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JP6569845B1 - 高炭素熱延鋼板およびその製造方法 - Google Patents

高炭素熱延鋼板およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

優れた冷間加工性および優れた焼入れ性(ズブ焼入れ性、浸炭焼入れ性)を有する高炭素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。質量%で、C:0.10%以上0.20%未満、Si:0.5%以下、Mn:0.25〜0.65%、P:0.03%以下、S:0.010%以下、sol.Al:0.10%以下、N:0.0065%以下、Cr:0.05〜0.50%、B:0.0005〜0.005%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、フェライトとセメンタイトからなるミクロ組織を有し、さらに全セメンタイト数に対する円相当直径0.1μm以下のセメンタイト数の割合が12%以下であり、鋼板中に固溶しているCr量が0.03〜0.50%であり、硬さがHRBで73以下、全伸びが37%以上である高炭素熱延鋼板。

Description

本発明は、冷間加工性および焼入れ性(ズブ焼入れ性および浸炭焼入れ性)に優れる高炭素熱延鋼板およびその製造方法に関する。
現在、トランスミッション、シートリクライナーなどの自動車用部品は、JIS G4051に規定された機械構造用炭素鋼鋼材および機械構造用合金鋼鋼材である熱延鋼板(高炭素熱延鋼板)を、冷間加工によって所望の形状に加工した後、所望の硬さを確保するために焼入れ処理を施して製造されることが多い。このため、素材となる熱延鋼板には優れた冷間加工性や焼入れ性が必要とされ、これまでに種々の鋼板が提案されている。
例えば、特許文献1には、重量%で、C:0.15〜0.9%、Si:0.4%以下、Mn:0.3〜1.0%、P:0.03%以下、T.Al:0.10%以下、さらにCr:1.2%以下、Mo:0.3%以下、Cu:0.3%以下、Ni:2.0%以下のうち1種以上あるいはTi:0.01〜0.05%、B:0.0005〜0.005%、N:0.01%以下を含有することを特徴とし、球状化率80%以上、平均粒径0.4〜1.0μmの炭化物がフェライト中に分散した組織をもつ精密打抜き用高炭素鋼板が記載されている。
また、特許文献2には、質量%でC:0.2%以上、Ti:0.01〜0.05%、B:0.0003〜0.005%を含有することを特徴とし、炭化物の平均粒径が1.0μm以下、かつ0.3μm以下の炭化物の比率が20%以下である加工性を改善した高炭素鋼板が記載されている。
また、特許文献3には、質量%で、C:0.10〜1.2%、Si:0.01〜2.5%、Mn:0.1〜1.5%、P:0.04%以下、S:0.0005〜0.05%、Al:0.2%以下、Te:0.0005〜0.05%、N:0.0005〜0.03%、さらにSb:0.001〜0.05%、加えてCr:0.2〜2.0%、Mo:0.1〜1.0%、Ni:0.3〜1.5%、Cu:1.0%以下、B:0.005%以下のうち1種以上を含有し、フェライトとパーライトを主体とする組織からなり、フェライト結晶粒度が11番以上であることを特徴とする冷間加工性と低脱炭性を改善した機械構造用鋼が記載されている。
また、特許文献4には、質量%で、C:0.20〜0.40%、Si:0.10%以下、Mn:0.50%以下、P:0.03%以下、S:0.010%以下、sol.Al:0.10%以下、N:0.005%以下、B:0.0005〜0.0050%を含有し、さらにSb、Sn、Bi、Ge、Te、Seのうち1種以上を合計で0.002〜0.03%含有し、フェライトとセメンタイトからなり、前記フェライト粒内のセメンタイト密度が0.10個/μm以下であるミクロ組織を有し、硬さがHRBで75以下、全伸びが38%以上であることを特徴とする焼入れ性および加工性に優れる高炭素熱延鋼板が記載されている。
また、特許文献5には、質量%で、C:0.20〜0.48%、Si:0.10%以下、Mn:0.50%以下、P:0.03%以下、S:0.010%以下、sol.Al:0.10%以下、N:0.005%以下、B:0.0005〜0.0050%を含有し、さらにSb、Sn、Bi、Ge、Te、Seのうち1種以上を合計で0.002〜0.03%含有し、フェライトとセメンタイトからなり、前記フェライト粒内のセメンタイト密度が0.10個/μm2以下であるミクロ組織を有し、硬さがHRBで65以下、全伸びが40%以上であることを特徴とする焼入れ性および加工性に優れる高炭素熱延鋼板が記載されている。
また、特許文献6には、質量%で、C:0.20〜0.40%、Si:0.10%以下、Mn:0.50%以下、P:0.03%以下、S:0.010%以下、sol.Al:0.10%以下、N:0.005%以下、B:0.0005〜0.0050%を含有し、さらにSb、Sn、Bi、Ge、Te、Seのうち1種以上を合計で0.002〜0.03%含有し、B含有量に占める固溶B量の割合が70%以上であり、フェライトとセメンタイトからなり、前記フェライト粒内のセメンタイト密度が0.08個/μm以下であるミクロ組織を有し、硬さがHRBで73以下、全伸びが39%以上であることを特徴とする高炭素熱延鋼板が記載されている。
また、特許文献7には、質量%で、C:0.15〜0.37%、Si:1%以下、Mn:2.5%以下、P:0.1%以下、S:0.03%以下、sol.Al:0.10%以下、N:0.0005〜0.0050%、B:0.0010〜0.0050%、およびSb、Snのうち少なくとも1種:合計で0.003〜0.10%を含有し、かつ0.50≦(14[B])/(10.8[N])の関係を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、フェライト相とセメンタイトからなり、フェライト相の平均粒径が10μm以下、セメンタイトの球状化率が90%以上であるミクロ組織を有し、全伸びが37%以上あることを特徴とする高炭素熱延鋼板が記載されている。
特開2009−299189号公報 特開2005−344194号公報 特許第4012475号公報 特開2015−017283号公報 特開2015−017284号公報 WO2015/146173号公報 特許第5458649号公報
特許文献1に記載される技術は、精密打抜き性に関するものであり、炭化物の分散形態が精密打抜き性及び焼入れ性に及ぼす影響を記載している。特許文献1では、平均炭化物粒径を0.4〜1.0μmに制御し、球状化率を80%以上とすることで、精密打抜き性と焼入れ性を改善する鋼板が得られることを記載している。しかし、冷間加工性に関する議論はなく、また浸炭焼入れ性に関する記載もない。
特許文献2に記載される技術は、炭化物平均粒径だけでなく、0.3μm以下の微細炭化物が加工性に影響することに注目し、炭化物の平均粒径を1.0μm以下に制御し、加えて0.3μm以下の炭化物割合を20%以下に制御することで、加工性を改善した鋼板が得られることを記載している。しかし、特許文献2はC量が0.20%以上の範囲について述べており、C量が0.20%未満の範囲については検討していない。
特許文献3に記載される技術は、成分組成を調整することで、冷間加工性と耐脱炭性を改善した鋼が得られることを記載している。しかしながら、特許文献3には、ズブ焼入れ性、浸炭焼入れ性に関する記載はない。
特許文献4〜6に記載される技術は、B、さらにSb、Sn、Bi、Ge、Te、Seのうち1種以上を合計で0.002〜0.03%含有することで浸窒防止効果の高く、例えば窒素雰囲気で焼鈍した場合においても、浸窒を防止し、固溶Bが所定量維持されることで焼入れ性を高くすることを記載されている。しかしながら、いずれもC量が0.20%以上である。
特許文献7に記載される技術では、C:0.15〜0.37%でBとSb、Snの1種以上を含有することで焼入れ性の高い鋼を提案している。しかしながら、浸炭焼入れ性といった、より高い焼入れ性については検討されていない。
本発明は上記問題に鑑み、優れた冷間加工性および優れた焼入れ性(ズブ焼入れ性、浸炭焼入れ性)を有する高炭素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。
本発明者らは、上記課題を達成するため、鋼の成分組成として、Cr、Bを含有し、あるいはCr、Bに加えて、好ましくはTiおよび/またはSb、Snのうち1種以上を含有した高炭素熱延鋼板の製造条件と、冷間加工性および焼入れ性(ズブ焼入れ性、浸炭焼入れ性)との関係について鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
i)焼入れ前の高炭素熱延鋼板における硬度(硬さ)、全伸び(以下、単に伸びと称する場合もある)には、円相当直径が0.1μm以下のセメンタイトが大きく影響しており、円相当直径が0.1μm以下のセメンタイト数を全セメンタイト数に対して12%以下とすることで、硬さがHRBで73以下、全伸び(El)が37%以上を得ることができる。
ii)窒素雰囲気で焼鈍を施す場合、雰囲気中の窒素が浸窒して鋼板中に濃化し、鋼板中のCrやBと結合してCr窒化物やB窒化物を生成し、これにより鋼板中の固溶Cr量や固溶B量が低下する場合がある。そのため、本発明では、窒素雰囲気で焼鈍を施す場合、より高い焼入れ性(高い浸炭焼入れ性)が求められる鋼板に対して、SbとSnの少なくとも1種を鋼中に所定量添加する。これにより、上述の浸窒を防止し、固溶Cr量の低下を抑制することで、より高い焼入れ性(高い浸炭焼入れ性)を確保することが可能である。
iii)熱間粗圧延後、仕上圧延終了温度:Ar変態点以上の仕上げ圧延を行い、その後20〜100℃/secの平均冷却速度で700℃まで冷却し、巻取温度:580℃超〜700℃で巻き取った後、Ac変態点未満で保持することで、所定の組織を確保できる。もしくは、巻き取り後、Ac変態点以上Ac3変態点以下に加熱して0.5h以上保持し、次いで1〜20℃/hの平均冷却速度でAr変態点未満に冷却して、Ar変態点未満で20h以上保持するといった2段焼鈍により、所定の組織を確保できる。
本発明は以上の知見に基づいてなされたものであり、以下を要旨とするものである。
[1]質量%で、C:0.10%以上0.20%未満、Si:0.5%以下、Mn:0.25〜0.65%、P:0.03%以下、S:0.010%以下、sol.Al:0.10%以下、N:0.0065%以下、Cr:0.05〜0.50%、B:0.0005〜0.005%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、フェライトとセメンタイトからなるミクロ組織を有し、さらに全セメンタイト数に対する円相当直径0.1μm以下のセメンタイト数の割合が12%以下であり、鋼板中に固溶しているCr量が0.03〜0.50%であり、硬さがHRBで73以下、全伸びが37%以上である高炭素熱延鋼板。
[2]質量%で、さらに、Ti:0.06%以下を含有する[1]に記載の高炭素熱延鋼板。
[3]質量%で、さらに、Sb、Snのうち少なくとも1種を合計で0.002〜0.03%を含有する[1]または[2]に記載の高炭素熱延鋼板。
[4]前記フェライトの平均粒径が5〜15μmである[1]〜[3]のいずれかに記載の高炭素熱延鋼板。
[5]質量%で、さらに、Nb:0.0005〜0.1%、Mo:0.0005〜0.1%、Ta:0.0005〜0.1%、Ni:0.0005〜0.1%、Cu:0.0005〜0.1%、V:0.0005〜0.1%、W:0.0005〜0.1%のいずれか1種または2種以上を含有する[1]〜[4]のいずれかに記載の高炭素熱延鋼板。
[6][1]〜[5]のいずれかに記載の高炭素熱延鋼板の製造方法であって、鋼を熱間粗圧延後、仕上圧延終了温度:Ar変態点以上で仕上圧延を行い、その後平均冷却速度:20〜100℃/secで700℃まで冷却し、巻取温度:580℃超〜700℃で巻き取り常温まで冷却した後、焼鈍温度:Ac変態点未満で保持する高炭素熱延鋼板の製造方法。
[7][1]〜[5]のいずれかに記載の高炭素熱延鋼板の製造方法であって、鋼を熱間粗圧延後、仕上圧延終了温度:Ar変態点以上で仕上圧延を行い、その後平均冷却速度:20〜100℃/secで700℃まで冷却し、巻取温度:580超〜700℃で巻き取り常温まで冷却した後、Ac変態点以上Ac変態点以下に加熱して0.5h以上保持し、次いで1〜20℃/hの平均冷却速度でAr変態点未満に冷却して、Ar変態点未満で20h以上保持する高炭素熱延鋼板の製造方法。
本発明によれば、冷間加工性および焼入れ性(ズブ焼入れ性、浸炭焼入れ性)に優れた高炭素熱延鋼板を得られる。そして、本発明により製造した高炭素熱延鋼板を、素材鋼板として冷間加工性が必要とされるシートリクライナーやドアラッチ、および駆動系向けなどの自動車用部品に適用することにより、安定した品質が要求される自動車用部品の製造に大きく寄与でき、産業上格段の効果を奏する。
以下に、本発明の高炭素熱延鋼板およびその製造方法について詳細に説明する。
1)成分組成
本発明の高炭素熱延鋼板の成分組成と、その限定理由について説明する。なお、以下の成分組成の含有量の単位である「%」は、特に断らない限り「質量%」を意味するものとする。
C:0.10%以上0.20%未満
Cは、焼入れ後の強度を得るために重要な元素である。C量が0.10%未満の場合、成形した後の熱処理によって所望の硬さが得られないため、C量は0.10%以上にする必要がある。しかし、C量が0.20%以上では硬質化し、靭性や冷間加工性が劣化する。したがって、C量は0.10%以上0.20%未満とする。形状が複雑でプレス加工の難しい部品の冷間加工に用いる場合には、C量は0.18%以下、さらには0.15%未満とすることが好ましい。
Si:0.5%以下
Siは、固溶強化により強度を上昇させる元素である。Si量の増加とともに硬質化し、冷間加工性が劣化するため、Si量は0.5%以下とする。好ましくは0.45%以下、さらに好ましくは0.40%以下である。
Mn:0.25〜0.65%
Mnは、焼入れ性を向上させるとともに、固溶強化により強度を上昇させる元素である。0.25%未満になるとズブ焼入れ性および浸炭焼入れ性ともに低下し始めるため、Mn量は0.25%以上とする。好ましくは0.30%以上である。一方、Mn量が0.65%を超えると、Mnの偏析に起因したバンド組織が発達し、組織が不均一になり、かつ固溶強化により鋼が硬質化し冷間加工性が低下する。したがって、Mn量は0.65%以下とする。好ましくは0.55%以下である。
P:0.03%以下
Pは、固溶強化により強度を上昇させる元素である。P量が0.03%を超えて増加すると粒界脆化を招き、焼入れ後の靭性が劣化する。また、冷間加工性も低下させる。したがって、P量は0.03%以下とする。優れた焼入れ後の靭性を得るには、P量は0.02%以下が好ましい。Pは冷間加工性および焼入れ後の靭性を低下させるため、P量は少ないほど好ましい。しかしながら、過度にPを低減すると精錬コストが増大するため、P量は0.005%以上が好ましい。より好ましくは0.007%以上である。
S:0.010%以下
Sは、硫化物を形成し、高炭素熱延鋼板の冷間加工性および焼入れ後の靭性を低下させるため、低減しなければならない元素である。S量が0.010%を超えると、高炭素熱延鋼板の冷間加工性および焼入れ後の靭性が著しく劣化する。したがって、S量は0.010%以下とする。優れた冷間加工性および焼入れ後の靭性を得るには、S量は0.005%以下が好ましい。Sは、冷間加工性および焼入れ後の靭性を低下させるため、S量は少ないほど好ましい。しかしながら、過度にSを低減すると精錬コストが増大するため、S量は0.0005%以上が好ましい。
sol.Al:0.10%以下
sol.Al量が0.10%を超えると、焼入れ処理の加熱時にAlNが生成されてオーステナイト粒が微細化し過ぎる。これにより、冷却時にフェライト相の生成が促進され、組織がフェライトとマルテンサイトとなり、焼入れ後の硬さが低下する。したがって、sol.Al量は、0.10%以下とする。好ましくは0.06%以下とする。なお、sol.Alは、脱酸の効果を有しており、十分に脱酸するためには、0.005%以上とすることが好ましい。
N:0.0065%以下
N量が0.0065%を超えると、AlNの形成により焼入れ処理の加熱時にオーステナイト粒が微細化し過ぎ、冷却時にフェライト相の生成が促進され、焼入れ後の硬さが低下する。したがって、N量は、0.0065%以下とする。より好ましくは0.0060%以下である。さらに好ましくは、0.0050%以下である。なお、下限はとくに規定しないが、Nは、AlN、Cr系窒化物およびB窒化物を形成する。これにより、焼入れ処理の加熱時にオーステナイト粒の成長を適度に抑制して、焼入れ後の靭性を向上させる元素である。このため、N量は0.0005%以上が好ましい。
Cr:0.05〜0.50%
本発明では、Crは、焼入れ性を高める重要な元素である。0.05%未満の含有の場合、十分な効果が認められないため、Cr量を0.05%以上とする必要がある。また、鋼中のCr量が0.05%未満であると、特に浸炭焼入れにおいて表層でフェライトが発生しやすくなり、完全焼入れ組織が得られず、硬度低下が起きる。高い焼入れ性を確保する観点から、好ましくは0.10%以上である。一方、Cr量が0.50%を超えると、焼入れ前の鋼板が硬質化して、冷間加工性が損なわれる。このため、Cr量は0.50%以下とする。なお、プレス成形の難しい高加工を必要とする部品を加工する際には、より一層優れた冷間加工性を必要とするため、Cr量は0.45%以下が好ましく、0.35%以下がより好ましい。
B:0.0005〜0.005%
本発明では、Bは、焼入れ性を高める重要な元素である。B量が0.0005%未満の場合、十分な効果が認められないため、B量は0.0005%以上とする必要がある。好ましくは0.0010%以上である。一方、B量が0.005%超えの場合、仕上圧延後のオーステナイトの再結晶が遅延し、結果として熱延鋼板の集合組織が発達し、焼鈍後の異方性が大きくなり、絞り成形において耳が発生しやすくなる。このため、B量は0.005%以下とする。好ましくは0.004%以下である。
本発明において、上記以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
以上の必須含有元素で、本発明の高炭素熱延鋼板は目的とする特性が得られる。なお、本発明の高炭素熱延鋼板は、例えば高強度化(硬度)や冷間加工性や焼入れ性をさらに向上させることを目的として、必要に応じて下記の元素を含有することができる。
Ti:0.06%以下
Tiは、焼入れ性を高めるために有効な元素である。CrおよびBの含有のみでは焼入れ性が不十分な場合に、Tiを含有することで、焼入れ性を向上させることができる。Ti量が0.005%未満では、その効果が認められないため、Tiを含有する場合、0.005%以上とする。より好ましくは0.007%以上である。一方、Ti量が0.06%を超えて含有すると、焼入れ前の鋼板が硬質化して冷間加工性が損なわれるため、Tiを含有する場合、0.06%以下とする。より好ましくは0.04%以下である。
Sb、Snのうち少なくとも1種を合計で0.002〜0.03%
Sb、Snは、鋼板表層からの浸窒抑制に有効な元素である。これら元素の1種以上の合計が0.002%未満の場合、十分な効果が認められないため、含有する場合は0.002%以上とする。より好ましくは0.005%以上である。一方、これらの元素の1種以上の合計が0.03%を超えて含有しても、浸窒防止効果は飽和する。また、これらの元素は、粒界に偏析する傾向があるため、合計で0.03%超えとすると、含有量が高くなりすぎ、粒界脆化を引き起こす可能性がある。したがって、Sb、Snのうち少なくとも1種を含有する場合、これらの元素の合計の含有量は、0.03%以下とする。より好ましくは0.02%以下である。
本発明では、Sb、Snのうち少なくとも1種を合計で0.002〜0.03%とすることで、窒素雰囲気で焼鈍した場合でも鋼板表層からの浸窒を抑制し、鋼板表層における窒素濃度の増加を抑制する。このように、本発明によれば、鋼板表層からの浸窒を抑制できるため、窒素雰囲気で焼鈍した場合であっても、焼鈍後の鋼板中に固溶Cr量、固溶B量を適切に確保することができ、これにより高い焼入れ性を得ることができる。
また、さらに、本発明の機械的特性および焼入れ性を安定化させるために、Nb、Mo、Ta、Ni、Cu、V、Wのうち少なくとも1種以上を、所要量含有させてもよい。
Nb:0.0005〜0.1%
Nbは、炭窒化物を形成し、焼入れ前加熱時の結晶粒の異常粒成長の防止や靱性改善、焼戻し軟化抵抗改善に有効な元素である。0.0005%未満では含有させる効果は十分に発現しないため、下限を0.0005%とすることが好ましい。一方で、0.1%を超えると含有させる効果が飽和するだけでなく、Nb炭化物により母材の引張強度の増加に伴い伸びを低下させることになる。このため、上限を0.1%とすることが好ましい。さらに好ましくは0.05%以下であり、最も好ましくは0.03%未満である。
Mo:0.0005〜0.1%
Moは焼入れ性の向上と、焼戻し軟化抵抗性の向上に有効な元素である。0.0005%未満では添加効果が小さいので、下限を0.0005%とする。0.1%を超えると添加効果は飽和し、コストも増加するため、上限を0.1%とする。さらに好ましくは0.05%以下であり、最も好ましくは0.03%未満である。
Ta:0.0005〜0.1%
TaはNbと同様に炭窒化物を形成し、焼入れ前加熱時の結晶粒の異常粒成長防止や結晶粒の粗大化防止、焼戻し軟化抵抗改善に有効な元素である。0.0005%未満では添加効果が小さいので、下限を0.0005%とする。また、0.1%を超えると添加効果が飽和し、またコスト増や過剰な炭化物形成による焼入れ硬度を低下させることになるため、上限を0.1%に規定する。さらに好ましくは0.05%以下であり、最も好ましくは0.03%未満である。
Ni:0.0005〜0.1%
Niは靱性の向上や焼入れ性の向上に効果の高い元素である。0.0005%未満では添加効果がないため、下限を0.0005%とする。0.1%超では、添加効果が飽和する上にコスト増加も招くため、上限を0.1%とする。さらに好ましい範囲は0.05%以下である。
Cu:0.0005〜0.1%
Cuは焼入れ性の確保に有効な元素である。0.0005%未満では添加効果が十分に確認されないため、下限を0.0005%とする。0.1%超では、熱延時の疵が発生しやすくなり歩留りを落とすなど製造性を劣化させるので、上限を0.1%とする。さらに好ましい範囲は0.05%以下である。
V:0.0005〜0.1%
VはNbやTaと同様に、炭窒化物を形成し、焼入れ前加熱時の結晶粒の異常粒成長防止および靱性改善、焼戻し軟化抵抗改善に有効な元素である。0.0005%未満では添加効果は十分に発現しないため、下限を0.0005%とする。0.1%を超えると添加効果が飽和するだけでなく、V炭化物により母材の引張強度の増加に伴い伸びを低下させることになるため、上限を0.1%とする。さらに好ましくは0.05%以下であり、最も好ましくは0.03%未満である。
W:0.0005〜0.1%
WはNb、Vと同様に、炭窒化物を形成し、焼入れ前加熱時のオーステナイト粒の異常粒成長防止や焼き戻し軟化抵抗改善に有効な元素である。0.0005%未満では添加効果が小さいので、下限を0.0005%に規定する。0.1%を超えると添加効果が飽和し、また、コスト増や過剰な炭化物形成による焼入れ硬度を低下させることになるため、上限を0.1%に規定する。さらに好ましくは0.05%以下であり、最も好ましくは0.03%未満である。
2)ミクロ組織
本発明の高炭素熱延鋼板のミクロ組織の限定理由について説明する。
本発明では、ミクロ組織は、フェライトおよびセメンタイトからなる。さらに、円相当直径が0.1μm以下のセメンタイト数の割合が全セメンタイト数に対して12%以下であり、鋼板中に固溶しているCr量が0.03〜0.50%である。また、本発明において、フェライトの平均粒径は5〜15μmであることが好ましい。
なお、本発明において、フェライトの面積率は85%以上が好ましい。フェライトの面積率が85%未満となると成形性が悪くなり、加工度の高い部品で冷間加工が難しくなってくる場合がある。そのため、フェライトの面積率は85%以上が好ましい。
2−1)円相当直径が0.1μm以下のセメンタイト数の割合が、全セメンタイト数に対して12%以下
円相当直径が0.1μm以下のセメンタイト数が多いと分散強化により硬質化し、伸びが低下する。本発明では、円相当直径が0.1μm以下のセメンタイト数を、全セメンタイト数に対して12%以下とすることで、硬さがHRBで73以下、全伸び(El)が37%以上を達成することができる。冷間加工性の観点から、好ましくは、円相当直径が0.1μm以下のセメンタイト数が、全セメンタイト数に対して10%以下である。なお、円相当直径が0.1μm以下のセメンタイト数の割合を定義した理由は、0.1μm以下のセメンタイトでは分散強化能を生じ、その大きさのセメンタイトが増えると冷間加工性に支障をきたすためである。
なお、焼入れ前に存在するセメンタイト径は、円相当直径で0.07〜1.0μm程度である。そのため、析出強化にそれほど影響しないサイズである、焼入れ前の円相当直径が0.1μm超のセメンタイトの分散状態については、特に本発明では規定しない。
本発明の高炭素熱延鋼板の組織は、上記したフェライトとセメンタイト以外に、パーライト、ベイナイトなどの残部組織が生成されてもよい。残部組織の合計の面積率が5%以下であれば、本発明の効果を損ねるものではないため、含有しても構わない。
2−2)鋼板中に固溶しているCr量:0.03〜0.50%
冷却速度の遅いズブ焼入れでは、厚物材でも板厚中心部まで焼入れ組織を確保する観点より、連続冷却変態図に記載されているフェライト変態ノーズをできるだけ長時間側にもっていく必要がある。Crは、セメンタイト中へ溶け込みやすく、かつ鋼中での拡散速度が小さいため、一旦セメンタイト内に溶け込まれると焼入れ時にオーステナイト域まで加熱しても均一に固溶し難い。そのため、鋼板中に固溶しているCr量、すなわち鋼板中の固溶Cr量を0.03%以上確保することで高いズブ焼入れ性を確保でき、かつ高い浸炭焼入れ性も確保することができる。したがって、固溶Cr量は0.03%以上とする。好ましくは0.12%以上である。一方、固溶Cr量が増加するとセメンタイトの球状化が遅くなり、焼鈍時間が長くなり生産性が低下するため、固溶Cr量は0.50%以下とする。好ましくは、固溶Cr量は0.30%以下である。
2−3)フェライトの平均粒径:5〜15μm(好適条件)
フェライトの平均粒径は、5μm未満では冷間加工前の強度が増加し、プレス成形性が劣化する。このため、フェライトの平均粒径は5μm以上が好ましい。一方、フェライトの平均粒径が15μmを超えると、母材強度が低下する。また、目的とする製品形状に成型加工後、焼入れせずに使用する領域では、ある程度母材の強度が必要である。そのため、フェライト平均粒径は、15μm以下とすることが好ましい。より好ましくは6μm以上である。さらに好ましくは12μm以下である。
なお、上述のセメンタイトの円相当直径、フェライトの面積率、固溶Cr量、フェライトの平均粒径は、後述する実施例に記載の方法で測定することができる。
3)機械特性
本発明の高炭素熱延鋼板は、ギア、トランスミッション、シートリクライナーなどの自動車用部品用として、冷間プレスで成形するため、優れた冷間加工性が必要である。また、焼入れ処理により硬さを大きくして、耐磨耗性を付与する必要がある。そのため、本発明の高炭素熱延鋼板は、鋼板の硬さを低減してHRBで73以下とし、かつ伸びを高めて全伸び(El)を37%以上とすることで、優れた冷間加工性を有するとともに、優れた焼入れ性(ズブ焼入れ性、浸炭焼入れ性)を両立させることができる。
なお、上述の硬さ(HRB)、全伸び(El)は、後述する実施例に記載の方法で測定することができる。
4)製造方法
本発明の高炭素熱延鋼板は、上記のような組成の鋼を素材とし、熱間粗圧延後、仕上圧延終了温度:Ar変態点以上で仕上圧延を行い、その後平均冷却速度:20〜100℃/secで700℃まで冷却し、巻取温度:580℃超〜700℃で巻き取り、常温まで冷却した後、Ac変態点未満で保持する焼鈍を行うことにより製造される。または、上記のような組成の鋼を素材とし、熱間粗圧延後、仕上圧延終了温度:Ar変態点以上で仕上圧延を行い、その後平均冷却速度:20〜100℃/secで700℃まで冷却し、巻取温度:580℃超〜700℃で巻き取り、常温まで冷却した後、Ac変態点以上Ac3変態点以下に加熱して0.5h以上保持し、次いで1〜20℃/hの平均冷却速度でAr変態点未満に冷却して、Ar変態点未満で20h以上保持する2段焼鈍により製造される。
以下、本発明の高炭素熱延鋼板の製造方法における限定理由について説明する。なお、説明において、温度に関する「℃」表示は、鋼板表面あるいは鋼素材の表面における温度を表すものとする。
本発明において、鋼素材の製造方法は、特に限定する必要はない。例えば、本発明の高炭素鋼を溶製するには、転炉、電気炉どちらも使用可能である。転炉等の公知の方法で溶製された高炭素鋼は、造塊−分塊圧延または連続鋳造によりスラブ等(鋼素材)とされる。スラブは、通常、加熱された後、熱間圧延(熱間粗圧延、仕上圧延)される。
例えば、連続鋳造で製造されたスラブの場合は、そのままあるいは温度低下を抑制する目的で保熱して、圧延する直送圧延を適用してもよい。また、スラブを加熱して熱間圧延する場合は、スケールによる表面状態の劣化を避けるために、スラブの加熱温度を1280℃以下とすることが好ましい。なお、熱間圧延では、仕上圧延終了温度を確保するため、熱間圧延中にシートバーヒータ等の加熱手段により被圧延材の加熱を行ってもよい。
仕上圧延終了温度:Ar変態点以上で仕上圧延
仕上圧延終了温度がAr変態点未満では、熱間圧延後および焼鈍後に粗大なフェライト粒が形成され、伸びが著しく低下する。このため、仕上圧延終了温度は、Ar変態点以上とする。好ましくは(Ar変態点+20℃)以上とする。なお、仕上圧延終了温度の上限は、特に規定する必要はないが、仕上圧延後の冷却を円滑に行うためには、1000℃以下とすることが好ましい。
また、上述したAr変態点は、フォーマスター試験などによる冷却時の熱膨張測定や電気抵抗測定による実測により決定することができる。
仕上圧延後、平均冷却速度:20〜100℃/secで700℃まで冷却
仕上圧延後、700℃までの平均冷却速度は巻取後の鋼板中の固溶Cr量に影響する。巻取後の焼鈍工程において一部の固溶Crがセメンタイトへ溶解するため、巻取後の段階では所定の固溶Cr量を確保する必要があり、そのためには仕上圧延後、20℃/sec以上で冷却する必要がある。平均冷却速度が20℃/sec未満では仕上圧延後に存在する固溶Crがセメンタイト中に溶解し、所定の固溶Cr量が得られなくなる。好ましくは25℃/sec以上である。一方、平均冷却速度が100℃/secを超えると焼鈍後に所定のサイズを有するセメンタイトが得られにくくなるため、100℃/sec以下とする。
巻取温度:580℃超〜700℃
仕上圧延後の熱延鋼板は、コイル形状に巻き取られる。巻取温度が高すぎると熱延鋼板の強度が低くなり過ぎて、コイル形状に巻き取られた際、コイルの自重で変形する場合がある。このため、操業上の観点から好ましくない。したがって、巻取温度の上限を700℃とする。好ましくは690℃以下である。一方、巻取温度が低すぎると熱延鋼板が硬質化するため、好ましくない。したがって、巻取温度の下限を580℃超とする。好ましくは600℃以上である。
コイル状に巻き取った後、常温まで冷却し、酸洗処理を施しても良い。酸洗処理後、焼鈍を行う。
焼鈍温度:Ac変態点未満で保持
上記のようにして得た熱延鋼板に、焼鈍(セメンタイトの球状化焼鈍)を施す。焼鈍温度がAc変態点以上であると、オーステナイトが析出し、焼鈍後の冷却過程において粗大なパーライト組織が形成され、不均一な組織となる。このため、焼鈍温度は、Ac変態点未満とする。好ましくは(Ac変態点−10℃)以下である。なお、焼鈍温度の下限は特に定めないが、所定のセメンタイト分散状態を得るには、焼鈍温度は600℃以上が好ましく、より好ましくは700℃以上である。なお、雰囲気ガスは、窒素、水素、窒素と水素の混合ガスのいずれも使用できる。また、焼鈍における保持時間は、0.5〜40時間とすることが好ましい。焼鈍温度における保持時間が0.5時間未満であると、焼鈍の効果が乏しく、本発明の目標とする組織が得られず、その結果、本発明の目標とする鋼板の硬さおよび伸びが得られない。したがって、焼鈍温度における保持時間は0.5時間以上が好ましい。より好ましくは5時間以上である。一方、焼鈍温度における保持時間が40時間を超えると、生産性が低下し、製造コストが過大となる。そのため、焼鈍温度における保持時間は、40時間以下とすることが好ましい。より好ましくは35時間以下である。
また、巻き取り後、Ac変態点以上Ac3変態点以下に加熱して0.5h以上保持(1段目の焼鈍)し、次いで1〜20℃/hの平均冷却速度でAr変態点未満に冷却して、Ar変態点未満で20h以上保持(2段目の焼鈍)する2段焼鈍により製造することも可能である。
本発明では、熱延鋼板をAc変態点以上に加熱して0.5h以上保持し、熱延鋼板中に析出していた比較的微細な炭化物を溶解してγ相中に固溶させ、その後1〜20℃/hの平均冷却速度でAr変態点未満に冷却し、Ar変態点未満で20h以上保持することにより、比較的粗大な未溶解炭化物等を核として固溶Cを析出させて、全体のセメンタイト数に対する円相当直径0.1μm以下のセメンタイト数の割合が12%以下となるような、炭化物(セメンタイト)の分散を制御された状態とすることができる。すなわち、本発明では、所定条件で2段焼鈍を施すことで、炭化物の分散形態を制御し、鋼板を軟質化させる。本発明で対象とする高炭素鋼板では、軟質化する上で焼鈍後における炭化物の分散形態を制御することが重要となる。本発明では、高炭素熱延鋼板をAc変態点以上Ac3変態点以下に加熱して保持する(1段目の焼鈍)ことで、微細な炭化物を溶解するとともに、Cをγ(オーステナイト)中に固溶する。その後のAr変態点未満の冷却段階や保持段階(2段目の焼鈍)において、Ac変態点以上の温度域で存在するα/γ界面や未溶解炭化物が核生成サイトとなり、比較的粗大な炭化物が析出する。以下、このような2段焼鈍の条件について説明する。なお、焼鈍の際の雰囲気ガスは、窒素、水素、窒素と水素の混合ガスのいずれも使用できる。
Ac変態点以上Ac3変態点以下に加熱して0.5h以上保持(1段目の焼鈍)
熱延鋼板をAc変態点以上の焼鈍温度に加熱することにより、鋼板組織のフェライトの一部をオーステナイトに変態させ、フェライト中に析出していた微細な炭化物を溶解させ、Cをオーステナイト中に固溶させる。一方、オーステナイトに変態せずに残ったフェライトは高温で焼鈍されるため、転位密度が減少して軟化する。また、フェライト中には溶解しなかった比較的粗大な炭化物(未溶解炭化物)が残存するが、オストワルド成長によりより粗大になる。焼鈍温度がAc変態点未満では、オーステナイト変態が生じないため、炭化物をオーステナイト中に固溶させることができない。また、本発明では、Ac変態点以上での保持時間が0.5h未満では微細な炭化物を十分に溶解することができない、このため、1段目の焼鈍として、Ac変態点以上に加熱して0.5h以上保持することとする。一方、1段目の焼鈍温度がAc3変態点超になると焼鈍後に棒状のセメンタイトが多数得られて所定の伸びが得られないため、Ac3変態点以下とする。また、保持時間は10h以下とすることが好ましい。
平均冷却速度1〜20℃/hでAr変態点未満に冷却
上記した1段目の焼鈍の後、2段目の焼鈍の温度域であるAr変態点未満に、1〜20℃/hの平均冷却速度で冷却する。冷却途中に、オーステナイト→フェライト変態に伴いオーステナイトから吐き出されるCが、α/γ界面や未溶解炭化物を核生成サイトとして、比較的粗大な球状炭化物として析出する。この冷却においては、パーライトが生成しないように冷却速度を調整する必要がある。1段目の焼鈍後、2段目の焼鈍までの冷却速度が、1℃/h未満では生産効率が悪いため、該冷却速度は1℃/h以上とする。一方、20℃/hを超えて大きくなると、パーライトが析出し、硬度が高くなるため、20℃/h以下とする。
Ar変態点未満で20h以上保持(2段目の焼鈍)
上記した1段目の焼鈍後、所定の冷却速度で冷却してAr変態点未満で保持することで、オストワルド成長により、粗大な球状炭化物をさらに成長させ、微細な炭化物を消失させる。Ar変態点未満での保持時間が20h未満では、炭化物を十分に成長させることができず、焼鈍後の硬度が大きくなりすぎる。このため、2段目の焼鈍はAr変態点未満で20h以上保持とする。なお、特に限定するものではないが、2段目の焼鈍温度は炭化物を十分成長させるため660℃以上とすることが好ましく、また、保持時間は生産効率の観点から、30h以下とすることが好ましい。
なお、上述したAc変態点、Ac変態点、Ar変態点、Ar変態点は、フォーマスター試験などによる加熱時、冷却時の熱膨張測定や電気抵抗測定による実測により決定することができる。
表1に示す鋼番A〜Uの成分組成を有する鋼を溶製し、次いで表2に示す製造条件に従って、熱間圧延を行った。次いで、酸洗し、窒素雰囲気中(雰囲気ガス:窒素)で、表2および表3に示す焼鈍温度および焼鈍時間(h)にて焼鈍(球状化焼鈍)を施して、板厚3.0mmの熱延焼鈍板を製造した。
このようにして得られた熱延焼鈍板から試験片を採取し、下記のように、ミクロ組織、固溶Cr量、硬さ、伸びおよび焼入れ硬さを求めた。なお、表1に示すAc変態点、Ac変態点、Ar変態点およびAr変態点はフォーマスター試験により求めたものである。
(1)ミクロ組織
焼鈍後の鋼板のミクロ組織は、板幅中央部から採取した試験片(大きさ:3mmt×10mm×10mm)を切断研磨後、ナイタール腐食を施し、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、板厚中央部の5箇所で3000倍の倍率で撮影した。撮影した組織写真を画像処理により各相(フェライト、セメンタイト、パーライトなど)を特定した。
また、SEM画像から画像解析ソフトを用いて、フェライトとフェライト以外の領域とを二値化して、フェライトの面積率を求めた。
また、撮影した組織写真について、個々のセメンタイト径を評価した。セメンタイト径は、長径と短径を測定し、円相当直径に換算した。円相当直径の値が0.1μm以下のセメンタイトの個数を測定し、円相当直径0.1μm以下のセメンタイトの数とした。また、全セメンタイトの個数を求め、全セメンタイト数とした。そして、全セメンタイト数に対する円相当直径0.1μm以下のセメンタイト数の割合((円相当直径0.1μm以下のセメンタイト数/全セメンタイト数)×100(%))を求めた。なお、この「円相当直径0.1μm以下のセメンタイト数の割合」を、円相当直径0.1μm以下のセメンタイトと単に称する場合もある。
また、撮影した組織写真について、JIS G 0551に定められた結晶粒度の評価方法(切断法)を用いて、フェライトの平均粒径を求めた。
(2)固溶Cr量の測定
下記参考文献に記載されている方法と同じ手法で、固溶Cr量を求めた。
[参考文献]城代哲史、石田智治、猪瀬国生、藤本京子,鉄と鋼,vol.99 (2013) No.5, p.362-365
(3)鋼板の硬さ
焼鈍後の鋼板(原板)の板幅中央部から試料を採取し、ロックウェル硬度計(Bスケール)を用いて表層を5点測定し、平均値を求めて、硬さ(HRB)とした。
(4)鋼板の伸び
焼鈍後の鋼板(原板)から、圧延方向に対して0°の方向(L方向)に切り出したJIS5号引張試験片を用いて、10mm/分で引張試験を行い、破断したサンプルを突き合わせて全伸びを求めた。その結果を、全伸び(El)とした。
(5)焼入れ後の鋼板硬さ(ズブ焼入れ性)
焼鈍後の鋼板の板幅中央から平板試験片(幅15mm×長さ40mm×板厚3mm)を採取し、以下のように70℃油冷により焼入れ処理を施して、焼入れ硬さ(ズブ焼入れ性)を求めた。焼入れ処理は、上記平板試験片を用いて900℃で600s保持して直ちに70℃の油で冷却する方法(70℃油冷)で実施した。焼入れ硬さは、焼入れ処理後の試験片の切断面について、1/4板厚と板厚中央部にてビッカース硬さ試験機で荷重1kgfの条件下で、硬さを5点測定し、平均硬さを求め、これを焼入れ硬さ(HV)とした。
(6)浸炭焼入れ後の鋼板硬さ(浸炭焼入れ性)
焼鈍後の鋼板について、930℃で鋼の均熱、浸炭処理、拡散処理といった浸炭焼入れ処理を合計時間4時間で行い、850℃で30分保持した後、油冷した(油冷の温度:60℃)。鋼板表面からの深さ0.1mmの位置と深さ1.2mmの位置まで0.1mm間隔にて硬さを荷重1kgfの条件下で測定し、浸炭焼入れ時の表層0.1mmの硬さ(HV)と有効硬化層深さ(mm)を求めた。有効硬化層深さとは、熱処理後表面から硬さを測定し、550HV以上となる深さと定義する。
そして、上記(5)、(6)より得られた結果から、表4に示す条件で焼入れ性評価を行った。表4は、焼入れ性が十分であると評価できる、C含有量に応じた焼入れ性の合格規準を表したものである。70℃油冷後硬さ(HV)、浸炭焼入れ時の表層0.1mmの深さにおける硬さ(HV)および有効硬化深さの全てが、表4の規準を満足した場合、合格(記号:○で示す)と判定し、焼入れ性に優れると評価した。一方、いずれかの値が表4に示す規準を満足しない場合、不合格(記号:×で示す)と判定し、焼入れ性に劣ると評価した。
Figure 0006569845
Figure 0006569845
Figure 0006569845
Figure 0006569845
表2および表3の結果より、本発明例の高炭素熱延鋼板は、全セメンタイト数に対する円相当直径0.1μm以下のセメンタイト数の割合が12%以下である、フェライトとセメンタイトからなる組織を有し、硬さがHRBで73以下、全伸び(El)が37%以上であり、冷間加工性に優れるとともに、焼入れ性にも優れていることがわかる。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、組織、硬さ(HRB)、全伸び(El)、冷間加工性、焼入れ性のいずれか1つ以上が、上述の目標性能を満足できない。たとえば、鋼OはC量が本発明範囲よりも低いため、ズブ焼入れ性を満足しない。また、鋼PはC量が本発明範囲よりも高いため、鋼板の硬さ、伸びの特性を満足しない。

Claims (7)

  1. 質量%で、C:0.10%以上0.20%未満、
    Si:0.5%以下、
    Mn:0.25〜0.65%、
    P:0.03%以下、
    S:0.010%以下、
    sol.Al:0.10%以下、
    N:0.0065%以下、
    Cr:0.05〜0.50%、
    B:0.0005〜0.005%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、フェライトとセメンタイトからなるミクロ組織を有し、さらに全セメンタイト数に対する円相当直径0.1μm以下のセメンタイト数の割合が12%以下であり、鋼板中に固溶しているCr量が0.03〜0.50%であり、硬さがHRBで73以下、全伸びが37%以上である高炭素熱延鋼板。
  2. 質量%で、さらにTi:0.06%以下を含有する請求項1に記載の高炭素熱延鋼板。
  3. 質量%で、さらに、Sb、Snのうち少なくとも1種を合計で0.002〜0.03%を含有する請求項1または2に記載の高炭素熱延鋼板。
  4. 前記フェライトの平均粒径が5〜15μmである請求項1〜3のいずれかに記載の高炭素熱延鋼板。
  5. 質量%で、さらに、Nb:0.0005〜0.1%、Mo:0.0005〜0.1%、Ta:0.0005〜0.1%、Ni:0.0005〜0.1%、Cu:0.0005〜0.1%、V:0.0005〜0.1%、W:0.0005〜0.1%のいずれか1種または2種以上を含有する請求項1〜4のいずれかに記載の高炭素熱延鋼板。
  6. 請求項1〜5のいずれかに記載の高炭素熱延鋼板の製造方法であって、鋼を熱間粗圧延後、仕上圧延終了温度:Ar変態点以上で仕上圧延を行い、その後平均冷却速度:20〜100℃/secで700℃まで冷却し、巻取温度:580℃超〜700℃で巻き取り常温まで冷却した後、焼鈍温度:Ac変態点未満で保持する高炭素熱延鋼板の製造方法。
  7. 請求項1〜5のいずれかに記載の高炭素熱延鋼板の製造方法であって、鋼を熱間粗圧延後、仕上圧延終了温度:Ar変態点以上で仕上圧延を行い、その後平均冷却速度:20〜100℃/secで700℃まで冷却し、巻取温度:580℃超〜700℃で巻き取り常温まで冷却した後、Ac変態点以上Ac変態点以下に加熱して0.5h以上保持し、次いで1〜20℃/hの平均冷却速度でAr変態点未満に冷却して、Ar変態点未満で20h以上保持する高炭素熱延鋼板の製造方法。
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