JP4258934B2 - 加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用足回り部材の素材に適した、加工性と疲労性に優れた高強度熱延鋼板およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
自動車の安全性向上と環境保全につながる燃費向上の観点から、自動車用熱延鋼板の高強度薄肉化が強く求められている。特に、ホイールや足廻り部材の軽量化は自動車の燃費向上に極めて有効な手段であるので、これらの部材の軽量化を目的とした自動車用鋼板の高強度化が検討されている。ホイールや足廻り部材に用いられる鋼板に要求される特性は多岐にわたり、加工性、特に伸びフランジ性とともに、保安強度部材に使用することから母材および打抜きせん断部の疲労特性も重要視されている。このため、加工性および疲労特性を兼ね備えた高強度熱延鋼板に関する検討が行なわれている。
【０００３】
例えば、特開平９−３１５３４号公報には、低Ｓｉ、Ｔｉおよび微量Ｎｂを添加し、低Ｎとしたフェライト−マルテンサイト複合組織鋼板が提案されている。この公報に開示された技術では、低Ｓｉとすることで表面性状を改善し、Ｔｉ添加することで母材疲労強度を確保し、低Ｎ，Ｔｉおよび微量Ｎｂを添加することで延性と伸びフランジ性を確保し、マルテンサイトを生成させることで延性と打抜きせん断部の疲労強度を確保することを試みている。しかし、最近の足廻り部材では、薄肉化に伴なう剛性低下を補うためにプレス時の断面形状をより複雑化するようになってきており、鋼板に要求される伸びフランジ性はますます厳しいものとなってきている。このため、極めて硬質なマルテンサイトを含む混合組織の鋼板では、フェライトとマルテンサイトとの硬度差が大きいため、厳しい伸びフランジ加工を受けた場合にフェライトとマルテンサイトの境界でボイドが発生しやすく、要求される伸びフランジ性を満足することができていない。
【０００４】
また、特開平９−１３７２４９号公報には、Ｔｉ，ＮｂをＣと所定の関係を満たすように添加し、金属組織はフェライトを主相として所定の面積率のベイナイトと所定の面積率のマルテンサイトもしくは残留オーステナイトからなる混合組織とし、鋼板表面粗さＲａを１．５μｍ以下、鋼板表面のフェライト粒径を５μｍ以下とする鋼板が提案されている。この公報に開示された技術では、Ｃと所定の関係を満たすように添加したＴｉとＮｂがフェライト内に炭化物として析出して加工性と母材疲労強度を確保し、金属組織を上記混合組織とすることで延性と伸びフランジ性を確保し、さらに表面粗さと鋼板表層のフェライト粒径を規定することで母材疲労強度を確保することを試みている。しかし、この技術においても鋼板中にマルテンサイトを存在させているため、要求される伸びフランジ性を満足することができていない。また、残留オーステナイトを含む混合組織とした場合も、残留オーステナイトは伸びフランジ加工中にマルテンサイト変態してしまうため、最初からマルテンサイトを含む混合組織の場合と同様、要求される伸びフランジ性を満足することができていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の技術では、加工性に優れ、最近のホイールや足廻り部材の材料に要求される厳しい伸びフランジ性の要求を満たし、かつ母材および打抜きせん断部の疲労特性にも優れた高強度熱延鋼板を提供することは困難である。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、加工性、特に伸びフランジ性に優れるとともに、母材および打抜きせん断部の疲労特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ことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、以下の（１）〜（４）の知見を得た。
（１）高強度で延性を損なわずに伸びフランジ性を向上させるには、できるだけ低Ｃ化し、主相をベイナイト組織とするとともに、固溶強化または析出強化したフェライト組織を適切な体積比率で含有させることが有効であること。
（２）（１）の低Ｃ化に加え、Ｃｕを添加することによって、より一層強度および伸びフランジ性を向上させることができること。
（３）母材疲労強度を向上させるにはＰとＳｉが所定の関係を満たすようにＰを含有させることが有効であること。
（４）打抜きせん断面の疲労強度を向上させるにはパーライトあるいは粗大な炭化物を回避することが有効であること。
【０００８】
上記（１）の理由は、高強度とするにはベイナイトを主相とすることが有効であり、さらに低Ｃ化することでベイナイトの硬度を低減させて、ベイナイトの延性を改善させるとともに、固溶強化したフェライトとの硬度差を小さくすることにより、伸びフランジ性を向上させることができるためである。上記（２）の理由は、必ずしも明確でないがＣｕを添加することで熱間圧延の巻取り後の冷却過程でＣｕが析出してフェライトが強化され、伸びフランジ性が向上するためであると考えられる。上記（３）の理由は、延性と伸びフランジ性を損なわず強化するのに効果的なＳｉを添加した場合、スケールと地鉄の界面で凹凸が増大するに伴ない、鋼板表面の凹凸が増大し、凹部に応力が集中することにより母材疲労強度が低下するが、ＰをＳｉと所定の関係を満たすように含有させることによりこの凹凸を低減することができ、母材疲労強度の低下を防ぐことができるためである。上記（４）の理由は、パーライトあるいは粗大な炭化物が存在すると、打抜きせん断加工時に、極めて硬いパーライト中のセメンタイトや粗大な炭化物の周りにボイドが発生し、このボイドが端面に現れるとマイクロクラックとして応力が集中して疲労強度が低下するためである。
【０００９】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであって、以下の（１）〜（５）を提供する。
（１） 質量％で、
Ｃ ：０．０２〜０．０５％、
Ｓｉ：０．３〜１．５％、
Ｍｎ：１．３〜２．３％、
Ｐ ：０．１％以下、
Ｓ ：０．００１％未満、
Ｃｒ：０．０５〜０．７％、
Ｍｏ：１％以下、
Ｎｉ：１％以下
を含有し、（Ｐ−０．０２）／Ｓｉ＞０．０１およびＳｉ＜３（Ｍｏ＋Ｎｉ）の関係を満たし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、金属組織がベイナイトおよびフェライトからなり、ベイナイト体積率が６０〜９５％であることを特徴とする加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。
【００１０】
（２） 前記（１）に記載の熱延鋼板において、さらに、質量％で、
Ｔｉ：０．０１〜０．０８％、
Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、
Ｖ ：０．０１〜０．１％
のうち１種または２種以上を含むことを特徴とする加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。
【００１１】
（３） 前記（１）または前記（２）に記載の熱延鋼板において、さらに、質量％で、
Ｃｕ：０．１〜１．０％、
を含むことを特徴とする加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。
【００１２】
（４） 前記（１）から前記（３）のいずれかに記載の熱延鋼板において、さらに、鋼板表面の最大高さＲｙが２０μｍ以下であることを特徴とする加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。
【００１３】
（５） 前記（１）から前記（４）のいずれかに記載の熱延鋼板を製造するにあたり、鋳造後、圧延終了温度がＡｒ３点以上の仕上圧延を含む熱間圧延を行なった後、５００〜６００℃まで冷却速度３０〜６０℃／ｓで冷却し、その後冷却速度２〜２０℃／ｓで冷却し、３００〜４７５℃で巻き取ることを特徴とする加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板の製造方法。
【００１４】
なお、本発明でいうベイナイトおよびフェライトは、マルテンサイトおよび残留オーステナイトを除く組織または相を指し、さらに詳しく言うと、ベイナイトとはグラニュラーベイニティックフェライトおよびベイニティックフェライトを含むものであり、フェライトとはポリゴナルフェライトおよび擬ポリゴナルフェライトを指す。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について具体的に説明する。
１．鋼組成
本発明の熱延鋼板は、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０５％、Ｓｉ：０．３〜１．５％、Ｍｎ：１．３〜２．３％、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．００１％未満、Ｃｒ：０．０５〜０．７％、Ｍｏ：１％以下、Ｎｉ：１％以下を含有し、かつ、（Ｐ−０．０２）／Ｓｉ＞０．０１およびＳｉ＜３（Ｍｏ＋Ｎｉ）の関係を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、さらに必要に応じて、Ｔｉ：０．０１〜０．０８％、Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、Ｖ：０．０１〜０．１％のうち１種または２種以上を含有する。これら成分について具体的に説明する。
【００１６】
Ｃ：０．０２〜０．０５％
Ｃは、ベイナイトを形成して鋼を強化する効果を有する。しかし、Ｃ含有量が０．０５％を超えると、ベイナイトが硬化して延性が低下するとともに、フェライトとベイナイトの硬度差が増大して伸びフランジ性が損なわれる。一方、C含有量が０．０２％未満では、鋼板の強度を確保するために十分なベイナイトが生成しない。このためＣ含有量を０．０２〜０．０５％とする。
【００１７】
Ｓｉ：０．３〜１．５％
Ｓｉは、フェライトを固溶強化して延性の低下を抑制しつつ強度を上昇させ、かつベイナイトとフェライトの硬度差を小さくすることで伸びフランジ性を向上させる。しかし、Ｓｉ含有量が１．５％を超えると、フェライト体積が高くなりすぎて高強度および高伸びフランジ性を得るための組織比率から外れること、および、後述する範囲でＰを含有させてもスケールと地鉄界面の凹凸を低減することができなくなる。一方、Ｓｉ含有量が０．３％未満では十分な伸びフランジ性を得るために必要な固溶強化が得られない。このため、Ｓｉ含有量を０．３〜１．５％とする。
【００１８】
Ｍｎ：１．３〜２．３％
Ｍｎは、鋼を強化する効果を有する。しかし、２．３％を超えて含有させると、鋳造時に偏析が生じて熱間圧延後のベイナイトとフェライトの組織がバンド状の不均一となり加工性を低下させる。また、強度を確保するためには少なくとも１．３％必要である。このため、Ｍｎ含有量は１．３〜２．３％とする。
【００１９】
Ｐ：０．１％以下
Ｐは、母材疲労強度に影響するスケールと地鉄との界面の凹凸を増大することなく添加することができるＳｉ量の範囲を拡大するとともに、Ｓｉと同様にフェライトを固溶強化して強度を上昇させ、フェライトとベイナイトの硬度差を小さくして伸びフランジ性を向上する重要な元素である。しかし、Ｐ含有量が０．１％を超えると熱間圧延時に割れを生じるため、Ｐ含有量は０．１％以下とする。
【００２０】
Ｓ：０．００１％未満
Ｓは、伸びフランジ性を向上させるためには低く抑えることが重要であり、硫化物を極力低減して伸びフランジ加工時に生じるボイドを回避するため、そのＳ含有量を０．００１％未満とする。
【００２１】
Ｃｒ：０．０５〜０．７％
Ｃｒは、加工性の劣化と打抜きせん断部の疲労強度を低下させるパーライトの生成を抑制する。しかし、Ｃｒ含有量が０．７％を超えると、マルテンサイトが生成して伸びフランジ性が極端に低下する。一方、Ｃｒ含有量が０．０５％未満ではパーライトの生成を抑制し、伸びフランジ性を向上する効果が十分でない。このため、Ｃｒ含有量を０．０５〜０．７％とする。より一層優れた打抜きせん断部の疲労強度と伸びフランジ性を得るためには、Ｃｒ含有量を０．２％以上とすることが望ましい。
【００２２】
Ｍｏ：１％以下
Ｍｏは、ＳｉとＰが添加された場合に生成しやすくなるフェライトを抑制してフェライトとベイナイトの組織比率を適正化するとともに、生成したフェライトを固溶強化することで伸びフランジ性を向上させる本発明において特に重要な元素である。しかし、Ｍｏを１％を超えて含有させても効果が飽和してコストの上昇を招くだけなので１％以下とする。
【００２３】
Ｎｉ：１％以下
Ｎｉは、Ｍｏと同様に、フェライトとベイナイトの組織比率を適正化するとともに、フェライトを固溶強化するが、１％を超えて含有させても効果が飽和してコストの上昇を招くだけなので１％以下とする。
【００２４】
（Ｐ−０．０２）／Ｓｉ＞０．０１、但し、Ｐ、Ｓｉは重量％
本パラメータは母材の疲労強度を低下させる鋼板表面の凹凸を抑制するためにＰ、Ｓｉの添加量を規定するもので、本パラメータを満足するようにＰ、Ｓｉを添加したとき、Ｓｉ添加によりスケールと地鉄界面の凹凸が増大してもたらされる鋼板表面の凹凸が抑制される。
【００２５】
Ｓｉ＜３（Ｍｏ＋Ｎｉ）、但し、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｎｉは重量％
本パラメータは、フェライトを固溶強化しつつ、フェライトとベイナイトの組織比率を適正化するために規定するもので、本パラメータを満足するようにＳｉ、Ｍｏ、Ｎｉを添加することで組織比率が適正化できる。
【００２６】
Ｔｉ：０．０１〜０．０８％
Ｎｂ：０．０１〜０．０５％
Ｖ ：０．０１〜０．１％
Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖは熱間圧延後のオーステナイトから生成するフェライトを微細化してフェライトとベイナイトの硬度差を小さくし、伸びフランジ性をさらに向上させるため、必要に応じて１種または２種以上を添加する。しかし、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖの含有量がそれぞれ０．１％未満では上記の効果が得られず、また、Ｔｉ：０．０８％超、Ｎｂ：０．０５％超、Ｖ：０．１％超の場合にはこれらの効果が飽和し、コストの上昇を招くだけなので、これらを添加する場合には、Ｔｉ：０．０１〜０．０８％、Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、Ｖ：０．０１〜０．１％の範囲とする。
【００２７】
Ｃｕ：０．１〜１．０％
Ｃｕは、パーライトの生成を抑制して打抜きせん断部の疲労強度を向上させるとともに、熱間圧延時の巻取り後、コイルが除冷される際にフェライトを析出硬化してベイナイトとフェライトの硬度差を低減することにより伸びフランジ性を向上させる。Ｃｕ含有量が０．１％未満ではこの効果が得られず、Ｃｕ含有量を１．０％超としても効果が飽和するため、Ｃｕ含有量を０．１〜１．０％とする。
【００２８】
本発明者らは、Ｃｕの伸びフランジ性に対する影響を調査するため、Ｃｕを０．５％含有させた鋼（引張強度７２１ＭＰａ）およびＣｕを含有しない鋼（引張強度７１９ＭＰａ）について、穴拡げ試験を行なった。その結果、Ｃｕを含有しない鋼の穴拡げ率が７２％であるのに対して、引張強度がほぼ等しくＣｕを含有する鋼の穴拡げ率は１１９％であり、Ｃｕを含有させることにより穴拡げ性、すなわち伸びフランジ性が向上することが確認された。
【００２９】
２．金属組織
高強度でかつ高伸びフランジ性を有し、延性に優れた熱延鋼板とするためには金属組織の構成が重要であり、高強度と高伸びフランジ性を実現するには、高強度でありながらマルテンサイトよりもフェライトとの硬度差が小さいベイナイトを主相とし、延性を確保するためにフェライトを含有させることが有効である。そして、ベイナイトの体積率を６０〜９５％とすることにより、高強度で加工性の良好な鋼板を得ることができる。したがって、金属組織をベイナイトおよびフェライトからなるものとし、ベイナイトの体積率を６０〜９５％とした。
【００３０】
３．表面粗さ
鋼板は、高強度化するほど切欠き感受性が高まるが、鋼板表面の凹凸や、スケールと地鉄の界面の凹凸は切欠きと同様な役割となるため、この凹凸の抑制が高疲労強度化には有効である。具体的には、鋼板表面の最大高さＲｙを２０μｍ以下とすることが、高疲労強度化のためには好ましい。図１に、鋼板表面の最大高さＲｙと疲労強度比（母材疲労強度／ＴＳ）の関係を示す。図１より、鋼板表面の最大高さＲｙが２０μｍ以下の範囲では、疲労強度比（母材疲労強度／ＴＳ）がより高くなっていることがわかる。
【００３１】
ここで、表面粗さの好ましい範囲を最大高さＲｙにより規定したのは、鋼板表面に１箇所でも応力が集中するところがあれば、そこから疲労破壊が生じるためである。図２に、鋼板表面の性状を平均して表した平均粗さＲａと疲労強度比（母材疲労強度／ＴＳ）の関係を示す。図２より、平均粗さＲａが低くても疲労強度比が高くならない場合があることがわかるが、これは平均粗さＲａが小さくても最大高さＲｙが大きいために疲労強度比が高くならなかったものと考えられる。
【００３２】
４．製造方法
本発明の熱延鋼板は、鋳造後、圧延終了温度がＡｒ３点以上の仕上圧延を含む熱間圧延を行なった後、５００〜６００℃まで冷却速度３０〜６０℃／ｓで冷却し、その後冷却速度２〜２０℃／ｓで冷却し、３００〜４７５℃で巻き取ることにより製造することができる。
【００３３】
熱間圧延において、仕上圧延の圧延終了温度をＡｒ３点以上とするのは、圧延終了温度がＡｒ３点よりも低いと、仕上圧延がフェライトとオーステナイトとの２相組織で終了するため加工フェライトが残り、延性および伸びフランジ性を損なうためである。
【００３４】
仕上圧延後、５００〜６００℃まで冷却速度３０〜６０℃／ｓで冷却するのは、オーステナイトから生成するフェライトの体積率を５％超〜４０％未満に調整するためである。この冷却速度の範囲での冷却を６００℃より高い温度とすると、冷却速度を最大の６０℃／ｓとしても、この後に続く冷却中にフェライトの体積率が４０％以上となり前述の金属組織が得られない。また、この冷却速度の範囲での冷却を５００℃未満の温度まで行なうと、冷却速度を最小の３０℃／ｓとしても、フェライトの体積率が５％以下となり前述の金属組織が得られない。
【００３５】
上記の冷却速度の範囲で冷却を行なった後、冷却速度を２〜２０℃／ｓと緩冷却速度とするのは、残ったオーステナイトから生成するベイナイトの延性または伸びフランジ性を向上させるためであり、冷却速度が２０℃／ｓを超えるとベイナイト内の転位の解放が不十分となるため延性の低いベイナイトとなってしまい、冷却速度が２℃／ｓ未満であるとベイナイト内での炭化物の凝集が進み過ぎて粗大な炭化物が生じて伸びフランジ性を損なうためである。
【００３６】
巻取り温度を３００〜４７５℃とするのはベイナイト組織を得るためである。また、巻取り温度が３００℃より低いと伸びフランジ性を低下させるマルテンサイトが生じてしまい、４７５℃より高いとＰの偏析が顕著となり延性および伸びフランジ性がともに損なわれてしまう。より一層優れた伸びフランジ性の鋼板を得るためには、巻取り温度を４００℃以下とすることが望ましい。
【００３７】
【実施例】
表１に示す成分を有する鋼を鋳造後、１１８０〜１２８０℃に加熱し、粗圧延した後、表２に示す仕上圧延終了温度ＦＴ、第１段目冷却での冷却速度ＣＲ１、第１段目冷却の停止温度Ｔ１、第２段目冷却での冷却速度ＣＲ２、および巻取り温度ＣＴの条件により、仕上熱延した後に冷却して巻取り、板厚３．６mmの熱延鋼板を得た。この熱延鋼板を酸洗した後、ＪＩＳ５号引張試験片（圧延垂直方向）、穴拡げ試験片、図３（ａ）に示す母材疲労試験片および図３（ｂ）に示す打抜き穴付き疲労試験片（ともに圧延垂直方向）を採取し、それぞれの試験片を試験に供して特性値を測定した。
【００３８】
伸びフランジ性を評価する穴拡げ試験は、１３０角の鋼板の中央に１０mmφのポンチによりクリアランス１２．５％で打抜いた穴を有する試験片を準備し、その穴を６０°円錐ポンチにより打抜き穴のバリ側と反対方向から押し上げる方法とした。より客観的な測定を行なうため、穴拡げ試験での亀裂判定には、試験中のサーモグラフィーを用い、亀裂発生時の温度下降が始まる瞬間を亀裂発生とみなし、その時の穴拡げ率λ（＝［（亀裂発生時の穴径−初期穴径）／初期穴径］×１００）を求める方法とした。
【００３９】
図３（ａ）および（ｂ）は母材および打抜き穴付き疲労試験片の形状を示す図面である。打抜き穴付き疲労試験片の打抜き穴は、１０mmφのポンチによりクリアランス１５％で打抜いて形成した。これらの試験片を片振り引張疲労試験に供し、１０７回繰り返し負荷しても未破断となる最大の応力を疲労強度とした。
【００４０】
これらの試験で得られた値を表３に示す。また、表３には母材疲労強度について疲労強度比（疲労強度／引張り試験）を併せて示す。さらに、表３には、延性についてはＴＳ×Ｅｌが１２０００以上を良好（評価○）１２０００未満を不良（評価×）と評価し、伸びフランジ性については穴拡げ率１００以上を良好（評価○）１００未満を不良（評価×）と評価し、母材疲労強度については疲労強度比が０．７０以上を良好（評価○）０．７０未満を不良（評価×）と評価し、打抜きせん断部疲労強度については穴疲労強度が１９０以上を良好（評価○）１９０未満を不良（評価×）と評価した結果をそれぞれ併せて示す。
【００４１】
表３より、本発明に係る鋼組成および製造条件のＮｏ．１〜５，１０〜１６，２１〜４４では、延性、伸びフランジ性、母材疲労強度、および打抜きせん断部疲労強度のいずれにも優れており、自動車の足廻り部材等の材料として好適な特性を有する熱延鋼板が得られていることがわかる。これに対して、製造条件が本発明の範囲から外れるＮｏ．６〜９，１７〜２０、および鋼組成が本発明の範囲から外れるＮｏ．４５〜５２の条件で得られる熱延鋼板は、いずれかの特性が劣っている。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【表２】
【００４４】
【表３】
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、加工性、特に伸びフランジ性に優れ、かつ、母材および打抜きせん断部の疲労特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ことができる。本発明により提供される熱延鋼板は、特に、厳しい伸びフランジ性の要求される自動車用足廻り部品の材料として、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱延鋼板の鋼板表面最大高さＲｙと疲労強度比（母材疲労強度／ＴＳ）の関係を示すグラフ。
【図２】熱延鋼板の鋼板表面平均粗さＲａと疲労強度比（母材疲労強度／ＴＳ）の関係を示すグラフ。
【図３】（ａ）母材疲労試験片の概略図。
（ｂ）打抜き穴付き疲労試験片の概略図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用足回り部材の素材に適した、加工性と疲労性に優れた高強度熱延鋼板およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
自動車の安全性向上と環境保全につながる燃費向上の観点から、自動車用熱延鋼板の高強度薄肉化が強く求められている。特に、ホイールや足廻り部材の軽量化は自動車の燃費向上に極めて有効な手段であるので、これらの部材の軽量化を目的とした自動車用鋼板の高強度化が検討されている。ホイールや足廻り部材に用いられる鋼板に要求される特性は多岐にわたり、加工性、特に伸びフランジ性とともに、保安強度部材に使用することから母材および打抜きせん断部の疲労特性も重要視されている。このため、加工性および疲労特性を兼ね備えた高強度熱延鋼板に関する検討が行なわれている。
【０００３】
例えば、特開平９−３１５３４号公報には、低Ｓｉ、Ｔｉおよび微量Ｎｂを添加し、低Ｎとしたフェライト−マルテンサイト複合組織鋼板が提案されている。この公報に開示された技術では、低Ｓｉとすることで表面性状を改善し、Ｔｉ添加することで母材疲労強度を確保し、低Ｎ，Ｔｉおよび微量Ｎｂを添加することで延性と伸びフランジ性を確保し、マルテンサイトを生成させることで延性と打抜きせん断部の疲労強度を確保することを試みている。しかし、最近の足廻り部材では、薄肉化に伴なう剛性低下を補うためにプレス時の断面形状をより複雑化するようになってきており、鋼板に要求される伸びフランジ性はますます厳しいものとなってきている。このため、極めて硬質なマルテンサイトを含む混合組織の鋼板では、フェライトとマルテンサイトとの硬度差が大きいため、厳しい伸びフランジ加工を受けた場合にフェライトとマルテンサイトの境界でボイドが発生しやすく、要求される伸びフランジ性を満足することができていない。
【０００４】
また、特開平９−１３７２４９号公報には、Ｔｉ，ＮｂをＣと所定の関係を満たすように添加し、金属組織はフェライトを主相として所定の面積率のベイナイトと所定の面積率のマルテンサイトもしくは残留オーステナイトからなる混合組織とし、鋼板表面粗さＲａを１．５μｍ以下、鋼板表面のフェライト粒径を５μｍ以下とする鋼板が提案されている。この公報に開示された技術では、Ｃと所定の関係を満たすように添加したＴｉとＮｂがフェライト内に炭化物として析出して加工性と母材疲労強度を確保し、金属組織を上記混合組織とすることで延性と伸びフランジ性を確保し、さらに表面粗さと鋼板表層のフェライト粒径を規定することで母材疲労強度を確保することを試みている。しかし、この技術においても鋼板中にマルテンサイトを存在させているため、要求される伸びフランジ性を満足することができていない。また、残留オーステナイトを含む混合組織とした場合も、残留オーステナイトは伸びフランジ加工中にマルテンサイト変態してしまうため、最初からマルテンサイトを含む混合組織の場合と同様、要求される伸びフランジ性を満足することができていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の技術では、加工性に優れ、最近のホイールや足廻り部材の材料に要求される厳しい伸びフランジ性の要求を満たし、かつ母材および打抜きせん断部の疲労特性にも優れた高強度熱延鋼板を提供することは困難である。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、加工性、特に伸びフランジ性に優れるとともに、母材および打抜きせん断部の疲労特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ことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、以下の（１）〜（４）の知見を得た。
（１）高強度で延性を損なわずに伸びフランジ性を向上させるには、できるだけ低Ｃ化し、主相をベイナイト組織とするとともに、固溶強化または析出強化したフェライト組織を適切な体積比率で含有させることが有効であること。
（２）（１）の低Ｃ化に加え、Ｃｕを添加することによって、より一層強度および伸びフランジ性を向上させることができること。
（３）母材疲労強度を向上させるにはＰとＳｉが所定の関係を満たすようにＰを含有させることが有効であること。
（４）打抜きせん断面の疲労強度を向上させるにはパーライトあるいは粗大な炭化物を回避することが有効であること。
【０００８】
上記（１）の理由は、高強度とするにはベイナイトを主相とすることが有効であり、さらに低Ｃ化することでベイナイトの硬度を低減させて、ベイナイトの延性を改善させるとともに、固溶強化したフェライトとの硬度差を小さくすることにより、伸びフランジ性を向上させることができるためである。上記（２）の理由は、必ずしも明確でないがＣｕを添加することで熱間圧延の巻取り後の冷却過程でＣｕが析出してフェライトが強化され、伸びフランジ性が向上するためであると考えられる。上記（３）の理由は、延性と伸びフランジ性を損なわず強化するのに効果的なＳｉを添加した場合、スケールと地鉄の界面で凹凸が増大するに伴ない、鋼板表面の凹凸が増大し、凹部に応力が集中することにより母材疲労強度が低下するが、ＰをＳｉと所定の関係を満たすように含有させることによりこの凹凸を低減することができ、母材疲労強度の低下を防ぐことができるためである。上記（４）の理由は、パーライトあるいは粗大な炭化物が存在すると、打抜きせん断加工時に、極めて硬いパーライト中のセメンタイトや粗大な炭化物の周りにボイドが発生し、このボイドが端面に現れるとマイクロクラックとして応力が集中して疲労強度が低下するためである。
【０００９】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであって、以下の（１）〜（５）を提供する。
（１） 質量％で、
Ｃ ：０．０２〜０．０５％、
Ｓｉ：０．３〜１．５％、
Ｍｎ：１．３〜２．３％、
Ｐ ：０．１％以下、
Ｓ ：０．００１％未満、
Ｃｒ：０．０５〜０．７％、
Ｍｏ：１％以下、
Ｎｉ：１％以下
を含有し、（Ｐ−０．０２）／Ｓｉ＞０．０１およびＳｉ＜３（Ｍｏ＋Ｎｉ）の関係を満たし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、金属組織がベイナイトおよびフェライトからなり、ベイナイト体積率が６０〜９５％であることを特徴とする加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。
【００１０】
（２） 前記（１）に記載の熱延鋼板において、さらに、質量％で、
Ｔｉ：０．０１〜０．０８％、
Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、
Ｖ ：０．０１〜０．１％
のうち１種または２種以上を含むことを特徴とする加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。
【００１１】
（３） 前記（１）または前記（２）に記載の熱延鋼板において、さらに、質量％で、
Ｃｕ：０．１〜１．０％、
を含むことを特徴とする加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。
【００１２】
（４） 前記（１）から前記（３）のいずれかに記載の熱延鋼板において、さらに、鋼板表面の最大高さＲｙが２０μｍ以下であることを特徴とする加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。
【００１３】
（５） 前記（１）から前記（４）のいずれかに記載の熱延鋼板を製造するにあたり、鋳造後、圧延終了温度がＡｒ３点以上の仕上圧延を含む熱間圧延を行なった後、５００〜６００℃まで冷却速度３０〜６０℃／ｓで冷却し、その後冷却速度２〜２０℃／ｓで冷却し、３００〜４７５℃で巻き取ることを特徴とする加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板の製造方法。
【００１４】
なお、本発明でいうベイナイトおよびフェライトは、マルテンサイトおよび残留オーステナイトを除く組織または相を指し、さらに詳しく言うと、ベイナイトとはグラニュラーベイニティックフェライトおよびベイニティックフェライトを含むものであり、フェライトとはポリゴナルフェライトおよび擬ポリゴナルフェライトを指す。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について具体的に説明する。
１．鋼組成
本発明の熱延鋼板は、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０５％、Ｓｉ：０．３〜１．５％、Ｍｎ：１．３〜２．３％、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．００１％未満、Ｃｒ：０．０５〜０．７％、Ｍｏ：１％以下、Ｎｉ：１％以下を含有し、かつ、（Ｐ−０．０２）／Ｓｉ＞０．０１およびＳｉ＜３（Ｍｏ＋Ｎｉ）の関係を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、さらに必要に応じて、Ｔｉ：０．０１〜０．０８％、Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、Ｖ：０．０１〜０．１％のうち１種または２種以上を含有する。これら成分について具体的に説明する。
【００１６】
Ｃ：０．０２〜０．０５％
Ｃは、ベイナイトを形成して鋼を強化する効果を有する。しかし、Ｃ含有量が０．０５％を超えると、ベイナイトが硬化して延性が低下するとともに、フェライトとベイナイトの硬度差が増大して伸びフランジ性が損なわれる。一方、C含有量が０．０２％未満では、鋼板の強度を確保するために十分なベイナイトが生成しない。このためＣ含有量を０．０２〜０．０５％とする。
【００１７】
Ｓｉ：０．３〜１．５％
Ｓｉは、フェライトを固溶強化して延性の低下を抑制しつつ強度を上昇させ、かつベイナイトとフェライトの硬度差を小さくすることで伸びフランジ性を向上させる。しかし、Ｓｉ含有量が１．５％を超えると、フェライト体積が高くなりすぎて高強度および高伸びフランジ性を得るための組織比率から外れること、および、後述する範囲でＰを含有させてもスケールと地鉄界面の凹凸を低減することができなくなる。一方、Ｓｉ含有量が０．３％未満では十分な伸びフランジ性を得るために必要な固溶強化が得られない。このため、Ｓｉ含有量を０．３〜１．５％とする。
【００１８】
Ｍｎ：１．３〜２．３％
Ｍｎは、鋼を強化する効果を有する。しかし、２．３％を超えて含有させると、鋳造時に偏析が生じて熱間圧延後のベイナイトとフェライトの組織がバンド状の不均一となり加工性を低下させる。また、強度を確保するためには少なくとも１．３％必要である。このため、Ｍｎ含有量は１．３〜２．３％とする。
【００１９】
Ｐ：０．１％以下
Ｐは、母材疲労強度に影響するスケールと地鉄との界面の凹凸を増大することなく添加することができるＳｉ量の範囲を拡大するとともに、Ｓｉと同様にフェライトを固溶強化して強度を上昇させ、フェライトとベイナイトの硬度差を小さくして伸びフランジ性を向上する重要な元素である。しかし、Ｐ含有量が０．１％を超えると熱間圧延時に割れを生じるため、Ｐ含有量は０．１％以下とする。
【００２０】
Ｓ：０．００１％未満
Ｓは、伸びフランジ性を向上させるためには低く抑えることが重要であり、硫化物を極力低減して伸びフランジ加工時に生じるボイドを回避するため、そのＳ含有量を０．００１％未満とする。
【００２１】
Ｃｒ：０．０５〜０．７％
Ｃｒは、加工性の劣化と打抜きせん断部の疲労強度を低下させるパーライトの生成を抑制する。しかし、Ｃｒ含有量が０．７％を超えると、マルテンサイトが生成して伸びフランジ性が極端に低下する。一方、Ｃｒ含有量が０．０５％未満ではパーライトの生成を抑制し、伸びフランジ性を向上する効果が十分でない。このため、Ｃｒ含有量を０．０５〜０．７％とする。より一層優れた打抜きせん断部の疲労強度と伸びフランジ性を得るためには、Ｃｒ含有量を０．２％以上とすることが望ましい。
【００２２】
Ｍｏ：１％以下
Ｍｏは、ＳｉとＰが添加された場合に生成しやすくなるフェライトを抑制してフェライトとベイナイトの組織比率を適正化するとともに、生成したフェライトを固溶強化することで伸びフランジ性を向上させる本発明において特に重要な元素である。しかし、Ｍｏを１％を超えて含有させても効果が飽和してコストの上昇を招くだけなので１％以下とする。
【００２３】
Ｎｉ：１％以下
Ｎｉは、Ｍｏと同様に、フェライトとベイナイトの組織比率を適正化するとともに、フェライトを固溶強化するが、１％を超えて含有させても効果が飽和してコストの上昇を招くだけなので１％以下とする。
【００２４】
（Ｐ−０．０２）／Ｓｉ＞０．０１、但し、Ｐ、Ｓｉは重量％
本パラメータは母材の疲労強度を低下させる鋼板表面の凹凸を抑制するためにＰ、Ｓｉの添加量を規定するもので、本パラメータを満足するようにＰ、Ｓｉを添加したとき、Ｓｉ添加によりスケールと地鉄界面の凹凸が増大してもたらされる鋼板表面の凹凸が抑制される。
【００２５】
Ｓｉ＜３（Ｍｏ＋Ｎｉ）、但し、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｎｉは重量％
本パラメータは、フェライトを固溶強化しつつ、フェライトとベイナイトの組織比率を適正化するために規定するもので、本パラメータを満足するようにＳｉ、Ｍｏ、Ｎｉを添加することで組織比率が適正化できる。
【００２６】
Ｔｉ：０．０１〜０．０８％
Ｎｂ：０．０１〜０．０５％
Ｖ ：０．０１〜０．１％
Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖは熱間圧延後のオーステナイトから生成するフェライトを微細化してフェライトとベイナイトの硬度差を小さくし、伸びフランジ性をさらに向上させるため、必要に応じて１種または２種以上を添加する。しかし、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖの含有量がそれぞれ０．１％未満では上記の効果が得られず、また、Ｔｉ：０．０８％超、Ｎｂ：０．０５％超、Ｖ：０．１％超の場合にはこれらの効果が飽和し、コストの上昇を招くだけなので、これらを添加する場合には、Ｔｉ：０．０１〜０．０８％、Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、Ｖ：０．０１〜０．１％の範囲とする。
【００２７】
Ｃｕ：０．１〜１．０％
Ｃｕは、パーライトの生成を抑制して打抜きせん断部の疲労強度を向上させるとともに、熱間圧延時の巻取り後、コイルが除冷される際にフェライトを析出硬化してベイナイトとフェライトの硬度差を低減することにより伸びフランジ性を向上させる。Ｃｕ含有量が０．１％未満ではこの効果が得られず、Ｃｕ含有量を１．０％超としても効果が飽和するため、Ｃｕ含有量を０．１〜１．０％とする。
【００２８】
本発明者らは、Ｃｕの伸びフランジ性に対する影響を調査するため、Ｃｕを０．５％含有させた鋼（引張強度７２１ＭＰａ）およびＣｕを含有しない鋼（引張強度７１９ＭＰａ）について、穴拡げ試験を行なった。その結果、Ｃｕを含有しない鋼の穴拡げ率が７２％であるのに対して、引張強度がほぼ等しくＣｕを含有する鋼の穴拡げ率は１１９％であり、Ｃｕを含有させることにより穴拡げ性、すなわち伸びフランジ性が向上することが確認された。
【００２９】
２．金属組織
高強度でかつ高伸びフランジ性を有し、延性に優れた熱延鋼板とするためには金属組織の構成が重要であり、高強度と高伸びフランジ性を実現するには、高強度でありながらマルテンサイトよりもフェライトとの硬度差が小さいベイナイトを主相とし、延性を確保するためにフェライトを含有させることが有効である。そして、ベイナイトの体積率を６０〜９５％とすることにより、高強度で加工性の良好な鋼板を得ることができる。したがって、金属組織をベイナイトおよびフェライトからなるものとし、ベイナイトの体積率を６０〜９５％とした。
【００３０】
３．表面粗さ
鋼板は、高強度化するほど切欠き感受性が高まるが、鋼板表面の凹凸や、スケールと地鉄の界面の凹凸は切欠きと同様な役割となるため、この凹凸の抑制が高疲労強度化には有効である。具体的には、鋼板表面の最大高さＲｙを２０μｍ以下とすることが、高疲労強度化のためには好ましい。図１に、鋼板表面の最大高さＲｙと疲労強度比（母材疲労強度／ＴＳ）の関係を示す。図１より、鋼板表面の最大高さＲｙが２０μｍ以下の範囲では、疲労強度比（母材疲労強度／ＴＳ）がより高くなっていることがわかる。
【００３１】
ここで、表面粗さの好ましい範囲を最大高さＲｙにより規定したのは、鋼板表面に１箇所でも応力が集中するところがあれば、そこから疲労破壊が生じるためである。図２に、鋼板表面の性状を平均して表した平均粗さＲａと疲労強度比（母材疲労強度／ＴＳ）の関係を示す。図２より、平均粗さＲａが低くても疲労強度比が高くならない場合があることがわかるが、これは平均粗さＲａが小さくても最大高さＲｙが大きいために疲労強度比が高くならなかったものと考えられる。
【００３２】
４．製造方法
本発明の熱延鋼板は、鋳造後、圧延終了温度がＡｒ３点以上の仕上圧延を含む熱間圧延を行なった後、５００〜６００℃まで冷却速度３０〜６０℃／ｓで冷却し、その後冷却速度２〜２０℃／ｓで冷却し、３００〜４７５℃で巻き取ることにより製造することができる。
【００３３】
熱間圧延において、仕上圧延の圧延終了温度をＡｒ３点以上とするのは、圧延終了温度がＡｒ３点よりも低いと、仕上圧延がフェライトとオーステナイトとの２相組織で終了するため加工フェライトが残り、延性および伸びフランジ性を損なうためである。
【００３４】
仕上圧延後、５００〜６００℃まで冷却速度３０〜６０℃／ｓで冷却するのは、オーステナイトから生成するフェライトの体積率を５％超〜４０％未満に調整するためである。この冷却速度の範囲での冷却を６００℃より高い温度とすると、冷却速度を最大の６０℃／ｓとしても、この後に続く冷却中にフェライトの体積率が４０％以上となり前述の金属組織が得られない。また、この冷却速度の範囲での冷却を５００℃未満の温度まで行なうと、冷却速度を最小の３０℃／ｓとしても、フェライトの体積率が５％以下となり前述の金属組織が得られない。
【００３５】
上記の冷却速度の範囲で冷却を行なった後、冷却速度を２〜２０℃／ｓと緩冷却速度とするのは、残ったオーステナイトから生成するベイナイトの延性または伸びフランジ性を向上させるためであり、冷却速度が２０℃／ｓを超えるとベイナイト内の転位の解放が不十分となるため延性の低いベイナイトとなってしまい、冷却速度が２℃／ｓ未満であるとベイナイト内での炭化物の凝集が進み過ぎて粗大な炭化物が生じて伸びフランジ性を損なうためである。
【００３６】
巻取り温度を３００〜４７５℃とするのはベイナイト組織を得るためである。また、巻取り温度が３００℃より低いと伸びフランジ性を低下させるマルテンサイトが生じてしまい、４７５℃より高いとＰの偏析が顕著となり延性および伸びフランジ性がともに損なわれてしまう。より一層優れた伸びフランジ性の鋼板を得るためには、巻取り温度を４００℃以下とすることが望ましい。
【００３７】
【実施例】
表１に示す成分を有する鋼を鋳造後、１１８０〜１２８０℃に加熱し、粗圧延した後、表２に示す仕上圧延終了温度ＦＴ、第１段目冷却での冷却速度ＣＲ１、第１段目冷却の停止温度Ｔ１、第２段目冷却での冷却速度ＣＲ２、および巻取り温度ＣＴの条件により、仕上熱延した後に冷却して巻取り、板厚３．６mmの熱延鋼板を得た。この熱延鋼板を酸洗した後、ＪＩＳ５号引張試験片（圧延垂直方向）、穴拡げ試験片、図３（ａ）に示す母材疲労試験片および図３（ｂ）に示す打抜き穴付き疲労試験片（ともに圧延垂直方向）を採取し、それぞれの試験片を試験に供して特性値を測定した。
【００３８】
伸びフランジ性を評価する穴拡げ試験は、１３０角の鋼板の中央に１０mmφのポンチによりクリアランス１２．５％で打抜いた穴を有する試験片を準備し、その穴を６０°円錐ポンチにより打抜き穴のバリ側と反対方向から押し上げる方法とした。より客観的な測定を行なうため、穴拡げ試験での亀裂判定には、試験中のサーモグラフィーを用い、亀裂発生時の温度下降が始まる瞬間を亀裂発生とみなし、その時の穴拡げ率λ（＝［（亀裂発生時の穴径−初期穴径）／初期穴径］×１００）を求める方法とした。
【００３９】
図３（ａ）および（ｂ）は母材および打抜き穴付き疲労試験片の形状を示す図面である。打抜き穴付き疲労試験片の打抜き穴は、１０mmφのポンチによりクリアランス１５％で打抜いて形成した。これらの試験片を片振り引張疲労試験に供し、１０７回繰り返し負荷しても未破断となる最大の応力を疲労強度とした。
【００４０】
これらの試験で得られた値を表３に示す。また、表３には母材疲労強度について疲労強度比（疲労強度／引張り試験）を併せて示す。さらに、表３には、延性についてはＴＳ×Ｅｌが１２０００以上を良好（評価○）１２０００未満を不良（評価×）と評価し、伸びフランジ性については穴拡げ率１００以上を良好（評価○）１００未満を不良（評価×）と評価し、母材疲労強度については疲労強度比が０．７０以上を良好（評価○）０．７０未満を不良（評価×）と評価し、打抜きせん断部疲労強度については穴疲労強度が１９０以上を良好（評価○）１９０未満を不良（評価×）と評価した結果をそれぞれ併せて示す。
【００４１】
表３より、本発明に係る鋼組成および製造条件のＮｏ．１〜５，１０〜１６，２１〜４４では、延性、伸びフランジ性、母材疲労強度、および打抜きせん断部疲労強度のいずれにも優れており、自動車の足廻り部材等の材料として好適な特性を有する熱延鋼板が得られていることがわかる。これに対して、製造条件が本発明の範囲から外れるＮｏ．６〜９，１７〜２０、および鋼組成が本発明の範囲から外れるＮｏ．４５〜５２の条件で得られる熱延鋼板は、いずれかの特性が劣っている。
【００４２】
【表１】
【表２】
【表３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、加工性、特に伸びフランジ性に優れ、かつ、母材および打抜きせん断部の疲労特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ことができる。本発明により提供される熱延鋼板は、特に、厳しい伸びフランジ性の要求される自動車用足廻り部品の材料として、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱延鋼板の鋼板表面最大高さＲｙと疲労強度比（母材疲労強度／ＴＳ）の関係を示すグラフ。
【図２】熱延鋼板の鋼板表面平均粗さＲａと疲労強度比（母材疲労強度／ＴＳ）の関係を示すグラフ。
【図３】（ａ）母材疲労試験片の概略図。
（ｂ）打抜き穴付き疲労試験片の概略図。
Claims (5)
- 質量％で、
Ｃ ：０．０２〜０．０５％、
Ｓｉ：０．３〜１．５％、
Ｍｎ：１．３〜２．３％、
Ｐ ：０．１％以下、
Ｓ ：０．００１％未満、
Ｃｒ：０．０５〜０．７％、
Ｍｏ：１％以下、
Ｎｉ：１％以下
を含有し、（Ｐ−０．０２）／Ｓｉ＞０．０１およびＳｉ＜３（Ｍｏ＋Ｎｉ）の関係を満たし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、金属組織がベイナイトおよびフェライトからなり、ベイナイト体積率が６０〜９５％であることを特徴とする加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。 - さらに、質量％で、
Ｔｉ：０．０１〜０．０８％、
Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、
Ｖ ：０．０１〜０．１％
のうち１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。 - さらに、質量％で、
Ｃｕ：０．１〜１．０％、
を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。 - さらに、鋼板表面の最大高さＲｙが２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板。
- 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の熱延鋼板を製造するにあたり、鋳造後、圧延終了温度がＡｒ３点以上の仕上圧延を含む熱間圧延を行なった後、５００〜６００℃まで冷却速度３０〜６０℃／ｓで冷却し、その後冷却速度２〜２０℃／ｓで冷却し、３００〜４７５℃で巻き取ることを特徴とする加工性と疲労特性に優れた高強度熱延鋼板の製造方法。
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