(57)【要約】【課題】  厚物鋼板において加工性とりわけ伸びフランジ性に優れた鋼板及びその製造方法を提供する。【解決手段】  C：0.02〜0.2%、Si：0.5%以下、Mn：2.5%以下、P：0.02%以下、S：0.005%以下を含み残部が鉄及び不可避的不純物よりなり、板厚が5mm以上15mm未満、表層に板厚の10%以上25%未満でベイナイト単相組織を有し、内層残部がフェライトとベイナイトまたはパーライトのうち一種類以上の硬質第二相からなる熱延鋼板。更にTi,Nb,V,Mo,Zr,Cr,Bのうち一種類以上を合計で0.01〜0.3%含むこともできる。上記化学成分の鋼を連続鋳造し、1150℃〜1300℃に加熱し、仕上げ温度Ar3点以上で熱間圧延を行い、熱間圧延終了後2秒以内に板厚中央部を100℃/s以上で700〜350℃の範囲まで急速冷却し、巻き取る熱延鋼板の製造方法。【選択図】  図１
2005105340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学組成が質量%でC：0.02〜0.2%、Si：0.5%以下、Mn：2.5%以下、P：0.02%以下、S：0.005%以下を含み残部が鉄及び不可避的不純物よりなり、鋼板の板厚が5mm以上15mm未満を有し、表層及び裏層に板厚の10%以上25%未満でベイナイト単相組織を有し、内層残部がフェライトとベイナイトまたはパーライトのうち一種類以上の硬質第二相からなることを特徴とする加工性及び延性に優れた熱延鋼板。
【請求項２】
請求項１記載の加工性及び延性に優れた熱延鋼板において、化学組成が更にTi,Nb,V,Mo,Zr,Cr,Bのうち一種類以上を合計で0.01〜0.3%含むことを特徴とする加工性及び延性に優れた熱延鋼板。
【請求項３】
請求項１又は２記載の化学組成からなる鋼を連続鋳造して鋳片となし、1150℃〜1300℃の温度域に加熱した後、仕上げ温度をAr3点以上とする条件で熱間圧延を行い、熱間圧延終了後2秒以内に急速冷却を開始して板厚中央部を冷却速度100℃/s以上で700〜350℃の範囲まで急速冷却し、巻き取ることを特徴とする加工性及び延性に優れた熱延鋼板の製造方法。
【請求項４】
表層及び裏層からそれぞれ板厚の10%以上25%未満については冷却速度200℃/s以上で550℃以下まで急速冷却することを特徴とする請求項３記載の加工性及び延性に優れた熱延鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板厚5mm以上15mm未満で、400〜520MPaの強度を保持し加工性に優れた熱延鋼板及びその製造方法に関する。ここで加工性は穴拡げ性とする。
【背景技術】
【０００２】
従来、加工性はフェライト、ベイナイト等の単相組織を有する鋼板が優れていると知られている。強度範囲400〜520MPaでの熱延鋼板はフェライトを主体として加工性及び延性を確保し、硬質第2相を制御することで強度を保つ設計により加工性向上を行ってきた。この強度レベルでは、フェライトを主体とし、第2相をベイナイトとした熱延鋼板の加工性が良好であり、多くの技術が開発されてきた。例えば、特許文献１特許2255436号公報ではTi添加のフェライト+ベイナイト鋼板により加工性向上の技術が提案されている。このベイナイトはフェライトとの硬度差が、他の第2相(パーライト及びマルテンサイト)に比べて低いため、穴拡げ性の有効因子であるクラックの伝播進展が低い。
【０００３】
また、フェライトとの硬度差が高いパーライト及びマルテンサイトを利用する際にはこれらの第2相の体積率を低くして加工性向上をさせる技術が提案されている。例えば、特許文献２特開昭58-6936号公報では、ランナウトテーブルにおける急冷において、パーライトの微細分散を行い加工性向上の技術を提供している。特許文献３特開平4-88125号公報では、マルテンサイトの体積率5%とすることで50kgf/mm2以上の高加工性ハイテンの技術を提供している。
【０００４】
一方で、穴拡げ性の有効因子である亀裂進展に関連する先行技術としては鋼材の分野で不均一組織、具体的には表層に微細なフェライト組織を有するアレスト鋼板が提案されている。これは脆性破壊亀裂に対して亀裂伝播の挙動を低減する働きがあり例えば特許文献４特開昭61−235534号公報で鋼板の板厚両面より板厚1/8以上の距離にわたって平均粒径5μm以下のフェライトを有するが面積率50%以上存在する場合アレスト特性に優れた厚鋼板が提供されている。
【０００５】
上記の微細フェライト粒径に対する脆性亀裂伝播抑制の技術は特許文献５特開平2‐301540号公報及び特許文献６特開平8-295982号公報においてフェライト組織の微細化によるものが提供されている。
【０００６】
上記の表層フェライト組織微細化技術は脆性破壊から延性破壊に適用され、例えば特許文献７特開2000-328177号公報においてミクロ組織がフェライト、パーライト及びベイナイトから構成され、両表面部の板厚5%以上で円相当粒径7μm以下の面積、アスペクト比：2〜4のフェライトが50%有し、ベイナイト分率が5〜25%以下である層から構成され、中心部は板厚の50%に亘って円相当粒径4〜10μm、アスペクト比：2.0のフェライトを有し、ベイナイト分率が10%以下である層から構成されていると報告されている。
【０００７】
また、薄物材の板厚方向に不均一な組織を利用した技術があり、特許文献８特開平7-258795号公報では缶素材鋼板への適用が提案されている。これは、熱延の仕上げ温度をAr3点以上としてその後、平均冷却速度30℃/s以上で急冷し、巻き取り温度500〜670℃で巻き取ることで、フェライト粒径制御を板厚表層から100μmまでの板厚に対して行い、表面性状の優れた鋼板を提供している。
【特許文献１】特許2255436号公報
【特許文献２】特開昭58-6936号公報
【特許文献３】特開平4-88125号公報
【特許文献４】特開昭61−235534号公報
【特許文献５】特開平2‐301540号公報
【特許文献６】特開平8-295982号公報
【特許文献７】特開2000-328177号公報
【特許文献８】特開平7-258795号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
厚物鋼板、主に板厚5mm以上では薄鋼板(5mm未満)に比べて従来技術では熱間圧延後の冷却能が落ちる。これによるフェライト組織の細粒化や第2相組織の主にベイナイトの制御が困難であり、パーライトが形成する。このパーライトは、強度を確保することができない可能性があり、また、フェライトの硬度差があるため、加工性も劣化し、延性も乏しい。例えば、特許文献１〜３記載の技術を厚物鋼板に適用すると、板厚中央部では粗大なフェライト+パーライト組織となり、強度が低下し、加工性も損なわれる。特に、特許文献３記載の技術は、ランナウト冷却速度が５０℃/ｓのため、板厚中央ではマルテンサイトが生成しない可能性があり、パーライト組織の生成により強度及び加工性が劣化するという問題がある。
【０００９】
一方で、板厚方向に均一でない組織を用いる方法については、特許文献４記載の技術は、表面性状の向上を目的としており、加工性、特に伸びフランジ性については言及されていない。特許文献５〜７記載の技術は、いずれも表層部のフェライト粒の細粒化により、破壊靭性におけるアレスト特性を向上させるというもので、伸びフランジ性についての適用はなされていない。
【００１０】
また、このような組織微細化技術を延性破壊に適用した特許文献８記載の技術は、伸びフランジ性に対する考慮がされていない。また、表層の微細フェライト+ベイナイト組織を利用するものであり、体積率の制御が困難である。特に厚物鋼板にこの技術を適用すると、表層組織におけるベイナイト体積率が冷却条件により大きく変化し、安定した材質を得ることが困難である。
【００１１】
本発明では、以上の問題を解決して、厚物鋼板において加工性とりわけ伸びフランジ性に優れた鋼板及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
これらの課題は、次の発明により解決される。その発明は、化学組成が質量%でC：0.02〜0.2%、Si：0.5%以下、Mn：2.5%以下、P：0.02%以下、S：0.005%以下を含み残部が鉄及び不可避的不純物よりなり、鋼板の板厚が5mm以上15mm未満を有し、表層及び裏層に板厚の10%以上25%未満でベイナイト単相組織を有し、内層残部がフェライトとベイナイトまたはパーライトのうち一種類以上の硬質第二相からなることを特徴とする加工性及び延性に優れた熱延鋼板である。
【００１３】
ここで、化学組成が更にTi,Nb,V,Mo,Zr,Cr,Bのうち一種類以上を合計で0.01〜0.3%含むことを特徴とする加工性及び延性に優れた熱延鋼板とすることもできる。
【００１４】
また、製造方法の発明は、上記の化学組成からなる鋼を連続鋳造して鋳片となし、1150℃〜1300℃の温度域に加熱した後、仕上げ温度をAr3点以上とする条件で熱間圧延を行い、熱間圧延終了後2秒以内に急速冷却を開始して板厚中央部を冷却速度100℃/s以上で700〜350℃の範囲まで急速冷却し、巻き取ることを特徴とする加工性及び延性に優れた熱延鋼板の製造方法である。
【００１５】
この発明においては更に、表層及び裏層からそれぞれ板厚の10%以上25%未満については冷却速度200℃/s以上で550℃以下まで急速冷却することを特徴とする加工性及び延性に優れた熱延鋼板の製造方法とすることもできる。
【００１６】
本発明は、鋼板の表層（表裏面とも）がベイナイト単相組織であり、内層をフェライト＋硬質第二相とすることにより、加工性及び延性を向上させている。以下、本発明における、鋼組成、鋼組織及び製造条件について説明する。
【００１７】
（１）鋼組織について
鋼板表層部：表層及び裏層からそれぞれ板厚の10%以上25%未満についてベイナイト単相
板厚5mm以上15mm未満の鋼板で、強度が400MPa以上、穴拡げ率が100%以上となるには、板厚方向に対して表層及び裏層ベイナイト単相組織が10%以上必要である。一方、板厚方向に対して表層及び裏層ベイナイト単相組織が25%以上では延性の低下があるため、25%未満とした。なお、表層及び裏層ベイナイト単相組織を板厚の20〜10%とすることにより更に望ましい強度-延性バランスが得られる。
【００１８】
鋼板内層部：フェライトと硬質第2相
板厚5mm以上15mm未満の鋼板で、良好な延性を得るためには、残部をフェライトとパーライト又はベイナイトのうち1種類又は2種類以上の硬質第2相を有する組織とする。その結果、鋼板内部については、通常の複合組織鋼板と同様の延性を確保することができる。
【００１９】
上記に示す組織により、延性を板厚内部の組織で確保し、強度及び加工性を表層の単相組織により向上させることができる。
【００２０】
（２）鋼組成
C：0.02〜0.2%
Cは鋼板の強度を確保するため添加する。0.02%未満では400MPa以上の強度が得られず、0.2%を超えると加工性及び延性が劣化するため、0.02〜0.2%添加する。
【００２１】
Si：0.5%以下
Siは固溶強化元素で強度を確保するために添加する。0.5%を超えると表面性状が劣化するため、0.5%以下とする。
【００２２】
Mn：2.5%以下
Mnは固溶強化元素で強度を確保するために添加する。しかし、Mnが 2.5%を超えると加工性及び延性が劣化するため、2.5%以下とする。なお、0.5%以下では強度確保の効果が小さいので、Mnを0.5%以上とし、0.5〜2.5%とすることが好ましい。
【００２３】
P：0.02%以下
Pは連続鋳造時のスラブ表面またはスラブ表層下における割れを助長する有害な元素である。Pが0.02%を超えると連続鋳造時にスラブ表面又はスラブ表層下で割れ発生が著しくなるために0.02%以下とする。
【００２４】
S：0.005%以下
SはMnSを形成し加工性及び延性の劣化を引き起すため0.005%以下とする。
選択元素については次のようになる。
Ti,Nb,V,Mo,Zr,Cr、B：一種類以上を合計で0.01〜0.3%
これらの元素は炭窒化物を形成し、強度を向上させる。一種類以上の合計で0.01%未満ではその効果を得られず、0.3%を越えると加工性を劣化させるため0.01〜0.3%とする。
【００２５】
尚、本発明においては、その他の元素は特に規定せず、例えばCu：2%以下、Sn：0.01%以下などを含有することができる。
【００２６】
（３）製造条件
鋳片加熱温度：1150〜1300℃
連続鋳造された鋳片を板厚中央温度において1150℃〜1300℃の温度域に加熱する。加熱温度が1150℃未満では、熱間圧延の仕上温度が確保しにくくなる。一方、加熱温度が1300℃を超えると、表面疵が発生しやすくなる。
【００２７】
仕上げ温度：Ar3以上
仕上温度がAr3温度未満となると、表層部にフェライトが生成し、ベイナイト単相生成が不可能となる。従って、熱間圧延の仕上げ温度をAr3以上とする。
【００２８】
熱間圧延後の冷却：熱間圧延終了後2秒以内に急冷開始
熱間圧延終了後は、フェライトの微細化促進による良好な延性及び強度を得るために急冷を行う。急冷開始時間が2秒を超えると、急冷中に相変態が開始し、表層部がベイナイト単相組織とならないことがある。従って、熱間圧延終了後2秒以内に急冷開始とする。
【００２９】
急冷の冷却速度：板厚中央部で100℃/s以上
板厚中央部の冷却速度が100℃/s未満では400MPa以上の強度及び100%以上の穴拡げ性が得られないため、冷却速度は100℃/s以上とする。
【００３０】
急冷の停止温度：板厚中央部で700〜350℃の範囲
急冷の停止温度が700℃を超えると、フェライトの回復又はオーステナイトが生成し、表層部がベイナイト単相組織とならない。更にその後、巻き取り温度が700℃を超えた場合、フェライト組織の回復により強度が400MPaを確保できなくなる。一方、急冷の停止温度が350℃未満となると、板厚中央部もベイナイトあるいはマルテンサイト組織となり、鋼板の材質が硬質で低延性となる。更に、巻き取り装置への負荷が大きくなるという問題もあるため、350℃以上とする。
【００３１】
板厚表層部の冷却条件：200℃/s以上で550℃以下まで急冷
更に、板厚表層部の冷却条件を規定することにより、板厚方向の所定部分をベイナイト単相とする。板厚表層部の冷却速度が200℃/s未満では、板厚表層部の少なくとも10%以上をベイナイト単相とすることができなくなる。また、板厚表層部の冷却停止温度が550℃より高いと、フェライトが生成し、やはり板厚表層部をベイナイト単相とすることができなくなる。従って、板厚表層部の冷却条件として、好ましくは冷却速度200℃以上で550℃の変態点まで冷却させる必要がある。
【００３２】
ここで、表層にベイナイトを形成させた後、板厚表層部は低温のため強度が高くなっているので、板厚中央温度に表層温度が合ってから、即ち表層温度が十分復熱してから巻き取るのが、装置の負荷低減のために望ましい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、鋼板の板厚表層部をベイナイト単相組織とし、内層（板厚中央部）をフェライト＋硬質第二相とすることにより、加工性及び延性を向上させている。厚物熱延鋼板においても、本発明では板厚表層部の冷却速度と急冷停止温度を規定することにより、このような構造の鋼板を製造することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、発明を実施するための最良の形態について、実施例により説明する。
【実施例１】
【００３５】
鋼板の穴拡げ試験結果について述べる。表1に示す化学組成の鋼を溶製後、連続鋳造によりスラブを製造した。また、これらのスラブを表2に示す圧延条件により熱延鋼板を製造し、試験に用いるサンプルを採取した。ここで、No.1〜8は本発明の範囲内の発明鋼、No.9はMn,P,Sが本発明の範囲を外れた比較鋼である。
【００３６】
【表１】
2005105340.tif 000003
【００３７】
表2に製造条件及び機械的特性値を示す。上記表１に示す鋼のスラブを1200℃に加熱後、通常操業の仕上げ温度の850℃(Ar3点以上)で圧延し、板厚を8mmとした。その後、発明例のNo.1〜3については、板厚中央は冷却速度を150〜250℃/sで停止温度を650〜470℃とし、表層についてはそれぞれ220〜340℃/s、450〜520℃とした。一方、比較例については、No.5〜8が板厚中央の冷却速度が発明範囲より低く、No.4〜8が表層の冷却速度が発明範囲より低くなっている。比較例の内、No.9のみはこれらの冷却条件をいずれも発明範囲内とした。
【００３８】
【表２】
2005105340.tif 000004
【００３９】
ここで、引張試験はJIS5号試験片を用いて実施した。本発明の化学組成と製造条件を満たす材料はNo.1〜3であり、本発明の製造条件から外れる比較例は材料No.4〜8である。比較例について説明すると、No.4は冷却開始時間が2秒を超えた例（板厚中央、表層共）である。No.5は冷却開始時間は2秒以内であるが、冷却速度が発明範囲外（通常冷却〜40℃/s）であり、No.6,7は冷却開始時間も2秒を超え、冷却速度も発明範囲外（通常冷却）である。No.8は冷却開始時間が2秒を超え、表層のみ冷却速度100℃/sではあるがやはり発明範囲外（<200℃/s）である。
【００４０】
図1に加工性(TS-λ(穴拡げ率)バランス)を示す。図1より発明例は比較例に比べて強度-穴拡げ率バランスが向上していることが明らかである。
【００４１】
図2に、これらの鋼板の板厚表面と板厚中央の組織を示す。発明例（No.1）は図2に示すような板厚表面にベイナイト単相、それ以外の組織をフェライトと第2相から成り立っている。これに対して、比較例（No.6）は、板厚表層部がベイナイト単相組織とならず、板厚中央部と同様のフェライト＋パーライト組織であり、また粒径も発明例より大きい。
【００４２】
なお、比較例No.9はP,Sが本発明の組成を外れた例であり、組織は本発明と同様、板厚表層部がベイナイト単相組織、板厚中央部がフェライト＋第2相となっているものの、延性と穴拡げ性が極端に低下している。
【実施例２】
【００４３】
伸びフランジ性の有効因子である打ち抜き穴端面の亀裂伝播特性試験について検討した結果を述べる。本発明での穴広げ試験における亀裂伝播特性を図３に示す試験片により行った。試験片は熱延鋼帯の幅方向(C方向)よりサンプル採取し、8t×100L×30wとして試験片50Lの端面の片側に機械穴(研磨)及び一方に打ち抜きのノッチ加工を行った。この試験の穴端面近傍の応力状態は一軸引っ張りであり、穴拡げ試験を模擬している。また、この試験の伸びは穴拡げ率λに対応し、穴拡げ率による亀裂進展を観察することで表層ベイナイトがλに及ぼす影響を検討した。
【００４４】
サンプルは強度が470MPaでλに差がある表２の表層にベイナイトを有するNo.1(λ=140%)とフェライト+パーライト均一組織No.6(λ=70%)として、表層にこの試験片で引張試験を行い、伸びに対する打ち抜き穴のノッチ部における亀裂伝播を観察し板厚方向に進展する亀裂長さを測定した。また、伸びは評点間距離10mmとして行った。
【００４５】
結果を図4に示す。図中、Ｂはベイナイト、Ｆ＋Ｐはフェライト＋パーライトを示す。図4より、この両サンプルは強度がほぼ同等のため穴端面に亀裂が生じるのが、ほぼ同じ伸びであり、比較材と発明材は亀裂長さが表層部までほぼ同様の速度で進展しているが、発明材は亀裂が表層部に到達すると進展が伸びに対して低下しており、発明材は比較材に比べて亀裂伝播を抑制していることが明らかである。以上より、表層のベイナイトが穴拡げ性を向上させていることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】強度と延性における本発明の効果を示す図。
【図２】板厚方向断面におけるミクロ組織を示す図。
【図３】亀裂伝播特性試験用の切り欠き試験片。
【図４】亀裂伝播特性を示す図。
【図１】
2005105340.tif 000005
【図２】
2005105340.tif 000006
【図３】
2005105340.tif 000007
【図４】
2005105340.tif 000008