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JP2022528420A - 高硬度鋼材およびその製造方法 - Google Patents

高硬度鋼材およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】直接焼入れと組み合わせて、費用対効果の高い熱機械制御処理の利用を拡大するもので、耐気候性腐食が向上し、衝撃強度が保証され優れた成形性／曲げ性を示す高硬度鋼ストリップ製品を製造すること。【解決手段】熱間圧延帯鋼であって、質量パーセントで以下の組成からなり、０．１７％～０．３８％のＣ、０％～０．５％のＳｉ、０．１％～０．４％のＭｎ、０．０１５％～０．１５％のＡｌ、０．１％～０．６％のＣｕ、０．２％～０．８％のＮｉ、０．１％～１％のＣｒ、０．０１％～０．３％ Ｍｏ、０％～０．００５％ Ｎｂ、０％～０．０５％ Ｔｉ、０％～０．２％ Ｖ、０．０００８％～０．００５％ Ｂ、 ０％～０．０２５％ Ｐ、０．００８％ 以下 Ｓ、０．０１％ 以下 Ｎ、０％～０．０１％ Ｃａ、残部はＦｅおよび不純物であり、鋼材は４２０～５８０ＨＢＷの範囲のブリネル硬さ、および５以上の腐食指数（ＡＳＴＭ Ｇ１０１－０４）を有する、上記の熱間圧延帯鋼。【選択図】図１

Description

本発明は、優れた耐気候性腐食（ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｃｌｉｍａｔｉｃ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）を示し、高硬度と、衝撃強度や曲げ性などの優れた機械的特性とのバランスがとれた高硬度帯鋼に関するものである。さらに、本発明は、該高硬度帯鋼の製造方法に関するものである。
高硬度であることは鋼材の耐摩耗性に直接影響し、硬度が高いほど耐摩耗性が向上する。高硬度とは、ブリネル硬度が４５０ＨＢＷ以上、特に５００ＨＢＷから６５０ＨＢＷの範囲にあることを意味する。
耐摩耗鋼は、耐衝撃鋼としても知られている。これらは摩耗や衝撃に対する高い耐性が必要とされる用途に使用される。
このような用途は、鉱業、土木業、廃棄物運搬業などで見られる。耐摩耗鋼は、例えば、砂利運搬車のボディや掘削機のバケットに使用されており、耐摩耗鋼が提供する高い硬度により、車両部品の耐用年数を延ばすことができる。耐摩耗鋼（ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｓｔｅｅｌ）の効果は、機械の外表面の塗装が、衝撃などの機械的ストレスに頻繁にさらされ、塗装に傷がついてしまうような場合には、さらに重要になる。
このような高硬度の鋼材は、炭素含有量の多い（０．４１～０．５０ｗｔ％）鋼を炉内でオーステナイト化した後、急冷硬化（焼き入れ）させて得られるマルテンサイト組織によって得られるのが一般的である。この工程では、鋼板はまず熱間圧延され、熱間圧延の温度から室温までゆっくりと冷却され、オーステナイト化温度まで再加熱され、均熱され、最後に急冷硬化される。
以下、この工程をＲＨＱ（Ｒｅｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）工程と呼ぶ。このようにして製造された鋼の例としては、特許文献１に開示されている耐摩耗鋼や、いくつかの市販の耐摩耗鋼がある。所望の硬度を得るために必要とされる炭素の含有量が比較的多いため、結果として生じるマルテンサイト反応により、鋼に大きな内部残留応力が発生する。これは、炭素含有量が多いほど格子歪みが大きくなるためである。そのため、この種の鋼は非常に脆く、急冷硬化中に割れてしまうことさえある。このような脆さの問題を解決するために、通常は焼入れ後に焼戻しを行うが、これは加工の手間とコストの増加につながる。
これらの鋼材は、炭素含有量が多いため、衝撃強度が低下し、成形性や曲げ性が悪く、応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対する耐性も低い。応力腐食割れとは、引張応力と腐食環境の複合的な影響を受けて発生する割れのことである。通常、応力腐食割れは、材料の表面の大部分は無傷のように見えるが、検出が困難な微細な亀裂が材料に侵入する孔食として始まる。応力腐食割れは、このような微細な亀裂の検出が非常に困難であり、損傷を容易に予測できないことから、壊滅的な形態の腐食に分類される。
そのため、硬度やその他の機械的特性（衝撃強度、成形性／曲げ性、応力腐食割れへの耐性など）を損なうことなく、炭素含有量を減少させるためのより良いアプローチが必要とされている。
特許文献２および特許文献３は、比較的低い炭素含有量（特許文献２では０．２５～０．３０ｗｔ．％、特許文献３では０．２２～０．２９ｗｔ．％）と、比較的低いマンガン含有量を有するＲＨＱ鋼板に関するものである。このようなＲＨＱ鋼板を製造するためには、焼き入れ硬化後に焼戻し工程が必要であり、加工の手間とコストが必然的に増加する。
特許文献４は、優れた耐応力腐食割れ性を示す耐摩耗性鋼材に関するものであり、この鋼板は、ＲＨＱ工程のような熱間圧延後の再加熱処理を行わずに、熱間圧延直後に直接焼入れ（ＤＱ）を行うことができる工程で製造することができるものである。特許文献４の鋼板は、炭素含有量が比較的少なく（０．２０～０．３０ｗｔ．％）、マンガン含有量が比較的多い（０．４０～１．２０ｗｔ．％）のが特徴である。耐応力腐食割れ性を向上させるためには、特許文献４の鋼材の組織の基相または主相が焼戻しマルテンサイトであることが必要である。
一方、非焼戻しマルテンサイトが存在すると耐応力腐食割れ性が低下するため、非焼戻しマルテンサイトの面積率は１０％以下に制限される。
耐摩耗性と耐応力腐食割れ性のバランスから、特許文献４の鋼材の表面硬さは５２０ＨＢＷ以下である。
本発明は、直接焼入れｄｉｒｅｃｔ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ（ＤＱ）と組み合わせて、費用対効果の高い熱機械制御処理ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＴＭＣＰ）の利用を拡大するもので、耐気候性腐食が向上し、衝撃強度が保証され優れた成形性／曲げ性を示す高硬度鋼ストリップ製品を製造するものである。
ＣＮ１０２１９９７３７ ＣＮ１０２３９２１８６ ＣＮ１０３８２０７１７ ＥＰ２６９５９６０
現状に鑑み、本発明の目的は、優れた耐気候性腐食、確かな衝撃強度性、および優れた成形性／曲げ性を有する高硬度鋼材を提供するということである。この目的は、特定の組成の合金と、主にマルテンサイトからなる金属組織を生成するコスト効率の高いＴＭＣＰの組み合わせによって解決される。
第１の側面で、本発明は、質量パーセント（ｗｔ．％）で、以下の組成を含む熱間圧延帯鋼を提供する。
Ｃ ０．１７～０．３８、好ましくは０．２１～０．３５、より好ましくは０．２２～０．２８
Ｓｉ ０～０．５、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０３～０．２５
Ｍｎ ０．１～０．４、好ましくは０．１５～０．３
Ａｌ ０．０１５～０．１５
Ｃｕ ０．１～０．６、好ましくは０．１～０．５、より好ましくは０．１～０．３５
Ｎｉ ０～０．８、好ましくは０．２～０．８
Ｃｒ ０．１～１、好ましくは０．３～１、より好ましくは０．３５～１。
さらに好ましくは０．３５～０．８
Ｍｏ ０．０１～０．３、好ましくは０．０３～０．３、より好ましくは０．０５～０．３
Ｎｂ ０～０．００５
Ｔｉ ０～０．０５、好ましくは０～０．０３５、より好ましくは０～０．０２
Ｖ ０～０．２、好ましくは０～０．０６
Ｂ ０．０００５～０．００５、好ましくは０．０００８～０．００５
Ｐ ０～０．０２５、好ましくは０．００１～０．０２５、より好ましくは０．００１～０．０１２
Ｓ ０～０．００８、好ましくは０～０．００５
Ｎ ０～０．０１、好ましくは０～０．００５、より好ましくは０～０．００４
Ｃａ ０～０．０１、好ましくは０～０．００５、より好ましくは０．０００８～０．００３
残部はＦｅ、および不純物。
好ましくは、前記組成物は、質量パーセント（ｗｔ．％）で、以下を含む。
Ｔｉ ０ － ０．００５
Ｎ ０ － ０．００３
好ましくは、前記組成物は、質量パーセント（ｗｔ．％）で、以下を含む。
Ｔｉ＞０．００５および≦０．０５
Ｎ＞０．００３および≦０．０１
好ましくは、［Ｎｉ］＞［Ｃｕ］／３、より好ましくは［Ｎｉ］＞［Ｃｕ］／２であり、ここで
［Ｎｉ］は、組成物中のＮｉの量である。
［Ｃｕ］は組成物中のＣｕの量である。
鋼材は、必須の元素であるＳｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒが合金化されているため、耐気候性腐食に優れ、塗膜の耐久性も向上している。
また、衝撃靭性や曲げ加工性を向上させるために重要な、Ｍｎの含有量を低く抑えている。
Ｃａ／Ｓ比は、衝撃靭性と曲げ性を向上させために、ＣａＳが形成されないように調整される。Ｃａ／Ｓ比は、好ましくは１～２、より好ましくは１．１～１．７、さらに好ましくは１．２～１．６の範囲である。
Ｎｂの含有量は、鋼材の成形性や曲げ性を向上させるために、可能な限り低く抑えることが望ましい。なお、Ｎｂなどの元素は、意図的に添加されていない残留物として存在してもよい。
残留物と不純物の違いは、残留物は管理された量の合金元素であり、不純物とは見なされないことである。工業工程で通常管理されている残留物は、合金に本質的な影響を与えない。
第２の側面で、本発明は、以下の工程を含む熱間圧延鋼帯の製造方法を提供することである。
－ 概要で述べた化学組成からなる、請求項１～５のいずれか１項に記載の鋼スラブを準備する工程と
－ 前記鋼スラブを１２００～１３５０℃のオーステナイト化温度に加熱する工程と
－ Ａｒ３～１３００℃の範囲の温度で所望の厚さに熱間圧延する工程であって、仕上げ圧延温度が８００℃～９６０℃の範囲、好ましくは８７０℃～９３０℃の範囲、より好ましくは８８５℃～９３０℃の範囲である工程；および
－ 熱間圧延された帯鋼を４５０℃以下、好ましくは２５０℃以下、より好ましくは１５０℃以下、さらに好ましくは１００℃以下の冷却完了温度および巻取温度に直接、急冷する工程。
選択的に、焼き入れされコイル化された帯鋼に対して、１５０℃～２５０℃の範囲の温度で焼き戻しの工程が行われる。しかし、本発明では、焼き戻しの工程は必要ない。
鋼材は、厚さが１０ｍｍ以下、好ましくは８ｍｍ以下、より好ましくは７ｍｍ以下の帯鋼である。
得られた鋼材は、鋼材の１／４の厚さから測定して、体積パーセント（ｖｏｌ．％）で、少なくとも９０ｖｏｌ．％のマルテンサイト、好ましくは少なくとも９５ｖｏｌ．％のマルテンサイト、より好ましくは少なくとも９８ｖｏｌ．％のマルテンサイトからなる微細構造を有している。マルテンサイト組織は、焼き戻しなし、自動焼き戻しおよび／または焼き戻しされていてもよい。好ましくは、マルテンサイト組織は焼戻しされていない。より好ましくは、前記微細構造は、１０ｖｏｌ．％以上の焼き戻しなしのマルテンサイトからなる。好ましくは、前記微細構造は、０～１ｖｏｌ．％の残留オーステナイトからなり、より好ましくは０～０．５ｖｏｌ．％の残留オーステナイトである。また、ベイナイト、フェライト、パーライトなどの組織も含まれる。
得られた鋼材は、鋼材の１／４厚さから測定したオーステナイト粒径が５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下である。
オーステナイト粒組織のアスペクト比は、鋼材の衝撃靭性と曲げ性に影響を与える要因の一つである。
衝撃靭性を向上させるためには、オーステナイト粒組織は、アスペクト比が１．５以上、好ましくは２以上、より好ましくは３以上であることが望ましい。曲げ性を向上させるためには、オーステナイト粒組織は、アスペクト比が７以下、好ましくは５以下、より好ましくは１．５以下であることが望ましい。
本発明による得られた鋼材は、アスペクト比が１．５～７、好ましくは１．５～５、より好ましくは２～５の範囲にあるオーステナイト粒組織（ｐｒｉｏｒ ａｕｓｔｅｎｉｔｅ ｇｒａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有しているので、優れた衝撃靭性と優れた曲げ加工性を確実にバランスよく実現することができる。
得られた鋼材は、硬さと、耐気候性腐食の向上や優れた衝撃強度などの他の機械的特性とのバランスが良い。本発明の鋼材は、以下の機械的特性のうち少なくとも１つを有する。
４２０～５８０ＨＢＷ、好ましくは４５０～５５０ＨＢＷ、より好ましくは４７０～５３０ＨＢＷの範囲のブリネル硬度。
腐食指数（ＡＳＴＭ Ｇ１０１－０４）≧５、好ましくは≧５．５、より好ましくは≧６。
２０℃または－４０℃の温度で３４Ｊ／ｃｍ２以上のシャルピーＶ衝撃靭性。
本発明の鋼材は、優れた曲げ加工性または成形性を有する。また、曲げ軸を圧延方向に長手方向とした測定方向での最小曲げ半径が３．４ｔ以下であり、曲げ軸を圧延方向に横方向とした測定方向での最小曲げ半径が２．７ｔ以下であり、ここでｔは鋼帯製品の厚さである。
本発明の鋼材は、高硬度と、衝撃強度や成形性・曲げ性などの機械的特性のバランスが取れている。また、耐気候性腐食にも優れている。
微細構造を示す図である。
鋼という用語は、炭素（Ｃ）を含む鉄合金である。
気候性腐食（ｃｌｉｍａｔｉｃ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ別名：大気腐食）とは、地域の環境条件によって引き起こされる屋外での腐食を指す。
環境条件は、雨や太陽のような気象現象によって形成される。また、海水に含まれる塩化物や、火山活動や工業・鉱業に由来する硫黄化合物など、空気中のさまざまな不純物の影響も受ける。
ブリネル硬度（ＨＢＷ）」とは、鋼の硬さの呼称である。ブリネル硬度の試験は、きれいに準備された表面に１０ｍｍの球状のタングステンカーバイドボールを３０００キログラムの力で押し付けて印を作り、それを測定して数値を与えることで行われる。
腐食指数（ＡＳＴＭ Ｇ１０１－０４）」とは、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）の標準規格であるＧ１０１のことで、耐気候性腐食鋼の大気中での耐食性を組成の関数として定量化するための、現在入手可能な唯一のガイドである。
ＡＣＣ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｏｏｌｉｎｇ）」とは、ある温度まで冷却速度を速めて、中断することなく冷却する工程を指す。
ＵＴＳ（Ｕｌｔｉｍａｔｅ Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ、Ｒｍ）」とは、鋼材が引張により破断する限界値であり、最大引張応力を意味する。
降伏強さ（ＹＳ、Ｒｐ０．２）」とは、０．２％の塑性ひずみが生じる応力量として定義される０．２％オフセット降伏強さをいう。
全伸度ｔｏｔａｌ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ（ＴＥＬ）」とは、材料が破断するまでに伸ばせる割合のことで、成形性の大まかな指標であり、通常、伸度計の一定のゲージ長に対する割合で表される。一般的なゲージ長は５０ｍｍ（Ａ５０）と８０ｍｍ（Ａ８０）である。
「最小曲げ半径（Ｒｉ）」とは、試験片に亀裂を発生させずに適用できる最小の曲げ半径のことである。
また、「曲げやすさ」とは、Ｒｉとシートの厚さ（ｔ）の比である。
鋼材の合金含有量と加工パラメータが微細構造を決定し、それが鋼材の機械的特性を決定する。
合金の設計は、目標とする機械的特性を備えた鋼材を開発する際に考慮すべき最初の問題である。次に、本発明による化学組成をより詳細に説明する。ここで、各成分の％は質量％を意味する。
炭素Ｃは０．１７％から０．３８％の範囲で使用される。
Ｃの含有は、固溶体強化によって鋼材の強度を高めるため、Ｃの含有量が強度レベルを決定することになる。Ｃは目標とする硬さに応じて０．１７％から０．３８％の範囲で使用する。炭素含有量が０．１７％未満の場合、ブリネル硬度４２０ＨＢＷ以上を達成することは困難である。しかし、Ｃは溶接性、衝撃靭性、成形性または曲げ性、耐応力腐食割れ性などに悪影響を及ぼす。そのため、Ｃの含有量は０．３８％以下に設定される。好ましくは、Ｃを０．２１％～０．３５％の範囲で使用し、より好ましくは０．２２％～０．２８％である。
シリコンＳｉは、０．５％以下の量で使用される。
Ｓｉは、気候性腐食の条件下で酸化保護層の形成を促進するために組成物に添加され、気候性腐食に対して良好な耐性を与え、摩耗により機械表面から損傷または除去されやすい塗装層の耐久性を向上させる。Ｓｉは製鋼工程で溶液中の酸素を除去する脱酸剤や阻止剤として有効である。Ｓｉの合金は、固溶体強化により強度を高め、オーステナイトの焼入れ性を高めて硬度を高める。また、Ｓｉの存在は残留オーステナイトを安定化させる。しかし、Ｓｉ含有量が０．５％を超えると、炭素当量（ＣＥ）を不必要に増加させ、溶接性を低下させる可能性がある。さらに、Ｓｉが過剰に含まれると、表面品質が劣化する可能性がある。前述したように、Ｓｉは十分な硬さと耐気候性腐食を得るために、また塗膜の耐久性を高めるために重要な元素である。好ましくは、Ｓｉは０．０１％～０．５％の範囲で使用され、より好ましくは０．０３％～０．２５％である。
マンガンＭｎは、０．１％～０．４％の範囲で使用される。
Ｍｎは、マルテンサイト開始温度（Ｍｓ）とマルテンサイト終了温度（Ｍｆ）を低下させ、焼入れ時のマルテンサイトのオートテンパリング、オートテンパリング（ａｕｔｏｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）を抑制することができる。マルテンサイトのオートテンパリングが抑制されると、内部応力が大きくなり、焼入れによるクラックや形状の歪みが発生しやすくなる。オートテンパー化したマルテンサイト組織の程度が低いと、高硬度化には有利であるが、衝撃強度への悪影響を過小評価してはならない。
また、Ｍｎは、固溶強化によって強度を高め、オーステナイトの焼入れ性を高めることによって硬度を高める。しかし、Ｍｎ含有量が多すぎると、鋼の焼入れ性が向上して衝撃靭性が犠牲になる。また、Ｍｎを過剰に合金とすると、Ｃ－Ｍｎの偏析やＭｎＳの形成が起こり、孔食や応力腐食割れの開始サイトの形成を誘発する可能性がある。したがって、Ｍｎは、焼入れ性を確保するために０．１％以上の量で使用されるが、上述のような弊害を回避し、衝撃強度や曲げ性などの優れた機械的特性を確保するために、０．４％以下の量で使用される。好ましくは、０．１５％～０．３％の範囲で低濃度のＭｎを使用する。
アルミニウムＡｌは、０．０１５％から０．１５％の範囲で使用される。
Ａｌは、製鋼工程中に溶融物から酸素を除去できる脱酸剤または阻止剤として有効である。また、Ａｌは安定したＡｌＮ粒子を形成することでＮを除去し、結晶粒を微細化することで、特に低温での高靭性に効果がある。また、Ａｌは残留オーステナイトを安定させる。しかし、過剰なＡｌは非金属介在物を増加させ、清浄度を悪化させる可能性がある。
Ｃｕは、０．１％から０．６％の範囲で使用される。
Ｃｕは、気候性腐食の条件の下で酸化保護層の形成を促進するために組成物に添加され、気候性腐食に対する良好な耐性を与え、摩耗により機械表面から損傷または除去されやすい塗膜層の耐久性を向上させる。Ｃｕは、低炭素ベイナイト構造の形成を促進し、固溶体強化を起こし、析出強化に寄与する。また、応力腐食割れを抑制する効果も期待できる。Ｃｕは過剰に添加すると、溶接性や熱影響部（ＨＡＺ）の靭性を劣化させる。そのため、Ｃｕの上限は０．６％とした。前述したように、Ｃｕは十分な硬さと良好な耐気候性腐食を付与し、塗膜の耐久性を高めるために重要な元素である。好ましくは、Ｃｕは０．１％～０．５％、より好ましくは０．１％～０．３５％の範囲で使用される。
ニッケルＮｉは０．８％以下の量で使用される。
Ｎｉは焼入れ割れを防止し、低温靭性を向上させるために使用される。Ｎｉは、オーステナイトの焼入れ性を向上させ、衝撃靭性やＨＡＺ靭性をほとんど損なわずに強度を高める元素である。また、Ｎｉは表面品質を向上させ、応力腐食割れの原因となる孔食の発生を防ぐ。Ｎｉは、気候性腐食の条件の下で酸化保護層の形成を促進するために組成物に添加される。これは、気候性腐食に対して良好な耐性を提供し、摩耗によって機械表面から損傷または除去されやすい塗布層の耐久性を向上させる。
しかし、ニッケル含有量が０．８％を超えると、大きな技術的改善がないまま合金化コストが高くなりすぎる。過剰なＮｉは高粘度の酸化鉄のスケールを生成し、鋼材の表面品質を劣化させる可能性がある。また、Ｎｉ含有量が多いと、ＣＥ値や割れ感受性係数が増加するため、溶接性に悪影響を及ぼす。前述のように、Ｎｉは十分な硬さと良好な耐気候性腐食を、衝撃靭性を全くあるいはわずかに損なうことなく提供するために、また、塗膜の耐久性を高めるために重要な元素である。Ｎｉは好ましくは０．２％から０．８％の範囲で使用される。
クロムＣｒは、０．１％から１％の範囲で使用される。
Ｃｒは、気候性腐食の条件の下で酸化保護層の形成を促進するために組成物に添加される。これにより、気候性腐食に対する良好な耐性が得られ、摩耗により機械表面から損傷または除去されやすい塗膜層の耐久性が向上する。また、Ｃｒを添加することで耐孔食性が向上し、応力腐食割れの発生を早期に防止することができる。中強度の炭化物を形成する元素として、Ｃｒは母材と溶接部の両方の強度を向上させるが、衝撃靭性の低下はわずかである。また、Ｃｒの合金は、オーステナイトの焼入れ性を高めることにより、強度と硬度を向上させる。
しかし、Ｃｒの使用量が１％を超えると、ＨＡＺ靭性や現場での溶接性に悪影響を及ぼす可能性がある。前述したように、Ｃｒは、十分な硬さと良好な耐気候性腐食を、衝撃靭性を全くあるいは損なうことなく提供するために、また、塗膜の耐久性を高めるために、重要な元素である。好ましくは、Ｃｒは０．３％～１％、より好ましくは０．３５％～１％、さらに好ましくは０．３５％～０．８％の範囲で使用される。
モリブデンＭｏは０．０１％～０．３％の範囲で使用される。
Ｍｏは、衝撃強度、低温靭性、焼戻し耐性を向上させる。Ｍｏの存在は、オーステナイトの硬化性を高めることにより、強度と硬度を向上させる。Ｍｏは、Ｍｎの代わりに焼入れ性を付与するために組成に添加することができる。Ｂ合金の場合、Ｂの効果を確保するためには通常Ｍｏが必要であるが、Ｍｏは経済的に許容される合金の元素ではない。Ｍｏを０．３％以上使用すると、靭性が低下して脆性化の危険性が高まる。
さらに、本発明者らは、Ｍｏの合金がオーステナイトの再結晶を遅らせ、オーステナイト結晶粒組織のアスペクト比を増加させることに着目した。そのため、オーステナイト粒が過度に伸長して鋼材の曲げ性が劣化するのを防ぐために、Ｍｏの含有量を注意深く制御する必要がある。好ましくは、Ｍｏは０．０３％から０．３％の範囲で使用され、より好ましくは０．０５％から０．３％である。
ニオブＮｂは０．００５％以下の量で使用される。
Ｎｂは炭化物ＮｂＣと炭窒化物Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）を形成する。Ｎｂは主要な結晶粒微細化元素と考えられている。Ｎｂは鋼材の強化と強靭化に寄与する。しかし、Ｎｂが過剰になると、特に直接焼入れを行う場合や、組成中にＭｏが存在する場合に曲げ性が悪化するため、Ｎｂの添加量は０．００５％に制限すべきである。さらに、Ｎｂは、比較的不安定なＴｉＮｂＮまたはＴｉＮｂ（Ｃ，Ｎ）の析出物を形成することにより、粗い上部ベイナイト構造の形成を促進する可能性があるため、ＨＡＺ靭性にとって有害である。鋼製品の成形性や曲げ性を高めるためには、Ｎｂの含有量をできるだけ少なくする必要がある。
チタンＴｉは０．０５％以下の量で使用される。
ＴｉＣの析出物は、かなりの量の水素Ｈを捕捉することができ、材料中のＨの拡散性を低下させ、有害なＨの一部を微細構造から除去して応力腐食割れを防止する。また、Ｔｉは靭性に有害なフリーＮを結合するために添加され、安定したＴｉＮを形成し、ＮｂＣとともに高温での再加熱段階のオーステナイト粒成長を効率的に防ぐことができる。
また、ＴｉＮの析出により、溶接時のＨＡＺにおける結晶粒の粗大化を防ぎ、靭性を向上させることができる。ＴｉＮの形成はＢＮの析出を抑制し、それによってＢが焼入れ性に貢献できるようにする。この目的のために、Ｔｉ／Ｎの比率は少なくとも３．４である。
しかし、Ｔｉの含有量が多すぎると、ＴｉＮの粗大化やＴｉＣによる析出硬化が生じ、低温靭性が低下することがある。そのため、チタンは０．０５％以下に制限する必要がある。
好ましくは、Ｔｉは０．０３５％以下、より好ましくは０．０２％以下の量で用いる。鋼材の窒素含有量が０．００３％以下と少ない場合は、ホウ素焼入性効果を確保するためにＴｉを添加する必要はなく、Ｔｉの含有量は０．００５％以下とすることができる。窒素含有量が０．００３ ％以上０．０１ ％以下の場合、Ｔｉ含有量は０．００５ ％以上０．０５ ％以下とすることができる。
バナジウムＶは０．２％以下の量で使用される。
ＶはＮｂと実質的に同じだが小さな効果である。Ｖ４Ｃ３の析出物は、かなりの量の水素Ｈをトラップすることができ、材料中のＨの拡散性を低下させ、有害なＨの一部を微細構造から除去してＨＩＣを防止する。Ｖは強いカーバイドとナイトライドフォーマーであるが、Ｖ（Ｃ，Ｎ）も形成可能で、オーステナイトへの溶解度はＮｂやＴｉよりも高い。このように、Ｖ合金はフェライト中に大量のＶが溶解して析出可能となるため、分散強化や析出強化の可能性がある。しかし、０．２％を超えるＶの添加は、溶接性や焼入れ性に悪影響を及ぼす。
好ましくは、Ｖは０．０６％以下の量で用いる。
ホウ素Ｂは、０．０００５％から０．００５％の範囲で使用される。
Ｂは焼入れ性を高めるためのマイクロアロイとして確立された元素である。最も効果的なＢの合金には、ＢＮの形成を防ぐために、好ましくは少なくとも３．４２Ｎの量のＴｉの存在が必要である。０．００３％以下の量の窒素の存在下では、Ｔｉの含有量を０．００５％以下に下げることができ、低温靭性に有利である。Ｂの含有量が０．００５％を超えると、焼入れ性が悪化する。
好ましくは、Ｂを０．０００８％～０．００５％の範囲で使用される。
カルシウムＣａは０．０１％以下の量で使用される。
製鋼工程でのＣａ添加は、精錬、脱酸、脱硫、酸化物や硫化物の介在物の形状、大きさ、分布の制御のためである。Ｃａは通常、後続のコーティングを改善するために添加される。硫化カルシウム（ＣａＳ）や酸化カルシウム（ＣａＯ）、またはこれらの混合物（ＣａＯＳ）が形成され、曲げ性や耐ＳＣＣ性などの機械的特性が劣化するのを防ぐために、過剰なＣａの添加は避けるべきである。
好ましくはＣａを０．００５％以下、より好ましくは０．０００８％～０．００３％の量で使用することで、衝撃強度や曲げ性などの機械的特性に優れたものとなる。
また、Ｃａ／Ｓ比は、ＣａＳが形成されないように調整することで、衝撃靭性や曲げ性を向上させることができる。本発明者らは、一般に、製鋼工程において、最適なＣａ／Ｓ比は、クリーンな鋼材では１～２、好ましくは１．１～１．７、より好ましくは１．２～１．６の範囲であることを見いだした。
不可避的な不純物としては、リンＰ、硫黄Ｓ、窒素Ｎなどがあり、これらの含有量を質量％で表すと、以下のように定義されるのが好ましい。
Ｐ ０～０．０２５、好ましくは０．００１～０．０２５、より好ましくは０．００１～０．０１２
Ｓ ０～０．００８、好ましくは０～０．００５、より好ましくは０～０．００２
Ｎ ０～０．０１、好ましくは０～０．００５、より好ましくは０～０．００４
その他の不可避的な不純物としては、水素Ｈ、酸素Ｏ、希土類金属（ＲＥＭ）などが考えられる。これらの含有量は、衝撃靭性などの優れた機械的特性を確保するために制限される。
鋼材のオーステナイトからマルテンサイトへの変態は、化学組成といくつかの加工パラメータ（主に再加熱温度、冷却速度、冷却温度）に大きく依存する。化学組成に関しては、ある元素は他の元素よりも大きな影響を与えるが、他の元素は無視できる程度の影響しか与えない。冷却中のマルテンサイト形成に対する元素の影響を評価するには、オーステナイトの焼入れ性を表す方程式を用いることができる。そのような方程式の１つを以下に示す。
この式から、炭素の影響が最も大きく、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｒの影響は中間的であり、ＳｉとＮｉの影響は小さいことがわかる。さらに、この式は、どの元素もマルテンサイト形成に不可欠ではなく、ある元素の不在は、他の合金元素の量や、冷却速度などの処理パラメータで補うことができることを示している。
Figure 2022528420000002
目標とする機械的特性を持つ鋼材は、鋼材の機械的特性を決定することとなる特定の工程により製造される。
最初の工程は、例えばストランドキャスティング（ｓｔｒａｎｄ ｃａｓｔｉｎｇ）と呼ばれる連続鋳造の工程によって、鋼スラブを提供することである。
再加熱段階では、鋼スラブは１２００～１３５０℃のオーステナイト化温度まで加熱され、その後、３０～１５０分かけて温度を均一化する工程が行われる。この再加熱と均熱の工程は、オーステナイト粒の成長を制御する上で重要である。加熱温度の上昇は、合金の析出物の溶解や粗大化を引き起こし、異常粒成長の原因となる。
最終的な鋼材は、帯鋼の１／４の厚さから測定したオーステナイト（ｐｒｉｏｒ ａｕｓｔｅｎｉｔｅ）粒径が５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下である。
熱間圧延段階では、スラブはＡｒ３～１３００℃の範囲の温度で所望の厚さに熱間圧延され、仕上げ圧延温度（ＦＲＴ）は８００℃～９６０℃、好ましくは８７０℃～９３０℃、より好ましくは８８５℃～９３０℃の範囲である。
オーステナイト粒組織（ｐｒｉｏｒ ａｕｓｔｅｎｉｔｅ ｇｒａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）のアスペクト比は、鉄材の衝撃靭性と曲げ性に影響を与える要因の一つである。衝撃靭性を向上させるためには、オーステナイト粒組織のアスペクト比は１．５以上、好ましくは２以上、より好ましくは３以上であることが望ましい。曲げ性を向上させるためには、オーステナイト粒組織のアスペクト比は７以下、好ましくは５以下、より好ましくは１．５以下であることが望ましい。
オーステナイト粒の所望のアスペクト比は、仕上げ圧延温度、ひずみ／変形、ひずみ速度、および／またはオーステナイトの再結晶を遅延させるＭｏなどの元素との合金化など、多くのパラメータを調整することによって達成することができる。
本発明により得られた鋼材は、アスペクト比が１．５～７、好ましくは１．５～５、より好ましくは２～５の範囲にあるオーステナイト粒組織を有するため、優れた衝撃靭性と優れた曲げ加工性を確実にバランスよく達成することができる。
得られた鋼材は、その厚さが１０ｍｍ以下、好ましくは８ｍｍ以下、より好ましくは７ｍｍ以下である。
熱間圧延された帯鋼は、冷却完了温度および巻取温度が４５０℃以下、好ましくは２５０℃以下、より好ましくは１５０℃以下、さらに好ましくは１００℃以下になるように直接焼入れされる。また、冷却速度は３０℃／秒以上である。
直接焼入れされた帯鋼は、４５０℃以下、好ましくは２５０℃以下、より好ましくは１５０℃以下、さらに好ましくは１００℃以下の温度でコイリングされる。
得られた鋼材は、帯鋼の１／４の厚さから測定して、で、体積パーセント（ｖｏｌ．％）少なくとも９０ｖｏｌ．％のマルテンサイト、好ましくは少なくとも９５ｖｏｌ．％のマルテンサイト、より好ましくは少なくとも９８ｖｏｌ．％のマルテンサイトからなる微細構造を有するものである。マルテンサイト組織は、焼き戻しなし、オートテンパリングおよび／または焼き戻しされていてもよい。好ましくは、マルテンサイト組織は焼戻しされていない。より好ましくは、前記微細構造は、１０ｖｏｌ．％以上の焼き戻しなしのマルテンサイトからなる。好ましくは、前記微細構造は、０～１ｖｏｌ．％の残留オーステナイトからなり、より好ましくは０～０．５ｖｏｌ．％の残留オーステナイトである。また、微細構造はベイナイト、フェライト、パーライトなども含む。
本発明の帯鋼は、硬度と、優れた衝撃強度、耐気候性腐食の向上、優れた成形性／曲げ性などの他の機械的特性とのバランスが取れている。
本発明の帯鋼は、４２０～５８０ＨＢＷ、好ましくは４５０～５５０ＨＢＷ、より好ましくは４７０～５３０ＨＢＷの範囲の高いブリネル硬度を有する。
帯鋼は、腐食指数（ＡＳＴＭ Ｇ１０１－０４）が少なくとも５、好ましくは少なくとも５．５、より好ましくは少なくとも６であり、気候性腐食に対する耐性が向上している。本発明の鋼材を使用することにより、塗膜の耐久性が向上し、再塗装間隔を１．５～２倍にすることができる。
腐食指数（ＡＳＴＭ Ｇ１０１－０４）は、様々な環境下における合金鋼の長期的な大気腐食を推定するために使用される。腐食指数（ＡＳＴＭ Ｇ１０１－０４）の式は、長期間の屋外腐食暴露試験からの統計的手法により形成されており、その式は以下のように表される。
ＩＡＳＴＭＧ１０１＝２６．０１（％Ｃｕ）＋３．８８（％Ｎｉ）＋１．２０（％Ｃｒ）＋１．４９（％Ｓｉ）＋１７．２８（％Ｐ）－７．２９（％Ｃｕ）（％Ｎｉ）－９．１０（％Ｎｉ）（％Ｐ）－３３．３９（％Ｃｕ）２
高硬度の帯鋼は、－２０℃または－４０℃の温度で３４Ｊ／ｃｍ２以上のシャルピーＶ衝撃靭性を有し、従来の衝撃強度の要求を満たしている。
帯鋼は、優れた曲げ加工性または成形性を有する。本発明の鋼材は、曲げ軸が圧延方向に対して長手方向にある測定方向の最小曲げ半径が３．４ｔ以下であり、曲げ軸が圧延方向に対して横方向にある測定方向の最小曲げ半径が２．７ｔ以下であり、ｔは帯鋼の厚さである。
以下の実施例は、本発明の実施形態をさらに説明および実証するものである。本発明の範囲から逸脱することなくその多くの変形が可能であるため、実施例は単に説明のためのものであり、本発明の限定として解釈されるべきではない。
試験された帯鋼を製造するために使用された化学組成を、表１に示す。試験した帯鋼を製造するための製造条件を表２に示す。試験した帯鋼の機械的特性を表３に示す。
微細構造
微細構造は、ＳＥＭ顕微鏡写真から特徴づけることができ、体積分率は、ポイントカウンティングまたは画像分析法を用いて決定することができる。試験した実施例１～４の微細構造はすべて、少なくとも９０ｖｏｌ．％のマルテンサイトを主相としている。図１は、帯鋼Ｎｏ．１の１／４厚さからのＲＤ－ＮＤ面のＳＥＭ像であり、オーステナイト粒界が可視化されている。帯鋼Ｎｏ．１のオーステナイト粒界のアスペクト比は３．４である。
ブリネル硬度ＨＢＷ
ブリネル硬度の試験は、清浄に準備された表面に、１０ｍｍの球状のタングステンカーバイドボールを３０００キログラムの力で押し付けて印を作り、それを測定して特定の数値を得ることで行われる。測定は、鋼板の上面に垂直に、鋼板の表面から１０～１５％の深さで行う。表３に示すように、本実施例１～４は、ブリネルハーネスが４７５～４９１ＨＢＷの範囲にあることがわかる。また、比較例５は４８６ＨＢＷのブリネル・ハーネスを示し、比較例６は４６９ＨＢＷのブリネル・ハーネスを示す。
腐食指数（ＡＳＴＭ Ｇ１０１－０４）
腐食指数（ＡＳＴＭ Ｇ１０１－０４）は、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＡＳＴＭ）規格Ｇ１０１に基づいて算出される。表３に示すように、実施例１～４は、腐食指数（ＡＳＴＭ Ｇ１０１－０４）が５．２８以上であった。一方で、比較例Ｎｏ．５および６は、腐食指数（ＡＳＴＭ Ｇ１０１－０４）がそれぞれ３．４および１．０４と大幅に低かった。
シャルピーＶ衝撃靭性
ＡＳＭＥ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）規格に準拠したシャルピーＶノッチ試験により、－２０℃または－４０℃の衝撃靭性値を求めた。実施例のものは、－２０℃におけるシャルピーＶ衝撃靭性値が、それぞれ６３Ｊ／ｃｍ２、４５Ｊ／ｃｍ２であった（表３）。また、実施例１～４は、測定方向が圧延方向の長手方向である場合、温度－４０℃でのシャルピーＶ衝撃靭性が３８～１２０Ｊ／ｃｍ２の範囲内である。また、実施例１～４は、測定方向が圧延方向に対して横方向の場合、－４０℃の温度でのシャルピーＶ衝撃靭性が５８～１０５Ｊ／ｃｍ２の範囲にある。実施例１～４の衝撃靭性は、比較例．６に比べて向上している。
比較例５は、曲げ加工性を犠牲にしており、実施例および２よりも優れたシャルピーＶ衝撃靭性値を有している。
伸び率
伸び率は、２０００トンの板材を製造したバッチの横方向の試験片を用いて、ＡＳＴＭ Ｅ８規格に従って測定した。実施例１および２の全伸度（Ａ５０）の平均値は、それぞれ１１．６および１１．３であり（表３）、Ａ５０の平均値がそれぞれ１０．１および９．１である比較例５および６よりも良好であった。比較例５および６は、シャルピーＶ衝撃靭性を犠牲にして、実施例３および４よりも優れたＡ５０値を有している。
曲げ加工性
曲げ試験は、試験片を３点曲げで塑性変形させ、１回のストロークで、負荷解除後に曲げの指定角度９０°に達するまで行う。曲げの検査と評価は、一連の試験の間、継続的に行われる。これは、パンチ半径（Ｒ）を大きくすべきか、維持すべきか、あるいは小さくすべきかを決定できるようにするためである。材料の曲げ加工性の限界（Ｒ／ｔ）は、長手方向と横方向の両方に同じパンチ半径（Ｒ）で、欠陥のない最低３ｍの曲げ長さが満たされた場合に、一連の試験で特定することができる。クラック、表面のネッキングマーク、フラットベンド（著しいネッキング）は欠陥として登録される。
曲げ試験の結果、実施例１～４のいずれも、圧延方向と直交する測定方向の最小曲げ半径が３．３ｔ以下であり、圧延方向と直交する測定方向の最小曲げ半径が２．６ｔ以下であり、ｔは鋼帯製品の板厚である（表３）。比較例５は、圧延方向に垂直な測定方向の最小曲げ半径が３．７ｔ、圧延方向に横切る測定方向の最小曲げ半径が２．２ｔと、低い曲げ性を示している。
降伏強度
降伏強度は、２０００トンの板材の製造バッチの横方向の試験片を用いて、ＡＳＴＭ Ｅ８規格に従って測定した。実施例１～４のいずれも、長手方向に測定した降伏強度（Ｒｐ０．２）の平均値が１３０２ＭＰａ～１３９９ＭＰａの範囲にある（表３）。また、比較例５および６は、長手方向に測定した降伏強度（Ｒｐ０．２）の平均値がそれぞれ１２６２ＭＰａおよび１３３８ＭＰａである（表３）。
引張強度
引張強度は、２０００トンのプレートの製造バッチの横方向の試験片を用いて、ＡＳＴＭ Ｅ８規格に従って測定した。実施例１～４のそれぞれは、長手方向に測定した極限引張強度（Ｒｍ）の平均値が１５０９ＭＰａ～１５６６ＭＰａの範囲にある（表３）。また、比較例５及び６は、長手方向に測定した極限引張強度（Ｒｍ）の平均値がそれぞれ１５５０ＭＰａ及び１５５２ＭＰａである（表３）。
Figure 2022528420000003
Figure 2022528420000004
Figure 2022528420000005

Claims (14)

  1. 質量％（ｗｔ．％）で示される以下の組成物からなる熱間圧延帯鋼材であって
    Ｃ ０．１７～０．３８、好ましくは０．２１～０．３５、より好ましくは０．２２～０．２８
    Ｓｉ ０～０．５、好ましくは０．０１～０．５、より好ましくは０．０３～０．２５
    Ｍｎ ０．１～０．４、好ましくは０．１５～０．３
    Ａｌ ０．０１５～０．１５
    Ｃｕ ０．１～０．６、好ましくは０．１～０．５、より好ましくは０．１～０．３５
    Ｎｉ ０～０．８、好ましくは０．２～０．８
    Ｃｒ ０．１～１、好ましくは０．３～１、より好ましくは０．３５～１。
    さらに好ましくは０．３５～０．８
    Ｍｏ ０．０１～０．３、好ましくは０．０３～０．３、より好ましくは０．０５～０．３
    Ｎｂ ０～０．００５
    Ｔｉ ０～０．０５、好ましくは０～０．０３５、より好ましくは０～０．０２
    Ｖ ０～０．２、好ましくは０～０．０６
    Ｂ ０．０００５～０．００５、好ましくは０．０００８～０．００５
    Ｐ ０～０．０２５、好ましくは０．００１～０．０２５、より好ましくは０．００１～０．０１２
    Ｓ ０～０．００８、好ましくは０～０．００５、より好ましくは０～０．００２
    Ｎ ０～０．０１、好ましくは０～０．００５、より好ましくは０～０．００４
    Ｃａ ０～０．０１、好ましくは０～０．００５、より好ましくは０．０００８～０．００３
    残部はＦｅ、および不純物であり、
    その鋼材は、ブリネル硬度が４２０～５８０ＨＢＷの範囲にあり、かつ、腐食指数（ＡＳＴＭ Ｇ１０１－０４）が少なくとも５である、
    上記の熱間圧延帯鋼材。
  2. Ｎの量が０～０．００３ｗｔ．％の範囲にあるとき、Ｔｉの量が０～０．００５ｗｔ．％の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の鋼材。
  3. Ｎの量が０．００３ｗｔ％以上０．０１ｗｔ％以下のとき、Ｔｉの量が０．００５ｗｔ％以上０．０５ｗｔ％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の鋼材。
  4. ［Ｎｉ］＞［Ｃｕ］／３、好ましくは［Ｎｉ］＞［Ｃｕ］／２であり
    ［Ｎｉ］は、組成物中のＮｉの量であり
    ［Ｃｕ］は、組成物中のＣｕの量である、請求項１～３のいずれか１項に記載の鋼材。
  5. Ｃａ／Ｓ比が１～２、好ましくは１．１～１．７、より好ましくは１．２～１．６の範囲である、請求項１～４のいずれか１項に記載の鋼材。
  6. ４５０～５５０ＨＢＷ、好ましくは４７０～５３０ＨＢＷの範囲のブリネル硬度を有する、請求項１～５のいずれか１項に記載の鋼材。
  7. 腐食指数（ＡＳＴＭ Ｇ１０１－０４）が少なくとも５．５、好ましくは少なくとも６である、請求項１～６のいずれか１項に記載の鋼材。
  8. 横方向および／または縦方向の温度が－２０℃または－４０℃のとき、シャルピーＶ衝撃靭性が３４Ｊ／ｃｍ２以上である、請求項１～７のいずれか１項に記載の鋼材。
  9. 圧延方向と直交する測定方向の最小曲げ半径が３．４ｔ以下、圧延方向と直交する測定方向の最小曲げ半径が２．７ｔ以下であり、ｔは帯鋼の厚さであることを特徴とする、請求項１～８のいずれか１項に記載の鋼材。
  10. 体積パーセント（ｖｏｌ．％）で、以下からなる微細構造を有する、請求項１～９のいずれか１項に記載の鋼材。
    マルテンサイト ９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上
    残留オーステナイト ０～１、好ましくは０～０．５
    残部は、ベイナイト、フェライトおよび／またはパーライト。
  11. オーステナイト粒径が５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下である、請求項１～１０のいずれか１項に記載の鋼材。
  12. 好ましくは１．５～５、より好ましくは２～５の範囲のアスペクト比を持つオーステナイト粒構造を有する、請求項１～１１のいずれか１項に記載の鋼材。
  13. 厚さが１０ｍｍ以下、好ましくは８ｍｍ以下、より好ましくは７ｍｍ以下である、請求項１～１２のいずれか１項に記載の鋼材。
  14. 以下の工程を含む、前記請求項１～１３のいずれか１項に記載の鋼材の製造方法。
    － 請求項１～５のいずれか１項に記載の化学組成からなる鋼スラブを提供する工程と、
    － 前記鋼スラブを１２００～１３５０℃のオーステナイト化温度に加熱する工程と、
    － Ａｒ３～１３００℃の範囲の温度で所望の厚さに熱間圧延する工程であって、仕上げ圧延温度は８００℃～９６０℃の範囲、好ましくは８７０℃～９３０℃の範囲、より好ましくは８８５～９３０℃の範囲であり、
    － 熱間圧延された帯鋼を、４５０℃以下、好ましくは２５０℃以下、より好ましくは１５０℃以下、さらに好ましくは１００℃以下の冷却温度およびコイリング温度に直接焼き入れするする工程と、
    － 任意に、１５０℃～２５０℃の範囲内の温度で焼きなましを行う工程。
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