JP7680663B2 - Steel material and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、鋼材およびその製造方法に関する。 The present invention relates to steel materials and manufacturing methods thereof.
鋼の組織が微細になるほど、強度、延性および靱性のいずれもが向上することが知られている。例えば、軟質な素地中に硬質なマルテンサイトが分散した複相組織鋼において、マルテンサイトを微細に多数分散させた鋼は、同じマルテンサイト体積率でマルテンサイトが粗大化・連結した鋼と比較して、優れた延性および靱性を有する。 It is known that the finer the steel structure, the greater its strength, ductility, and toughness. For example, in a multi-phase steel in which hard martensite is dispersed in a soft matrix, steel with many finely dispersed martensite particles has superior ductility and toughness compared to steel with the same martensite volume fraction in which the martensite is coarsened and connected.
また、組織中に残留オーステナイトを含有させると、歪導入時にオーステナイトが歪誘起によるマルテンサイト変態を起こす。そのため、組織中に残留オーステナイトを含む鋼では、延性に優れるとともに高い強度が得られ、強度-延性バランスに優れる結果となる。 In addition, if retained austenite is included in the structure, the austenite undergoes strain-induced martensitic transformation when strain is introduced. Therefore, steel containing retained austenite in the structure has excellent ductility and high strength, resulting in an excellent balance of strength and ductility.
強度-延性バランスに優れた材料として、DP鋼または残留オーステナイト鋼が知られている。例えば、特許文献1には、引張強度が590MPa以上、降伏比が0.65以上で、かつヤング率が225GPa以上である剛性に優れた高強度薄鋼板が開示されている。 DP steel or retained austenite steel is known as a material with an excellent balance of strength and ductility. For example, Patent Document 1 discloses a high-strength thin steel plate with excellent rigidity, having a tensile strength of 590 MPa or more, a yield ratio of 0.65 or more, and a Young's modulus of 225 GPa or more.
また、特許文献2には、自動車用、家電用及び機械構造用等に用いられる冷延鋼板について、プレス加工による歪の導入がなくても、低歪域での吸収エネルギーが大きく、耐衝突特性に優れる高強度冷延鋼板が開示されている。さらに、特許文献3には、伸びと伸びフランジ性に優れ、高降伏比を有する高強度冷延鋼板が開示されている。 Patent Document 2 discloses a high-strength cold-rolled steel sheet used in automobiles, home appliances, machine structures, etc., which has high energy absorption in the low strain range and excellent crash resistance even without the introduction of strain by press working. Furthermore, Patent Document 3 discloses a high-strength cold-rolled steel sheet with excellent elongation and stretch flangeability and a high yield ratio.
しかしながら、特許文献1~3に記載の鋼においては、組織制御のため組成を厳しく制限する必要が生じるという問題がある。そのため、化学組成の自由度が低く、製造コストが上昇する懸念がある。 However, the steels described in Patent Documents 1 to 3 have the problem that the composition must be strictly restricted in order to control the structure. This limits the freedom in the chemical composition, and there is a concern that the manufacturing costs will increase.
また、特許文献1~3に記載の鋼は、延性確保の観点から軟質なフェライトを含む。そのため、上記の鋼は成形性には優れるものの、低歪み域での変形抵抗が小さく、例えば、自動車の衝撃吸収部材として用いた場合には、衝突(変形)初期のエネルギー吸収能が劣るという問題がある。また、軟質なフェライト層と硬質なマルテンサイト層との界面にボイドが発生し易く、局部変形能の面でも問題があった。 The steels described in Patent Documents 1 to 3 contain soft ferrite to ensure ductility. Therefore, although the above steels have excellent formability, they have low deformation resistance in the low strain range, and when used as shock absorbing components for automobiles, for example, they have a problem of poor energy absorption ability at the initial stage of a collision (deformation). In addition, voids are likely to occur at the interface between the soft ferrite layer and the hard martensite layer, which also poses a problem in terms of local deformability.
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、延性に優れ、かつ高降伏比の鋼材を提供することを目的とする。 The present invention was made to solve the above problems, and aims to provide a steel material with excellent ductility and a high yield ratio.
本発明は、下記の鋼材およびその製造方法を要旨とする。 The gist of the present invention is the following steel material and its manufacturing method.
(1)化学組成が、質量%で、
C:1.00%以下、
Si:3.00%以下、
Mn:0.2~7.0%、
P:0.10%以下、
S:0.030%以下、
Al:3.00%以下、
N:0.010%以下、
Ni:0~10.0%、
Cu:0~3.0%、
Cr:0~10.0%、
Ti:0~1.0%、
Nb:0~1.0%、
V:0~1.0%、
Mo:0~2.0%、
W:0~1.0%、
B:0~0.01%、
Co:0~1.0%、
Ca:0~0.01%、
Mg:0~0.01%、
REM:0~0.01%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(i)式で定義されるCeqが0.10~1.00であり、
金属組織が、体積%で、
残留オーステナイト:5.0~30.0%、を含み、かつ、
マルテンサイトおよびベイナイトの合計体積率:2.5~50.0%であり、
残留オーステナイト、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ベイナイトおよびフェライトの合計体積率が90.0%以上であり、
残留オーステナイトの平均結晶粒径が2.0μm以下、
マルテンサイトおよびベイナイトの平均結晶粒径が3.5μm以下であり、
下記(ii)式を満足する、
鋼材。
Ceq=C+1/24Si+1/6Mn+1/40Ni+1/5Cr+1/4Mo+1/14V ・・・(i)
HIT1-HIT2≦3.5 ・・・(ii)
但し、上記式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとし、上記式中の各記号は以下により定義される。
HIT1:マルテンサイトおよびベイナイトの平均ナノ硬さ(GPa)
HIT2:焼戻しマルテンサイトおよびフェライトの平均ナノ硬さ(GPa)
(1) Chemical composition, in mass%,
C: 1.00% or less,
Si: 3.00% or less,
Mn: 0.2-7.0%,
P: 0.10% or less,
S: 0.030% or less,
Al: 3.00% or less,
N: 0.010% or less,
Ni: 0 to 10.0%,
Cu: 0-3.0%,
Cr: 0-10.0%,
Ti: 0 to 1.0%,
Nb: 0 to 1.0%,
V: 0 to 1.0%,
Mo: 0-2.0%,
W: 0 to 1.0%,
B: 0 to 0.01%,
Co: 0 to 1.0%,
Ca: 0-0.01%,
Mg: 0 to 0.01%,
REM: 0-0.01%,
The balance is Fe and impurities.
Ceq defined by the following formula (i) is 0.10 to 1.00,
The metal structure is, in volume percent,
Retained austenite: 5.0 to 30.0%; and
Total volume fraction of martensite and bainite: 2.5 to 50.0%;
The total volume fraction of retained austenite, martensite, tempered martensite, bainite and ferrite is 90.0% or more,
The average grain size of the retained austenite is 2.0 μm or less.
The average grain size of martensite and bainite is 3.5 μm or less,
The following formula (ii) is satisfied:
Steel material.
Ceq=C+1/24Si+1/6Mn+1/40Ni+1/5Cr+1/4Mo+1/14V...(i)
H IT1 - H IT2 ≦3.5...(ii)
In the above formula, each element symbol represents the content (mass%) of each element contained in the steel, and when no element is contained, the value is set to zero. Each element symbol in the above formula is defined as follows.
H IT1 : Average nanohardness of martensite and bainite (GPa)
H IT2 : Average nanohardness of tempered martensite and ferrite (GPa)
(2)前記化学組成が、質量%で、
Ni:0.1~10.0%、
Cu:0.3~3.0%、および
Cr:0.1~10.0%、
から選択される1種以上を含有する、
上記(1)に記載の鋼材。
(2) The chemical composition is, in mass%,
Ni: 0.1 to 10.0%,
Cu: 0.3-3.0%, and Cr: 0.1-10.0%,
Contains one or more selected from
The steel material according to (1) above.
(3)前記化学組成が、質量%で、
Ti:0.01~1.0%、
Nb:0.01~1.0%、
V:0.01~1.0%、
Mo:0.05~2.0%、
W:0.05~1.0%、
B:0.0003~0.01%、および
Co:0.05~1.0%、
から選択される1種以上を含有する、
上記(1)または(2)に記載の鋼材。
(3) The chemical composition is, in mass%,
Ti: 0.01 to 1.0%,
Nb: 0.01-1.0%,
V: 0.01-1.0%,
Mo: 0.05-2.0%,
W: 0.05-1.0%,
B: 0.0003 to 0.01%, and Co: 0.05 to 1.0%,
Contains one or more selected from
The steel material according to (1) or (2) above.
(4)前記化学組成が、質量%で、
Ca:0.0001~0.01%、
Mg:0.0001~0.01%、および
REM:0.0001~0.01%、
から選択される1種以上を含有する、
上記(1)から(3)までのいずれかに記載の鋼材。
(4) The chemical composition is, in mass%,
Ca: 0.0001-0.01%,
Mg: 0.0001-0.01%, and REM: 0.0001-0.01%,
Contains one or more selected from
The steel material according to any one of (1) to (3) above.
(5)前記金属組織中の焼戻しマルテンサイトおよびフェライトの平均ナノ硬さが3.0GPa以上である、
上記(1)から(4)までのいずれかに記載の鋼材。
(5) The average nanohardness of tempered martensite and ferrite in the metal structure is 3.0 GPa or more.
A steel material according to any one of (1) to (4) above.
(6)上記(1)から(4)までのいずれかに記載の化学組成を有し、
冷間加工されたマルテンサイトまたは冷間加工された焼戻しマルテンサイトを主体とする金属組織を有する鋼素材に対して、
第1熱処理工程および第2熱処理工程を順に行い、
前記第1熱処理工程において、急速加熱開始温度T~Ac1点の平均昇温速度が150℃/s以上となるように、Ac3点以上Ac3+100℃未満の温度域まで加熱した後、2.0s以内に冷却を開始し、800~500℃の平均冷却速度が150℃/s以上となるように、100℃以下の温度まで冷却し、
前記第2熱処理工程において、Ac1点以上、かつ、(Ac1点+Ac3点)/2未満の範囲の2相温度域まで加熱した後、2.0s以内に冷却を開始し、前記2相温度域から300℃までの平均冷却速度が20~150℃/sとなるように、100℃以下の温度まで冷却する、
鋼材の製造方法。
但し、急速加熱開始温度Tは下記のようにして求める。
Ac1≧700℃の場合は、T=600℃
Ac1<700℃の場合は、T=Ac1-100℃
(6) Having a chemical composition according to any one of (1) to (4) above,
For steel materials having a metal structure mainly composed of cold worked martensite or cold worked tempered martensite,
A first heat treatment step and a second heat treatment step are carried out in sequence,
In the first heat treatment step, heating is performed to a temperature range of Ac 3 or more and less than Ac 3 +100° C. so that the average heating rate from the rapid heating start temperature T to Ac 1 point is 150° C./s or more, and then cooling is started within 2.0 seconds to a temperature of 100° C. or less so that the average cooling rate from 800 to 500° C. is 150° C./s or more;
In the second heat treatment step, the steel is heated to a two-phase temperature range of Ac 1 point or more and less than (Ac 1 point + Ac 3 point)/2, and then cooled within 2.0 seconds to a temperature of 100°C or less so that the average cooling rate from the two-phase temperature range to 300°C is 20 to 150°C/s.
Steel manufacturing method.
However, the rapid heating start temperature T is determined as follows.
If Ac 1 ≧700° C., T=600° C.
When Ac 1 <700° C., T=Ac 1 −100° C.
本発明によれば、延性に優れ、かつ高降伏比の鋼材を得ることが可能になる。 The present invention makes it possible to obtain steel materials with excellent ductility and high yield ratios.
本発明者らは、優れた延性を有し、かつ高降伏比の鋼材を得るための方法について鋭意検討を行った結果、以下の知見を得るに至った。 The inventors conducted extensive research into methods for obtaining steel materials with excellent ductility and a high yield ratio, and came to the following findings.
(a)優れた延性を有し、かつ高降伏比とするためには、微細に分散した残留オーステナイト、マルテンサイトおよびベイナイトを含み、それ以外の素地部分が、比較的硬質な焼戻しマルテンサイトを主体とする金属組織とするのがよい。 (a) In order to have excellent ductility and a high yield ratio, it is preferable for the metal structure to contain finely dispersed retained austenite, martensite, and bainite, with the remaining base material being primarily composed of relatively hard tempered martensite.
(b)このような金属組織を有する鋼材を得るため、鋼素材に対して、第1熱処理工程および第2熱処理工程を順に施す。第1熱処理工程においては、鋼素材を急速加熱し、オーステナイト単相域まで加熱することで、オーステナイト粒を生成させる。そして、その状態から直ちに急速冷却することで、微細なマルテンサイトが得られる。 (b) To obtain a steel material having such a metal structure, the steel material is subjected to a first heat treatment process and a second heat treatment process in that order. In the first heat treatment process, the steel material is rapidly heated to the austenite single phase region, thereby generating austenite grains. Then, by immediately rapidly cooling from that state, fine martensite is obtained.
(c)鋼素材の組織の違いによって、加熱後の微細度合が大きく変わる。鋼素材には金属組織中にオーステナイトの核生成サイトが多数存在するものを用いるのが望ましい。そのため、冷間加工されたマルテンサイトまたは冷間加工された焼戻しマルテンサイトを主体とする金属組織を有する鋼素材を用いることが望ましい。 (c) The degree of fineness after heating varies greatly depending on the structure of the steel material. It is preferable to use a steel material that has many austenite nucleation sites in the metal structure. For this reason, it is preferable to use a steel material that has a metal structure mainly composed of cold-worked martensite or cold-worked tempered martensite.
(d)第1熱処理工程を施して得られた微細なマルテンサイトには、オーステナイトの核生成サイトが多数形成されている。そのため、第2熱処理工程を施すことにより、素地中に残留オーステナイト、マルテンサイトおよびベイナイトを、微細に、多く分散させることができる。 (d) Many austenite nucleation sites are formed in the fine martensite obtained by the first heat treatment process. Therefore, by performing the second heat treatment process, it is possible to finely and abundantly disperse retained austenite, martensite, and bainite in the base material.
(e)第2熱処理工程では、フェライト/オーステナイト2相域の低温側まで加熱することで、高温において金属組織の一部に超微細なオーステナイト粒が生成される。そして、その状態から直ちに冷却することで微細に分散した残留オーステナイト、マルテンサイトおよびベイナイトが得られる。 (e) In the second heat treatment step, the material is heated to the low temperature side of the ferrite/austenite two-phase region, which generates ultrafine austenite grains in part of the metal structure at high temperatures. Then, by immediately cooling from that state, finely dispersed retained austenite, martensite, and bainite are obtained.
(f)加熱後の未変態の領域、すなわち、第1熱処理工程により得られたマルテンサイトが残存した領域は焼戻しを受け、焼戻しマルテンサイトとなる。 (f) The untransformed areas after heating, i.e., the areas in which the martensite obtained in the first heat treatment process remains, are tempered and become tempered martensite.
(g)速い昇温速度で加熱を行った場合、オーステナイトへの変態完了温度(Ac3点)が上昇するため、高温域で短時間のうちに初期のマルテンサイトを焼戻すことができる。 (g) When heating is performed at a fast heating rate, the transformation completion temperature to austenite (Ac 3 point) increases, so that the initial martensite can be tempered in a short period of time in the high temperature range.
(h)生成した超微細オーステナイト粒は、高温状態では粒界の移動により粗大な粒に成長しやすい。そのため、加熱後は直ちに冷却を開始することによって、超微細組織を維持したまま室温まで冷却する。 (h) The ultrafine austenite grains that are formed tend to grow into coarse grains due to grain boundary migration at high temperatures. Therefore, cooling is started immediately after heating to cool the material to room temperature while maintaining the ultrafine structure.
(i)冷却速度をある程度遅くすることで、マルテンサイトおよびベイナイトを軟質化する。さらに、冷却過程で炭素が拡散するため、オーステナイトへ炭素が濃化し、残留オーステナイトを安定化させる効果も得られる。 (i) By slowing down the cooling rate to a certain extent, martensite and bainite are softened. Furthermore, carbon diffuses during the cooling process, concentrating carbon in the austenite, which also has the effect of stabilizing the retained austenite.
(j)超微細オーステナイト粒の成長粗大化を防止するため、変態温度を低くすることも有効である。粒界の移動は原子の拡散によるものであるため、温度を下げて拡散速度を小さくすれば、微細な粒のまま維持することが可能になる。 (j) To prevent the growth and coarsening of ultrafine austenite grains, it is also effective to lower the transformation temperature. Since the movement of grain boundaries occurs due to atomic diffusion, lowering the temperature and slowing down the diffusion rate makes it possible to maintain the grains at a fine size.
(k)Mn等の含有量を調整することによって、鋼素材の変態温度を低下させることが可能になる。 (k) By adjusting the content of Mn, etc., it is possible to lower the transformation temperature of the steel material.
(l)第1熱処理工程および第2熱処理工程を施すことによって得られる金属組織は、素地部分と、マルテンサイトおよびベイナイトとの硬度差を低く抑えることができる。その結果、ボイドの発生を抑制し、延性および局所変形能を向上させることができる。 (l) The metal structure obtained by carrying out the first heat treatment process and the second heat treatment process can reduce the difference in hardness between the base material and the martensite and bainite. As a result, the generation of voids can be suppressed and ductility and local deformability can be improved.
本発明は上記知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。 The present invention was made based on the above findings. Each aspect of the present invention will be explained in detail below.
(A)化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
(A) Chemical Composition The reasons for limiting the content of each element are as follows. In the following description, "%" for the content means "mass %".
C:1.00%以下
Cは鋼材の強度を向上させる元素である。C含有量は鋼材に要求される特性に応じて選定されるが、1.00%を超えるとMf点が低下しすぎて、加熱中に生じたオーステナイトの一部または全部が冷却中に変態せずに、必要量のマルテンサイトが得られず、十分な強度が得られなくなる。そのため、C含有量は1.00%以下とする。C含有量は0.50%以下であるのが好ましく、0.35%以下であるのがより好ましい。上記の効果を得るためには、C含有量は0.03%以上であるのが好ましい。
C: 1.00% or less C is an element that improves the strength of steel. The C content is selected according to the properties required for the steel, but if it exceeds 1.00%, the Mf point drops too much, and some or all of the austenite generated during heating does not transform during cooling, so the required amount of martensite is not obtained and sufficient strength cannot be obtained. Therefore, the C content is set to 1.00% or less. The C content is preferably 0.50% or less, and more preferably 0.35% or less. In order to obtain the above effect, the C content is preferably 0.03% or more.
Si:3.00%以下
Siはフェライト相へ分配される元素であって、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するには、脱酸のために通常含有される量より多く含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が3.00%を超えると、熱間加工性が劣化して圧延時に割れやすくなる。そのため、Si含有量は3.00%以下とする。Si含有量は2.50%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Si含有量は0.01%以上であるのが好ましく、0.03%以上であるのがより好ましい。
Si: 3.00% or less Si is an element distributed to the ferrite phase, and in order to suppress the growth and coarsening of the ultrafine austenite structure, it is necessary to contain more Si than the amount normally contained for deoxidation. However, if the content exceeds 3.00%, the hot workability deteriorates and the steel is easily cracked during rolling. Therefore, the Si content is set to 3.00% or less. The Si content is preferably 2.50% or less. In order to obtain the above effect, the Si content is preferably 0.01% or more, and more preferably 0.03% or more.
Mn:0.2~7.0%
MnはA1変態点を低下させてオーステナイト生成温度域を低くすることによって、オーステナイト相の成長粗大化速度を低下させるのに有効な元素である。また、Mnはオーステナイト相へ分配される元素である。さらに、残留オーステナイトを活用したい場合には有効な元素となる。超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するためには、0.2%以上含有させる必要がある。一方、Mn含有量が7.0%を超えると、Mf点が低下しすぎて、加熱中に生じたオーステナイトの一部または全部が冷却中に変態せずに、必要量のマルテンサイトが得られず、十分な強度が得られなくなる。そのため、Mn含有量は0.2~7.0%とする。Mn含有量は5.0%以下であるのが好ましく、3.0%以下であるのがより好ましい。
Mn: 0.2-7.0%
Mn is an effective element for lowering the growth and coarsening rate of the austenite phase by lowering the A1 transformation point and lowering the austenite formation temperature range. Mn is also an element that is distributed to the austenite phase. Furthermore, it is an effective element when retained austenite is to be utilized. In order to suppress the growth and coarsening of the ultrafine austenite structure, it is necessary to contain 0.2% or more. On the other hand, if the Mn content exceeds 7.0%, the Mf point is lowered too much, and a part or all of the austenite generated during heating is not transformed during cooling, so that the required amount of martensite cannot be obtained and sufficient strength cannot be obtained. Therefore, the Mn content is set to 0.2 to 7.0%. The Mn content is preferably 5.0% or less, more preferably 3.0% or less.
P:0.10%以下
Pは、一般に不純物として含有される元素であるが、固溶強化により強度を高める効果を有する元素でもある。したがって、Pを積極的に含有させてもよい。しかし、Pは偏析し易い元素であり、その含有量が0.10%を超えると、粒界偏析に起因する成形性および靱性の低下が顕著となる。したがって、P含有量は0.10%以下とする。P含有量は0.05%以下であるのが好ましく、0.03%以下であるのがより好ましく、0.02%以下であるのがさらに好ましい。P含有量の下限は特に規定する必要はないが、上記の効果を得たい場合には、0.001%以上とすることが好ましい。
P: 0.10% or less P is an element that is generally contained as an impurity, but it is also an element that has the effect of increasing strength by solid solution strengthening. Therefore, P may be actively contained. However, P is an element that is easily segregated, and if its content exceeds 0.10%, the deterioration of formability and toughness due to grain boundary segregation becomes significant. Therefore, the P content is set to 0.10% or less. The P content is preferably 0.05% or less, more preferably 0.03% or less, and even more preferably 0.02% or less. There is no need to specify the lower limit of the P content, but if it is desired to obtain the above effect, it is preferable to set it to 0.001% or more.
S:0.030%以下
Sは、不純物として含有される元素であり、鋼中に硫化物系介在物を形成して鋼板の成形性を低下させる。S含有量が0.030%を超えると、成形性の低下が著しくなる。したがって、S含有量は0.030%以下とする。S含有量は0.010%以下であるのが好ましく、0.005%以下であるのがより好ましく、0.001%以下であるのがさらに好ましい。S含有量の下限は特に規定する必要はないが、精錬コストの上昇を抑制する観点からは0.0001%以上とすることが好ましい。
S: 0.030% or less S is an element contained as an impurity, and forms sulfide-based inclusions in steel, thereby reducing the formability of the steel sheet. If the S content exceeds 0.030%, the formability is significantly reduced. Therefore, the S content is set to 0.030% or less. The S content is preferably 0.010% or less, more preferably 0.005% or less, and even more preferably 0.001% or less. There is no need to specify a lower limit for the S content, but from the viewpoint of suppressing an increase in refining costs, it is preferably set to 0.0001% or more.
Al:3.00%以下
Alはフェライト相へ分配される元素であって、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するには、脱酸のために通常含有される量より多く含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が3.00%を超えると、熱間加工性が劣化して圧延時に割れやすくなる。そのため、Al含有量は3.00%以下とする。Al含有量は2.50%以下であるのが好ましく、2.00%以下であるのがより好ましい。上記の効果を得るためには、Al含有量は0.01%以上であるのが好ましく、0.03%以上であるのがより好ましい。
Al: 3.00% or less Al is an element distributed to the ferrite phase, and in order to suppress the growth and coarsening of the ultrafine austenite structure, it is necessary to contain more Al than the amount normally contained for deoxidation. However, if the content exceeds 3.00%, the hot workability deteriorates and the steel is prone to cracking during rolling. Therefore, the Al content is set to 3.00% or less. The Al content is preferably 2.50% or less, and more preferably 2.00% or less. In order to obtain the above effect, the Al content is preferably 0.01% or more, and more preferably 0.03% or more.
N:0.010%以下
Nは、不純物として含有される元素であり、鋼板の成形性を低下させる作用を有する。N含有量が0.010%を超えると、成形性の低下が著しくなる。したがって、N含有量は0.010%以下とする。N含有量は0.008%以下であるのが好ましく、0.007%以下であるのがより好ましい。N含有量の下限は特に規定する必要はないが、後述するようにTi、NbおよびVの1種以上を含有させて鋼組織の微細化を図る場合を考慮すると、炭窒化物の析出を促進させるためにN含有量は、0.0010%以上とすることが好ましく、0.0020%以上とすることがより好ましい。
N: 0.010% or less N is an element contained as an impurity and has the effect of reducing the formability of the steel sheet. If the N content exceeds 0.010%, the formability will be significantly reduced. Therefore, the N content is set to 0.010% or less. The N content is preferably 0.008% or less, and more preferably 0.007% or less. There is no need to specify a lower limit for the N content, but in consideration of the case where one or more of Ti, Nb, and V are contained to refine the steel structure as described below, the N content is preferably 0.0010% or more, and more preferably 0.0020% or more in order to promote the precipitation of carbonitrides.
本発明に係る鋼材には、上記の元素に加えてさらに、下記に示す量のNi、Cu、Cr、Ti、Nb、V、Mo、W、B、Co、Ca、MgおよびREMから選択される1種以上の元素を含有させてもよい。 In addition to the above elements, the steel material according to the present invention may further contain one or more elements selected from Ni, Cu, Cr, Ti, Nb, V, Mo, W, B, Co, Ca, Mg and REM in the amounts shown below.
Ni:0~10.0%
NiはA1変態点を低下させてオーステナイト生成温度域を低くすることによって、オーステナイト相の成長粗大化速度を低下させるのに有効な元素である。また、Niはオーステナイト相へ分配される元素である。そのため必要に応じてNiを含有させてもよい。しかしながら、Ni含有量が10.0%を超えると、粒成長の抑制効果が飽和してくる。したがって、Ni含有量は10.0%以下とする。Ni含有量は5.0%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ni含有量は0.1%以上とするのが好ましい。
Ni: 0-10.0%
Ni is an element that is effective in lowering the growth and coarsening rate of the austenite phase by lowering the A1 transformation point and lowering the austenite formation temperature range. Ni is also an element that is distributed to the austenite phase. Therefore, Ni may be contained as necessary. However, when the Ni content exceeds 10.0%, the effect of suppressing grain growth becomes saturated. Therefore, the Ni content is set to 10.0% or less. The Ni content is preferably set to 5.0% or less. In order to obtain the above effect, the Ni content is preferably set to 0.1% or more.
Cu:0~3.0%
CuはA1変態点を低下させてオーステナイト生成温度域を低くすることによって、オーステナイト相の成長粗大化速度を低下させるのに有効な元素である。また、Cuはオーステナイト相へ分配される元素である。そのため必要に応じてCuを含有させてもよい。しかしながら、Cu含有量が3.0%を超えると、加工性が劣化して圧延時に割れやすくなる。したがって、Cu含有量は3.0%以下とする。Cu含有量は2.5%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Cu含有量は0.3%以上とするのが好ましい。
Cu: 0 to 3.0%
Cu is an element that is effective in lowering the growth and coarsening rate of the austenite phase by lowering the A1 transformation point and lowering the austenite formation temperature range. Cu is also an element that is distributed to the austenite phase. Therefore, Cu may be contained as necessary. However, if the Cu content exceeds 3.0%, the workability deteriorates and the steel is prone to cracking during rolling. Therefore, the Cu content is set to 3.0% or less. The Cu content is preferably set to 2.5% or less. In order to obtain the above effect, the Cu content is preferably set to 0.3% or more.
Cr:0~10.0%
Crはオーステナイト相へ分配される元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてCrを含有させてもよい。しかしながら、Cr含有量が10.0%を超えると、強度と延性または強度と靱性とのアンバランスが生じる。したがって、Cr含有量は10.0%以下とする。Cr含有量は8.0%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Cr含有量は0.1%以上とするのが好ましい。
Cr: 0-10.0%
Cr is an element that is distributed to the austenite phase and is effective in suppressing the growth and coarsening of the ultrafine austenite structure. Therefore, Cr may be contained as necessary. However, if the Cr content exceeds 10.0%, an imbalance between strength and ductility or strength and toughness occurs. Therefore, the Cr content is set to 10.0% or less. The Cr content is preferably set to 8.0% or less. In order to obtain the above effect, the Cr content is preferably set to 0.1% or more.
Ti:0~1.0%
Tiはフェライト相へ分配され、かつ、拡散の遅い元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてTiを含有させてもよい。しかしながら、Ti含有量が1.0%を超えると、鋼が脆化してくる。したがって、Ti含有量は1.0%以下とする。Ti含有量は0.5%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ti含有量は0.01%以上とするのが好ましい。
Ti: 0 to 1.0%
Ti is an element that is distributed in the ferrite phase and diffuses slowly, and is effective in suppressing the growth and coarsening of the ultrafine austenite structure. Therefore, Ti may be contained as necessary. However, if the Ti content exceeds 1.0%, the steel becomes embrittled. Therefore, the Ti content is set to 1.0% or less. The Ti content is preferably set to 0.5% or less. In order to obtain the above effect, the Ti content is preferably set to 0.01% or more.
Nb:0~1.0%
Nbはフェライト相へ分配され、かつ、拡散の遅い元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてNbを含有させてもよい。しかしながら、Nb含有量が1.0%を超えると、鋼が脆化してくる。したがって、Nb含有量は1.0%以下とする。Nb含有量は0.5%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Nb含有量は0.01%以上とするのが好ましい。
Nb: 0 to 1.0%
Nb is an element that is distributed to the ferrite phase and diffuses slowly, and is effective in suppressing the growth and coarsening of the ultrafine austenite structure. Therefore, Nb may be contained as necessary. However, if the Nb content exceeds 1.0%, the steel becomes embrittled. Therefore, the Nb content is set to 1.0% or less. The Nb content is preferably set to 0.5% or less. In order to obtain the above effect, the Nb content is preferably set to 0.01% or more.
V:0~1.0%
Vはフェライト相へ分配される元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてVを含有させてもよい。しかしながら、V含有量が1.0%を超えると、鋼が脆化してくる。したがって、V含有量は1.0%以下とする。V含有量は0.5%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、V含有量は0.01%以上とするのが好ましい。
V: 0 to 1.0%
V is an element that is distributed to the ferrite phase and is effective in suppressing the growth and coarsening of the ultrafine austenite structure. Therefore, V may be contained as necessary. However, if the V content exceeds 1.0%, the steel becomes embrittled. Therefore, the V content is set to 1.0% or less. The V content is preferably set to 0.5% or less. In order to obtain the above effect, the V content is preferably set to 0.01% or more.
Mo:0~2.0%
Moはフェライト相へ分配され、かつ、拡散の遅い元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてMoを含有させてもよい。しかしながら、Mo含有量が2.0%を超えると、粒成長の抑制効果が飽和してくる。したがって、Mo含有量は2.0%以下とする。Mo含有量は1.0%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Mo含有量は0.05%以上とするのが好ましい。
Mo: 0 to 2.0%
Mo is an element that is distributed to the ferrite phase and diffuses slowly, and is effective in suppressing the growth and coarsening of the ultrafine austenite structure. Therefore, Mo may be contained as necessary. However, when the Mo content exceeds 2.0%, the effect of suppressing grain growth becomes saturated. Therefore, the Mo content is set to 2.0% or less. The Mo content is preferably set to 1.0% or less. In order to obtain the above effect, the Mo content is preferably set to 0.05% or more.
W:0~1.0%
Wはフェライト相へ分配され、かつ、拡散の遅い元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてWを含有させてもよい。しかしながら、W含有量が1.0%を超えると、粒成長の抑制効果が飽和してくる。したがって、W含有量は1.0%以下とする。W含有量は0.5%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、W含有量は0.05%以上とするのが好ましい。
W: 0 to 1.0%
W is an element that is distributed to the ferrite phase and diffuses slowly, and is effective in suppressing the growth and coarsening of the ultrafine austenite structure. Therefore, W may be contained as necessary. However, when the W content exceeds 1.0%, the effect of suppressing grain growth becomes saturated. Therefore, the W content is set to 1.0% or less. The W content is preferably set to 0.5% or less. In order to obtain the above effect, the W content is preferably set to 0.05% or more.
B:0~0.01%
Bは焼入れ性が向上する元素で、マルテンサイトを含む組織を得るには有効な元素である。そのため必要に応じてBを含有させてもよい。しかしながら、B含有量が0.01%を超えると、靱性が悪化する。したがって、B含有量は0.01%以下とする。B含有量は0.005%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、B含有量は0.0003%以上とするのが好ましい。
B: 0 to 0.01%
B is an element that improves hardenability and is an effective element for obtaining a structure containing martensite. Therefore, B may be contained as necessary. However, if the B content exceeds 0.01%, toughness deteriorates. Therefore, the B content is set to 0.01% or less. The B content is preferably set to 0.005% or less. To obtain the above effects, the B content is preferably set to 0.0003% or more.
Co:0~1.0%
Coはフェライト相へ分配される元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてCoを含有させてもよい。しかしながら、Co含有量が1.0%を超えると、粒成長の抑制効果が飽和してくる。したがって、Co含有量は1.0%以下とする。Co含有量は0.5%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Co含有量は0.05%以上とするのが好ましい。
Co: 0 to 1.0%
Co is an element that is distributed to the ferrite phase and is effective in suppressing the growth and coarsening of the ultrafine austenite structure. Therefore, Co may be contained as necessary. However, when the Co content exceeds 1.0%, the effect of suppressing grain growth becomes saturated. Therefore, the Co content is set to 1.0% or less. The Co content is preferably set to 0.5% or less. In order to obtain the above effect, the Co content is preferably set to 0.05% or more.
Ca:0~0.01%
Mg:0~0.01%
REM:0~0.01%
Ca、MgおよびREMは、オーステナイト粒成長を抑制するピン留め効果を有し、オーステナイト粒を微細化する効果を有する。そのため必要に応じてこれらの元素から選択される1種以上を含有させてもよい。しかしながら、これらの元素の含有量がそれぞれ0.01%を超えると、脆化して加工性が劣化する。したがって、各元素ともその含有量を0.01%以下とする。また、2種以上を複合的に含有させる場合、その合計含有量は0.03%であってもよい。上記の効果を得るためには、Ca、MgおよびREMから選択される1種以上を0.0001%以上含有させるのが好ましい。
Ca: 0-0.01%
Mg: 0-0.01%
REM: 0-0.01%
Ca, Mg and REM have a pinning effect to suppress austenite grain growth and have the effect of refining austenite grains. Therefore, one or more selected from these elements may be contained as necessary. However, if the content of each of these elements exceeds 0.01%, embrittlement occurs and workability deteriorates. Therefore, the content of each element is set to 0.01% or less. In addition, when two or more elements are contained in combination, the total content may be 0.03%. In order to obtain the above effect, it is preferable to contain 0.0001% or more of one or more selected from Ca, Mg and REM.
ここで、REMは、Sc、Yおよびランタノイドの合計17元素を指し、前記REMの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。 Here, REM refers to a total of 17 elements: Sc, Y, and lanthanides, and the content of the REM refers to the total content of these elements.
本発明に係る鋼材の化学組成において、残部はFeおよび不純物である。なお「不純物」とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。 In the chemical composition of the steel material according to the present invention, the balance is Fe and impurities. Note that "impurities" refer to components that are mixed in due to various factors in the manufacturing process and raw materials such as ores and scraps when industrially manufacturing steel material, and are acceptable within the range that does not adversely affect the present invention.
Ceq:0.10~1.00
Ceqは炭素当量を意味し、下記(i)式で定義される。Ceqが0.10未満では、焼き入れを施してもマルテンサイト組織が得られない。一方、Ceqが1.00を超えると、靱性および延性が悪化するだけでなく、溶接を行う場合には溶接性および溶接部特性が劣化する。したがって、Ceqは0.10~1.00とする。Ceqは0.20以上であるのが好ましく、0.30以上であるのがより好ましい。
Ceq=C+1/24Si+1/6Mn+1/40Ni+1/5Cr+1/4Mo+1/14V ・・・(i)
但し、式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
Ceq:0.10~1.00
Ceq means carbon equivalent and is defined by the following formula (i). If Ceq is less than 0.10, a martensite structure cannot be obtained even if quenching is performed. On the other hand, if Ceq exceeds 1.00, not only does toughness and ductility deteriorate, but also weldability and welded portion characteristics deteriorate when welding is performed. Therefore, Ceq is set to 0.10 to 1.00. Ceq is preferably 0.20 or more, and more preferably 0.30 or more.
Ceq=C+1/24Si+1/6Mn+1/40Ni+1/5Cr+1/4Mo+1/14V...(i)
In the formula, each element symbol represents the content (mass%) of each element contained in the steel, and when the element is not contained, it is set to zero.
(B)鋼材の金属組織
本発明に係る鋼材の金属組織は、残留オーステナイト、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ベイナイトおよびフェライトの複相組織が主体となる。具体的には、残留オーステナイト、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ベイナイトおよびフェライトの合計体積率が90.0%以上である金属組織を有する。フェライトの体積率は5%以下であるのが好ましい。また、鋼材中には、パーライト等の組織が混在する場合もあるが、これらの組織は合計体積率で10.0%未満であれば許容される。
(B) Metal structure of steel The metal structure of the steel according to the present invention is mainly a multi-phase structure of retained austenite, martensite, tempered martensite, bainite and ferrite. Specifically, the metal structure has a total volume ratio of retained austenite, martensite, tempered martensite, bainite and ferrite of 90.0% or more. The volume ratio of ferrite is preferably 5% or less. In addition, the steel may contain structures such as pearlite, but these structures are acceptable as long as their total volume ratio is less than 10.0%.
なお、以下の説明において、初期のマルテンサイトが焼戻しを受けた焼戻しマルテンサイトと区別するため、新たに析出したマルテンサイトを「新出マルテンサイト」ということがある。また、軟質な焼戻しマルテンサイトおよびフェライトを合わせて「素地組織」ということがあり、新出マルテンサイトおよびベイナイトを合わせて「硬質組織」ということがある。 In the following explanation, newly precipitated martensite is sometimes called "new martensite" to distinguish it from tempered martensite, which is initial martensite that has been tempered. In addition, the soft tempered martensite and ferrite are sometimes collectively called the "base structure," and the newly precipitated martensite and bainite are sometimes collectively called the "hard structure."
また、金属組織中の残留オーステナイトの体積率は、5.0~30.0%であり、平均結晶粒径は、2.0μm以下である。さらに、新出マルテンサイトおよびベイナイトの合計体積率は、2.5~50.0%であり、平均結晶粒径は、3.5μm以下である。金属組織中に微細な残留オーステナイト、新出マルテンサイトおよびベイナイトを所定量分散させることにより、高い強度を有しつつ、伸びの低下を抑えることが可能となる。 The volume fraction of the retained austenite in the metal structure is 5.0-30.0%, and the average crystal grain size is 2.0 μm or less. The total volume fraction of the newly formed martensite and bainite is 2.5-50.0%, and the average crystal grain size is 3.5 μm or less. By dispersing a specified amount of fine retained austenite, newly formed martensite, and bainite in the metal structure, it is possible to suppress the decrease in elongation while maintaining high strength.
鋼材の機械的性質は結晶粒径の微細化とともに向上し、特に、新出マルテンサイトおよびベイナイトの平均結晶粒径が3.5μm以下になるとその向上効果は極めて顕著になる。平均結晶粒径は3.0μm以下であるのが望ましい。なお、ここでいう新出マルテンサイトおよびベイナイトの結晶粒径とは、マルテンサイトおよびベイナイトの旧オーステナイト粒径またはパケット粒径のいずれか特定できるものを指す。 The mechanical properties of steel improve as the grain size becomes finer, and the improvement is particularly noticeable when the average grain size of the newly formed martensite and bainite is 3.5 μm or less. It is desirable for the average grain size to be 3.0 μm or less. Note that the grain size of the newly formed martensite and bainite here refers to either the previous austenite grain size or the packet grain size of the martensite and bainite that can be specified.
本発明において、各組織の体積率および平均結晶粒径は、以下の方法により測定するものとする。 In the present invention, the volume fraction and average crystal grain size of each structure are measured by the following method.
まず、鋼材の圧延方向および板厚方向に平行な断面が観察面となるように、試料を採取する。そして、当該観察面を鏡面研磨し、ナイタール腐食液で腐食した後、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて組織観察を行う。 First, a sample is taken so that the cross section parallel to the rolling direction and plate thickness direction of the steel material serves as the observation surface. The observation surface is then mirror-polished and etched with a nital etching solution, after which the structure is observed using a scanning electron microscope (SEM).
上記観察面の板厚1/4深さ位置において、1000倍で300μm×300μmの範囲を撮影する。得られたミクロ組織写真を白黒の二値化処理を施してから画像解析を行い、新出マルテンサイト、ベイナイトまたは残留オーステナイトと判断される領域を特定し、JIS G 0551(2013)規格に定める、「鋼-結晶粒度の顕微鏡試験方法」に基づく方法を用いて、それらの面積率の合計量を求める。 At a depth position of 1/4 of the plate thickness of the above observation surface, an area of 300 μm x 300 μm is photographed at 1000x magnification. The microstructure photograph obtained is then binarized to black and white, and image analysis is performed to identify areas judged to be newly formed martensite, bainite, or retained austenite. The total area ratio of these areas is calculated using a method based on the "Microscopic test method for steel grain size" stipulated in the JIS G 0551 (2013) standard.
次に、同じ視野(写真)において、新出マルテンサイト、ベイナイトまたは残留オーステナイトと判断される領域以外と判別した領域から、焼戻しマルテンサイトまたはフェライトである領域を特定する。フェライトとパーライトおよび焼戻しマルテンサイトとは、炭化物析出の有無で判断する。また、パーライトと焼戻しマルテンサイトとは、炭化物の形状および位置で判断する。そして、画像処理において、特定された焼戻しマルテンサイトまたはフェライトである領域の面積率の合計量を求める。 Next, in the same field of view (photograph), from the areas determined to be other than areas determined to be new martensite, bainite, or retained austenite, the areas that are tempered martensite or ferrite are identified. Ferrite, pearlite, and tempered martensite are distinguished by the presence or absence of carbide precipitation. In addition, pearlite and tempered martensite are distinguished by the shape and position of the carbides. Then, in image processing, the total area ratio of the identified areas that are tempered martensite or ferrite is calculated.
続いて、同じ試料のSEM観察を行った視野と同じ視野において、電子線後方散乱回折装置(EBSD)による結晶方位の測定および解析を行う。測定は30μm×30μm以上の領域を対象とし、0.05μm以下のステップで行うものとする。そして、解析結果からFCC相を特定し、上記と同様にJIS G 0551(2013)に基づき、その面積率を求め、残留オーステナイトの面積率とする。 Next, crystal orientation is measured and analyzed using an electron backscatter diffraction (EBSD) device in the same field of view as that in which the SEM observation of the same sample was performed. The measurement is performed in an area of 30 μm x 30 μm or more, in steps of 0.05 μm or less. The FCC phase is then identified from the analysis results, and its area ratio is calculated based on JIS G 0551 (2013) in the same manner as above, and this is taken as the area ratio of retained austenite.
以上の方法によって求めた各組織の面積率から体積率への換算は、線分法により行う。当該線分法は、例えば、Robert T. DeHoff、Frederik N. Rhines共編(Quantitative Microscopy、1968年)に記載される手法に基づく。 The area ratio of each structure obtained by the above method is converted to a volume ratio by the line segment method. The line segment method is based on the method described in, for example, Quantitative Microscopy, co-edited by Robert T. DeHoff and Frederik N. Rhines, 1968.
そして、上述の新出マルテンサイト、ベイナイトおよび残留オーステナイトの合計体積率から残留オーステナイトの体積率を差し引くことにより、新出マルテンサイトおよびベイナイトの合計体積率を求める。さらに、上述の新出マルテンサイト、ベイナイトおよび残留オーステナイトの合計体積率と焼戻しマルテンサイトおよびフェライトの合計体積率を足し合わせることにより、残留オーステナイト、新出マルテンサイト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイトおよびフェライトの合計体積率を求める。 Then, the total volume fraction of the newly formed martensite and bainite is calculated by subtracting the volume fraction of the retained austenite from the total volume fraction of the newly formed martensite, bainite and retained austenite. Furthermore, the total volume fraction of the newly formed martensite, bainite and retained austenite is added to the total volume fraction of the tempered martensite and ferrite to calculate the total volume fraction of the retained austenite, newly formed martensite, bainite, tempered martensite and ferrite.
また、FCC相と特定された結晶粒を球状化近似して、その直径を求める。さらに、視野内の全結晶粒の直径を平均することにより、残留オーステナイトの平均結晶粒径を算出する。 In addition, the crystal grains identified as FCC phase are approximated as spheroids to determine their diameter. Furthermore, the average diameter of all crystal grains within the field of view is calculated to calculate the average crystal grain size of the retained austenite.
さらに、上述のSEMを用いて撮影した写真から、同じ視野におけるEBSD測定で残留オーステナイトと特定された部分を排除して画像処理することによって、新出マルテンサイトまたはベイナイトと判断される組織を特定する。そして、特定された組織を画像解析により球状化近似して、その直径を求める。そして、視野内の全結晶粒の直径を平均することにより、新出マルテンサイトおよびベイナイトの平均結晶粒径を算出する。 Furthermore, from the photograph taken using the above-mentioned SEM, the parts in the same field of view that were identified as retained austenite by EBSD measurement are removed and the image is processed to identify the structure that is determined to be newly formed martensite or bainite. The identified structure is then approximated as a spheroid by image analysis to determine its diameter. The average diameters of all crystal grains in the field of view are then averaged to calculate the average crystal grain size of the newly formed martensite and bainite.
また、本発明の鋼材は、新出マルテンサイトおよびベイナイトの平均ナノ硬さと、素地組織の平均ナノ硬さとの関係が、下記(ii)式を満足する。
HIT1-HIT2≦3.5 ・・・(ii)
上記式中の各記号は以下により定義される。
HIT1:マルテンサイトおよびベイナイトの平均ナノ硬さ(GPa)
HIT2:焼戻しマルテンサイトおよびフェライトの平均ナノ硬さ(GPa)
In addition, in the steel material of the present invention, the relationship between the average nano-hardness of the newly formed martensite and bainite and the average nano-hardness of the matrix structure satisfies the following formula (ii).
H IT1 - H IT2 ≦3.5...(ii)
Each symbol in the above formula is defined as follows.
H IT1 : Average nanohardness of martensite and bainite (GPa)
H IT2 : Average nanohardness of tempered martensite and ferrite (GPa)
初期のマルテンサイトが焼戻しを受けた焼戻しマルテンサイトは、新出マルテンサイトおよびベイナイトと比較して軟質となる。また、加熱中に出現したオーステナイトが冷却中にフェライト変態して生じたフェライトも軟質である。しかし、新出マルテンサイトおよびベイナイトと素地組織との間で硬さに大きな差が生じると、加工時に硬質層と軟質層との境界でボイドが発生し、延性および局所変形能が劣化する原因となる。 Tempered martensite, which is the initial martensite that has been tempered, is softer than newly formed martensite and bainite. In addition, the ferrite that is produced when austenite that appears during heating is transformed into ferrite during cooling is also soft. However, if there is a large difference in hardness between the newly formed martensite and bainite and the base structure, voids will occur at the boundary between the hard layer and the soft layer during processing, causing a deterioration in ductility and local deformability.
したがって、(ii)式左辺値は3.5GPa以下とする。(ii)式左辺値は3.0GPa以下であるのが好ましい。(ii)式左辺値は小さければ小さいほど延性を向上できるが、本発明の製造方法で作製した鋼材は、(ii)式左辺値は0GPa以上となる。また、焼戻しマルテンサイトおよびフェライト(素地組織)の平均ナノ硬さは、3.0GPa以上であるのが好ましく、3.2GPa超であるのがより好ましい。 Therefore, the value on the left side of equation (ii) is 3.5 GPa or less. The value on the left side of equation (ii) is preferably 3.0 GPa or less. The smaller the value on the left side of equation (ii), the more improved the ductility, but for steel materials produced by the manufacturing method of the present invention, the value on the left side of equation (ii) is 0 GPa or more. In addition, the average nanohardness of the tempered martensite and ferrite (base structure) is preferably 3.0 GPa or more, and more preferably more than 3.2 GPa.
なお、素地組織の平均ナノ硬さは、ナノインデンテーション法を用いて測定するものとする。具体的には、以下の条件で測定する。押込圧子としてダイアモンド製キューブコーナー型を用い、押込方法としては連続剛性方式を採用する。また、荷重は500μNとし、室温で、10箇所(間隔は5μm以上)において測定を行う。そして、それらの平均値を平均ナノ硬度とする。硬質組織の平均ナノ硬さも、素地組織の平均ナノ硬さと同様に測定する。 The average nanohardness of the base structure is measured using the nanoindentation method. Specifically, the measurement is performed under the following conditions. A diamond cube-corner type indenter is used as the indenter, and the continuous stiffness method is used as the indentation method. The load is 500 μN, and measurements are performed at 10 locations (with intervals of 5 μm or more) at room temperature. The average value of these measurements is then taken as the average nanohardness. The average nanohardness of the hard structure is measured in the same way as the average nanohardness of the base structure.
(C)製造方法
本発明に係る鋼材は、上述の化学組成を有し、所定の金属組織を有する鋼素材に対して、第1熱処理および第2熱処理を順に施すことによって製造することが可能である。各条件について、以下に詳しく説明する。
(C) Manufacturing Method The steel material according to the present invention can be manufactured by sequentially carrying out a first heat treatment and a second heat treatment on a steel material having the above-mentioned chemical composition and a predetermined metal structure. Each condition will be described in detail below.
(C-1)鋼素材
熱処理を施す前の鋼素材としては、冷間加工されたマルテンサイトまたは冷間加工された焼戻しマルテンサイトを主体とする金属組織を有するものを用いる。その理由は以下のとおりである。
(C-1) Steel Material The steel material to be used before the heat treatment has a metal structure mainly composed of cold worked martensite or cold worked tempered martensite. The reason is as follows.
加熱時に微細なオーステナイトの結晶粒を多数分散させるためには、金属組織中に予め多数のオーステナイトの核生成サイトを得ておく必要がある。核生成サイトとなり得るのは、初期組織の結晶粒界、炭化物等の析出物と素地の結晶粒との界面などである。マルテンサイト組織は、旧オーステナイト粒の中にパケット、ブロック、ラス等の下部組織を有し、それらの境界も核生成サイトとなり得る。したがって、マルテンサイト組織は、フェライト/パーライト組織等と比較して、オーステナイトの核生成サイトが多く、加熱時に微細な組織が得られる。 In order to disperse a large number of fine austenite grains during heating, it is necessary to obtain a large number of austenite nucleation sites in advance in the metal structure. Possible nucleation sites include the grain boundaries of the initial structure and the interfaces between precipitates such as carbides and the grains of the base material. Martensite structures have substructures such as packets, blocks, and laths within prior austenite grains, and the boundaries between these structures can also become nucleation sites. Therefore, compared to ferrite/pearlite structures, martensite structures have more austenite nucleation sites, and a fine structure is obtained when heated.
また、マルテンサイト組織に冷間加工を施すと、結晶粒がより微細になるため、さらに核生成サイトが増加し、金属組織中に細かく分散した状態となる。そのため、冷間加工されたマルテンサイトを鋼素材として用いることにより微細な組織が得られる。 In addition, when martensite is cold worked, the crystal grains become finer, which further increases the number of nucleation sites and makes them finely dispersed in the metal structure. Therefore, a fine structure can be obtained by using cold worked martensite as a steel material.
マルテンサイトを加熱する場合には、フェライトがオーステナイトに変態するのに先立ち、マルテンサイトに固溶していたCが炭化物として析出する。炭化物もオーステナイトと同じく金属組織内の結晶界面等に優先的に析出する。前述のように析出した炭化物と素地組織との界面も有効な核生成サイトであることから、冷間加工されたマルテンサイト組織を出発組織とし、加熱過程で微細な炭化物が多数形成する過程を経てからオーステナイト変態が開始するように加熱することで、より多くの核生成サイトを得ることができる。 When martensite is heated, the C dissolved in the martensite precipitates as carbides before the ferrite transforms into austenite. Like austenite, carbides also precipitate preferentially at crystal interfaces within the metal structure. As mentioned above, the interfaces between the precipitated carbides and the base structure are also effective nucleation sites, so by using cold-worked martensite as the starting structure and heating it so that austenite transformation begins after a process in which many fine carbides are formed during the heating process, more nucleation sites can be obtained.
なお、マルテンサイトは硬質で延性に乏しいため、成分によっては冷間加工が施せない場合がある。その場合には、冷間加工前に焼戻し処理を施し、焼戻しマルテンサイトとしてもよい。冷間加工された焼戻しマルテンサイト組織を出発組織とした場合であっても、多くの核生成サイトを得ることが可能である。 Note that, because martensite is hard and has poor ductility, cold working may not be possible depending on the composition. In such cases, tempering may be performed before cold working to produce tempered martensite. Even when using a cold-worked tempered martensite structure as the starting structure, it is possible to obtain many nucleation sites.
ここで、「冷間加工されたマルテンサイトまたは冷間加工された焼戻しマルテンサイトを主体」とするとは、冷間加工されたマルテンサイトおよび冷間加工された焼戻しマルテンサイトの合計体積率が95.0%以上である金属組織を意味する。鋼素材中には、フェライト、パーライト、ベイナイト、残留オーステナイト等の組織が混在する場合もあるが、これらの組織は合計体積率で5.0%未満であれば許容される。 Here, "mainly cold-worked martensite or cold-worked tempered martensite" means a metal structure in which the total volume fraction of cold-worked martensite and cold-worked tempered martensite is 95.0% or more. Although structures such as ferrite, pearlite, bainite, and retained austenite may be mixed in the steel material, these structures are acceptable as long as their total volume fraction is less than 5.0%.
なお、鋼素材の製造方法については、金属組織を上記の組織に制御可能なものである限り特に制限はなく、一般的な方法を用いればよい。また、鋼素材に冷間加工を施す方法についても特に制限はなく、例えば、冷間圧延を行う場合、冷間加工度が20%以上となる条件とすることが望ましい。さらに、焼戻し処理条件についても特に制限はなく、冷間加工が施せる程度に硬さを低下させる条件で行えばよい。 The manufacturing method of the steel material is not particularly limited as long as it is possible to control the metal structure to the above structure, and a general method may be used. There is also no particular limit to the method of cold working the steel material. For example, when cold rolling is performed, it is desirable to use conditions that result in a cold working degree of 20% or more. Furthermore, there is also no particular limit to the tempering treatment conditions, and it is sufficient to use conditions that reduce the hardness to a level that allows cold working.
(C-2)第1熱処理工程
上記の鋼素材に対して、第1熱処理工程を行う。第1熱処理工程の条件について、以下に詳しく説明する。
(C-2) First heat treatment step The above steel material is subjected to a first heat treatment step. The conditions of the first heat treatment step are described in detail below.
<昇温工程>
前述の化学組成および金属組織を有する鋼素材を、急速加熱開始温度T~Ac1点の平均昇温速度が150℃/s以上となるように、Ac3点以上Ac3+100℃未満の温度域まで加熱する。Ac3点以上のオーステナイト単相域まで加熱することで、均一な組織を得ることができる。一方、加熱温度がAc3+100℃以上では、粒成長の速度が大きくなり、また冷却中を含めたオーステナイト単相温度域での滞留時間が長くなるため、粗大なオーステナイト粒に成長してしまう。したがって、最高到達温度はAc3点以上Ac3+100℃未満とする。
<Heating process>
A steel material having the above-mentioned chemical composition and metal structure is heated to a temperature range of Ac 3 point or more and less than Ac 3 +100°C so that the average heating rate from the rapid heating start temperature T to Ac 1 point is 150°C/s or more. By heating to the austenite single phase region of Ac 3 point or more, a uniform structure can be obtained. On the other hand, if the heating temperature is Ac 3 +100°C or more, the grain growth rate increases and the residence time in the austenite single phase temperature region, including during cooling, becomes long, resulting in the growth of coarse austenite grains. Therefore, the maximum temperature is set to Ac 3 point or more and less than Ac 3 +100°C.
また、急速加熱開始温度T~Ac1点の平均昇温速度は、150℃/s以上とする。急速加熱開始温度T~Ac1点の平均昇温速度を150℃/s以上にすることで、再結晶が進行する温度域を急速加熱し、核生成サイトが消滅するのを抑制することができる。平均昇温速度は、500℃/s以上であるのが望ましく、1000℃/s以上であるのがより望ましい。平均昇温速度の上限については特に制限しないが、実用的な範囲として20000℃/s以下であることが望ましい。 In addition, the average heating rate at one point from the rapid heating start temperature T to Ac is 150° C./s or more. By setting the average heating rate at one point from the rapid heating start temperature T to Ac to 150° C./s or more, the temperature range in which recrystallization progresses can be rapidly heated, and the disappearance of the nucleation site can be suppressed. The average heating rate is preferably 500° C./s or more, and more preferably 1000° C./s or more. There is no particular limit to the upper limit of the average heating rate, but it is preferable that it is 20000° C./s or less as a practical range.
なお、本発明において、Ac1点およびAc3点は以下の方法により求める。同一の化学組成および金属組織を有する複数の試験片を用意し、所定の加熱速度で、種々の温度まで加熱後、保持時間を1s以内として、前記加熱温度から70℃まで1000℃/sの平均冷却速度で冷却する。そして、各試験片について顕微鏡観察を行い、金属組織中に新出マルテンサイトが認められた最低加熱温度をAc1点とする。さらに、各試験片の硬度を測定し、硬度が、最高焼入れ硬さとなる試験片に適用した加熱温度をAc3点とする。また、Ac1点およびAc3点は加熱時の熱膨張測定から求めても同様の結果が得られる。そして、急速加熱開始温度Tは下記のようにして求める。
Ac1≧700℃の場合は、T=600℃
Ac1<700℃の場合は、T=Ac1-100℃
In the present invention, the Ac 1 point and Ac 3 point are determined by the following method. A plurality of test pieces having the same chemical composition and metal structure are prepared, heated to various temperatures at a predetermined heating rate, and then cooled from the heating temperature to 70°C at an average cooling rate of 1000°C/s with a holding time of 1 s or less. Then, each test piece is observed under a microscope, and the lowest heating temperature at which newly formed martensite is observed in the metal structure is defined as the Ac 1 point. Furthermore, the hardness of each test piece is measured, and the heating temperature applied to the test piece at which the hardness is the maximum quenched hardness is defined as the Ac 3 point. The Ac 1 point and Ac 3 point can also be obtained by measuring the thermal expansion during heating to obtain the same results. The rapid heating start temperature T is determined as follows.
If Ac 1 ≧700° C., T=600° C.
When Ac 1 <700° C., T=Ac 1 −100° C.
<保持工程>
上記の条件で加熱した後、2.0s以内に冷却を開始する。上記の温度域での保持時間が2.0sを超えると、保持中にオーステナイトが成長し、微細なマルテンサイト組織が得難くなる。上記保持時間は1.0s以下であるのが望ましい。
<Holding process>
After heating under the above conditions, cooling is started within 2.0 seconds. If the holding time in the above temperature range exceeds 2.0 seconds, austenite grows during holding, making it difficult to obtain a fine martensite structure. The holding time is preferably 1.0 seconds or less.
<冷却工程>
冷却工程では、上述の加熱温度から、800~500℃の平均冷却速度が150℃/s以上となるように、100℃以下の温度まで冷却する。平均冷却速度が150℃/s未満では、冷却中にフェライト変態、パーライト変態、ベイナイト変態が生じ、オーステナイト粒の一部がマルテンサイト以外の組織となり、第1熱処理工程後の組織を微細なマルテンサイトとすることが困難となってしまう。また、第2熱処理工程後までフェライトが残存し、焼戻しマルテンサイト主体の硬質な素地組織とすることが困難となるため、平均冷却速度は150℃/s以上とする。平均冷却速度は、300℃/s以上であるのが望ましく、500℃/s以上であるのがより望ましい。平均冷却速度の上限については特に制限はないが、実用的な範囲として20000℃/s以下であることが好ましい。
<Cooling process>
In the cooling step, the above-mentioned heating temperature is cooled to a temperature of 100°C or less so that the average cooling rate from 800 to 500°C is 150°C/s or more. If the average cooling rate is less than 150°C/s, ferrite transformation, pearlite transformation, and bainite transformation occur during cooling, and some of the austenite grains become structures other than martensite, making it difficult to make the structure after the first heat treatment step fine martensite. In addition, ferrite remains until after the second heat treatment step, making it difficult to make a hard base structure mainly composed of tempered martensite, so the average cooling rate is 150°C/s or more. The average cooling rate is preferably 300°C/s or more, and more preferably 500°C/s or more. There is no particular limit to the upper limit of the average cooling rate, but it is preferable that it is 20,000°C/s or less as a practical range.
上記の条件で、鋼素材に対して第1熱処理工程を施すことにより、微細なマルテンサイトを得ることができる。具体的には、微細なマルテンサイトは、旧オーステナイト粒の平均結晶粒径が15μm以下であり、マルテンサイトの面積率が90%以上であることが好ましい。微細なマルテンサイトには、オーステナイトの核生成サイトが多数形成されているため、後述する第2熱処理工程を施すことにより、素地中に残留オーステナイト、マルテンサイトおよびベイナイトを微細に、多く分散させることができる。 By subjecting the steel material to the first heat treatment process under the above conditions, fine martensite can be obtained. Specifically, it is preferable that the average crystal grain size of the prior austenite grains in the fine martensite is 15 μm or less, and the area ratio of the martensite is 90% or more. Since many austenite nucleation sites are formed in the fine martensite, by subjecting the steel material to the second heat treatment process described below, it is possible to finely and abundantly disperse the retained austenite, martensite, and bainite in the base material.
また、第1熱処理工程を施すことによって得られた微細なマルテンサイトは、第2熱処理工程を施すことにより、焼戻しを受け、微細な焼戻しマルテンサイトとなるため、硬質な素地組織とすることができる。 In addition, the fine martensite obtained by the first heat treatment process is tempered by the second heat treatment process to become fine tempered martensite, resulting in a hard matrix structure.
(C-3)第2熱処理工程
上記の第1熱処理後の鋼材に対して、第2熱処理工程を行う。第2熱処理工程の条件について、以下に詳しく説明する。
(C-3) Second Heat Treatment Step The steel material after the first heat treatment is subjected to a second heat treatment step. The conditions of the second heat treatment step are described in detail below.
<昇温工程>
前述の化学組成および金属組織を有する鋼素材を、まずAc1点以上、かつ、(Ac1点+Ac3点)/2未満の範囲の温度域まで加熱する。上記の温度域まで加熱することで、金属組織の一部に微細なオーステナイトを生成させることができる。また、第1熱処理工程で得られたマルテンサイトが残存した領域は高温で短時間の焼戻しを受け、微細な炭化物が分散した焼戻しマルテンサイトとなる。
<Heating process>
A steel material having the above-mentioned chemical composition and metal structure is first heated to a temperature range of Ac 1 or more and less than (Ac 1 point + Ac 3 point)/2. By heating to the above-mentioned temperature range, fine austenite can be generated in a part of the metal structure. In addition, the region where the martensite obtained in the first heat treatment step remains is tempered at a high temperature for a short time, and becomes tempered martensite with fine carbides dispersed therein.
なお、加熱速度については、特に制限はない。しかし、焼戻しの進行による素地組織の過度な軟質化、ならびに加熱過程で生成するオーステナイトが成長することによる、最終組織における新出マルテンサイトおよびベイナイトの粗大化を防止するためには、上記の温度域までの平均昇温速度は、150℃/s以上であるのが望ましく、500℃/s以上であるのがより望ましい。平均昇温速度の上限については特に制限はないが、実用的な範囲として20000℃/s以下であることが望ましい。 There are no particular restrictions on the heating rate. However, in order to prevent excessive softening of the base structure as the tempering progresses, and to prevent coarsening of newly formed martensite and bainite in the final structure due to the growth of austenite formed during the heating process, the average heating rate up to the above temperature range is preferably 150°C/s or more, and more preferably 500°C/s or more. There are no particular restrictions on the upper limit of the average heating rate, but a practical range of 20,000°C/s or less is desirable.
なお、本発明において、Ac1点およびAc3点は以下の方法により求める。同一の化学組成および金属組織を有する複数の試験片を用意し、所定の加熱速度で、種々の温度まで加熱後、保持時間を1s以内として、前記加熱温度から70℃まで1000℃/sの平均冷却速度で冷却する。そして、各試験片について顕微鏡観察を行い、金属組織中に新出マルテンサイトが認められた最低加熱温度をAc1点とする。さらに、各試験片の硬度を測定し、硬度が、最高焼入れ硬さとなる試験片に適用した加熱温度をAc3点とする。また、Ac1点およびAc3点は加熱時の熱膨張測定から求めても同様の結果が得られる。 In the present invention, the Ac 1 point and Ac 3 point are determined by the following method. A plurality of test pieces having the same chemical composition and metal structure are prepared, heated to various temperatures at a predetermined heating rate, and then cooled from the heating temperature to 70°C at an average cooling rate of 1000°C/s with a holding time of 1 s or less. Then, each test piece is observed under a microscope, and the lowest heating temperature at which newly formed martensite is observed in the metal structure is defined as the Ac 1 point. Furthermore, the hardness of each test piece is measured, and the heating temperature applied to the test piece at which the hardness is the maximum quenched hardness is defined as the Ac 3 point. The Ac 1 point and Ac 3 point can also be obtained by measuring the thermal expansion during heating, and similar results can be obtained.
<保持工程>
上記の条件で加熱した後、2.0s以内に冷却を開始する。上記の温度域での保持時間が2.0sを超えると、保持中にオーステナイトが成長し、微細な新出マルテンサイト、ベイナイトおよび残留オーステナイトを得難くなる。また、保持中にオーステナイトが成長する過程では、オーステナイトの体積分率増加に伴ってオーステナイト中の炭素濃度が低下するため、オーステナイトの安定性が損なわれ、冷却後に得られる残留オーステナイト量が減少する。上記保持時間は1.0s以下であるのが望ましい。
<Holding process>
After heating under the above conditions, cooling is started within 2.0 seconds. If the holding time in the above temperature range exceeds 2.0 seconds, austenite grows during holding, making it difficult to obtain fine newly formed martensite, bainite, and retained austenite. In addition, in the process in which austenite grows during holding, the carbon concentration in the austenite decreases with an increase in the volume fraction of austenite, so that the stability of the austenite is impaired, and the amount of retained austenite obtained after cooling is reduced. The holding time is preferably 1.0 seconds or less.
<冷却工程>
冷却工程では、上述の加熱温度から300℃までの平均冷却速度が20~150℃/sとなるように、100℃以下の温度まで冷却する。このような条件で冷却することにより、オーステナイトの一部がマルテンサイトへ変態した後、冷却中に炭素が拡散し、オートテンパーにより焼戻しされ、新出マルテンサイトが軟質化する。また、オーステナイトの一部がベイナイト変態し、軟質なベイナイトが得られる。
<Cooling process>
In the cooling step, the material is cooled to a temperature of 100°C or less so that the average cooling rate from the heating temperature to 300°C is 20 to 150°C/s. By cooling under such conditions, a part of the austenite is transformed into martensite, and then carbon is diffused during cooling, and the newly formed martensite is tempered by auto-tempering, softening it. In addition, a part of the austenite is transformed into bainite, and soft bainite is obtained.
冷却速度が20℃/s未満では冷却途中でオーステナイトの大部分がフェライト、パーライト組織となり、超微細なマルテンサイトおよびベイナイトが得られない。一方、冷却速度が150℃/sを超えるとオーステナイトの大部分が冷却中にマルテンサイト変態するため残留オーステナイトが減少し、また、新出マルテンサイトおよびベイナイトの軟質化も不十分となり、硬度差を3.5GPa以下とすることが困難となる。さらに、冷却開始前に存在していたオーステナイトがほぼそのままの形状でマルテンサイト変態するため、最終組織における新出マルテンサイトおよびベイナイトの平均結晶粒径が粗大となる場合がある。 If the cooling rate is less than 20°C/s, most of the austenite will transform into ferrite and pearlite structures during cooling, and ultrafine martensite and bainite will not be obtained. On the other hand, if the cooling rate exceeds 150°C/s, most of the austenite will transform into martensite during cooling, reducing the amount of retained austenite, and the newly formed martensite and bainite will not be softened sufficiently, making it difficult to achieve a hardness difference of 3.5 GPa or less. Furthermore, since the austenite that existed before the start of cooling will transform into martensite with almost the same shape, the average crystal grain size of the newly formed martensite and bainite in the final structure may become coarse.
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
表1に示す化学組成を有する180kgの鋼塊を高周波真空溶解炉にて溶製し、熱間鍛造により40mm厚さの鋼片にした。得られたスラブについて、熱間圧延試験機によって熱間圧延を施し、厚さ2mmの熱延鋼板とした。 A 180 kg steel ingot with the chemical composition shown in Table 1 was melted in a high-frequency vacuum melting furnace and hot forged into a 40 mm thick steel slab. The resulting slab was hot rolled using a hot rolling test machine to produce a 2 mm thick hot-rolled steel plate.
その後、熱延鋼板表面の脱炭層を機械研削し、2mm厚さの鋼板とした後、主体となる金属組織が表2に示す組織となるように、種々の熱処理を施した。さらに、冷間圧延試験機によって冷間圧延を施し、厚さ1mmの冷延鋼板とし、鋼素材とした。 Then, the decarburized layer on the surface of the hot-rolled steel sheet was mechanically ground to produce a steel sheet 2 mm thick, which was then subjected to various heat treatments so that the main metal structure would become the structure shown in Table 2. Furthermore, the sheet was cold-rolled using a cold-rolling test machine to produce a cold-rolled steel sheet 1 mm thick, which was used as the steel material.
得られた鋼素材から、幅30mm、長さ200mm、および厚さ1mmの試験片を採取した。採取した各試験片に対して、表2および表3に示す条件に従って熱処理を実施した。加熱は通電加熱により行い、目標温度に到達後、通電加熱の電源を遮断し、直ちに冷却水または冷却ガスを噴射して室温まで冷却した。なお、表2および表3には、各素材のAc1点およびAc3点を併せて示す。また、表2の昇温速度とは、急速加熱開始温度T~Ac1点の平均昇温速度を意味し、冷却速度とは、800~500℃の平均冷却速度を意味する。表3の冷却速度とは、加熱温度から300℃までの平均冷却速度を意味する。 From the obtained steel material, a test piece having a width of 30 mm, a length of 200 mm, and a thickness of 1 mm was taken. Each of the taken test pieces was subjected to heat treatment according to the conditions shown in Tables 2 and 3. Heating was performed by electrical heating, and after the target temperature was reached, the power source for electrical heating was cut off, and cooling water or cooling gas was immediately sprayed to cool to room temperature. Tables 2 and 3 also show Ac 1 point and Ac 3 point for each material. In addition, the heating rate in Table 2 means the average heating rate from the rapid heating start temperature T to Ac 1 point, and the cooling rate means the average cooling rate from 800 to 500 ° C. The cooling rate in Table 3 means the average cooling rate from the heating temperature to 300 ° C.
熱処理前後の試験片の金属組織は、以下の方法により測定した。 The metal structure of the test pieces before and after heat treatment was measured using the following method.
まず、熱処理前後の試験片から、圧延方向および板厚方向に平行な断面が観察面となるように、観察用試料を採取した。そして、当該観察面を鏡面研磨し、ナイタール腐食液で腐食した後、SEMを用いて組織観察を行った。 First, observation samples were taken from the test pieces before and after heat treatment so that the cross sections parallel to the rolling direction and plate thickness direction would be the observation surfaces. The observation surfaces were then mirror-polished and etched with a nital etching solution, after which the structure was observed using a SEM.
上記観察面の板厚1/4深さ位置において、1000倍で300μm×300μmの範囲を撮影した。得られたミクロ組織写真を白黒の二値化処理を施してから画像解析を行い、新出マルテンサイト、ベイナイトまたは残留オーステナイトと判断される領域を特定し、JIS G 0551(2013)に基づきそれらの面積率の合計量を求め、線分法により体積率に換算した。 A 300 μm x 300 μm area was photographed at 1000x magnification at a depth of 1/4 the plate thickness of the above observation surface. The microstructure photographs obtained were then binarized to black and white and then image analyzed to identify areas deemed to be newly formed martensite, bainite, or retained austenite. The total area ratio of these areas was calculated based on JIS G 0551 (2013) and converted to a volume ratio using the line segment method.
次に、同じ視野(写真)において、新出マルテンサイト、ベイナイトまたは残留オーステナイトと判断される領域以外と判別した領域から、焼戻しマルテンサイトまたはフェライトである領域を特定した。フェライトとパーライトおよび焼戻しマルテンサイトとは、炭化物析出の有無で判断し、パーライトと焼戻しマルテンサイトとは、炭化物の形状および位置で判断した。そして、画像処理において、JIS G 0551(2013)に基づき特定された焼戻しマルテンサイトおよびフェライト(素地組織)の面積率の合計量を求め、線分法により体積率に換算した。 Next, in the same field of view (photograph), from the areas determined to be other than areas determined to be newly formed martensite, bainite, or retained austenite, the areas that were tempered martensite or ferrite were identified. Ferrite, pearlite, and tempered martensite were identified based on the presence or absence of carbide precipitation, while pearlite and tempered martensite were identified based on the shape and position of the carbides. Then, in image processing, the total area ratio of the identified tempered martensite and ferrite (base structure) was calculated based on JIS G 0551 (2013), and converted to a volume ratio using the line segment method.
続いて、同じ試料のSEM観察を行った視野と同じ視野において、EBSDによる結晶方位の測定および解析を行った。測定は30μm×30μm以上の領域を対象とし、0.05μm以下のステップで行った。そして、解析結果からFCC相を特定し、JIS G 0551(2013)に基づきその面積率を求め、線分法により残留オーステナイトの体積率に換算した。また、FCC相と特定された結晶粒を球状化近似して、その直径を求め、視野内の全結晶粒の直径を平均することにより、残留オーステナイトの平均結晶粒径を算出した。 Next, the crystal orientation was measured and analyzed by EBSD in the same field of view as that in which the SEM observation of the same sample was performed. The measurement was performed in an area of 30 μm x 30 μm or more in steps of 0.05 μm or less. The FCC phase was identified from the analysis results, and its area ratio was calculated based on JIS G 0551 (2013), and converted to the volume ratio of retained austenite using the line segment method. In addition, the crystal grains identified as FCC phase were approximated as spheroids to determine their diameter, and the average diameter of all crystal grains in the field of view was averaged to calculate the average crystal grain size of retained austenite.
そして、上述の新出マルテンサイト、ベイナイトおよび残留オーステナイトの合計体積率から残留オーステナイトの体積率を差し引くことにより、新出マルテンサイトおよびベイナイトの合計体積率を求めた。さらに、上述の新出マルテンサイト、ベイナイトおよび残留オーステナイトの合計体積率と焼戻しマルテンサイトおよびフェライトの合計体積率を足し合わせることにより、残留オーステナイト、新出マルテンサイト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイトおよびフェライト(複相組織)の合計体積率を求めた。 The total volume fraction of the newly formed martensite and bainite was then calculated by subtracting the volume fraction of the retained austenite from the total volume fraction of the newly formed martensite, bainite and retained austenite. Furthermore, the total volume fraction of the retained austenite, newly formed martensite, bainite, tempered martensite and ferrite (complex phase structure) was calculated by adding the total volume fraction of the newly formed martensite, bainite and retained austenite to the total volume fraction of the tempered martensite and ferrite.
さらに、上述のSEMを用いて撮影した写真から、同じ視野におけるEBSD測定で残留オーステナイトと特定された部分を排除して画像処理することによって、新出マルテンサイトまたはベイナイトを特定した。そして、特定された新出マルテンサイトまたはベイナイトを画像解析により球状化近似して、その直径を求め、視野内の全結晶粒の直径を平均することにより、新出マルテンサイトおよびベイナイトの平均結晶粒径を算出した。 Furthermore, newly formed martensite or bainite was identified by excluding the parts of the photograph taken using the above-mentioned SEM that were identified as retained austenite in the same field of view by EBSD measurement and processing the images. The identified newly formed martensite or bainite was then approximated as a spheroid by image analysis to determine its diameter, and the average grain size of the newly formed martensite and bainite was calculated by averaging the diameters of all crystal grains in the field of view.
また、素地組織の平均ナノ硬さは、以下の条件によりナノインデンテーション法を用いて測定した。押込圧子としてダイアモンド製キューブコーナー型を用い、押込方法としては連続剛性方式を採用した。また、荷重は500μNとし、室温で、10箇所(間隔は5μm以上)において測定を行った。そして、それらの平均値を平均ナノ硬さとした。硬質組織の平均ナノ硬さも、素地組織の平均ナノ硬さと同様に測定した。 The average nanohardness of the matrix structure was measured using the nanoindentation method under the following conditions. A diamond cube-corner type indenter was used as the indenter, and the continuous stiffness method was adopted as the indentation method. The load was 500 μN, and measurements were taken at 10 locations (with intervals of 5 μm or more) at room temperature. The average value of these measurements was taken as the average nanohardness. The average nanohardness of the hard structure was also measured in the same manner as the average nanohardness of the matrix structure.
これらの結果を表4に示す。 These results are shown in Table 4.
さらに、これらのうち、一部の試験片については、引張試験に供し、機械的特性の測定を行った。 In addition, some of these test pieces were subjected to tensile tests to measure the mechanical properties.
引張試験は、ASTM規格E8の規定に準拠して、インストロン社製引張試験機で実施した。上記試験片から、試験方向が圧延方向に平行になるように、インストロン型引張試験片(平行部長さ:30mm、平行部板幅:6.0mm)を採取した。なお、本実施例で用いた通電加熱装置冷却装置では、長さ200mm程度のサンプルから得られる均熱部位は限られるため、ASTM規格E8のハーフサイズ板状試験片を採用することとした。 The tensile test was carried out using an Instron tensile tester in accordance with the provisions of ASTM standard E8. From the above test pieces, an Instron-type tensile test piece (parallel section length: 30 mm, parallel section plate width: 6.0 mm) was taken so that the test direction was parallel to the rolling direction. Note that with the electrical heating and cooling equipment used in this example, the number of uniformly heated areas that can be obtained from a sample with a length of about 200 mm is limited, so we decided to use a half-size plate test piece of ASTM standard E8.
その結果を表5に示す。本実施例においては、TS×ELが17000MPa・%以上であり、かつ降伏比が0.60以上である場合に、延性に優れかつ高降伏比であると判断することとした。 The results are shown in Table 5. In this example, it was determined that a steel has excellent ductility and a high yield ratio when TS×EL is 17,000 MPa·% or more and the yield ratio is 0.60 or more.
表5に示すように、本発明の規定を満足する試験番号1、2、および29~31では、延性に優れるとともに、降伏比も0.60以上と高降伏比であった。一方、本発明の規定を満足しない比較例の試験番号15および32~40では、TS×ELおよび降伏比の少なくともいずれかが劣る結果となった。 As shown in Table 5, test numbers 1, 2, and 29 to 31, which satisfy the provisions of the present invention, were excellent in ductility and had a high yield ratio of 0.60 or more. On the other hand, test numbers 15 and 32 to 40, which are comparative examples that do not satisfy the provisions of the present invention, showed poor results in at least one of TS×EL and the yield ratio.
本発明によれば、延性に優れ、かつ高降伏比の鋼材を得ることが可能になる。 The present invention makes it possible to obtain steel materials with excellent ductility and high yield ratios.
Claims (6)
C:1.00%以下、
Si:3.00%以下、
Mn:0.2~7.0%、
P:0.10%以下、
S:0.030%以下、
Al:3.00%以下、
N:0.010%以下、
Ni:0~10.0%、
Cu:0~3.0%、
Cr:0~10.0%、
Ti:0~1.0%、
Nb:0~1.0%、
V:0~1.0%、
Mo:0~2.0%、
W:0~1.0%、
B:0~0.01%、
Co:0~1.0%、
Ca:0~0.01%、
Mg:0~0.01%、
REM:0~0.01%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(i)式で定義されるCeqが0.10~1.00であり、
金属組織が、体積%で、
残留オーステナイト:5.0~30.0%、を含み、かつ、
マルテンサイトおよびベイナイトの合計体積率:2.5~50.0%であり、
残留オーステナイト、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ベイナイトおよびフェライトの合計体積率が90.0%以上であり、
残留オーステナイトの平均結晶粒径が2.0μm以下、
マルテンサイトおよびベイナイトの平均結晶粒径が3.5μm以下であり、
下記(ii)式を満足する、
鋼材。
Ceq=C+1/24Si+1/6Mn+1/40Ni+1/5Cr+1/4Mo+1/14V ・・・(i)
HIT1-HIT2≦3.5 ・・・(ii)
但し、上記式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとし、上記式中の各記号は以下により定義される。
HIT1:マルテンサイトおよびベイナイトの平均ナノ硬さ(GPa)
HIT2:焼戻しマルテンサイトおよびフェライトの平均ナノ硬さ(GPa) The chemical composition, in mass%, is
C: 1.00% or less,
Si: 3.00% or less,
Mn: 0.2-7.0%,
P: 0.10% or less,
S: 0.030% or less,
Al: 3.00% or less,
N: 0.010% or less,
Ni: 0 to 10.0%,
Cu: 0-3.0%,
Cr: 0-10.0%,
Ti: 0 to 1.0%,
Nb: 0 to 1.0%,
V: 0 to 1.0%,
Mo: 0-2.0%,
W: 0 to 1.0%,
B: 0 to 0.01%,
Co: 0 to 1.0%,
Ca: 0-0.01%,
Mg: 0 to 0.01%,
REM: 0-0.01%,
The balance is Fe and impurities.
Ceq defined by the following formula (i) is 0.10 to 1.00,
The metal structure is, in volume percent,
Retained austenite: 5.0 to 30.0%; and
Total volume fraction of martensite and bainite: 2.5 to 50.0%;
The total volume fraction of retained austenite, martensite, tempered martensite, bainite and ferrite is 90.0% or more,
The average grain size of the retained austenite is 2.0 μm or less.
The average grain size of martensite and bainite is 3.5 μm or less,
The following formula (ii) is satisfied:
Steel material.
Ceq=C+1/24Si+1/6Mn+1/40Ni+1/5Cr+1/4Mo+1/14V...(i)
H IT1 - H IT2 ≦3.5...(ii)
In the above formula, each element symbol represents the content (mass%) of each element contained in the steel, and when no element is contained, the value is set to zero. Each element symbol in the above formula is defined as follows.
H IT1 : Average nanohardness of martensite and bainite (GPa)
H IT2 : Average nanohardness of tempered martensite and ferrite (GPa)
Ni:0.1~10.0%、
Cu:0.3~3.0%、および
Cr:0.1~10.0%、
から選択される1種以上を含有する、
請求項1に記載の鋼材。 The chemical composition, in mass%,
Ni: 0.1 to 10.0%,
Cu: 0.3-3.0%, and Cr: 0.1-10.0%,
Contains one or more selected from
The steel material according to claim 1.
Ti:0.01~1.0%、
Nb:0.01~1.0%、
V:0.01~1.0%、
Mo:0.05~2.0%、
W:0.05~1.0%、
B:0.0003~0.01%、および
Co:0.05~1.0%、
から選択される1種以上を含有する、
請求項1または請求項2に記載の鋼材。 The chemical composition, in mass%,
Ti: 0.01 to 1.0%,
Nb: 0.01-1.0%,
V: 0.01-1.0%,
Mo: 0.05-2.0%,
W: 0.05-1.0%,
B: 0.0003 to 0.01%, and Co: 0.05 to 1.0%,
Contains one or more selected from
The steel material according to claim 1 or 2.
Ca:0.0001~0.01%、
Mg:0.0001~0.01%、および
REM:0.0001~0.01%、
から選択される1種以上を含有する、
請求項1から請求項3までのいずれかに記載の鋼材。 The chemical composition, in mass%,
Ca: 0.0001-0.01%,
Mg: 0.0001-0.01%, and REM: 0.0001-0.01%,
Contains one or more selected from
The steel material according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から請求項4までのいずれかに記載の鋼材。 The average nanohardness of tempered martensite and ferrite in the metal structure is 3.0 GPa or more.
The steel material according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から請求項4までのいずれかに記載の化学組成を有し、
冷間加工されたマルテンサイトまたは冷間加工された焼戻しマルテンサイトを主体とする金属組織を有する鋼素材に対して、
第1熱処理工程および第2熱処理工程を順に行い、
前記第1熱処理工程において、急速加熱開始温度T~Ac1点の平均昇温速度が150℃/s以上となるように、Ac3点以上Ac3+100℃未満の温度域まで加熱した後、2.0s以内に冷却を開始し、800~500℃の平均冷却速度が150℃/s以上となるように、100℃以下の温度まで冷却し、
前記第2熱処理工程において、Ac1点以上、かつ、(Ac1点+Ac3点)/2未満の範囲の2相温度域まで加熱した後、2.0s以内に冷却を開始し、前記2相温度域から300℃までの平均冷却速度が20~150℃/sとなるように、100℃以下の温度まで冷却する、
鋼材の製造方法。
但し、急速加熱開始温度Tは下記のようにして求める。
Ac1≧700℃の場合は、T=600℃
Ac1<700℃の場合は、T=Ac1-100℃
A method for producing a steel material according to any one of claims 1 to 5,
The chemical composition according to any one of claims 1 to 4,
For steel materials having a metal structure mainly composed of cold worked martensite or cold worked tempered martensite,
A first heat treatment step and a second heat treatment step are carried out in sequence,
In the first heat treatment step, heating is performed to a temperature range of Ac 3 or more and less than Ac 3 +100° C. so that the average heating rate from the rapid heating start temperature T to Ac 1 point is 150° C./s or more, and then cooling is started within 2.0 seconds to a temperature of 100° C. or less so that the average cooling rate from 800 to 500° C. is 150° C./s or more;
In the second heat treatment step, the steel is heated to a two-phase temperature range of Ac 1 point or more and less than (Ac 1 point + Ac 3 point)/2, and then cooled within 2.0 seconds to a temperature of 100°C or less so that the average cooling rate from the two-phase temperature range to 300°C is 20 to 150°C/s.
Steel manufacturing method.
However, the rapid heating start temperature T is determined as follows.
If Ac 1 ≧700° C., T=600° C.
When Ac 1 <700° C., T=Ac 1 −100° C.
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