JP5126399B2 - 伸びフランジ性に優れた高強度冷延鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
しかし、使用する鋼板の高強度化にともない、プレス成形性が低下する。とくに伸びフランジ性が大きく低下する傾向にある。このため、プレス成形性、とくに伸びフランジ性に優れた高強度鋼板が要求されている。
このように、鋼板の高強度化には、C,Si等の合金元素の多量添加を伴う場合が多く、このような場合にはプレス成形性の低下とともに、化成処理性やスポット溶接性の低下を伴う。そこで、伸びフランジ性などのプレス成形性の向上とともに、自動車車体用として要求される化成処理性、スポット溶接性を確保するために、とくにC量およびSi量を適正範囲に調整することも要求されている。
また、特許文献5に記載された技術では、ベイナイト分率が低く優れた曲げ特性を安定して確保できないという問題を残していた。また、焼鈍時の昇温速度が速いため、組織の安定性に欠けるという問題もある。
また、特許文献7に記載された技術では、C,Mn,Ti含有量が高く、溶接性が低下するという問題がある。また、Mn含有量が高いため、伸びフランジ性に悪影響を及ぼすMnバンドが残存し、さらに介在物の球状化が不十分であるため、伸びフランジ性が低下するという問題を残している。
(1)mass%で、C:0.050〜0.090%、Si:0.05%以下、Mn:1.5〜2.0%、P:0.030%以下、S:0.0050%以下、Al:0.005〜0.1%、N:0.01%以下、Ti:0.005〜0.050%、Nb:0.020〜0.080%を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、体積%で、50〜59%のフェライト相と、20〜45%のベイナイト相と、2〜10%のマルテンサイト相と、1〜5%の残留オーステナイト相からなる組織と、を有することを特徴とする伸びフランジ性に優れた高強度冷延鋼板。
(2)(1)において、前記組成に加えてさらに、mass%で、Ca:0.0001〜0.0050%を含有することを特徴とする高強度冷延鋼板。
(3)鋼素材に、熱延工程と、冷延工程と、焼鈍工程と、を順次施して、冷延鋼板とするにあたり、前記鋼素材を、mass%で、C:0.050〜0.090%、Si:0.05%以下、Mn:1.5〜2.0%、P:0.030%以下、S:0.0050%以下、Al:0.005〜0.1%、N:0.01%以下、Ti:0.005〜0.050%、Nb:0.020〜0.080%を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の鋼素材とし、前記焼鈍工程を、最高到達温度:800〜900℃とし二段階の加熱と二段階の冷却とを有する工程とし、前記二段階の加熱が、50℃から平均昇温速度:0.5〜5.0 ℃/sで、(最高到達温度−50℃)〜(最高到達温度−10℃)の温度域の第一段の加熱到達温度まで加熱する第一段の加熱と、該温度域から前記最高到達温度までの昇温時間を30〜150sとする第二段の加熱とからなり、前記二段階の冷却が、前記最高到達温度から、平均冷却速度:10〜40℃/sの第一段冷却速度で冷却する第一段の冷却と、引続き、平均冷却速度:(0.2〜0.8)×第一段冷却速度の冷却速度で、400〜500℃の温度域の冷却停止温度まで、第一段の冷却と第二段の冷却の総冷却時間の0.2〜0.8の冷却時間で冷却する第二段の冷却とからなり、前記第二段の冷却終了後、400℃〜500℃の温度域で100〜1000s滞留させること、を特徴とする伸びフランジ性に優れた高強度冷延鋼板の製造方法。
(4)(3)において、前記鋼素材が前記組成に加えてさらに、mass%で、Ca:0.0001〜0.0050%を含有することを特徴とする高強度冷延鋼板の製造方法。
C:0.050〜0.090%
Cは、鋼中に固溶してあるいは炭化物として析出して、鋼の強度を増加させる元素であり、また、焼入れ性の増加を介して、低温変態相であるベイナイト相やマルテンサイト相を形成しやすくし、組織強化により、鋼板の強度増加に寄与する。このような作用を利用して、引張強さTS590MPa以上を確保するためには、0.050%以上の含有を必要とする。一方、0.090%を超える含有は、スポット溶接性に悪影響を及ぼすとともに、過度に硬質化するため、伸びフランジ性を低下させる。このようなことから、Cは0.050〜0.090%の範囲に限定した。なお好ましくは0.060〜0.080%である。
Siは、多量に含有すると硬質化し、加工性が低下する。また、Siを多量に含有すると、とくに焼鈍時にSi酸化物を生成し、化成処理性を阻害するなどの悪影響を及ぼす。このようなことから、Siは、本発明では不純物として、できるだけ低減することが望ましく、0.05%以下に限定した。
Mnは、固溶して鋼の強度を増加させるとともに、焼入れ性の向上を通じて鋼の強度増加に寄与する元素である。このような作用は、1.5%以上の含有で顕著となる。一方、2.0%を超える過度の含有は、焼入れ性が向上して低温変態相の生成量が増加しすぎ、過度の硬質化が進み、所望のフェライト相分率を確保することが難しくなる。このため、Mnは1.5〜2.0%の範囲に限定した。なお、好ましくは1.6〜1.9%である。
Pは、粒界に偏析して、延性や靭性を低下させる悪影響を及ぼす。また、Pは、スポット溶接性を低下させる。このため、Pはできるだけ低減することが望ましいが、過度の低減は脱リンのための精錬時間が長くなり、生産能率が低下し、製造コストの高騰を招くため、0.001%以上とすることが好ましい。また、0.030%を超える含有は、スポット溶接性の著しい低下を招く。このため、Pは0.030%以下に限定した。なお、好ましくは0.001%以上0.020%未満である。
Sは、鋼中ではほとんどが介在物として存在し強度にほとんど寄与しないばかりか、粗大なMnSを形成し、延性、とくに伸びフランジ成形時に割れの起点となり伸びフランジ性を低下させるため、できるだけ低減することが好ましい。しかし、過度の低減は製鋼工程での脱硫時間が長くなり、生産能率が低下し、製造コストの高騰を招くため、0.0001%以上とすることが好ましい。0.0050%を超えて含有すると、伸びフランジ性が顕著に低下するため、Sは0.0050%以下に限定した。なお、好ましくは、0.0001〜0.0030%である。
Alは、脱酸剤として作用する元素であり、この効果を十分に得るためには0.005%以上の含有を必要とする。一方、0.1%を超えて含有すると、フラッシュバット溶接などの溶接性を低下させるとともに、Al添加効果が飽和し、多量添加のため製造コストが高騰する。このため、Alは0.005〜0.1%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.02〜0.06%である。
Nは、本発明では不純物であるが、固溶Nとして耐時効性を低下させることもあり、できるだけ低減することが好ましいが、過度の低減は精錬時間が長くなり、製造コストの高騰を招くため、経済性の観点からは0.0020%程度以上とすることが好ましい。一方、0.01%を超える含有は、スラブ割れ、スラブ内部欠陥等の発生傾向が強まり、表面疵が発生する恐れがある。このため、Nは0.01%以下に限定した。なお、好ましくは0.0050%以下である。
Tiは、炭窒化物を形成し、スラブ加熱時等のオーステナイト粒の粗大化を抑制する作用を有する元素であり、熱延板組織、焼鈍後の鋼板組織の微細化、均一化に有効に寄与する。このような効果を得るためには、0.005%以上の含有を必要とする。一方、0.050%を超える含有は、析出物がフェライト相中に過度に生成し、フェライト相の延性を低下させる。またTiの更なる過度の含有は、熱延板を過度に硬化させ、熱間圧延時や冷間圧延時の圧延負荷を増大させる。このため、Tiは0.005〜0.050%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.010〜0.0040%である。
Nbは、鋼中に固溶し固溶強化により、あるいは炭窒化物を形成し析出強化により鋼板の強度増加に寄与する元素であり、このような効果を得るためには0.020%以上の含有を必要とする。一方、0.080%を超える過度の含有は、析出物がフェライト相中に過度に生成し、フェライト相の延性を低下させるとともに、熱延板を過度に硬化させ、熱間圧延時や冷間圧延時の圧延負荷を増大させる。このため、Nbは0.020〜0.08%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.030〜0.050%である。
Ca:0.0001〜0.0050%
Caは、介在物の形態制御に有効に寄与する元素であり、例えばMnSなどの板状介在物を球状介在物であるCaSへと、介在物の形態を制御して、延性、伸びフランジ性を向上させる。このような効果は0.0001%以上の含有で認められるが、0.0050%を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなる。このため、含有する場合には、Caは0.0001〜0.0050%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.0005〜0.0020%である。
つぎに、本発明冷延鋼板の組織限定理由について説明する。
本発明冷延鋼板は、体積%で、50〜59%のフェライト相と、20〜45%のベイナイト相と、2〜10%のマルテンサイト相と、1〜5%の残留オーステナイト相からなる組織を有する。
フェライト相は、軟質であり冷延鋼板の延性(伸び)の向上に寄与する。このような効果を得るためには、フェライト相の体積分率を50%以上とする必要がある。一方、59%を超える多量な含有は、所望の高強度(TS:590MPa以上)を確保できなくなる。このため、フェライト相の体積分率は50〜59%の範囲に限定した。また、フェライト相の結晶粒径が大きすぎると、低温変態相が局在し、不均一変形の原因となり、優れた成形性を確保することが困難となる。一方、フェライト相の結晶粒径が細かくなると、低温変態相とフェライトとが隣接し、フェライト相の変形が阻害され、優れた成形性を確保できにくくなる。そのため、フェライト相の平均結晶粒径は1〜10μmの範囲とすることが好ましい。
ベイナイト相は、低温変態相の一つであり、所望の高強度を確保するために、本発明では20%以上の含有を必要とする。一方、45%を超える過度の含有は、過度に硬質化し成形性が低下する。このため、ベイナイト相の体積分率は20〜45%の範囲に限定した。また、ベイナイト相の平均結晶粒径が10μmを超えて大きくなると、組織が不均一組織となり、成形時に不均一な変形を生じ、優れた成形性を確保することが困難となる。一方、ベイナイト相の平均結晶粒径が1μm未満と細かくなると、加工時の変形能に及ぼすベイナイト相の寄与が大きくなり、フェライト相の変形が阻害され、優れた成形性を確保できにくくなる。そのため、ベイナイト相の平均結晶粒径は1〜10μmの範囲とすることが好ましい。
マルテンサイト相は、低温変態相として硬質であり、鋼板の強度増加に大きく寄与する。しかし、打抜剪断加工時に、マルテンサイト相とフェライト相の硬度差に起因してマルテンサイト相とフェライト相との界面でボイドが多数発生し、それらのボイドが連結し、亀裂になりさらにその亀裂が伸展し割れに至る。このため、多量のマルテンサイト相の存在は、伸びフランジ性を低下させることになる。マルテンサイト相の体積分率が10%を超えて大きくなると、強度が高くなりすぎ、延性が著しく低下するとともに、マルテンサイト相とフェライト相との界面が増加し、優れた伸びフランジ性の確保が難しくなる。一方、マルテンサイト相の体積分率が2%未満と少なくなると、組織中の分散が粗くなるため伸びフランジ性への影響は少なくなるが、所望の高強度を安定して確保できなくなる。このようなことから、マルテンサイト相の体積分率は、2〜10%の範囲に限定した。なお、好ましくは4〜8%である。
残留オーステナイト相は、成形加工時に歪誘起変態を介し延性(均一伸び)の向上に寄与する。しかし、残留オーステナイト相には、Cが濃化し硬質となっており、フェライト相との硬度差が大きくなっている。このため、残留オーステナイト相の存在は伸びフランジ性を低下させる要因となる。残留オーステナイト相が5%を超えて多くなると、フェライト相との硬度差に起因して、打抜剪断加工時に、残留オーステナイト相とフェライト相との界面でボイドが多数発生し、それらのボイドが連結し、亀裂となりさらにその亀裂が伸展し割れに至る。一方、残留オーステナイト相の体積分率が1%未満と少なくなると、組織中の分散が粗くなるため、伸びフランジ性への影響は少なくなるが、延性の向上が少ない。このようなことから、残留オーステナイト相の体積分率は1〜5%の範囲に限定した。なお、好ましくは1〜3%である。
なお、フェライト相、ベイナイト相、マルテンサイト相等の平均結晶粒径は、光学顕微鏡(倍率:200〜1000倍)で20視野以上観察し、組織を同定したのち、JIS法に準拠した切断法や画像解析により算出すればよい。
上記した組成の鋼素材に、熱延工程と、冷延工程と、焼鈍工程と、あるいはさらに調質圧延工程と、を順次施して、冷延鋼板とする。
鋼素材の製造方法はとくに限定する必要はなく、上記した組成の溶鋼を、転炉法、電炉法等の常用の溶製方法で溶製し、連続鋳造法等の、常用の鋳造方法でスラブ等の鋼素材とすることが好ましい。鋼素材の鋳造方法は、成分のマクロな偏析を防止すべく違続鋳造法とすることが望ましいが、造塊法、薄スラブ鋳造法によってもなんら問題はない。
得られた鋼素材はついで、熱延工程を施されるが、熱間圧延のための加熱は、いったん室温まで冷却し、その後再加熱する方法に加えて、室温まで冷却しないで、温片のままで加熱炉に装入する、あるいはわずかの保熱を行った後に直ちに圧延する直送圧延・直接圧延などの省エネルギープロセスも問題なく適用できる。
最高到達温度が800℃未満では、加熱時のα→γ変態量が少なく、したがって、最高到達温度に到達した際の組織がフェライトが多いフェライト+オーステナイト二相組織となるため、最終的に得られる鋼板組織がフェライト相の組織分率が多くなりすぎて、所望の高強度を確保できなくなる。一方、最高到達温度が900℃を超えると、オーステナイト(γ)単相となり、γ結晶粒が粗大化するため、その後の冷却に際し生成するフェライト相の組織分率が少なくなり加工性が低下するとともに、生成するフェライト相や低温変態相の結晶粒径が粗大となりやすく、伸びフランジ性が低下する。このようなことから、最高到達温度は800〜900℃の範囲の温度に限定した。
加熱後の冷却は、二段階の冷却とする。冷却は、軟質なフェライト相と硬質なベイナイト相の組織分率を調整し、引張強さTS:590MPa以上の高強度と優れた加工性を兼備させるために重要である。このため、冷却は、所望の金属組織を確保することができるように、冷却パターン、すなわち冷却速度、冷却時間を厳密に調整する必要がある。二段階の冷却は、第一段の冷却とそれに続く、第一段の冷却より緩冷の第二段の冷却とからなる。第一段の冷却と第二段の冷却はフェライト相とベイナイト相の組織分率を調整するために重要となる。
第二段冷却速度が0.2×(第一段冷却速度)未満では、冷却が遅すぎて軟質なフェライト相の生成が促進され、ベイナイト相の組織分率が低くなり、所望の高強度を確保できなくなる。一方、0.8×(第一段冷却速度)を超えると、冷却が速すぎてベイナイト変態開始から終了までに滞留する時間が短くなり、ベイナイト相の組織分率が低くなり、所望の高強度を確保できなくなる。このため、第二段冷却速度を0.2〜0.8×(第一段冷却速度)の範囲に限定した。本発明では、所望のフェライト相とベイナイト相の分率を確保するため、第一段の冷却と第二段の冷却の冷却時間を配分する。
表1に示す組成の溶鋼を、転炉で溶製し、連続鋳造法でスラブ(鋼素材)とした。これら鋼素材(スラブ)を出発素材とし、1200℃に加熱したのち、仕上圧延終了温度:900℃、巻取温度:600℃とする熱間圧延を施し熱延板とする熱延工程を施した。ついで、該熱延板に塩酸酸洗を施したのち、冷間圧延を施し冷延板とする冷延工程と、それに引続き、表2に示す条件の二段階の加熱、二段階の冷却を有する焼鈍処理を施す焼鈍工程を施し、板厚:1.4mmの冷延焼鈍板を得た。
(1)組織観察試験
得られた冷延鋼板から組織観察用試験片を採取し、圧延方向断面を研磨し、腐食(ナイタール液)して、板厚の1/4の位置について、光学顕微鏡(倍率:1000倍)または走査型電子顕微鏡(倍率:3000倍)で視野数:5視野以上を観察し、撮像した。得られた組織写真から、組織の同定を行うとともに、各相の粒径、組織分率(体積%)を求めた。
また、倍率:1000倍の組織写真を用いて、画像解析装置で任意に設定した100×100mmの正方形領域内に存在する各相の占有面積を求め、各相の組織分率(体積%)に換算した。オーステナイト相からの低温変態相であるベイナイト相、マルテンサイト相の区別は、倍率:3000倍の組織写真を用いて、フェライト相以外の低温変態相において、炭化物が観察される相をベイナイト相とし、炭化物が観察されず平滑な相として観察されたものをマルテンサイト相あるいは残留オーステナイト相とした。なお、残留オーステナイト量はX線回折により求めた。そして、フェライト相、ベイナイト相、残留オーステナイト相以外の残りをマルテンサイト相の組織分率とした。
(2)引張試験
得られた冷延鋼板から、圧延方向と直角方向が引張方向となるように、JIS Z 2201の規定に準拠してJIS5号引張試験片を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を行い、引張特性(降伏強さYS、引張強さTS、伸びEl)を求めた。
(3)穴拡げ試験
得られた冷延鋼板から試験片(大きさ:100×100mm)を採取し、日本鉄鋼連盟規格 JFST1001の規定に基づき、穴拡げ試験を実施した。試験片に初期直径d0:10mmφの穴を打抜き、該穴に頂角:60°の円錐ポンチを挿入し上昇させて、該穴を押し広げ、亀裂が板厚を貫通したところで、円錐ポンチの上昇を停止し、亀裂貫通後の打抜き穴の径dを測定し、穴拡げ率λ(%)を求めた。穴拡げ率λは、次式で算出した。
なお、同一鋼板について、試験は3回行い、その平均値を該鋼板の穴拡げ率λとした。
(4)曲げ試験
得られた冷延鋼板から曲げ試験片(大きさ:40×50mm)を採取し、先端曲げ半径R=1.0mmで90°V曲げを実施し、曲げ頂点での割れの有無を目視観察し、曲げ性を評価した。
焼鈍工程における昇温速度が遅く本発明範囲を外れる比較例(鋼板No.10)、最高到達温度が高く本発明範囲を外れる比較例(鋼板No.13)、第二段加熱の昇温時間が長く本発明範囲を外れる比較例(鋼板No.15)、第一段の冷却の冷却速度が速く本発明範囲を外れる比較例(鋼板No.17)、第二段の冷却の冷却速度が大きく本発明範囲を外れる比較例(鋼板No.19)、第二段の冷却の冷却時間が短く本発明範囲を外れる比較例(鋼板No.20)、第二段冷却停止温度が高く本発明範囲を外れる比較例(鋼板No.23)、滞留時間が本発明範囲を外れる比較例(鋼板No.24,No.25)、はいずれもフェライト相の組織分率が少なく、伸びフランジ性が低下している。また、滞留時間が長く本発明範囲を外れる比較例(鋼板No.25)は、ベイナイト相の組織分率が本発明の範囲を外れ、伸びフランジ性が低下している。
Claims (4)
- mass%で、
C:0.050〜0.090%、 Si:0.05%以下、
Mn:1.5〜2.0%、 P:0.030%以下、
S:0.0050%以下、 Al:0.005〜0.1%、
N:0.01%以下、 Ti:0.005〜0.050%、
Nb:0.020〜0.080%
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、体積%で、50〜59%のフェライト相と、20〜45%のベイナイト相と、2〜10%のマルテンサイト相と、1〜5%の残留オーステナイト相からなる組織と、を有することを特徴とする伸びフランジ性に優れた高強度冷延鋼板。 - 前記組成に加えてさらに、mass%で、Ca:0.0001〜0.0050%を含有することを特徴とする請求項1に記載の高強度冷延鋼板。
- 鋼素材に、熱延工程と、冷延工程と、焼鈍工程と、を順次施して、冷延鋼板とするにあたり、前記鋼素材を、mass%で、
C:0.050〜0.090%、 Si:0.05%以下、
Mn:1.5〜2.0%、 P:0.030%以下、
S:0.0050%以下、 Al:0.005〜0.1%、
N:0.01%以下、 Ti:0.005〜0.050%、
Nb:0.020〜0.080%
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の鋼素材とし、
前記焼鈍工程を、最高到達温度:800〜900℃とし二段階の加熱と二段階の冷却とを有する工程とし、前記二段階の加熱が、50℃から平均昇温速度:0.5〜5.0℃/sで、(最高到達温度−50℃)〜(最高到達温度−10℃)の温度域の第一段の加熱到達温度まで加熱する第一段の加熱と、該温度域から前記最高到達温度までの昇温時間を30〜150sとする第二段の加熱とからなり、前記二段階の冷却が、前記最高到達温度から、平均冷却速度:10〜40℃/sの第一段冷却速度で冷却する第一段の冷却と、引続き、平均冷却速度:(0.2〜0.8)×第一段冷却速度の冷却速度で、400〜500℃の温度域の冷却停止温度まで、第一段の冷却と第二段の冷却の総冷却時間の0.2〜0.8の冷却時間で冷却する第二段の冷却とからなり、前記第二段の冷却終了後、400℃〜500℃の温度域で100〜1000s滞留させること、を特徴とする伸びフランジ性に優れた高強度冷延鋼板の製造方法。 - 前記鋼素材が、前記組成に加えてさらに、mass%で、Ca:0.0001〜0.0050%を含有することを特徴とする請求項3に記載の高強度冷延鋼板の製造方法。
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