(57)【要約】【課題】降伏応力が低く、しかも高い引張強度と破断伸びを有する高強度鋼板を提供する。【解決手段】下記（Ａ）式で表されるＮｉ当量が２１．５〜２５．５％であり、下記（Ｂ）式で表されるＭｄ３０が９８〜２６０℃であり、金属組織に占めるオーステナイト相の割合が８５％以上、オーステナイト相の結晶粒径が２０μｍ以上であり、０．２％耐力が４００ＭＰａ以下、引張応力が１０００ＭＰａ以上、伸びが６０％以上である。      Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋１２．９３Ｃ＋１．１１Ｍｎ＋０．７２Ｃｒ＋０．８８Ｍｏ−０      ．２７Ｓｉ＋０．５３Ｃｕ−０．６９Ａｌ＋７．５５Ｎ・・・（Ａ）      Ｍｄ３０（℃）＝５５１−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ−１３．７      Ｃｒ−２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）−１８．２Ｍｏ・・・（Ｂ）【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．００５〜０．２５％、Ｎ：０．００５〜０．２％、Ｓｉ：０．０１〜３％、Ｍｎ：８．９〜１７．５％、Ｃｒ：２〜１４．５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、ＣとＮの含有量の合計が０．０１〜０．２５％であり、下記（Ａ）式で表されるＮｉ当量が２１．５〜２５．５％であり、下記（Ｂ）式で表されるＭｄ３０が９８〜２６０℃であり、金属組織に占めるオーステナイト相の割合が８５％以上、オーステナイト相の結晶粒径が２０μｍ以上であり、０．２％耐力が４００ＭＰａ以下、引張応力が１０００ＭＰａ以上、伸びが６０％以上であることを特徴とする高強度鋼板。
Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋１２．９３Ｃ＋１．１１Ｍｎ＋０．７２Ｃｒ＋０．８８Ｍｏ−０
．２７Ｓｉ＋０．５３Ｃｕ−０．６９Ａｌ＋７．５５Ｎ・・・（Ａ）
Ｍｄ３０（℃）＝５５１−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ−１３．７
Ｃｒ−２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）−１８．２Ｍｏ・・・（Ｂ）
ただし、各元素記号は当該元素の質量百分率を示す
【請求項２】
質量％で、Ｃｕ：０．５〜１．６％、Ｎｉ：０．５〜７．２％、Ｍｏ：０．０１〜２．５％、Ａｌ：０．０２〜０．０５％、Ｂ：０．０００４〜０．００２％の１種または２種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の高強度鋼板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低降伏比かつ高延性でプレス成形性に優れ、しかも高い強度を有する高強度鋼板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の衝突安全性への要求が高まってきており、衝突時において乗員の生存空間を確保し乗員を保護するための車体技術の開発が進められている。その一方で、地球温暖化問題の観点で燃費改善の要求は日々高まってきており、自動車車体の軽量化が強く求められている。このような相反する要求を満足するためには、車体構成部品の大半を占める鋼板の高強度化が重要である。
【０００３】
しかしながら、一般に鋼板の強度を上げれば延性は低下し、引張強度で１ＧＰａを超える超高強度鋼板では、破断伸びが数％まで低下してしまうため、プレス成形を主体とした自動車の製造プロセスでは加工が困難になり、生産性が大幅に低下するといった問題が発生する。また、これまでは鋼板の強度を向上させた分、鋼板の板厚を低減させ衝突安全性と車体軽量化の両立を行なってきたが、板厚の低減は車体剛性低下を招く可能性がある。この欠点を補うためには、例えばリブ等を設けるなど部品の形状により車体の剛性を向上させる必要があり、その結果、部品の形状が複雑となる。
【０００４】
この点、超高強度鋼板を使用した場合には、延性低下による部品の形状が制約されるため、車体剛性の維持が困難となる。このような理由から、現在では、自動車車体の中で複雑形状が要求されるものは引張強度が２７０ＭＰａ級の鋼板が利用されており、強度を要求される部材には引張強度が５９０ＭＰａ級の鋼板が広く適用されている。したがって、５９０ＭＰａ級と同等以下の降伏応力（４００ＭＰａ以下）を有し、２７０ＭＰａ級並みの成形自由度（伸び＞５０％）が得られ、超高強度鋼板並の引張強度（１０００ＭＰａ以上）を有する鋼板が実現できれば、産業上の利用価値は非常に高い。
【０００５】
なお、現状の冷間加工用自動車用鋼板の技術で高強度と高延性の両立が困難なのは、鋼の高強度化手法として、焼入組織強化が用いられるためである。これに対して、フェライト組織のままで引張強度を１０００ＭＰａ以上に高めながら破断伸び６０％以上を確保することは困難である。これは焼入組織の代表であるマルテンサイトは高強度である一方延性に乏しいため、鋼板の伸びも大きく劣化してしまうためであり、従来技術の延長では１ＧＰａを超える高強度、高延性の両立は実現不可能である。
【０００６】
高強度と成形性を両立させた鋼板へのニーズは従来から非常に高いが、フェライト主体の組織では上記のとおり限界がある。一方、オーステナイトステンレス鋼に代表されるオーステナイト組織は、比較的強度が高く、伸びはフェライト組織鋼に比較して良好である。たとえば、特許文献１には、衝突吸収性能に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。
【０００７】
また双晶誘起塑性（ＴＷＩＰ）を利用したＴＷＩＰ鋼で、高強度と高延性の両立を図る技術が検討されている。たとえば、特許文献２には、２５重量％程度のＭｎと、ＳｉとＡｌを合計で１２重量％以下の範囲で含有するオーステナイト鋼であって、ＴＷＩＰ（双晶誘起塑性）およびＴＲＩＰ（変態誘起塑性）の特性を備えており、降伏応力が４００ＭＰａ以上を示し引張強さが１１００ＭＰａに達すること、均一伸びが７０％に達し、最大伸びが９０％に達する鋼板が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２０８４３号公報
【特許文献２】特表２００２−５０７２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼は、降伏応力は低く破断伸びは高いものの引張強度は８００ＭＰａ程度であり、強度が不充分である。また、特許文献２に記載の鋼板は、ＳｉやＡｌといった元素を多量に含むため、降伏応力が高いといった課題がある。また、Ｍｎを２５％も含んでいる上、Ｃｒを全く含まないため、耐食性が著しく悪化し、自動車へ適用するためには化成処理やめっき技術の開発が求められ、現状のままでは適用は困難である。
【００１０】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、降伏応力が低く、しかも高い引張強度と破断伸びを有する高強度鋼板を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、オーステナイト鋼の降伏応力の上昇を抑制しながら強度・延性のバランスを向上させるべく鋭意研究を重ねた。その結果、強度・延性バランスが最適化される合金成分の設計手法を確立した。さらに、本発明者らは、高合金化にともなう降伏応力の上昇を抑制する手法を見出した。具体的にはＮｉ当量とＭｄ３０の最適化により変形前の金属組織をオーステナイト主体としながら加工誘起変態が最も起こりやすくなるようなオーステナイト鋼の成分範囲を見出し、さらに、結晶粒径の最適化により高強度・高延性でありながら低降伏応力を実現した。これにより、１０００ＭＰａ超級の引張強度を有しながら高いプレス成形性を得ることが可能な高強度鋼板を見出した。なお、オーステナイトは明確な降伏現象が現れ難いため、本発明では同種の特性である０．２％耐力を特定する。以下においては、「０．２％耐力」を用いて説明する。
【００１２】
本発明の高強度鋼板は上記知見に基づいてなされたものであり、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．２５％、Ｎ：０．００５〜０．２％、Ｓｉ：０．０１〜３％、Ｍｎ：８．９〜１７．５％、Ｃｒ：２〜１４．５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、ＣとＮの含有量の合計が０．０１〜０．２５％であり、下記（Ａ）式で表されるＮｉ当量が２１．５〜２５．５％であり、下記（Ｂ）式で表されるＭｄ３０が９８〜２６０℃であり、金属組織に占めるオーステナイト相の面積率が８５％以上、オーステナイト相の結晶粒径が２０μｍ以上であり、０．２％耐力が４００ＭＰａ以下、引張応力が１０００ＭＰａ以上、伸びが６０％以上であることを特徴とする。
Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋１２．９３Ｃ＋１．１１Ｍｎ＋０．７２Ｃｒ＋０．８８Ｍｏ−０
．２７Ｓｉ＋０．５３Ｃｕ−０．６９Ａｌ＋７．５５Ｎ・・・（Ａ）
Ｍｄ３０（℃）＝５５１−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ−１３．７
Ｃｒ−２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）−１８．２Ｍｏ・・・（Ｂ）
ただし、各元素記号は当該元素の質量百分率を示す
【００１３】
本発明では、上記した合金成分の範囲内においてＮｉ当量を２１．５〜２５．５としているので、オーステナイト相を面積率で８５％以上含む組織となる。また、Ｍｄ３０を９８〜２６０℃としているから、変形時には加工誘起マルテンサイト変態が従来材と比較して高い水準で発生するため、非常に高い強度と伸びを得ることができる。なお、Ｍｄ３０は、３０％の歪みを鋼に与えたときに、材料の半分が変態するときの温度であり、この値が高い程マルテンサイトに変態し易い。一方、オーステナイト相の結晶粒径が２０μｍ以上であるため、高合金成分でありながら、０．２％耐力を４００ＭＰａ以下に抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、０．２％耐力が低く、しかも高い引張強度と破断伸びを有する高強度鋼板を提供することができる。したがって、構造用部材を薄くして軽量化を図ることができるとともに、リブなどを有する複雑な形状に成形して剛性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例における焼鈍温度と結晶粒径との関係を示すグラフである。
【図２】本発明の実施例における結晶粒径と０．２％耐力との関係を示す線図である。
【図３】本発明の実施例で使用した試料を示す平面図である。
【図４】本発明の実施例における伸びと応力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明のオーステナイト鋼は、変形前はオーステナイトを主体とした金属組織を有しており、変形に伴い加工誘起マルテンサイトが発現することにより、高い強度と伸びを実現する。したがって、オーステナイトの安定度を示す指標であるＮｉ当量とＭｄ３０が適正範囲を満足する合金成分に調整する必要がある。ここで、適正範囲とは、Ｎｉ当量：２１．５〜２５．５、Ｍｄ３０：９８〜２６０℃を同時に満たす範囲である。以下に、合金成分の効果とその限定理由について詳述する。なお、以下の説明において「％」は「質量％」を意味する。
【００１７】
Ｃ：０．００５〜０．２５％
Ｃは、オーステナイト形成元素であり、加工硬化率の上昇に有効な元素である。Ｃの含有量が０．００５％を下回ると、そのような効果は期待できない。一方、Ｃの含有量が０．２５％を超えると、加工誘起マルテンサイト相と未変態のオーステナイト相の硬度差が高まり、脆性的な破断形態を示し、結果的に強度・延性が低下してしまうことがある。よって、Ｃの含有量は０．００５〜０．２５％とする。ただし、Ｃの含有量が０．０３％未満になると延性は上昇するものの加工硬化率が低くなる。このため、０．０３％未満の場合はＮｉ当量を２２％程度まで低く抑えるような合金成分設計にする必要がある。Ｃの含有量は、耐食性や精錬性を考慮すると０．０５〜０．１５％が望ましい。
【００１８】
Ｎ：０．００５〜０．２％
Ｎは、Ｃと同様、オーステナイトを形成させる元素であり、耐食性を向上させる効果も有するため積極的に添加する。Ｎの含有量は、鋼材に不可避的に混入する量とする。Ｎの含有量が０．２％を超えると鋼の脆化を招き熱間成形性が著しく低下するため上限を０．２％とする。
【００１９】
Ｃ＋Ｎ：０．０１〜０．２５％
上記のようにＣとＮはオーステナイトの安定化および脆化に対して同様の効果を有しているため、ＣとＮの含有量の合計を０．２５％以下とする。
【００２０】
Ｓｉ：０．０１〜３．０％
Ｓｉは、耐食性や耐時期割れ性、耐応力腐食割れ性の向上に有効な元素である。Ｓｉの含有量が０．０１％未満ではそのような効果は発揮されず、３．０％を超えて含有すると熱間成形性の悪化をまねく。よって、Ｓｉの含有量は０．０１〜３．０％とする。
【００２１】
Ｍｎ：８．９〜１７．５％
Ｍｎは、オーステナイトの安定化元素であり、Ｍｄ３０を高くする効果が高い。目標値であるＭｄ３０＞９８を確保するためには、Ｍｎは８．９％以上含有する必要がある。一方、Ｍｎの含有量が１７．５％を超えると、Ｍｎは蒸気圧が高いため精錬性が著しく低下してしまう。よって、Ｍｎの含有量は８．９〜１７．５％とする。なお、耐食性や製造性を考慮するとＭｎの含有量は８．５〜１３．０％が望ましい。
【００２２】
Ｃｒ：２．０〜１４．５％
Ｃｒは、オーステナイトを安定化させ、積層欠陥エネルギーを低減させて加工硬化率を上昇させるため、高強度化に有益な元素である。Ｃｒの含有量が２．０％未満ではそのような効果は発揮されず、１４．５％を超えると、δフェライトの抑制のために高価なＮｉを多量に添加しなければならなくなるとともに、熱間加工性の悪化や降伏応力の上昇を招く。なお、耐食性を考慮すると７〜１４．５％が望ましい。
【００２３】
以上は本発明が必須とする成分である。以下に添加して望ましい成分とその含有量について説明する。
Ｃｕ：０．５〜１．６％
Ｃｕは、オーステナイト安定化元素であり、耐食性や延性の改善に有効な元素である。そのような効果を得るためにＣｕは０．５％以上含有する必要がある。一方、Ｃｕの含有量が１．５％を超えると、積層欠陥エネルギーを上昇させる効果が非常に高く、加工誘起マルテンサイトの生成が著しく低下し強度低下を招く。また、Ｃｕの過剰な添加は熱間脆性を招くおそれがある。よって、Ｃｕの含有量は、０．５〜１．６％とする。
【００２４】
Ｎｉ：０．５〜７．２％
Ｎｉは、オーステナイト安定化元素であり、耐食性や延性の改善に有効な元素である。そのような効果を得るために０．５％以上含有する必要がある。一方、Ｎｉの含有量が７．２％を超えると、Ｍｄ３０の低下を招き、加工硬化率が低下して充分な強度が得られなくなる。また、Ｎｉは、非常に高価なため、通常は添加しない。Ｍｎよりも、鋼の延性を向上させる効果が高いため、とくに延性を必要とする場合は、Ｍｎに代替して添加する。Ｎｉの含有量は、強度やコストを考慮すると０．５〜４％が望ましい。
【００２５】
Ｍｏ：０．０１〜２．５％
Ｍｏは、鋼中のＳｉと結合してＭｏ３Ｓｉ、ＭｏＳｉ２などの析出物を形成し、降伏点の上昇を招くおそれがあるとともに非常に高価な元素であるため通常は添加しない。しかしながら耐食性の向上には有効な元素であるため使用環境に応じて０．１％以上添加することができる。ただし２．５％以上の添加は降伏応力の上昇と延性の低下を招くため上限を２．５％とする。
【００２６】
Ａｌ：０．０２〜０．０５％
Ａｌは積層欠陥エネルギーを著しく増大させ、加工誘起マルテンサイト変態の生成が著しく低下するため通常は添加しない。ただし、Ａｌは脱酸剤としての効果が高いため、０．０５％までは添加することができる。
【００２７】
Ｂ：０．０００４〜０．００２％
Ｂはオーステナイト鋼の粒界を強化する作用があるため、必要に応じて添加することができる。ただし、添加量が高くなりすぎると脆性が発現するので上限を０．００２％とする。
【００２８】
金属組織
本発明においては、上記に示した合金成分範囲内において、Ｎｉ当量を２１．５〜２５．５％とすることにより、オーステナイト相を面積率で８５％以上含む組織となる。また、Ｍｄ３０を９８〜２６０℃とすることにより、変形時には加工誘起マルテンサイト変態が従来材と比較して高い水準で発生するため、非常に高い強度と伸びを有する鋼板となる。これに加えて、低降伏応力という要求に対しては、熱処理により２０μｍ以上の結晶粒径サイズに調整することで高合金成分でありながら、０．２％耐力を４００ＭＰａ以下に抑制することが可能となる。
【実施例】
【００２９】
以下、具体的な実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
表1に示す合金成分の鋼を真空溶解で溶製し、熱間圧延により厚さ７ｍｍの熱延鋼板を作製した。この熱延鋼板を１１００℃で３０分間焼鈍し、鋼板表面の酸化スケールを研削し４．５ｍｍ厚の熱延鋼板を作製した。さらにこれらの熱延鋼板を３００℃に加熱後、炉から取り出して１．４ｍｍの厚さまで圧延した後、１０５０℃で１０分間の焼鈍後、５７５℃まで空冷した後直ちに５７５℃で１０分間の焼鈍と酸洗を行い、冷延・焼鈍鋼板を作製した。
【００３０】
【表１】
2011219809.tif 000002
【００３１】
図１に本発明例１４の鋼種の焼鈍温度と結晶粒径の関係、図２に本発明例１４の鋼種の結晶粒径と０．２％耐力との関係を示す。図１に示すように、１０２５℃以上の焼鈍温度であれば、２０μｍ以上の結晶粒径が得られ、この結果、図２に示すように、０．２％耐力を４００ＭＰａ以下に低減することが可能である。ただし、製造条件のばらつきや温度管理のコストを考慮すると１０５０〜１１００℃程度の温度が望ましい。なお、冷間圧延後に行う焼鈍において５７５℃で１０分間の熱処理を実施したが、この熱処理は１０５０℃で焼鈍した後の冷却速度が３℃／分以下であれば必要ないが、これ以上の冷却速度の場合は必要である。以上の工程を完了した上で、冷延・焼鈍鋼板から図３に示した微小引張試験片を作製し、静的引張試験を実施した。引張試験は鷺宮製作所製の高速引張試験機ＴＳ−２０００を用いて、引張速度０．０５ｍｍ／ｍｉｎの引張速度で実施した。
【００３２】
組織観察は圧延方向と平行な断面を観察できるように鋼板を切断して、＃１０００まで湿式研磨を行ない、最終的に電解研磨により表面仕上げを行なった。ＴＳＬ製のＥＢＳＰ装置により、結晶粒径および相分布状態を解析して求めた。なお、マルテンサイト含有率の測定には、たとえば鋼板の透磁率を測定して推定する方法を利用することができるが、本発明において詳細に検討した結果、透磁率は合金元素や残留歪の影響を多大に受ける為、正確なフェライト量の計測が困難であることが明らかになった。したがって本発明においてはＥＢＳＰ装置による測定結果を採用した。
【００３３】
以下、実施例および比較例における以上の結果ついて詳細に説明する。表１において本発明スラブ１〜１４は、いずれも、式（Ａ）、（Ｂ）および合金成分範囲、結晶粒径をすべて満足しており、比較スラブは、式（Ａ）、（Ｂ）および合金成分範囲、結晶粒径のうち１または２つ以上の条件が満たされていない。また、発明スラブ１〜６は高価なＮｉやＭｏを一切添加せず安価に供給されるスラブである。
【００３４】
図２は結晶粒径と０．２％耐力との関係を示したもので、結晶粒径が１〜２０μｍまではホールペッチ則が成り立つが、２０μｍ以上では０．２％耐力が４００ＭＰａ以下で安定しているのが判る。よって、結晶粒径は２０μｍ以上必要である。
【００３５】
図４は実施例と比較例の応力−歪曲線を表すものである。比較材に対して本発明材は降伏応力を低く抑えながら高い強度と伸びを実現できていることが判る
【００３６】
以上のように、本発明によれば５９０ＭＰａ級の鋼板レベルの降伏応力で１ＧＰａ超級の引張強度と６０％以上の伸びを付与することができ、これにより自動車の軽量化と衝突安全性の向上が可能となり、環境への貢献、人命保護など様々な社会貢献が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の高強度鋼板は、０．２％耐力が低く、しかも高い引張強度と破断伸びを有する強度とともに優れた深絞り性を有するので、自動車およびその他の技術分野において構造用鋼板として適用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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