JP4638152B2 - 超高強度低密度の熱間圧延鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はストリップ圧延機から得られた、超高強度低密度の熱間圧延鋼板、ならびにその製造方法に関するものである。

２００８年にはＣＯ₂排出量を１４０ｇ／Ｋｍに削減しなければならないこともあって、自動車の軽量化は必須になっている。この軽量化は、鋼板の厚みを減らす代わりに鋼の機械的強度レベルを引き上げない限り実現できない。したがって、使用部品を実現する鋼板の厚みを減らしながら機械的特性を向上させる必要がある。この手法の限界は、部品の剛性低下と、騒音が不快要因の一つである自動車分野という対象用途において致命的欠陥となる振動と騒音の発生にある。

広幅ストリップ圧延機上の制御された圧延によって機械的特性が得られる、熱間圧延平鋼板の分野において、最も高い強度レベルはベイナイト組織のＴＨＲ鋼で得られ、８００ＭＰａと１０００ＭＰａの間に含まれる機械的強度レベルに達することができるが、その密度は通常の鋼の密度、すなわち７．８ｇ／ｃｍ^３である。

他方で、アルミニウムのような元素の添加を用いてもっと低い密度の鋼を得ることが可能であり、８．５％のアルミニウムを添加した鋼は７ｇ／ｃｍ³まで密度を下げることを可能にする。この解決法では４８０ＭＰａを超える機械的強度レベルに達することはできない。クロム、バナジウム、ニオビウムなどの他の添加元素をそれぞれ最高１％、０．１％、０．４％の含有率で添加しても、機械的強度で５８０ＭＰａのレベルを超えることはできない。この手法では、密度の利得は、得られる機械的強度特性の低さによって相殺される。

本発明の目的は、熱間圧延鋼板の使用者に、密度が低く、現在使用されている高い機械的強度鋼板と同程度の強度レベルを、あるいはさらにそれより高いレベルを有する鋼板を、低密度と高い機械的強度の二重の長所を兼ね備えるために、提案することである。

本発明は、超高強度低密度の熱間圧延鋼板において、重量％で表したその組成が：
０．０４％≦炭素≦０．５％、
０．０５％≦マンガン≦３％、
を含み、硬化元素として、
０．０１％≦ニオビウム≦０．１％、
０．０１％≦チタン≦０．２％、
０．０１％≦バナジウム≦０．２％、
を単体または組み合わせで、
および／または、変態温度に作用する元素として、
０．０００５％≦ホウ素≦０．００５％、
０．０５％≦ニッケル≦２％、
０．０５％≦クロム≦２％、
０．０５％≦モリブデン≦２％、
を単体または組み合わせで含有し、
残りが、鉄と、製錬に固有の元素とであることを特徴とし、
２％≦ケイ素≦１０％、
１％≦アルミニウム≦１０％、
を有することを特徴とする鋼板を第一の対象とする。

本発明の推奨実施態様において、鋼はその組成に、重量％で：
０．０４％≦炭素≦０．３％、
０．０８％≦マンガン≦３％、
２％≦ケイ素≦６％、
１％≦アルミニウム≦１０％、
を有する。

もう一つの推奨実施態様において、本発明による鋼板は、ケイ素含有率が３から６％であり、アルミニウム含有率が１から２％である。

別の推奨実施態様において、本発明による鋼板は、ケイ素含有率が２から３％であり、アルミニウム含有率が７から１０％である。

別の推奨実施態様において、本発明の鋼板のケイ素およびアルミニウム含有率は、Ｓｉ％＋Ａｌ％≧９である。

本発明による鋼板は、以下の特徴を、単独で、または組み合わせて、有することができる：
−鋼板は一次フェライト相と二次フェライト相で構成される微小構造を有し、前記一次フェライトの平均粒度は前記二次フェライトの平均粒度を超え、前記微小構造はカーバイド相も含んでいる、
−鋼板は、熱間圧延の前に実施された鋼の再加熱の際に得られた一次フェライト相と、熱間圧延の結果として得られた二次フェライト相、ならびにカーバイド相を示す、
−鋼板は、平均粒度が５μｍを超える一次フェライト相と、平均粒度が２μｍ未満の二次フェライト相とを含む。

本発明は、熱間圧延鋼板の製造方法において、
−本発明に合致する組成のスラブを再加熱し、それによって、その微小構造に一次フェライト相とオーステナイト相が含まれるスラブを形成することから成る過程と、
−ついで、オーステナイト条件で圧延を実現するために、再加熱の際に形成されたオーステナイト相の温度ＡＲ３を超える熱間圧延終了温度で、前記スラブを熱間圧延し、それによってオーステナイト相を二次フェライト相とカーバイド相に変態することから成る過程と、
を含む方法を第二の対象とする。

下記の説明は、付属の図面を参照して、本発明をよく理解させるものであり、図面は以下を表す：
−図１は、ケイ素、アルミニウムおよび／またはケイ素＋アルミニウムの含有率に応じた、鋼の密度の変化を示すグラフである、
−図２は、炭素を０．０４％含む本発明による鋼の微小構造である（鋳造Ｉ）、
−図３は、炭素を０．１６０％含む本発明による鋼の微小構造である（鋳造Ｊ）、
−図４は、炭素を０．２６８％含む本発明による鋼の微小構造である（鋳造Ｋ）、
−図５は、炭素を０．５０５％含む鋼の微小構造であり、比較のために示されているものである（鋳造Ｌ）。

本発明によるストリップ圧延機上の熱間圧延鋼は、高い機械的強度と低い密度を有する。

下記の一般的重量組成の鋼において：
０．０４％≦炭素≦０．５％、
０．０５％≦マンガン≦３％、
硬化元素として：
０．０１％≦ニオビウム≦０．１％、
０．０１％≦チタン≦０．２％、
０．０１％≦バナジウム≦０．２％、
を単体または組み合わせで、
および／または変態温度に作用する元素として、
０．０００５％≦ホウ素≦０．００５％、
０．０５％≦ニッケル≦２％、
０．０５％≦クロム≦２％、
０．０５％≦モリブデン≦２％、
を単体または組み合わせで含有し、残りが鉄と製錬に固有の元素である鋼は、
２％≦ケイ素≦１０％、
１％≦アルミニウム≦１０％、
を有する。

本発明による鋼板の炭素含有率は、０．０４から０．５重量％、好適には０．０４から０．３重量％である。炭素含有率に応じた鋼の構造変化は図２から５に示され、本発明による鋼の構造（図２から４）が大きな粒の一次フェライトと、カーバイド相ともっと小さな粒の微細二次フェライトの混合とから成ることを示している。炭素含有率が０．０４％未満になると、微小構造にカーバイド相が含まれず、機械的特性が失われる。反対に、炭素含有率が重量で０．５％を超えると、構造はきわめてもろくなり、微小構造にもはや一次フェライトが含まれていないのが観察される（図５参照）。

理論に結びつけるつもりはないが、この独自の微小構造が得られたのは、炭素、ケイ素およびアルミニウムの含有率の組み合わせによるものと思われる。それによって優れた機械的特性に達することができる。なぜなら、本発明による鋼は、図１に示した如く、ケイ素およびアルミニウムおよび添加元素の含有率によって、６２０ＭＰａから１０００ＭＰａを超える機械的強度レベルと、７．５５程度から７ｇ／ｃｍ³まで下がる密度とに達することが可能である。

機械的特性は、ニオビウム、チタン、バナジウムのような微小合金元素の添加によって強化できるが、チタンとバナジウムは鉄よりも密度が低いものである。

本発明による鋼板は、適切ないっさいの方法によって製造できるものである。

しかしながら、本発明による方法を用いることが望ましい。この方法は、熱間圧延に先立って、まず（好適には９００℃を超える）高温でスラブを再加熱することを含む。本発明者らは、この再加熱過程の際に、スラブが、高温で形成され、オーステナイト相と共存する、一次と呼ばれるフェライト相で構成される微小構造を有することを発見した。

圧延終了温度がオーステナイト相単独について計算されたＡＲ３の値を超えたままになるように熱間圧延して、オーステナイト条件で圧延を実現する。

オーステナイト相が、カーバイド相と二次フェライトとの混合物にこのとき完全に変態されることが認められるが、該二次フェライトの平均粒度は、残存する一次フェライト相の平均粒度未満である。

オーステナイト条件での圧延を保証できるような変態温度ＡＲ３を得るために、炭素−マンガンの組を有利に選択するものとする。

本発明の様々な分析をまとめた次の表１は、鋼の特性に対する様々な元素の影響を示している。
鋳造Ａ、Ｃ、Ｆ、ＨおよびＬは比較のためのものであり、一方、鋳造Ｂ、Ｄ、Ｅ、Ｇ、Ｉ、ＪおよびＫは本発明によるものである。

表１に示されたデータは、アルミニウム単体では、鋼の低い密度と前記鋼の高い強度レベルとを同時に得ることはできないことを示している。

参照記号Ｅの鋼の例において、圧延温度が８９５℃、コイル温度が６００℃、冷却速度が４９℃／秒のとき、鋼に７５０ＭＰａの機械的強度が与えられる。コイル温度を下げることによって機械的強度レベルを上げることができる。

コイル温度が２０℃、冷却速度が５℃／秒の、参照記号Ｂの鋼の例の場合は、９０２ＭＰａの機械的強度レベルに達することができる。

８７０℃の温度での圧延、１２０℃の温度でのコイリング、冷却速度１３０℃／秒で実現した、参照記号Ｃの鋼について、冷却速度を上げると、機械的強度が１２９６ＭＰａの鋼が得られる。

機械的強度レベルは、炭素およびマンガンおよび／または前述のようなその他の添加元素の含有率によっても調節できる。特定の作業、例えば、再圧延または焼き鈍しなどの熱処理を用いて、機械的性質のレベルを変更したり、調節したりすることができる。

本発明によれば、提案された鋼は、一方では高い機械的性質と、他方では低い密度という、熱間圧延鋼分野の矛盾する二つの要求に応えるものである。機械的強度レベルが極めて高い鋼を実現するための既存の解決法は、添加元素の使用に基づくものであって、密度の大きな変動ができず、また、密度が低い鋼を実現するための既存の解決法は、添加元素の使用に基づくものであって、高い機械的強度レベルに達することができない。

本発明の鋼は、自動車に使用できる部品の軽量化のために、これら二つの性質、すなわち、高い機械的強度レベルときわめて低い密度とを組み合わせている。

ケイ素、アルミニウムおよび／またはケイ素＋アルミニウムの含有率に応じた、鋼の密度の変化を示すグラフ 炭素を０．０４％含む本発明による鋼の微小構造（鋳造Ｉ）を示す図 炭素を０．１６０％含む本発明による鋼の微小構造（鋳造Ｊ）を示す図 炭素を０．２６８％含む本発明による鋼の微小構造（鋳造Ｋ）を示す図 炭素を０．５０５％含む、比較のための鋼の微小構造（鋳造Ｌ）を示す図

Claims (7)

1. 超高強度低密度の熱間圧延鋼板において、質量％で表したその組成が：
   ０．０４％≦炭素≦０．５％、
   ０．０５％≦マンガン≦３％、
   ２％≦ケイ素≦１０％、
   １％≦アルミニウム≦１０％、
   残部が、鉄及び不可避的不純物であり、
   前記鋼板が、一次フェライト相と二次フェライト相で構成されるミクロ組織を有し、前記一次フェライト相の平均粒度が前記二次フェライト相の平均粒度を超え、前記ミクロ組織がカーバイド相も含有しており、
   前記一次フェライト相が熱間圧延の前に実施された、オーステナイト−フェライト二相域での鋼の再加熱の際に得られ、前記二次フェライト相が熱間圧延の結果として得られることを特徴とする熱間圧延鋼板。
2. 前記組成が、
   ０．０４％≦炭素≦０．３％、
   ０．０８％≦マンガン≦３％、
   ２％≦ケイ素≦６％、
   １％≦アルミニウム≦１０％、
   であることを特徴とする、請求項１に記載の熱間圧延鋼板。
3. ケイ素含有率が３から６％であること、および、アルミニウム含有率が１から２％であることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱間圧延鋼板。
4. ケイ素およびアルミニウム含有率が、Ｓｉ％＋Ａｌ％≧９であることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱間圧延鋼板。
5. 前記一次フェライト相が５μｍを超える平均粒度を有すること、および、前記二次フェライト相が２μｍ未満の平均粒度を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱間圧延鋼板。
6. −請求項１から４のいずれか一項に記載の組成のスラブをオーステナイト−フェライト二相域で再加熱し、それによって、そのミクロ組織に一次フェライト相とオーステナイト相が含まれるスラブを形成することから成る過程と、
   −ついで、オーステナイト域での圧延を実現するために、再加熱の際に形成されたオーステナイト相のＡｒ３点を超える熱間圧延終了温度で、前記スラブを熱間圧延し、それによってオーステナイト相を二次フェライト相とカーバイド相に変態することから成る過程と、
   を含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の熱間圧延鋼板の製造方法。
7. 請求項１から５のいずれか一項に記載の熱間圧延鋼板または請求項６に記載の方法によって得られる熱間圧延鋼板の、自動車製造のための使用方法。

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