nm以上15nm以下のV含有炭化物の個数を算出してこれを観察視野の面積で除した値を求めて各視野におけるV含有炭化物の個数密度を算出し、これを上記の3視野で行い、得られた相加平均を円換算直径8〜15nmのV含有炭化物の個数密度として決定する。
上記の化学組成および組織を有する熱延鋼板によれば、高い引張強度、具体的には1180MPa以上の引張強度を達成することができる。引張強度を1180MPa以上とするのは、自動車における車体の軽量化の要求を満足させるためである。引張強度は、好ましくは1200MPa以上であり、より好ましくは1300MPa以上である。
本発明の実施形態に係る熱延鋼板の製造方法は、上で説明した化学組成を有するスラブを1100℃以上に加熱する工程、
加熱されたスラブを仕上げ圧延することを含む熱間圧延工程であって、前記仕上げ圧延の終了温度が850〜1050℃である熱間圧延工程、
得られた鋼板を350℃以下まで40℃/秒以上の平均冷却速度で冷却する工程、
前記鋼板を350℃以下の巻取温度で巻き取る工程、並びに
前記鋼板を400℃超480℃未満の焼戻し温度Tで、下記式(1):
15000<(T+273)×(log(t)+20)<17000 ・・(1)
を満たす時間t(秒)にわたって焼戻す工程
を含むことを特徴としている。
まず、上で説明した化学組成を有するスラブが熱間圧延前に加熱される。スラブの加熱温度は、V炭窒化物等を十分に再固溶させるため、1100℃以上とする。加熱温度が1100℃未満であると、V含有炭化物が熱間圧延中に析出して粗大化し、微細なV含有炭化物を所望の個数密度で析出させることができなくなり、結果として十分な降伏比や耐水素脆性が得られなくなる場合がある。したがって、スラブの加熱温度は1100℃以上とし、例えば1150℃以上または1200℃以上であってもよい。加熱温度の上限値は特に規定しないが、一般的には1300℃以下または1250℃以下であってもよい。また、上記加熱温度での保持時間は、特に限定されないが、一般的にはスラブ中心部まで所定の温度にするため、30分以上とすることが好ましく、一方で過度のスケールロスを抑制するため、180分以下が好ましく、120分以下がより好ましい。なお、使用するスラブは、生産性の観点から連続鋳造法において鋳造することが好ましいが、造塊法または薄スラブ鋳造法によって製造してもよい。
(粗圧延)
本方法では、例えば、加熱されたスラブに対し、板厚調整等のために、仕上げ圧延の前に粗圧延を施してもよい。粗圧延は、所望のシートバー寸法が確保できればよく、その条件は特に限定されない。
仕上げ圧延の終了温度は850℃以上1050℃以下である。仕上げ圧延の終了温度を前記範囲内にすることにより、仕上げ圧延直後のV含有炭化物の析出を抑制することができる。一方で、加熱温度が850℃未満であると、V含有炭化物が仕上げ圧延中に析出して粗大化し、微細なV含有炭化物を所望の個数密度で析出させることができなくなり、結果として十分な降伏比や耐水素脆性が得られなくなる場合がある。例えば、加熱温度は900℃以上であってもよく、および/または1000℃以下であってもよい。
仕上げ圧延によって得られた熱延鋼板は、次に冷却工程において冷却される。この冷却は、350℃以下まで40℃/秒以上の平均冷却速度で行われる。好ましくは45℃/秒以上、さらに好ましくは50℃/秒以上である。平均冷却速度を40℃/秒以上にすることにより、V含有炭化物の析出をより抑制することができる。一方、平均冷却速度が40℃/秒未満であると、十分に焼入れされないために最終組織において所望の焼戻しマルテンサイト面積率を達成できない場合がある。また、V含有炭化物が冷却時に析出し、これが焼戻しの際に粗大化する虞がある。さらには、十分な焼戻しマルテンサイト量が得られないために、V含有炭化物の核生成サイトも少なくなり、その結果、最終組織において所望のV含有炭化物の個数密度を達成できない場合がある。平均冷却速度の上限は特に限定されないが、冷却ムラの発生の抑制や設備能力を考慮すると、1000℃/秒以下であることが好ましく、より好ましくは200℃/秒以下であり、さらに好ましくは100℃/秒以下である。
冷却工程の後、熱延鋼板を巻き取る。巻取温度は350℃以下とする。巻取温度を350℃以下にすることによって、Vを固溶状態とすることができ、巻取工程でのV含有炭化物の析出を抑制することができる。巻取温度が350℃を超えると、V含有炭化物が巻取圧延中に析出して焼戻しの際に粗大化し、微細なV含有炭化物を所望の個数密度で析出させることができなくなり、結果として十分な降伏比や耐水素脆性が得られなくなる場合がある。したがって、巻取温度は350℃以下とし、好ましくは300℃以下、より好ましくは200℃以下、さらにより好ましくは100℃以下である。巻取温度の下限値は特に限定されないが、生産性の観点から室温(約25℃)程度であってよい。
巻取工程の後、熱延鋼板は400℃超480℃未満の温度で焼戻され、焼戻しマルテンサイトを形成するとともに、当該焼戻しマルテンサイト中に微細なV含有炭化物を析出させる。焼戻し温度を400℃超480℃未満にすることにより、微細なV含有炭化物を十分に析出させるとともに、セメンタイトの粗大化を抑制することができ、降伏強度、降伏比および耐水素脆性を増加させることができる。一方、焼戻し温度が400℃以下であると、V含有炭化物の析出に必要なVの拡散が十分に起こらず、結果としてV含有炭化物が十分に析出しないか又は全く析出しない場合がある。さらに、焼戻し温度が480℃以上であると、セメンタイトが粗大化して所望のアスペクト比が得られず、打ち抜き性が低下する虞がある。また、V含有炭化物が粗大化するため、微細なV含有炭化物を所望の個数密度で析出させることができなくなる虞がある。焼戻し温度は410℃以上もしくは420℃以上であってもよく、および/または470℃以下もしくは460℃以下であってもよい。
P=(T+273)(log(t)+20)
式中、Tは焼戻し温度(℃)であり、tは焼戻し時間(秒)である。一方、焼戻しパラメータが15000以下であると、V含有炭化物の析出および成長が十分に進行せず、粒子分散強化や水素トラップサイトとしての機能が十分に得られないため、所望の降伏比や耐水素脆性を達成することができない場合がある。また、焼戻しパラメータが17000以上であると、V含有炭化物が粗大化して微細なV含有炭化物を所望の個数密度で析出させることができなくなり、結果として十分な降伏比や耐水素脆性が得られなくなる場合がある。焼戻しパラメータPは、好ましくは16000以上、さらに好ましくは16200以上である。
このようにして得られた熱延鋼板から圧延方向に直角な方向からJIS5号引張試験片を採取し、JIS Z2241(2011)に準拠して引張試験を行い、引張強度(TS)および降伏強度(YS)を測定し、降伏比(YR)を算出した。なお、YRはYSをTSで除した値とした。
V含有炭化物の円換算直径および個数密度は以下のようにして決定した。まず、鋼板表面から1/4位置における、直径3.0mmの円形領域の抽出レプリカサンプルを、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて6万倍の倍率(視野面積:4.5μm2)で3視野観察し、各視野においてエネルギー分散型X線分光法(EDX)によりVが検出される析出物について、画像解析装置を用いて各析出物の面積を求め、これを円換算直径に換算した。次いで、当該円換算直径が8nm以上15nm以下のV含有炭化物の個数を算出してこれを観察視野の面積で除した値を求めて各視野におけるV含有炭化物の個数密度を算出し、これを上記の3視野で行い、得られた相加平均を円換算直径8〜15nmのV含有炭化物の個数密度として決定した。
得られた熱延鋼板のサンプルを円盤上に打ち抜き加工し、光学顕微鏡にてせん断面を観察し、2次せん断面の有無を確認した。2次せん断面が生じなかったものを合格(○)、2次せん断面が生じたものを不合格(×)とした。
耐水素脆性を測定するにあたっては、上記の各熱延鋼板を板厚1.4mmに研削したうえで、幅6mm×長さ68mmの試験片を切り出し、四点曲げ試験にて降伏応力相当の歪を付与した後、pH3の塩酸に100h浸漬し、割れの発生有無で耐水素脆性を評価した。割れなかった熱延鋼板は合格(○)とし、割れた熱延鋼板は不合格(×)とした。
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.15〜0.30%、
Si:0.50〜4.00%、
Mn:2.00〜4.00%、
P:0.100%以下、
S:0.005%以下、
Al:0.010〜0.500%、
N:0.010%以下、および
V:0.20〜1.00%
を含有し、Si/V比が10.0以下であり、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、
面積率で焼戻しマルテンサイトを90%以上含有し、
前記焼戻しマルテンサイト中に含まれるセメンタイトのうち、長径が400nm以下でアスペクト比が3〜5のセメンタイトの含有量が70%以上であり、
前記焼戻しマルテンサイト中に円換算直径8〜15nmのV含有炭化物が30個/μm2以上の個数密度で析出していることを特徴とする、熱延鋼板。 - さらに、質量%で、
Nb:0.01〜0.10%、
Ti:0.01〜0.10%以下、
B:0.0001〜0.0050%以下、
Cr:0.005〜1.000%、
Mo:0.005〜0.500%、
Cu:0.50〜3.00%、及び
Ni:0.25〜1.50%
の1種または2種以上を含有し、
CrおよびMoの1種または2種を含有する場合は、Cr、MoおよびVの含有量が(2Cr+Mo)/2V≦2.0の関係を満足する、
請求項1に記載の熱延鋼板。 - 請求項1または2に記載の化学組成を有するスラブを1100℃以上に加熱する工程、
加熱されたスラブを仕上げ圧延することを含む熱間圧延工程であって、前記仕上げ圧延の終了温度が850〜1050℃である熱間圧延工程、
得られた鋼板を350℃以下まで40℃/秒以上の平均冷却速度で冷却する工程、
前記鋼板を350℃以下の巻取温度で巻き取る工程、並びに
前記鋼板を400℃超480℃未満の焼戻し温度Tで、下記式(1):
15000<(T+273)×(log(t)+20)<17000 ・・(1)
を満たす時間t(秒)にわたって焼戻す工程
を含むことを特徴とする、熱延鋼板の製造方法。
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