(57)【要約】【課題】    最終フェライト粒径が従来よりさらに微細な３μｍ以下となる超微細フェライト組織を有する鋼板を安定して製造することができる鋼板の製造方法を提供する。【解決手段】      熱間鋼を、Ａｒ3変態点以上の温度から、ベイナイト組織を生じさせる冷却速度にてベイナイト変態温度以下に冷却する第１の急速冷却工程と、該冷却により変態完了した熱間鋼をＡｃ3変態点以上に加熱してオーステナイトへ逆変態させる加熱工程と、を有することを特徴とする鋼板の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間鋼を、Ａｒ3変態点以上の温度から、ベイナイト組織を生じさせる冷却速度にてベイナイト変態温度以下に冷却する第１の急速冷却工程と、該冷却により変態完了した熱間鋼をＡｃ3変態点以上に加熱してオーステナイトへ逆変態させる加熱工程と、を有することを特徴とする鋼板の製造方法。
【請求項２】
加熱工程の後に、板厚方向の圧下を加えて鋼板とする仕上圧延工程を有することを特徴とする請求項１に記載の鋼板の製造方法。
【請求項３】
第１の急速冷却工程の前に、熱間スラブに板厚方向の圧下を加える粗圧延工程を有し、且つ、前記第１の急速冷却工程は、前記粗圧延工程の直後に行うことを特徴とする請求項１または２に記載の鋼板の製造方法。
【請求項４】
仕上圧延工程の後に、直ちに鋼板を冷却する第２の急速冷却工程を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、均一で超微細な組織を有する鋼板を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の軽量化、建築物の高層化等のニーズに対応し鋼材の高強度化が求められている。一般的に鋼材の強度を上げると靭性が低下するが、結晶粒微細化による強化の場合、靭性を低下させずに強度を向上させることが可能であり、種々の結晶粒微細化技術が提案されている。一般に材料の強度とフェライト（α）粒径との関係は、実用的な構造用鋼において、Hall-Petchの式（ＴＳ＝ａ＋ｂ（１／√ｄ）、ＴＳ：引張強度、ｄ：粒径、ａ、ｂ：定数）によって図４に示すような関係にある。これによれば一般的な加工熱処理技術で現在までに得られている５μｍ程度の粒径では、高強度化されるもののそれほど大きな強度上昇量は得られず、５μｍ以下のフェライト粒径で強度上昇の程度が増し、フェライトの結晶粒径が３μｍ以下まで微細化されると強度は急激に大きくなる。
【０００３】
フェライトの結晶粒を微細化する方法として、粒内フェライト変態を生じさせ、ついで逆変態を付加するプロセスで、この変態・逆変態熱処理を２回以上繰り返すことによりフェライト組織を微細化する方法が示されている（例えば、特許文献１参照）。さらに、溶鋼を鋳造後、Ａｅ3変態点以上のオーステナイト域で無加工もしくは全圧下量で８０％以下の一次加工を施した後、Ａｅ3変態点から平均冷速５℃／ｓ以上で粒内フェライト組織を形成せしめ、変態が完了した後再びＡｅ3変態点以上まで加熱しオーステナイト単相組織とし、再度二次冷却することで微細組織からなる薄帯鋼板を製造する方法が示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、大圧下加工を行うことにより結晶粒が微細化することが知られており、例えば、平均粒径３〜４μｍ以下の超微細粒組織を得るためには、１パスで５０％以上の圧下が必要であると言われており、Ａｒ3変態点以上の温度で、５０％以上のアンビル圧縮加工を加え、ついで冷却することにより平均粒径３μｍ以下のフェライトを母相とする超微細組織鋼を製造する方法が示されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開昭６３−１１５６５４号公報
【特許文献２】特開平３−２７４２３１号公報
【特許文献３】特開平１１−９２８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、熱延鋼板の製造方法において、最終的に超微細なフェライト組織を有する熱延鋼板を製造するためには、仕上圧延工程入側、つまり粗バー段階でのオーステナイト結晶粒をできるだけ細かくすることが重要であることが報告されている。
【０００６】
しかしながら、通常一般の熱延鋼板の製造工程では、１台、または複数台の圧延スタンドから構成される粗圧延機を用いて多パス圧延を行う粗圧延工程にてスラブを３０〜５０ｍｍ程度の厚さの粗バーに減厚する際、１パスでの圧下率は高々３０％であり、かつ各々のパス間も数秒から数十秒と非常に長くならざるを得ない。すなわち、圧延加工にて誘起される動的あるいは静的な再結晶により細粒組織を得ることは困難であり、さらに高温の状態で保持されることより各パス間での粒成長速度も非常に速い。通常、粗圧延工程と仕上圧延工程の間では、粗バーは１分程度の間、９５０〜１１００℃程度の高温の状態に置かれており、仕上圧延直前の粗バーでのオーステナイト粒径は５０〜１００μｍ程度となる。このような大きさの初期オーステナイト粒から仕上圧延を開始した場合、生じる変態後フェライト粒径はせいぜい１０μｍ程度である。
【０００７】
一方、外部からの加熱または加工によって自発的に生じる加工発熱によってフェライトからオーステナイトへの逆変態を誘起することにより、微細なオーステナイト粒が得られることが知られており、粗バー段階でのオーステナイト結晶粒をできるだけ細かくする方法として特許文献１および特許文献２に変態・逆変態熱処理を用いる方法が提案されている。この方法では、最終的に生じるフェライト粒径はせいぜい５μｍ程度である。
【０００８】
また、特許文献３に示されたアンビル圧縮による断続的な大圧下手法は、通常、毎分数百メートル〜千数百メートルの速度で仕上圧延される熱延鋼板の製造プロセスと比較し、生産性が非常に低く、かつ長手方向に均一な板厚を得ることが困難であることから、数ｍｍの最終板厚に仕上げる熱延鋼板の仕上圧延設備としては不適切である。
【０００９】
これらの従来技術では、大圧下を積極的に行ったとしても、実際の熱延鋼帯の製造プロセスにて製造可能な最終フェライト粒径は最小３μｍ程度が限界であった。
【００１０】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決し、最終フェライト粒径が従来よりさらに微細な３μｍ以下となる超微細フェライト組織を有する鋼板を安定して製造することができる鋼板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、本発明者等は、超微細粒組織を有する鋼板を製造するため、仕上圧延前のオーステナイト粒径の細粒化に着目した。熱間鋼（粗圧延工程後の粗バーまたは薄スラブ）にＡｒ3変態点以上の温度から急速冷却を施して、フェライトではなく、ベイナイトあるいはマルテンサイト組織に変態させ、変態が完了した熱間鋼に、仕上圧延工程入側にて急速加熱を施してベイナイトあるいはマルテンサイトからオーステナイトへ逆変態させる（変態・逆変態熱処理）ことにより、仕上圧延前のオーステナイト組織を５〜２０μｍに細粒化させることが可能であること、さらに、好ましくは、このようなオーステナイト粒径をもつ熱間鋼を直ちに所定の圧下率以上で仕上圧延することにより、３μｍ以下の超微細フェライト組織を有する鋼板を製造できることを見出した。
【００１２】
また、上記の変態・逆変態熱処理に先立ち、熱間スラブに粗圧延を行う場合には、粗圧延工程直後にＡｒ3変態点以上の温度から急速冷却を施すことにより、組織を凍結することができる、つまり、急速冷却によって、仕上圧延工程までに粒成長することを抑制する効果も得られる。
【００１３】
さらに、鋳造や圧延等で板厚方向のオーステナイト粒の不均一分布が生じた場合も、上記変態・逆変態を利用した熱処理によりこの粒径不均一分布が低減されることを見出した。図５は粗圧延出側のオーステナイト粒径と変態・逆変態熱処理後のオーステナイト粒径の分布を示した例であるが、粗圧延出側で約３０〜７５μｍにばらついていたオーステナイト粒径が、変態・逆変態熱処理後では約１０〜１５μｍのばらつきにまで低減されている。つまり、この変態・逆変態熱処理を用いる方法によれば、均一なオーステナイト粒を得ることができ、それに応じて均一超微細なフェライト組織を有する鋼板を製造できる。
【００１４】
なお、本発明は主として熱延鋼板相当の板厚材に対して適用されるものであるが、本発明の基本的冶金現象を用いれば、厚板材を製造するような工程においても、その適用範囲は広げることが可能である。
【００１５】
本発明はこれらの知見に基づきなされたもので、以下のような特徴を有する。
【００１６】
（１）熱間鋼を、Ａｒ3変態点以上の温度から、ベイナイト組織を生じさせる冷却速度にてベイナイト変態温度以下に冷却する第１の急速冷却工程と、該冷却により変態完了した熱間鋼をＡｃ3変態点以上に加熱してオーステナイトへ逆変態させる加熱工程と、を有することを特徴とする鋼板の製造方法。
【００１７】
ただし、熱間鋼とは、粗圧延後の粗バーまたは薄スラブをいう。
【００１８】
（２）加熱工程の後に、板厚方向の圧下を加えて鋼板とする仕上圧延工程を有することを特徴とする上記（１）に記載の鋼板の製造方法。
【００１９】
（３）第１の急速冷却工程の前に、熱間スラブに板厚方向の圧下を加える粗圧延工程を有し、且つ、前記第１の急速冷却工程は、前記粗圧延工程の直後に行うことを特徴とする上記（１）または（２）に記載の鋼板の製造方法。
【００２０】
（４）仕上圧延工程の後に、直ちに鋼板を冷却する第２の急速冷却工程を有することを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、従来製造が困難であった粒径３μｍ以下の均一で超微細なフェライト組織を有する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】
【００２２】
図３は、本発明の実施に供される熱延鋼板の製造設備列の一実施形態を示す説明図で、連続鋳造設備にて鋳造された熱間スラブから熱延鋼板を製造する設備である。
【００２３】
図３に示す熱延鋼板の製造設備は、連続鋳造装置１により鋳造された、または鋳造後、加熱炉２にて再加熱されたスラブ３を所定の板厚の粗バーに圧延する粗圧延機４と、粗圧延直後の粗バーに急速冷却を施す第１の急速冷却装置５と、急速冷却された粗バーに所定の温度まで急速加熱を施す急速加熱装置６と、この急速加熱された粗バーを所定の板厚まで減厚する仕上圧延機７と、仕上圧延直後の熱延鋼板に所定の温度まで急速冷却を施す第２の急速冷却装置８と、急速冷却後の熱延鋼板の巻取り温度を調整するための冷却装置９と、熱延鋼板を巻取るためのコイラー１０とを備えている。
【００２４】
前記粗圧延機４は、１台または複数台の圧延機によりスラブを所定の厚さへ圧延するものである。またスラブの幅を調整するための幅圧下装置が加熱炉と粗圧延装置の間あるいは粗圧延の途中にあってもよい。
【００２５】
前記第１の急速冷却装置５は、粗圧延直後の粗バーに急速冷却を行う装置である。この第１の急速冷却装置５は、後述する第１の急速冷却工程において必要とされる急速冷却を行う能力を有する。また、急速冷却を粗圧延直後に行うことができるように、この第１の急速冷却装置５は、粗圧延機４の出側直近に配置することが望ましい。
【００２６】
前記急速加熱装置６としては、短時間で粗バーを急速加熱できるように、通常、温度制御性のよい誘導加熱装置が用いられる。また、粗バーのエッジを加熱するため急速加熱装置６に隣接してエッジヒーターを設置してもよい。そして、粗バーを急速冷却する第１の急速冷却装置５と急速加熱装置６の間には、特に粗バー尾端部の温度低下を防止するための保熱カバーを設置してもよい。さらに、急速加熱装置６での加熱出力の制御は、温度計１１ａ、１１ｂにより計測された粗バーの表面温度から断面平均温度を算出し、粗バー全長および全厚に亘りＡｃ3変態点以上となるように、且つ、仕上圧延でのパススケジュールと圧延速度を考慮して、仕上圧延機出口にて所定の仕上温度が確保できるように、粗バーの先端から尾端にかけて加熱出力を調整すればよい。
【００２７】
前記第２の急速冷却装置８は、仕上圧延直後の熱延鋼板に急速冷却を行うための装置であり、仕上圧延後のオーステナイト組織が粒成長により粗大化してしまうことを防ぐため、極力仕上圧延機７の出側直近に配置することが望ましい。
【００２８】
また、材質調整の観点からは、コイラー１０に巻取る際の温度も重要であり、図３の実施形態では、コイラー１０の直前に巻取り温度調整用の冷却装置９を配置している。
【００２９】
以下、上記装置構成を用いた本発明法の一実施形態を図１の圧延材温度推移線図をもとに説明する。
【００３０】
連続鋳造後のスラブ３は、約９０〜３００ｍｍの板厚であり、図３の実施形態では、連続鋳造装置１から直送された、または加熱炉２にてＡｃ3変態点以上の温度（通常は１１００〜１２５０℃）に再加熱されたスラブを用いる。
【００３１】
まず、粗圧延工程では、Ａｒ3変態点以上の温度において、前記スラブに対して、粗圧延機４により１パスまたは複数パスの圧下を加えて、板厚が３０〜５０ｍｍ程度の粗バーとする。なお、圧下量や圧下によって与えられる歪分布の均一度等を考慮して、粗圧延機４による圧延パス数が決定される。また、これらのパス数は、粗圧延機４の設置台数や、リバースさせる回数により調整することができる。さらに、前記粗圧延機４に換えて、板厚プレス装置を使用してスラブを板厚方向に圧下してもよい。
【００３２】
なお、連続鋳造後のスラブ３の板厚が約５０ｍｍ以下の薄スラブの場合には、上述した粗圧延工程は必ずしも必要でなく、この場合には以下の第１の急速冷却工程から開始すればよい。
【００３３】
次に、第１の急速冷却工程では、この粗バーを粗圧延機４出側直近に設置された第１の急速冷却装置５を用い、Ａｒ3変態点以上の温度からベイナイト組織を生じさせる冷却速度にてベイナイト変態温度以下に急速冷却して変態を完了させる。ここで、変態を完了させるのは、逆変態によるオーステナイト化の初期に残留オーステナイト組織があると、新たなオーステナイトの核生成が行われにくいためである。さらに、ベイナイト組織を生じさせるためには、粗バーをべイナイト変態温度以下に１５℃／秒を超える冷却速度で急速冷却することが必要であり、変態時のベイナイトあるいはマルテンサイト組織の分率を上げるため、特に上限は設けないが、冷却速度は大きいほど好ましい。そうでないと、変態時の組織がフェライト組織となり、フェライト粒界から変態するオーステナイトでは組織が微細化されず最終的に得られるフェライト組織はせいぜい５μｍ程度であるからである。この冷却までの時間は、長過ぎるとオーステナイトが粗大化してしまうため粗圧延直後に行うことが好ましい。具体的には粗圧延後１分以内に行うことが望ましい。
【００３４】
以上説明したような工程を経ることにより、微細ベイナイトあるいはマルテンサイト組織を有する粗バーを得ることができる。
【００３５】
さらに、加熱工程では、ベイナイト変態温度以下の温度のまま仕上圧延機７の入側まで搬送された粗バーを、急速加熱装置６にて被圧延材のＡｃ3変態点以上の温度に急速加熱を行う。これにより、ベイナイトあるいはマルテンサイトからオーステナイトへ逆変態し、細粒オーステナイト組織を得ることができる。その際、逆変態時のオーステナイト組織をより微細化するためには、加熱速度は大きいほど好ましい。なお、この工程は、仕上圧延工程の直前に行うのが好ましい。仕上圧延工程までの時間が長くなると、逆変態により生じた細粒オーステナイト組織が粒成長により粗大化してしまうためである。具体的には逆変態後、３０秒以内に仕上圧延することが望ましい。また、急速加熱温度はＡｃ3変態点+１００℃以下が好ましい。高温で保持する時間が長くなると、逆変態により生じた細粒オーステナイト組織が粒成長により粗大化してしまうためである。
【００３６】
以上説明したような工程を経ることにより、仕上圧延前のオーステナイト組織を細粒化させることができる。
【００３７】
引き続き、仕上圧延工程では、仕上圧延機７にて所定の仕上板厚までの減厚を行う。この工程では、仕上板厚への圧下量等に応じて、１台の圧延スタンドからなる仕上圧延機にて仕上圧延する場合もあるし、複数台の圧延スタンドからなる仕上圧延機にて仕上圧延する場合もある。また、仕上圧延前に製品として所望の厚みを有する鋼板においては変態・逆変態熱処理の後、仕上圧延を行わず、細粒オ−ステナイトままで次の第２の急速冷却工程に供してもよい。
【００３８】
そして、第２の急速冷却工程では、仕上圧延機７出側直近に位置する第２の急速冷却装置８にて４０℃／秒以上の冷却速度にて急速冷却を行うことが好ましい。この急速冷却までの時間が長過ぎると、仕上圧延により微細析出したオーステナイトが粗大化してしまうから、仕上圧延後１０秒以内に行うのが望ましい。この時、第２の急速冷却装置８による冷却速度を４０℃／秒以上とするのは、急速冷却することにより核生成の駆動力を増大させ粒径の小さなフェライトを変態析出させるため、および析出後のフェライトの粒成長を抑制するためであるが、本急速冷却は必ずしも必要ではなく、冷却条件を適宜選択することにより、微細なフェライト組織を得るだけでなく、フェライトとパーライトやベイナイトまたはマルテンサイトの混相組織を得ることもでき、各種の機械的性質を満足する鋼板の製造も可能である。
【００３９】
その後冷却装置９にて所定の巻取り温度となるように調整冷却を行い、コイラー１０にて巻取る。また、冷却装置９による調整冷却は必ずしも必要ではなく、第２の急速冷却装置８にて材質造り込み上に必要である所定の温度への冷却が可能である場合には、第２の急速冷却工程後に直接巻取ってもよい。
【００４０】
図２は、熱延鋼板の製造プロセスにおける結晶粒径の変化を示す図である。本図は、材料のミクロ組織の変化を、加工による温度、ひずみの変化や時間の関数として記述したシミュレーションプログラムにより得られた計算結果に基づくものである。
【００４１】
上記で説明した本発明法による熱延鋼板の製造の一例としての計算条件は、以下の通りである。すなわち、本発明例１は図３に示す熱延鋼板の製造設備列を用いて、厚さ２５０ｍｍの低炭素鋼スラブ３を加熱炉２にて１１００℃に加熱する。そして、このスラブ３に粗圧延機４による７パスの圧下を加えて３０ｍｍまで減厚して粗バーとする。次に、粗圧延機４による圧下直後に、本実施材料のＡｒ3変態点以上である１０００℃の粗バーを、第１の急速冷却装置５により４０℃／秒の冷却速度にて３５０℃まで急速冷却しマルテンサイト変態を完全に完了させ、この粗バーに急速加熱装置６により４０℃／秒の昇温速度にて本実施材料のＡｃ3変態点以上である９００℃まで急速加熱を行って逆変態を生じさせる。そして、仕上圧延機７にて板厚２ｍｍ（仕上圧延総圧下率９３％）まで減厚し、仕上圧延が終了直後、第２の急速冷却装置８により３００℃／秒の冷却速度にて６００℃まで急速冷却を行い、コイラー１０で巻取る。
【００４２】
また、本発明例２は３０ｍｍ厚の薄スラブを、本実施材料のＡｒ3変態点以上である１０００℃から、第１の急速冷却装置５により４０℃／秒の冷却速度にて３５０℃まで冷却しマルテンサイト変態を完全に完了させ、その後、急速加熱装置６により４０℃／秒の昇温速度にて本実施材料のＡｃ3変態点以上である９００℃まで急速加熱を行って逆変態を生じさせる。そして、仕上圧延機７にて板厚２ｍｍまで減厚し、仕上圧延が終了直後、第２の急速冷却装置８により３００℃／秒の冷却速度にて６００℃まで急速冷却を行い、コイラー１０で巻取る。
【００４３】
これに対し、比較例１としての計算条件は、粗バーに対する急速冷却、および急速加熱は行わない。他は本発明例１と同じ条件である。
【００４４】
比較例２としての計算条件は、粗バーに対する急速冷却における冷却温度をベイナイト変態温度より高い６５０℃とし、変態時の組織をフェライト組織とする。他は本発明例１と同じ条件である。
【００４５】
以上の条件による計算の結果、図２に示すように、本発明例１では粗圧延機入側で約２８０μｍであるスラブのオーステナイト粒径は、粗圧延により４０〜８０μｍとなり、急速冷却によりその粒径で凍結された。その後、逆変態熱処理により、仕上圧延機入側で平均粒径約１０μｍまで細粒化される。なお、粗圧延機出側でオーステナイト粒径にばらつきが生じていても変態・逆変態熱処理によりそのばらつきは低減する。そして、さらに仕上圧延・急速冷却工程を経ることにより、約２μｍ程度の超微細なフェライト結晶組織を有する熱延鋼板が得られることがわかる。また、本発明例２では粗圧延工程を経ないため薄スラブのオーステナイト粒径は約２８０μｍと粗大であるが、その後の変態・逆変態熱処理により、仕上圧延機入側で平均粒径約１０μｍまで細粒化される。そして、さらに仕上圧延・急速冷却工程を経ることにより、約２μｍ程度の超微細なフェライト結晶組織を有する熱延鋼板が得られることがわかる。一方、本発明の第１の急速冷却工程、および加熱工程を経ない比較例１では、仕上圧延機入側での平均粒径は粗圧延後の粒成長により約５０〜１００μｍ程度となり、その後本発明例１と同じ条件を経ても、粒径１０〜１５μｍ程度のフェライト組織しか得られないことがわかる。また、比較例２では第１の急速冷却工程における変態時の組織がフェライト組織であったため、その後の逆変態処理による仕上圧延機入側での平均粒径は約２５μｍ程度までしか細粒化されず、最終的に生じるフェライト粒径は５μｍ程度である。
【実施例１】
【００４６】
上述したシミュレーション計算に用いた本発明例のプロセスを実施して、熱延鋼板を製造した。また、同様に比較例についても上述したシミュレーション計算に用いたプロセスを実施して、熱延鋼板を製造した。
【００４７】
室温まで冷却後の熱延鋼板の組織を調べたところ、従来の粗圧延方法による比較例１の熱延鋼板では１０〜１５μｍ程度のフェライト組織、比較例２の熱延鋼板では５μｍ程度のフェライト組織となっていたのに対し、本発明例１により製造された熱延鋼板は約２〜３μｍの超微細なフェライト組織、本発明例２により製造された熱延鋼板は約２μｍの超微細なフェライト組織を有することがわかり、本発明法の効果が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の鋼板の製造方法の一実施形態における圧延材温度推移を示す説明図
【図２】鋼板の製造プロセスにおける結晶粒径の変化を示す説明図
【図３】本発明の実施に供される鋼板の製造設備列の一実施形態を示す説明図
【図４】材料の強度とフェライト（α）粒径との関係を示すグラフ
【図５】粗圧延機出側のオーステナイト粒径と変態・逆変態熱処理後のオーステナイト粒径を示すグラフ
【符号の説明】
【００４９】
１    連続鋳造装置
２    加熱炉
３    スラブ
４    粗圧延機
５    第１の急速冷却装置
６    急速加熱装置
７    仕上圧延機
８    第２の急速冷却装置
９    冷却装置
１０  コイラー
１１ａ、１１ｂ  温度計
【図１】
2005171313.tif 000003
【図２】
2005171313.tif 000004
【図３】
2005171313.tif 000005
【図４】
2005171313.tif 000006
【図５】
2005171313.tif 000007