(57)【要約】【課題】大圧下加工によらない、微細フェライト組織を有する高強度な鋼板の製造方法を提供する。【解決手段】Ａｅ３変態点以上に加熱した鋼を熱間圧延して鋼板を製造するに際し、前記熱間圧延の最終パスにおいて、加工開始温度が（Ａｅ３変態点−６０℃）以上かつ加工終了温度が（Ａｅ３変態点−２００℃）以下となるように、鋼を冷却しながら塑性加工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】
Ａｅ３変態点以上に加熱した鋼を熱間圧延して鋼板を製造するに際し、前記熱間圧延の最終パスにおいて、加工開始温度が（Ａｅ３変態点−６０℃）以上かつ加工終了温度が（Ａｅ３変態点−２００℃）以下となるように、鋼を冷却しながら塑性加工することを特徴とする鋼板の製造方法。
【請求項２】
前記熱間圧延の最終パスにおける塑性加工に要する時間を２秒以内と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】
前記熱間圧延の最終パスにおける断面積の減少率を４０％以上とすることを特徴とする請求項１または請求項２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、高強度な鋼板の製造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、一般に延性を低下させずに強度、とくに降伏点を向上させることが可能であり、さらに靭性も向上する。従って、種々の結晶粒微細化技術が提案されている。
【０００３】
従来の結晶粒微細化手段としては、大歪加工が多く研究されている。Ａｅ３点以上に加熱されオーステナイト相になった鋼を急冷すると、通常、Ａｅ３点以下となっても直ちに変態は生じず、過冷された状態のオーステナイト相となる。その温度に保持するか、またはさらに冷却を続ければ変態を生じるが、組成や冷却条件によって、フェライト相、マルテンサイト相あるいはベイナイト相に変態する。そして、この変態直前の過冷状態にて加工を加えると、フェライトを主体とする組織に急速に変化する。これは加工により変態が誘起され促進されるためと考えられる。その際に、加工温度および加工率を変えることにより、歪みが解放されたフェライト相で、しかも結晶粒径の小さい組織が得られることは知られている。
【０００４】
例えば、Ａｒ３変態点近傍で合計圧下率８０％以上の圧延を行うことで、微細フェライト組織を有する高強度熱延鋼板を製造する方法が示されているものや、６５０℃以下の過冷オーステナイト域で、加工開始に対する加工終了の断面積減少率が６０％以上の加工を施し、高強度鋼を製造する方法が示されているものがある（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開昭５８−１２３８２３号公報
【特許文献２】特開平１１−３２３４８１号公報
【特許文献３】特開２００１−９８３２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１〜３などに記載のＡｒ３変態点近傍や６５０℃以下という低温域での大圧下加工（圧延）では、駆動系を含め、大圧延荷重に耐える圧延機が必要であり、一般的な仕様の圧延設備での実施は困難である。
【０００６】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決し、大圧下加工によらない、微細フェライト組織を有する高強度な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】
【０００７】
上記課題を解決すべく、本発明者等は、鋼の微細粒化をより一層促進させる手段として、加工中の動的な変態による結晶粒の細分化と粒成長抑止方法について鋭意検討を行った。
【０００８】
その際に、Ａｒ３変態点近傍や６５０℃以下という低温域まで冷却してから加工するのではなく、（Ａｅ３変態点−６０℃）以上の温度から加工を加えつつ冷却することにより、従来技術より小さな圧延荷重で、極めて結晶粒径の小さいフェライト組織を製造可能なことを見出した。
【０００９】
これはＡｒ３点より高い温度から加工を開始することでオーステナイトの再結晶が生じる温度域（以下、単に「再結晶域」と記す）での加工および／或いはオーステナイトの再結晶が生じない温度域（以下、単に「未再結晶域」と記す）での加工となる効果に加えて、加工中の急激な温度変化（温度低下）により加工中に変態が進行し、この変態したフェライトが加工中或いは加工後に再結晶したために生じたものと考えられる。
【００１０】
また、圧延も鋼板が高温の状態から開始するため、圧延終了時には低温になるにしても、鋼板をＡｒ３変態点近傍や６５０℃以下の温度域に冷却してから圧延開始するよりも荷重が低減できる。
【００１１】
なお、加工を施すと同時に、冷却を施す方法としては、水冷などの手段の他、圧延や鍛造などの加工法では工具との接触における伝熱現象を利用することが可能である。
【００１２】
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。
【００１３】
［１］Ａｅ３変態点以上に加熱した鋼を熱間圧延して鋼板を製造するに際し、前記熱間圧延の最終パスにおいて、加工開始温度が（Ａｅ３変態点−６０℃）以上かつ加工終了温度が（Ａｅ３変態点−２００℃）以下となるように、鋼を冷却しながら塑性加工することを特徴とする鋼板の製造方法。
【００１４】
［２］前記熱間圧延の最終パスにおける塑性加工に要する時間を２秒以内とすることを特徴とする前記［１］に記載の鋼板の製造方法。
【００１５】
［３］前記熱間圧延の最終パスにおける断面積の減少率を４０％以上とすることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、微細フェライト組織を有する高強度な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】
【００１７】
本発明においては、鋼を熱間圧延して鋼板を製造するに際し、素材とする鋼はＡｅ３変態点以上に加熱して、オーステナイト単相としておく必要がある。これは本発明がオーステナイトからフェライトへの変態を利用し、結晶粒を微細化し、鋼の高強度化を図ろうとしているからである。
【００１８】
そして、本発明の鋼板の製造方法は、熱間圧延の最終パスにおいて、加工開始温度が（Ａｅ３変態点−６０℃）以上かつ加工終了温度が（Ａｅ３変態点−２００℃）以下となるように、鋼を冷却しながら塑性加工（以下、本発明の塑性加工と称する）を行う。ここで、熱間圧延の最終パスとは、素材となる鋼に対して複数回の熱間加工を加える場合には最終パスを、１回のみの熱間加工を加える場合にはその１回の加工を指すものとする。そして、前記本発明の塑性加工開始前の鋼は、素材となる鋼を常温から加熱炉にてＡｅ３変態点以上の温度に加熱したものでもよいし、素材となる鋼をＡｅ３変態点以上の温度で加熱した後、粗鍛造、粗圧延などにより所要形状に加工された状態であってもよい。なお、本発明の塑性加工前のオーステナイト粒径は微細なほうが効果的に微細フェライト組織を有する鋼を得られるため、本発明の塑性加工前のオーステナイト粒径は５０μｍ以下がより好ましい。
【００１９】
本発明の塑性加工を（Ａｅ３変態点−６０℃）以上の温度から行うのは、塑性加工前の時点でフェライト組織が存在すると、オーステナイトからフェライトへの変態を利用し、結晶粒を微細化するという本発明の趣旨からはずれてしまうからである。さらに、加工しながら冷却を行い微細粒を得るという観点および加工開始温度が低すぎると多大な圧延荷重が必要なことからも、（Ａｅ３変態点−６０℃）以上で加工を開始する。
【００２０】
本発明の塑性加工終了時の温度は、加工中に鋼を冷却することにより（Ａｅ３変態点−２００℃）以下とする。なぜなら、（Ａｅ３変態点−２００℃）より高い温度にて加工を終えると、未再結晶域加工度が低下することで、圧延による加工歪みを有効に導入し蓄積できなくなり、十分微細な組織が得られない、加工終了時に生じるフェライト分率が低下する、加工変形時の変態・再結晶により十分微細な組織が得られなくなるという問題があるからである。また、（Ａｅ３変態点−３５０℃）より低い温度まで加工を加えると、均質な微細組織が得られなくなり、加工歪みが残存してしまう。よって、（Ａｅ３変態点−２００℃）以下かつ（Ａｅ３変態点−３５０℃）以上の温度範囲で加工を終了することが好ましい。
【００２１】
ここで、本発明の塑性加工中に同時に行う鋼の冷却手段としては、圧延や鍛造などの加工法では工具との接触における伝熱現象を利用することができる。例えば圧延の場合、圧延中の圧延材の平均温度変化は一般に加工発熱、摩擦発熱、ロール抜熱による温度変化量の和により求められるが、ロール抜熱が大きくなる条件で圧延することにより、鋼を冷却しながら塑性加工を行うことができる。
【００２２】
ロール抜熱により加工終了時の冷却温度を制御するには圧延速度を制御すればよい。例えば図１に示すように、加工開始温度８３０℃、ロール径２００ｍｍ、ロール温度５０℃、板厚５ｍｍから２．５ｍｍに５０％の圧下率で圧延する場合、Ａｅ３変態点が８５０℃である鋼については、圧延速度６ｍｐｍ以下で圧延すれば圧延終了時の温度が（Ａｅ３変態点−２００℃）以下の６５０℃以下となる。なお、この時の加工時間は０．１６秒である。
【００２３】
例えば、Ａｅ３変態点が８５０℃である鋼を用いて厚鋼板を製造する場合には、最終圧延パスにおける加工開始温度８３０℃、ロール径１２００ｍｍ、ロール温度５０℃、板厚１２ｍｍから６ｍｍに５０％の圧下率で圧延する場合、図２に示す関係から、圧延速度を５ｍｐｍとすれば加工終了時の温度が（Ａｅ３変態点−２００℃）以下の６５０℃以下となり、微細フェライト組織を有する高強度厚鋼板を製造することができる。この時の加工時間は０．７２秒である。
【００２４】
なお、加工中の冷却を工具との接触伝熱により行う場合、工具の温度変動は小さいことが望ましい。例えば加工中の冷却にロール抜熱を利用する場合、ロール温度の変動は圧延後の鋼板の温度変動の要因となるため、ロール温度の変動は小さいほどよい。従って、圧延機のロールを冷却して一定温度に保つために、圧延機にロール冷却装置を備えることが望ましい。鍛造のような板厚圧下プレス装置でも同様である。また、単純圧縮の場合は、加工中に周囲から水冷することも考えられるが、その場合でも冷却水の温度変動は小さいほどよい。
【００２５】
また、鋼を冷却しながら行う本発明の塑性加工に要する時間は２秒以内とすることが好ましい。時間が長すぎると加工中の粒成長が無視できなくなるためである。ここで、塑性加工に要する時間とは、対象とする鋼全体の加工に要する時間ではなく、鋼のある特定位置が加工開始されてから加工終了するまでの時間、すなわち、鋼のある特定位置が圧延ロール等の工具と接触している時間のことを指す。
【００２６】
さらに、本発明の塑性加工は、塑性変形を伴えば良く、歪分布に応じた微細組織を得ることができる。ただし、板厚方向に分布をもたない組織を得るには、断面積の減少率にて４０％以上であることが好ましい。４０％を下回る変形量では、変形が不十分で板厚方向に均一な微細粒組織とはならず、しかも、変態による加工歪みの放出が不十分になる傾向がある。ここで、断面積の減少率は板圧延の場合は圧下率と実質的に同じである。
【００２７】
次に、本発明の実施に供する鋼板の製造設備の一例について説明する。
本発明において用いる鋼板の製造設備は、連続鋳造装置により鋳造された後、直送または加熱炉にて再加熱された熱間スラブを所定の板厚まで減厚する圧延機を備えている。圧延機としては粗圧延機、仕上圧延機をそれぞれ１台以上、あるいはどちらか１台以上備えていても良い。なお、粗圧延機や仕上圧延機の下流に、あるいは圧延機のかわりに、圧延後の熱間スラブに対して板厚方向の圧下を加えることのできる板厚圧下プレス装置を備えていても良い。そして、このような製造設備による加工の最終パスにおいて、前述した本発明の塑性加工を行う。
【００２８】
ここで、板厚圧下プレス装置は、熱間スラブを上下に挟んだ金型で圧下する鍛造型圧下装置であり、熱間スラブを順次送り出しながら金型を開閉するプレス動作を繰返し行い、熱間スラブの全長を所望の厚さへ加工する装置である。このような板厚圧下プレス装置によれば、圧延ロールを用いた従来の粗圧延とは異なり噛み込み限界がないため、１回当たりの圧下率が制約されず任意の大圧下も可能である。このような大圧下が可能な板厚圧下プレス装置を複数台設けてもよいし、粗圧延機あるいは仕上圧延機を用いずに板厚圧下プレス装置のみとしてもよい。
【００２９】
また、圧延前の被圧延材を誘導加熱装置等の加熱／保熱手段により被圧延材の長手方向の温度が均一となるよう制御することで本発明の効果をより発揮させることができる。この効果は加熱や保温の有無やその手法にはよらず得ることができる。従って、特に被圧延材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し、コイルボックスを用いてもよい。
【００３０】
本発明の鋼板の製造方法において用いる鋼の好ましい化学成分については次のとおりである。なお、本明細書において、鋼の成分を示す％はすべて質量％である。
【００３１】
Ｃは、主に熱延鋼板の強度を確保するために必要な元素であり、本発明の目的とする高強度な鋼を製造するためには最低０．０６％必要である。一方、０．３％を超えるＣは、鋼材の靭性、加工性および溶接性を劣化させる。従って、Ｃを０．０６〜０．３％の範囲内とすることが好ましい。
【００３２】
Ｓｉは、固溶強化に寄与する元素であり、目標とする強度レベルに合わせて添加することができる。但し、Ｓｉが１％を超えると微細フェライトを有する熱延鋼板としての靭性や、溶接性および表面性状を劣化させる。従って、Ｓｉを１％以下とすることが好ましい。
【００３３】
Ｍｎは、焼入れ性を高める元素であり、鋼板の強度を確保するためには、０．５％は必要である。一方、Ｍｎが３％を超えると、その効果が飽和するばかりか、凝固偏析によるバンド状組織を形成して加工性並びに耐遅れ破壊特性を劣化させる。従って、Ｍｎを０．５〜３％の範囲内とすることが好ましい。
【００３４】
Ａｌは、脱酸剤として使用されると同時に、不可避的不純物として含有されるＮを固定して、加工性を向上させる効果を有する。しかし、０．１％を超えてＡｌを添加しても、その効果が飽和すると共に、清浄度を悪化させて加工性を劣化させる。従って、Ａｌをsol.Ａｌで０．１％以下とすることが好ましい。
【００３５】
さらに、超微細な細粒組織を安定して得るのに寄与するＮｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＣｒおよびＭｏの各元素を以下に示す範囲で含有してもよい。
【００３６】
ＮｂまたはＴｉを含有させると、低温相が析出を開始する温度から多少離れた高めの温度で加工を加えても、十分安定して微細組織にすることができる。これは微細な炭窒化物の析出により変態後の結晶粒の成長が抑止されるためと考えられる。この効果を十分得るためには、Ｎｂでは０．００５％以上、Ｔｉでは０．００５％以上含有させることが望ましい。ただし、これらの元素が過剰になると靱性が低下してくるので、Ｎｂでは０．０５％以下、Ｔｉも０．０５％以下とすべきである。すなわち含有させる場合、Ｎｂは０．００５〜０．０５％、Ｔｉは０．００５〜０．０５％の範囲とすることが好ましい。
【００３７】
Ｖ、ＣｒおよびＭｏも含有させることにより、微細粒組織を安定して得ることができるようになる。これらの元素は炭化物を形成し、その析出物は、ＮｂまたはＴｉの場合と同様結晶粒の成長を抑止する作用があるが、その効果は大きくない。それよりは、これらの元素は変態を遅らせる作用が強く、低温相の析出をより低温にするとともに、その析出時期を遅くし、過冷状態の低温でのオーステナイトとなる範囲を拡大できるので、微細粒組織の生成を容易にする効果がある。このような効果を得るためには、それぞれＶでは０．００８％以上、Ｃｒでは０．０５％以上、Ｍｏでは０．０５％以上含有していることが望ましい。しかし、これらの元素は、変態を遅らせる傾向があり、必要以上に含有量を多くするとフェライトを主体とする組織が得にくくなる。したがって、Ｖでは０．０８％以下、ＣｒとＭｏではそれぞれ１％以下とすることが好ましい。すなわち含有させる場合の含有量は、Ｖでは０．００８〜０．０８％、Ｃｒでは０．０５〜１％、Ｍｏでは０．０５〜１％とすることが好ましい。
【００３８】
その他の元素については、本発明の効果を妨げない範囲で含まれていてもよい、即ち残部が実質的に鉄であればよい。なお、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｎ等の不可避的不純物については、できるだけ低い方が好ましいが、通常の高強度熱延鋼板の範囲内であれば含まれていてもよい。
【実施例】
【００３９】
化学成分として質量％で、Ｃ：０．１４％、Ｓｉ：０．０２％、Ｍｎ：０．６４％、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２％を含有する鋼ＡとＣ：０．１％、Ｓｉ：０．４％、Ｍｎ：０．１５％、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２％、Ｎｂ：０．０３％を含有する鋼Ｂを溶製した。これらの鋼を１３００℃に加熱して圧延し、幅１００ｍｍ、長さ５５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの供試材とした。これらの供試材を表１に示す温度まで加熱した後、所定温度まで空冷し熱間圧延を行い、圧延後は空冷した。これらの圧延に供した番号とそれぞれの圧延加工条件とフェライト平均粒径、分率、圧延荷重などを表１に示す。
【００４０】
なお、これらの鋼Ａ、ＢのＡｅ３変態点はそれぞれ約８７５℃、約８８０℃であり、（Ａe３変態点−６０℃）はそれぞれ約８１５℃、約８２０℃、（Ａe３変態点−２００℃）はそれぞれ約６７５℃、約６８０℃となる。したがって、表１に示す本発明例における鋼Ａでの圧延開始前温度８３０℃、鋼Ｂでの圧延開始前温度１０５０℃はどちらも（Ａe３変態点−６０℃）以上であり、鋼Ａでの圧延終了温度６５０℃、６００℃、５５０℃、５００℃、鋼Ｂでの圧延終了温度６５０℃はいずれも（Ａe３変態点−２００℃）以下である。また、熱間圧延時のロール温度変動が１００℃以内となるようロール温度制御を行った。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
本発明の製造方法による例（本発明例）においては、フェライト平均粒径が２μｍ以下の微細組織を有する鋼板が得られ高い降伏強さを示している。
【００４３】
比較例１では、圧延後の温度が（Ａe３変態点−２００℃）より高い７００℃であるため、加工変形時の変態・再結晶が不十分で超微細組織が得られなかった。
【００４４】
比較例２では、熱間圧延を（Ａe３変態点−６０℃）より低い６００℃まで冷却した後に実施した。その結果、本発明例と比べ約２．３倍の圧延荷重が必要となった。
【００４５】
比較例３では、加工中の冷却がほとんどなされなかったため、微細組織が得られなかった。
【００４６】
また、上記圧延機に代えて、板厚圧下プレス装置を用いて同様の試験を実施した。その際、プレス金型温度変動が１００℃以内となるよう温度制御を行った。
【００４７】
鋼Ａを９００℃まで加熱し、プレス速度を５０ｃｐｍ（サイクル／分）とし加工を施したところ、プレス金型による冷却が効力を発揮し、プレス前８３０℃、プレス後６００℃となり、フェライト平均粒径が１．２μｍの微細組織を有する鋼板が得られ高い降伏強さを示した。
【００４８】
一方、プレス速度を１００ｃｐｍとした場合、プレス前８３０℃、プレス後８００℃となり、フェライト平均粒径が１０μｍであった。つまり、加工中の冷却がほとんどなされなかったため、微細組織が得られなかった。
【００４９】
なお、上記では１パス加工（圧延、プレス）のみを実施例としたが、加工（圧延、プレス）は最終パスのみ加工中の冷却を施せばよく、圧延にステッケル圧延機を用い、複数パスで実施してもよいし、多パス加工（圧延、プレス）を実施してもよい。例えば、多パス圧延を実施した場合の例を以下に示す。
【００５０】
前記鋼Ａの厚さ２５０ｍｍのスラブを加熱炉にて１１００℃に加熱し、このスラブを圧延機による８パスの圧下を加えて５ｍｍまで減厚した。そして、圧延の最終パスにて板厚２．５ｍｍまで減厚した。この時の最終圧延前温度は８３０℃、加工終了温度は６００℃であった。なお、熱間圧延時のロール温度変動が１００℃以内となるようロール温度制御を行った。本発明の範囲である上記条件で実施した結果、フェライト平均粒径が１．２μｍの微細組織を有する鋼板が得られ高い降伏強さを示した。
【００５１】
以上説明したように、本発明によれば、微細フェライト組織を有する高強度な鋼板を従来に比べ低荷重の条件にて製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】圧延加工後温度と圧延速度の関係を表す図(ロール径２００ｍｍ)
【図２】圧延加工後温度と圧延速度の関係を表す図(ロール径１２００ｍｍ)
【図１】
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【図２】
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