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JP2016056425A - 高強度鋼板 - Google Patents

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JP2016056425A JP2014185084A JP2014185084A JP2016056425A JP 2016056425 A JP2016056425 A JP 2016056425A JP 2014185084 A JP2014185084 A JP 2014185084A JP 2014185084 A JP2014185084 A JP 2014185084A JP 2016056425 A JP2016056425 A JP 2016056425A
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Abstract

【課題】引張強さが1100MPa以上と高強度であっても、母材の低温靭性と延性に優れ、更には耐摩耗性にも優れた鋼板を提供する。
【解決手段】鋼中成分が、規定の成分組成を満たし、規定の式(1)で表されるA値が0.0015以下であると共に、規定の式(3)で表されるE値が0.95以上であり、かつ鋼板表面から深さ2mmの位置のブリネル硬さHBW(10/3000)が360以上、440以下である1100MPa以上の高強度鋼板。
【選択図】なし

Description

本発明は高強度鋼板に関する。特には、低温靭性と延性に優れた引張強さ1100MPa以上の高強度鋼板に関する。本発明の高強度鋼板は、建設機械、産業機械などの用途に用いられる厚鋼板として好適に用いられる。
建設機械や産業機械などに用いられる厚鋼板は、近年の軽量化のニーズ増加に伴い、より高強度の性能が要求される。また、上記用途に用いられる厚鋼板には、寒冷地での使用を考慮して高い母材靭性、特には母材の低温靭性も要求されるが、一般に、強度と靭性は相反する傾向にあり、高強度になるにつれ靭性は低下する。強度や母材靭性等を高めた技術としては、例えば下記の特許文献1〜4が挙げられる。
特許文献1には、引張強さ1100MPa級以上の高強度を維持しつつ、低温靭性に優れた鋼板の技術が示されている。この特許文献1では、Al、Nの含有量を管理し介在物を低減させることによって、高強度・高靭性化を図っている。
特許文献2にも、引張強さ1100MPa級の高強度を維持しつつ、低温靭性に優れた鋼板の技術が示されている。この特許文献2では、Cを0.20%以上添加し、かつ圧延加熱温度を制御してγ粒を微細にすることにより、高強度・高靭性化を図っている。
特許文献3には、引張強さ1100MPa級の高強度を維持しつつ、溶接性に優れた鋼板の技術が記載されている。この特許文献3では、希土類元素を添加することによって上記溶接性を確保している。
また特許文献4には、引張強さ1100MPa級の高強度を維持しつつ、低温靭性に優れた鋼板の技術が示されている。この特許文献4では、炭素等量Ceqと焼入れ性を管理することにより、所期の目的を達成している。
特開昭63−169359号公報 特開平9−118950号公報 特開昭56−14127号公報 特開2005−179783号公報
厚鋼板には、建設機械等の製作時の曲げ加工等を考慮して高い延性も、高強度や高い低温靭性と共に要求される。上記特許文献1〜4には、鋼板の強度と低温靭性、溶接性等を高め得たことは記載されているが、延性については考慮されておらず、延性の向上手段も開示されていない。
更に、建設機械や産業機械などに用いられる厚鋼板には、耐摩耗性に優れることも要求される。一般的に、厚鋼板の耐摩耗性と硬さとは相関があり、摩耗が懸念される厚鋼板では硬さを高める必要がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、引張強さが1100MPa以上と高強度であっても、低温靭性および延性に優れ、更には耐摩耗性にも優れた鋼板を提供することにある。以下では、上記「低温靭性」を単に「靭性」ということがある。
上記課題を解決し得た本発明の高強度鋼板は、鋼中成分が、質量%で、
C:0.13〜0.17%、
Si:0.1〜0.5%、
Mn:1.0〜1.5%、
P:0%超0.02%以下、
S:0%超0.0020%以下、
Cr:0.50〜1.0%、
Mo:0.20〜0.6%、
Al:0.030〜0.085%、
B:0.0003〜0.0030%、
Nb:0%以上0.030%以下、および
N:0%超0.0060%以下を満たし、
残部:鉄および不可避不純物であり、かつ、
下記式(1)で表されるA値が0.0015以下であると共に、
下記式(3)で表されるE値が0.95以上であり、かつ、
鋼板表面から深さ2mmの位置のブリネル硬さHBW(10/3000)が360以上、440以下である点に特徴を有する引張強さが1100MPa以上の高強度鋼板である。
A値=10D×[S]…(1)
式(1)において、[S]は質量%での鋼中S含有量を示し、Dは下記式(2)で表される値である。
D=0.1×[C]+0.07×[Si]−0.03×[Mn]+0.04×[P]−0.06×[S]+0.04×[Al]−0.01×[Ni]+0.10×[Cr]+0.003×[Mo]−0.020×[V]−0.010×[Nb]+0.15×[B]
…(2)
式(2)において、[ ]は質量%での鋼中各元素含有量を示す。
E値=1.16×([C]/10)0.5×(0.7×[Si]+1)×(3.33×[Mn]+1)×(0.35×[Cu]+1)×(0.36×[Ni]+1)×(2.16×[Cr]+1)×(3×[Mo]+1)×(1.75×[V]+1)×(200×[B]+1)/(0.1×t)…(3)
式(3)において、[ ]は質量%での鋼中各元素含有量を示し、tはmmで表される板厚を示す。
前記高強度鋼板の鋼中成分は、更に他の元素として、質量%で、Cu:0%超1.5%以下、V:0%超0.20%以下、およびNi:0%超1.0%以下よりなる群から選択される1種以上の元素を含んでいてもよい。
本発明の高強度鋼板は上記のように構成されているため、引張強さが1100MPa以上の高強度鋼板であっても、低温靭性および延性に優れ、更には耐摩耗性にも優れている。
本発明者らは、建設機械等の製作時に必要な良好な曲げ加工性を確保するには、延性の一つの指標となる引張試験時の絞り(Reduction of Area、RA)を60%以上とすればよいことをまず見出し、このRA≧60%を、高強度および優れた低温靭性と共に達成できる鋼板を得るべく鋭意研究を重ねた。その結果、鋼中成分の各含有量を適切に制御すると共に、後述するA値とE値が共に規定の範囲を満たすようにすれば、鋼中成分の各含有量のみを規定する場合よりも低温靭性と延性を更に高め得ること、言い換えれば、所望の特性を得るには、鋼中各成分と共に、下記のA値とE値も併せて適切に制御する必要があることを見出し、本発明に想到した。以下、本発明の鋼中成分から説明する。
C:0.13〜0.17%
Cは、母材(鋼板)の強度および硬さを確保するために必要不可欠な元素である。このような作用を有効に発揮させるため、C量の下限を0.13%以上とする。C量は好ましくは0.135%以上である。但し、C量が過剰になると母材のブリネル硬さHBWが440を超えるため、C量の上限を0.17%以下とする。C量の好ましい上限は0.165%以下、より好ましくは0.160%以下である。
Si:0.1〜0.5%
Siは脱酸作用を有すると共に、母材の強度向上に有効な元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Si量の下限を0.1%以上とする。Si量の好ましい下限は0.20%以上であり、より好ましくは0.25%以上である。しかし、Si量が過剰になると溶接性が劣化するため、Si量の上限を0.5%以下とする。Si量の好ましい上限は0.40%以下である。
Mn:1.0〜1.5%
Mnは、母材の強度向上に有効な元素であり、このような作用を有効に発揮させるため、Mn量の下限を1.0%以上とする。Mn量の好ましい下限は1.10%以上である。しかし、Mn量が過剰になると溶接性が劣化するため、Mn量の上限を1.5%以下とする。Mn量の好ましい上限は1.4%以下であり、より好ましい上限は1.3%以下である。
P:0%超0.02%以下
Pは、鋼材中に不可避的に含まれる元素であり、P量が過剰になると靭性が劣化するため、P量の上限を0.02%とする。P量は出来るだけ少ない方が良く、P量の好ましい上限は0.015%以下であり、より好ましくは0.010%以下である。尚、Pをゼロとすることは困難であるため下限は0%超である。
S:0%超0.0020%以下
Sは、鋼材中に不可避的に含まれる元素であり、S量が多すぎるとMnSを多量に生成し、靭性が劣化するため、S量の上限を0.0020%以下とする。S量は出来るだけ少ない方が良く、S量の好ましい上限は0.0015%以下である。尚、Sをゼロとすることは困難であるため下限は0%超である。
Cr:0.50〜1.0%
Crは、母材の強度向上に有効な元素であり、このような作用を有効に発揮させるため、Cr量の下限を0.50%以上とする。Cr量の好ましい下限は0.55%以上であり、より好ましい下限は0.60%以上である。一方、Cr量が多すぎると溶接性が劣化するため、Cr量の上限を1.0%以下とする。Cr量の好ましい上限は0.90%以下であり、より好ましい上限は0.85%以下である。
Mo:0.20〜0.6%
Moは、母材の強度および硬さの向上に有効な元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Mo量の下限を0.20%以上とする。Mo量の好ましい下限は0.25%以上である。しかし、Mo量が多すぎると溶接性が劣化するため、Mo量の上限を0.6%以下とする。Mo量の好ましい上限は0.55%以下であり、より好ましい上限は0.50%以下である。
Al:0.030〜0.085%
Alは脱酸に用いられる元素であり、このような作用を有効に発揮させるため、Al量の好ましい下限を0.030%以上とする。しかし、Al量が多すぎると、粗大なAl系介在物を形成し、靭性を劣化させるため、Al量の上限を0.085%以下とする。Al量の好ましい上限は0.080%以下である。
B:0.0003〜0.0030%
Bは焼入れ性を高め、母材および溶接部(HAZ部)の強度向上に有効な元素である。このような作用を有効に発揮させるため、B量の下限を0.0003%以上とする。B量の好ましい下限は0.0005%以上である。しかし、B量が過剰になると炭硼化物が析出し靭性を劣化させるため、B量の上限を0.0030%以下とする。B量の好ましい上限は0.0020%以下であり、より好ましい上限は0.0015%以下である。
Nb:0%以上0.030%以下
Nbは、スラブ加熱時に固溶し、圧延冷却後再加熱した際に、微細なニオブ炭化物として析出することによりオーステナイト粒を微細化させ、靭性を高めるのに有効な元素である。該効果を十分発揮させるには、Nbを0.005%以上含有させることが好ましく、より好ましくは0.010%以上である。しかし、Nb量が多すぎると、析出物が粗大化し、かえって靭性を劣化させるため、Nb量の上限を0.030%以下とする。Nb量の好ましい上限は0.025%以下である。
N:0%超0.0060%以下
Nは、鋼材中に不可避的に含まれる元素であり、N量が多すぎると固溶Nの存在により靭性が劣化するため、N量の上限を0.0060%以下とする。N量は出来るだけ少ない方が良く、N量の好ましい上限は0.0055%以下、より好ましい上限は0.0050%以下である。尚、Nをゼロとすることは困難であるため下限は0%超である。
本発明の高強度鋼板は、上記鋼中成分を満足し、残部:鉄および不可避不純物である。母材の強度と靭性をより高めるため、更に下記量の、Cu、V、およびNiよりなる群から選択される1種以上の元素を含んでいてもよい。これらの元素は、単独で用いてもよいし2種以上を併用してもよい。
Cu:0%超1.5%以下
Cuは、母材の強度と靭性の向上に有効な元素である。このような作用を有効に発揮させるには、Cu量の下限を0.05%以上とすることが好ましく、0.10%以上とすることがより好ましい。しかし、Cu量が過剰になると溶接性が劣化するため、Cu量の上限は1.5%以下とすることが好ましい。Cu量の上限は、より好ましくは1.4%以下であり、更に好ましくは1.0%以下である。
V:0%超0.20%以下
Vは、母材の強度と靭性の向上に有効な元素である。このような作用を有効に発揮させるため、V量の下限を0.01%以上とすることが好ましく、0.02%以上とすることがより好ましい。しかし、V量が過剰になると溶接性が劣化するため、V量の上限を0.20%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.18%以下、更に好ましくは0.15%以下である。
Ni:0%超1.0%以下
Niは、母材の強度と靭性の向上に有効な元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Ni量の下限は0.05%以上とすることが好ましく、0.10%以上とすることがより好ましい。しかし、Ni量が過剰になると溶接性が劣化するため、Ni量の上限を1.0%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.8%以下である。
なお、本発明の高強度鋼板はTiを含まない。Tiを添加すると、1100MPa以上の高強度域における靭性および延性が低下するためである。
[下記式(1)で表されるA値が0.0015以下]
A値=10D×[S]…(1)
式(1)において、[S]は質量%での鋼中S含有量を示し、Dは下記式(2)で表される値である。
D=0.1×[C]+0.07×[Si]−0.03×[Mn]+0.04×[P]−0.06×[S]+0.04×[Al]−0.01×[Ni]+0.10×[Cr]+0.003×[Mo]−0.020×[V]−0.010×[Nb]+0.15×[B]
…(2)
上記式(1)を設定した経緯は次の通りである。まず、鋼板の靭性や延性を高めるための手段について鋭意研究を行ったところ、特にMnSの生成を抑制することが有効であることに想到した。そして、MnS生成を抑制する観点から、鋼中S量の抑制と共に、S以外の元素についてもMnS生成し易さの観点から検討を行い、本発明者らは、各元素がMnS生成に影響を及ぼす程度を係数で示し、上記式(1)の通り定式化した。
この様にして得られた上記式(1)で表されるA値と;靭性および延性と;の間には相関があることも見出し、そして本発明者らは更に、後述する実施例で評価の通り、所望の低温靭性や延性を達成するためのA値の範囲について検討した。その結果、該A値を0.0015以下とすればよいことを見出した。上記A値は、好ましくは0.00140以下であり、より好ましくは0.00130以下、更に好ましくは0.00120以下である。A値の下限値は特に限定されないが、本発明で規定の成分組成を考慮すれば、おおよそ0.00050程度となる。尚、以下では、上記式(1)における10Dを「F値」と表現することがある。
[下記式(3)で表されるE値が0.95以上]
E値=1.16×([C]/10)0.5×(0.7×[Si]+1)×(3.33×[Mn]+1)×(0.35×[Cu]+1)×(0.36×[Ni]+1)×(2.16×[Cr]+1)×(3×[Mo]+1)×(1.75×[V]+1)×(200×[B]+1)/(0.1×t)…(3)
式(3)において、[ ]は質量%での鋼中各元素含有量を示し、tはmmで表される板厚を示す。
式(3)は、焼入性を示すDIを、板厚を考慮して規定した式であり、板厚に応じてDIを制御すべく規定した式である。本発明者らは、上記式(3)で表されるE値と;特に強度および低温靭性と;の間に相関があることを見出し、後述する実施例で評価の通り、所望の強度や低温靭性を達成するためのE値の範囲について検討した。その結果、上記E値を0.95以上とすれば所望の強度や低温靭性を達成できることを見出した。上記E値は、好ましくは1.00以上、より好ましくは1.05以上である。尚、E値の上限値は特に限定されないが、本発明で規定の成分組成を考慮すれば、おおよそ4.0程度となる。
本発明の高強度鋼板は、更に耐摩耗性に優れるものであるが、そのためには、鋼板表面から深さ2mmの位置のブリネル硬さHBW(10/3000)が360以上を満たす必要がある。前記「鋼板表面から深さ2mmの位置」とは、鋼板表面から板厚方向に深さ2mmの位置をいう。上記ブリネル硬さは、好ましくは365以上、より好ましくは370以上である。一方、上記ブリネル硬さが高すぎると、延性及び低温靭性の低下を引き起こすため、上限を440以下とした。上記ブリネル硬さは、好ましくは435以下、より好ましくは430以下である。尚、上記(10/3000)とは、ブリネル硬さの測定条件として、直径10mmの超高合金球で3000kgfの圧力を加えたことを示す。
以上、本発明を特徴付ける鋼中成分、A値、E値、およびブリネル硬さについて説明した。尚、本明細書において厚鋼板とは、板厚が6mm以上のものを意味する。
本明細書において「低温靭性」、「延性」はそれぞれ、母材の低温靭性、母材の延性を示す。本明細書において「低温靭性に優れた」とは、後記する実施例に記載の通りvE-40≧50Jを満足することを意味する。また曲げ加工を良好に行うには、上述の通り、延性の一つの指標となる引張試験時の絞りを60%以上とすればよいことを本発明者らは見出した。つまり本明細書において「延性に優れた」とはRA≧60%を満足することを意味する。また「耐摩耗性に優れた」とは、鋼板表面から深さ2mmの位置のブリネル硬さHBW(10/3000)が、360以上、440以下であることを意味する。
本発明の鋼板を得るための製造方法は特に限定されず、本発明の成分組成を満足する溶鋼を用い、熱間圧延、焼入れを行うことによって製造することができる。前記熱間圧延は、通常の条件(1000℃以上の加熱温度、圧延温度、圧下率)に従って行えばよい。前記焼入れは、十分な焼入れ性を確保するために、鋼板を880℃以上に加熱して行うことが好ましい。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
表1の成分組成の鋼材を用い、熱間圧延、焼入れを行って、表2に示す板厚の厚鋼板を製造した。表2におけるF値は、規定の式(1)における10Dの値である。
前記熱間圧延は、下記の通り1000〜1200℃に加熱して下記条件で行い、表2に示す厚さの熱間圧延板を得た。
(熱間圧延の条件)
加熱温度 :1000〜1200℃
仕上げ温度:800〜1100℃
冷却方法 :空冷
次に、Ac点以上に加熱した後、焼入れ(Q)して厚鋼板(Q鋼板)を製造した。
このようにして得られた各鋼板について、以下の特性を評価した。
(1)引張強さと延性
上記のようにして得られた各鋼板から、JIS Z 2201に規定の4号試験片を採取し、JIS Z 2201に規定の方法で引張試験を行い、引張強さ及び破断時の絞りを測定した。表2において引張強さを「TS」、絞りを「RA」と示す。本実施例では、TSが1100MPa以上のものを高強度に優れる(合格)とし、RAが60%以上のものを母材の延性に優れる(合格)と評価した。
(2)低温靭性
上記のようにして得られた各鋼板の板厚t/4位置から、JIS Z 2242に規定の2mmVノッチ試験片をL方向にて3本採取した。そして、該試験片を用いてJIS Z 2242に規定の方法でシャルピー衝撃試験を行い、−40℃での吸収エネルギーを測定した。表2において−40℃での吸収エネルギーを「vE-40」と示す。そして本実施例では、上記3本のvE-40の平均値が50J以上のものを母材の低温靭性に優れる(合格)と評価した。
(3)ブリネル硬さ
上記のようにして得られた各鋼板の、表面から板厚方向に深さ2mmの位置のブリネル硬さを測定した。詳細には、鋼板表面を削り、鋼板表面から深さ2mmであって鋼板表面に平行な面を測定面とした。そして、JIS Z 2243に準拠し、直径10mmの超高合金球で3000kgfの圧力を加えて測定した。測定は3回行い、その平均値を算出した。本実施例では、このようにして得られたブリネル硬さ(平均値)が、360以上、440以下のものを耐摩耗性に優れる(合格)と評価した。
これらの結果を表2に示す。
Figure 2016056425
Figure 2016056425
表1および表2の実験No.1〜10は、本発明で規定の成分組成、A値およびE値を満たしているため、TS≧1100MPaの高強度であるにもかかわらず、低温靭性および延性の両方に優れていた。更にブリネル硬さも適切に制御されているため、耐摩耗性にも優れていた。
これに対し、下記例は以下の不具合を抱えている。
試験No.11は、Cr量が不足してE値も低いため、強度が不足し、かつ低温靭性が低下した。
試験No.12は、C量が過剰であり、かつCr量が不足してE値も低いため、ブリネル硬さが上限を上回り、延性と低温靭性が低下した。尚、この試験No.12はE値が低いが、C量が過剰であるため、引張強さは1100MPa以上になったと思われる。
試験No.13〜15は、Cr量が不足しかつE値が低いため、強度不足であると共に低温靭性も低下した。尚、試験No.15は、B量が過剰であるため、低温靭性がかなり劣る結果となった。
試験No.16および24は、S量が過剰でありかつA値も上限を超えているため、延性と低温靭性が低下した。
試験No.17は、S量およびNb量が過剰であり、A値も上限を超えているため、延性と低温靭性が低下した。
試験No.18〜20は、A値が上限を超えているため、延性と低温靭性が低下した。
試験No.21は、Nb量およびN量が過剰であり、A値が上限を超えているため、延性と低温靭性が低下した。
試験No.22と23は、鋼中各元素含有量とE値は規定範囲内にあるが、A値が上限を超えているため、延性と低温靭性が低下した。
試験No.25は、鋼中各元素含有量とA値は規定範囲内にあるが、E値が下限値を下回っているため、強度と低温靭性に劣る結果となった。

Claims (2)

  1. 鋼中成分が、質量%で、
    C:0.13〜0.17%、
    Si:0.1〜0.5%、
    Mn:1.0〜1.5%、
    P:0%超0.02%以下、
    S:0%超0.0020%以下、
    Cr:0.50〜1.0%、
    Mo:0.20〜0.6%、
    Al:0.030〜0.085%、
    B:0.0003〜0.0030%、
    Nb:0%以上0.030%以下、および
    N:0%超0.0060%以下を満たし、
    残部:鉄および不可避不純物であり、かつ、
    下記式(1)で表されるA値が0.0015以下であると共に、
    下記式(3)で表されるE値が0.95以上であり、かつ、
    鋼板表面から深さ2mmの位置のブリネル硬さHBW(10/3000)が360以上、440以下であることを特徴とする引張強さが1100MPa以上の高強度鋼板。
    A値=10D×[S]…(1)
    式(1)において、[S]は質量%での鋼中S含有量を示し、Dは下記式(2)で表される値である。
    D=0.1×[C]+0.07×[Si]−0.03×[Mn]+0.04×[P]−0.06×[S]+0.04×[Al]−0.01×[Ni]+0.10×[Cr]+0.003×[Mo]−0.020×[V]−0.010×[Nb]+0.15×[B]
    …(2)
    式(2)において、[ ]は質量%での鋼中各元素含有量を示す。
    E値=1.16×([C]/10)0.5×(0.7×[Si]+1)×(3.33×[Mn]+1)×(0.35×[Cu]+1)×(0.36×[Ni]+1)×(2.16×[Cr]+1)×(3×[Mo]+1)×(1.75×[V]+1)×(200×[B]+1)/(0.1×t)…(3)
    式(3)において、[ ]は質量%での鋼中各元素含有量を示し、tはmmで表される板厚を示す。
  2. 前記鋼中成分は、更に他の元素として、質量%で、
    Cu:0%超1.5%以下、
    V:0%超0.20%以下、および
    Ni:0%超1.0%以下
    よりなる群から選択される1種以上の元素を含む請求項1に記載の高強度鋼板。
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