(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．１〜１．５重量％，Ｓｉ：２．０重量％以下，Ｍｎ：０．２〜２．５重量％，Ｓ：０．００２重量％未満，残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成をもち、圧延方向の伸び及び衝撃値に対する圧延方向に直交する方向の伸び及び衝撃値の比で定義される面内異方性指数が０．９〜１．０の範囲になるように、介在物の圧延方向の平均長さが６μｍ以下であり、圧延方向の長さが４μｍ以下の介在物個数が全介在物の８０％以上であることを特徴とする面内異方性の小さい高炭素鋼板。
【請求項２】
更にＣｒ：２．５重量％以下，Ｎｉ：１．５重量％以下，Ｍｏ：１．０重量％以下，Ｖ：０．５重量％以下の１種又は２種以上を含む請求項１記載の面内異方性の小さい高炭素鋼板。
【請求項３】
更にＴｉ：０．２重量％以下，Ｎｂ：０．２重量％以下，Ａｌ：０．１重量％以下の１種又は２種以上を含む請求項１又は２記載の面内異方性の小さい高炭素鋼板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、機械構造用，機械部品用等に使用され、機械的性質の面内異方性を小さくした高炭素鋼板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高炭素鋼板は、熱間圧延，冷間圧延等の製造プロセスに起因して、機械的性質に面内異方性が生じ易い。面内異方性の最も大きな原因は、硫化物系非金属介在物の存在である。硫化物系非金属介在物は、凝固段階では球状になっているが、熱間圧延後には圧延方向に細長く展伸されている。その結果、硫化物系非金属介在物が内部亀裂の起点となり、高炭素鋼板の機械的性質に面内異方性を生じさせる。ここで問題とされる機械的性質には、熱処理前のプレス成形性や延性、熱処理後の衝撃靭性や疲労特性等も含まれ、用途に応じて種々異なる。
機械的性質の面内異方性を低減するため、その原因である硫化物系非金属介在物を低減すべく極低Ｓ化を達成する製鋼技術が開発されてきた。たとえば、特開昭６１−４８５５７号公報では、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ量を規制すると共に、Ｓを０．０１重量％以下に規制することにより、高周波焼入れ後の曲げ疲労強度の面内異方性を改善している。また、ある程度の低Ｓ化と共に、Ｃａや希土類金属ＲＥＭを添加することにより、圧延方向に展伸しないように硫化物系非金属介在物を形態制御することが特開昭５２−１１４４１４号公報，特開昭５５−３４６５７号公報等で紹介されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、極低Ｓ化によって高炭素鋼板の種々の機械的性質の面内異方性をどの程度改善できるかは、必ずしも定量的に把握されていない。たとえば、Ｓ含有量を低減させた鋼種にあって、熱処理として焼入れ焼戻しを施した後の衝撃特性がＳ含有量の低減に伴って向上する傾向は必ずしも直線的ではなく、あるＳ含有量の水準で飽和すると考えられている。しかし、そのＳ含有量の臨界値は明確にされていない。そのため、Ｓ含有量を低減する製鋼プロセスに際し、材料特性よりはむしろ製造コストに重点を置いて脱硫処理でのＳ含有量の目標値を設定する傾向が強かった。
Ｃａ等を添加して介在物を形態制御する方法では、面内異方性はある程度改善されるものの、粒径の大きな介在物が形成され易い。その結果、種々の機械的性質は比較的低い水準に留まらざるを得なかった。そこで、Ｃａ等により介在物を形態制御しないことを前提にした場合、種々の機械的性質に対してＳ含有量の許容上限値が求められると、最少の製造コストで極低Ｓ化が可能となり、経済的効果が極めて大きくなる。
本発明は、このような要求に応えるべく案出されたものであり、面内異方性が特定範囲にあるように介在物の分布を制御することにより、伸び及び衝撃値に面内異方性のない高炭素鋼板を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の高炭素鋼板は、その目的を達成するため、Ｃ：０．１〜１．５重量％，Ｓｉ：２．０重量％以下，Ｍｎ：０．２〜２．５重量％，Ｓ：０．００２重量％未満，残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成をもち、圧延方向の伸び及び衝撃値に対する圧延方向に直交する方向の伸び及び衝撃値の比で定義される面内異方性指数が０．９〜１．０の範囲になるように、介在物の圧延方向の平均長さが６μｍ以下であり、圧延方向の長さが４μｍ以下の介在物個数が全介在物の８０％以上であることを特徴とする。
この高炭素鋼板は、更にＣｒ：２．５重量％以下，Ｎｉ：１．５重量％以下，Ｍｏ：１．０重量％以下，Ｖ：０．５重量％以下，Ｔｉ：０．２重量％以下，Ｎｂ：０．２重量％以下，Ａｌ：０．１重量％以下の１種又は２種以上を含むことができる。
【０００５】
【作用】
本発明者等は、高炭素鋼板の伸び及び衝撃値に影響を及ぼすＳ含有量の影響を詳細に調査・研究した。その結果、Ｓ含有量の低減に伴って伸び及び衝撃値の面内異方性が改善されるが、特にＳ含有量を０．００２重量％以下に規制すると圧延方向に長く延びた硫化物系非金属介在物がほとんど存在しなくなることが判った。この状態では、ＭｎＳ等の介在物の圧延方向の平均長さは６μｍ以下であり、圧延方向の長さが４μｍ以下の介在物個数は全介在物の８０％以上になる。このような介在物分布にある薄鋼板は、面内異方性が著しく改善されており、品質安定性の高い材料であることを解明した。
【０００６】
以下、本発明の高炭素鋼板に含まれる合金成分，含有量等を説明する。
Ｃ：０．１〜１．５重量％
炭素鋼において最も基本となる合金成分であり、焼入れ硬さ及び炭化物量を決定する成分として含有量が定められる。Ｃ含有量は、一般的な高炭素鋼板として０．１〜１．５重量％の範囲に調整されるが、用途に応じてこの範囲で適宜選定される。
Ｓｉ：２．０重量％以下
高炭素鋼板の焼入れ性，焼戻し軟化抵抗を高め、またバネとしての耐ヘタリ性を向上させる作用を呈する合金成分である。Ｓｉ含有量は、一般的な高炭素鋼板として２．０重量％以下に規制されるが、用途に応じてこの範囲で適宜選定される。なお、フェライトを固溶強化する作用を呈するため、プレス成形性が要求される用途では、Ｓｉを添加しない方が望ましい場合もある。
【０００７】
Ｍｎ：０．２〜２．５重量％
ＳをＭｎＳとして固定する合金成分であり、鋼板の焼入れ性及び強度を高める作用も呈する。焼入れ性改善の効果は、０．２重量％以上のＭｎ含有で顕著になる。しかし、２．５重量％を超える多量のＭｎが含まれると、Ｍｎ添加の効果が飽和するばかりでなく、靭性の劣化が著しくなる。
Ｓ：０．００２重量％未満
高炭素鋼板において、圧延方向の伸び及び衝撃値に対する圧延方向に直交する方向の伸び及び衝撃値の比で定義される面内異方性指数を０．９〜１．０の範囲に維持するためには、Ｓ含有量を０．００２重量％未満に規制することが必要である。Ｓ含有量が０．００２重量％以上になると、圧延方向に延びる硫化物系介在物が発生し、伸び及び衝撃値の面内異方性が大きくなる。このような低Ｓの鋼材は、製鋼工程における溶銑予備処理及び真空脱ガス工程での脱炭処理により製造することができる。
【０００８】
Ｃｒ：２．５重量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、鋼板の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を向上させる作用を呈する。しかし、２．５重量％を超える多量のＣｒを添加しても、Ｃｒ添加の効果が飽和するばかりでなく、熱間圧延時の変形抵抗が増加し、変形能の低下を招く。
Ｎｉ：１．５重量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、鋼板の焼入れ性及び焼戻し後の靭性を向上させる作用を呈する。しかし、１．５重量％を超える多量のＮｉを添加しても、Ｎｉ添加の効果が飽和するばかりでなく、高価な元素を多量に消費することから徒に鋼材コストの上昇を招く。
【０００９】
Ｍｏ：１．０重量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、鋼板の焼入れ性を向上させると共に、焼戻し後の軟化抵抗及び靭性を改善する作用を呈する。しかし、１．０重量％を超える多量のＭｏを添加しても、増量に見合った性質改善効果がみられず、製造コストを上昇させるばかりでなく、熱間圧延時の変形抵抗が増加し、変形能の低下を招く。
Ｖ：０．５重量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、焼入れ時にオーステナイト粒を微細化し、強度及び靭性を高める作用を呈する。また、６００℃以上の高温に焼き戻した際、Ｖ4 Ｃ3 として析出し、鋼板の強度及び靭性を改善する。しかし、０．５重量％を超える多量のＶを添加しても、増量に見合った性質改善効果がみられず、熱間圧延後や焼鈍後の強度が過度に高くなり、種々の製品への加工が著しく困難になる。
【００１０】
Ｔｉ：０．２重量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、炭化物を形成し、焼入れ時のオーステナイト粒径の粗大化を防止し、強度を向上させる作用を呈する。しかし、０．２重量％を超える多量のＴｉを添加しても、Ｔｉ添加の効果が飽和するばかりでなく、熱間圧延後の靭性が低下する。
Ｎｂ：０．２重量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、Ｔｉと同様に炭化物を形成し、焼入れ時のオーステナイト粒径の粗大化を防止し、強度を向上させる作用を呈する。しかし、０．２重量％を超える多量のＮｂを添加しても、Ｎｂ添加の効果が飽和するばかりでなく、熱間圧延後の靭性が低下する。
【００１１】
Ａｌ：０．１重量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、熱間圧延工程における巻取り後や焼鈍時に、焼入れ時のオーステナイト粒径の粗大化防止に有効なＡｌＮを形成し、鋼板強度を向上させる。しかし、０．１重量％を超える多量のＡｌを添加しても、Ａｌ添加の効果が飽和するばかりでなく、熱間圧延後の靭性が低下する。
介在物の分布：
介在物の中でも、ＭｎＳに代表される硫化物系介在物は、圧延により展伸し、圧延方向に直角な方向（Ｃ方向）の伸び及び衝撃値を劣化させる。展伸した介在物が長くなり、圧延方向の介在物平均長さが６μｍを超えると、圧延方向の伸び及び衝撃値の劣化が大きく、面内異方性が著しくなる。また、面内異方性を小さくするには、介在物の平均長さを規制すると共に、展伸した硫化物系介在物の個数を減少させることが重要であり、圧延方向の長さが４μｍ以下の介在物個数が全介在物の８０％以上であると面内異方性指数は０．９を超える。
【００１２】
【実施例】
表１に示した組成をもつ鋼を溶製し、熱間圧延により板厚４ｍｍの熱延鋼板を製造した。
【００１３】
0003910242.tif 000002
【００１４】
各熱延鋼板から、圧延方向と平行（Ｌ方向）及び圧延方向に直交する方向（Ｃ方向）に２ｍｍＶノッチ付き衝撃試験片を切り出した。各試験片を８５０℃に１０分保持してオーステナイト化した後、水焼入れし、更に４５０℃に３０分保持する焼戻しを施した。焼戻し後の各試験片を、室温での衝撃試験に供した。
表２の試験結果にみられるように、本発明に従った鋼種Ａでは、Ｃ方向の衝撃値がＬ方向とほぼ同等であり、Ｓ含有量のみが本発明で規定した範囲を外れる鋼種Ｂ，Ｃに比較して面内異方性が著しく小さくなっていることが判る。本発明鋼Ｄと比較鋼Ｅ，Ｆ及び本発明鋼Ｇと比較鋼Ｈ，Ｉとの比較においても、同様に本発明鋼Ｄ，Ｇでは面内異方性が著しく小さくなっていた。
【００１５】
衝撃値の面内異方性指数をＳ含有量との関係で整理したところ、図１に示すようにＳ含有量の減少に伴って衝撃値の面内異方性が小さくなり、面内異方性指数が大きくなる傾向がみられる。特にＳ含有量が本発明で規定した０．００２重量％以下になると、比較鋼に比べて面内異方性が著しく小さくなり、面内異方性指数が０．９を超え、Ｃ方向及びＬ方向共に同じ衝撃特性をもつ鋼板であることが判る。
そこで、面内異方性指数が０．９４と高い本発明鋼Ａについて、非金属介在物の圧延方向の長さを調査したところ、平均長さが１．４μｍで、４μｍ以下の介在物の割合が１００％であった。これに対し、比較鋼Ｂ，Ｃは、介在物の平均長さがそれぞれ７．５μｍ，１０．３μｍであり、４μｍ以下の介在物の割合がそれぞれ６１％，５４％と本発明の範囲外であった。本発明鋼Ｄと比較鋼Ｅ，Ｆ及び本発明鋼Ｇと比較鋼Ｈ，Ｉとの比較においても、同様に本発明鋼Ｄ，Ｇにおいては介在物の平均長さが６μｍ以下で、４μｍ以下の介在物の割合が８０％以上であり、衝撃値の面内異方性指数は０．９以上であった。
【００１６】
0003910242.tif 000003
【００１７】
前掲した各熱延鋼板に、７１０℃に２０時間加熱保持した後、室温まで炉冷する焼鈍を施した。各熱延焼鈍鋼板から、Ｌ方向及びＣ方向に２ｍｍＶノッチ付き衝撃試験片を切り出し、室温での衝撃試験に供した。
表３の試験結果にみられるように、本発明に従った鋼種Ａでは、Ｃ方向の衝撃値がＬ方向とほぼ同等であり、Ｓ含有量のみが本発明で規定した範囲を外れる鋼種Ｂ，Ｃに比較して面内異方性が著しく小さくなり、面内異方性指数が大きくなっていることが判る。本発明鋼Ｄと比較鋼Ｅ，Ｆ及び本発明鋼Ｇと比較鋼Ｈ，Ｉとの比較においても、同様に本発明鋼Ｄ，Ｇでは面内異方性が著しく小さくなっている。
２ｍｍＶノッチ付きＪＩＳ ５号引張試験における全伸びの面内異方性をＳ含有量との関係で整理したところ、図２に示すようにＳ含有量の減少に伴って全伸びの面内異方性が小さくなり、面内異方性指数が大きくなる傾向がみられる。特にＳ含有量が本発明で規定した０．００２重量％以下になると面内異方性指数が０．９を超え、Ｃ方向及びＬ方向共に同じ衝撃特性をもつ鋼板であることが判る。
【００１８】
0003910242.tif 000004
【００１９】
７１０℃×２０時間加熱保持後に炉冷した熱延鋼板を冷間圧延し、板厚２．０ｍｍの冷延鋼板を製造した。冷延鋼板に、７１０℃×２０時間加熱保持後に室温まで炉冷する焼鈍を施した。焼鈍された各冷延鋼板から、Ｌ方向及びＣ方向に２ｍｍＶノッチ付き衝撃試験片を切り出し、室温での衝撃試験に供した。
試験結果を表４に示す。この場合、焼鈍−冷延を加えているため、表３の試験結果に比較して何れの鋼種も軟化しているが、表３の結果と同様に本発明鋼Ａでは、Ｃ方向の衝撃値がＬ方向とほぼ同等であり、Ｓ含有量のみが本発明で規定した範囲を外れる鋼種Ｂ，Ｃに比較して面内異方性が著しく小さくなり、面内異方性指数が大きくなっていることが判る。また、本発明鋼Ｄと比較鋼Ｅ，Ｆ及び本発明鋼Ｇと比較鋼Ｈ，Ｉとの比較においても、同様に本発明鋼Ｄ，Ｇでは面内異方性が著しく小さくなっていた。
【００２０】
0003910242.tif 000005
【００２１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の鋼板においては、Ｓ含有量を０．００２重量％以下と規制し、非金属介在物の圧延方向の平均長さを６μｍ以下とし、長さが４μｍ以下の介在物個数が全介在物の８０％以上とすることにより、熱延鋼板，熱延焼鈍鋼板，冷延焼鈍鋼板の何れにおいてもＬ方向及びＣ方向に関する伸び及び衝撃値がほぼ同等になっている。そのため、品質安定性に優れた鋼板として、機械構造用，機械部品用を始めとして広範な分野で使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  焼入れ後に４５０℃で焼き戻した熱延鋼板について、２ｍｍＶノッチでの衝撃値の面内異方性指数とＳ含有量との関係を表したグラフ
【図２】  ７１０℃で焼鈍した熱延焼鈍鋼板について、２ｍｍＶノッチ付きＪＩＳ  ５号試験での全伸びの面内異方性指数とＳ含有量との関係を表したグラフ
【図１】
0003910242.tif 000006
【図２】
0003910242.tif 000007