JPH06264185A - 疲労特性の優れた熱延鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 優れた疲労強度をもち、繰り返し荷重を受け
る機械構造用に適する熱延鋼板を提供する。 【構成】 重量で、Ｃ：０.０２〜０.０８％、Ｓi ：
１.５％未満、Ｍn :０.５〜２.０％、Ｔｉ：０.０２〜
０.２０％、Ｐ：０.００５〜０.０６％、sol. Ａｌ：
０.０１〜０.１０％、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃr ：
０.２〜１.０％とＭo :０.２〜１.０％の一種以上、残
部が鉄および不可避不純物からなり、かつマルテンサイ
トが体積率で５〜１５％、残部が実質的にフェライトで
ある複合金属組織をもち、さらにフェライトのビッカー
ス硬さ（ＨＶ）／熱延鋼板の引張強度（ＭＰａ）の値が
０.２８以上であり、疲労特性に優れ、 引張強度が５０
０〜９００ＭＰａである熱延鋼板。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は、従来材に比べて極めて
優れた疲労強度を有し、それによって、自動車用ホイー
ルのように繰り返し荷重を受ける機械構造用として有用
な熱延鋼板およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱延鋼板を素材とする製品で疲労強度が
問題となるものは非常に多く、その一例として自動車用
ホイールがあげられる。ホイールの耐久性を高めるには
（１）ホイールの形状の最適化、（２）材料の高疲労強
度化、が必要である。ホイール形状の最適設計はすでに
行われておりもはや改善の余地はない。したがって、上
記の目的を達成するためには材料面からのアプローチが
必要である。

【０００３】機械構造用熱延鋼板に要求される性質とし
ては、高い疲労強度のほかに、優れた成形性・加工性が
ある。一般に疲労強度は材料の引張強度と対応してお
り、疲労強度を上げるには引張強度を上げればよい。し
かしながら引張強度を高くすると材料の成形性・加工性
が低下する。高強度鋼で加工性の改善を図ったものとし
て例えば特開昭55−38980 号公報の方法がある。該方法
はフェライト−マルテンサイトの複合組織鋼板とするこ
とで、高強度化による延性の劣化を防ぐものである。し
かしながら該方法により製造された鋼板の疲労強度は未
だ不十分であった。

【０００４】引張強度の低い素材をホイール成形後、熱
処理を行い引張強度および疲労強度を高める方法として
例えば特開平２−66116 号公報がある。該方法は炭素を
極低量に抑え、かつ銅を含有させた鋼板をプレス成形後
熱処理を施し、銅の析出強化により疲労強度の向上を図
ったものである。しかしながら該方法では熱処理を必要
とするため、高コストとなり、用途が限定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、現状の製品の形状を変えることなく、ま
たコストおよび手間がかかる余計なプロセスを追加せず
に、素材鋼板の性質を変えることによって製品の疲労強
度を高めることである。すなわち、疲労強度が高い素材
熱延鋼板を製造するに当たり、どのような組成を選び、
それをどのような圧延条件で製造するか最適の条件を見
いだす点にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】一般に延性は引張強度に
反比例して低下する。したがって加工性を低下させずに
疲労強度を上昇させるには耐久比（疲労強度／引張強
度）を上げればよい。耐久比は組成および組織形態によ
り変化する。

【０００７】そこで本発明の完成に先立ち、金属組織と
してフェライト−パーライト（Ｆ−Ｐ）あるいはフェラ
イト−マルテンサイト（Ｆ−Ｍ）を有し、それぞれ、異
なる強化機構（固溶強化、析出強化、転位強化、細粒強
化、第２相体積率増加による強化）により強化した５０
０〜９００ＭＰａ級の熱延鋼板の疲労試験を行った結
果、Ｆ−Ｐ、Ｆ−Ｍいずれの熱延鋼板においても、固溶
強化あるいは析出強化により耐久比が著しく上昇するこ
とが判明した。また転位強化、細粒強化、第２相体積率
増加による強化では、引張強度は高くなるものの、疲労
強度はほとんど上昇しないことも判明した。したがっ
て、優れた疲労強度を得るためには、Ｃ含有量を下げて
パーライトあるいはマルテンサイト量を少なくするとと
もに、軟質のフェライト相を固溶強化、析出強化するの
が有効である。

【０００８】本発明者らはさらに実験を重ねた結果、金
属組織を実質的にフェライト−マルテンサイト組織とす
ることで高い延性が確保され、またマルテンサイト量を
制御し、かつフェライトのビッカース硬さと熱延鋼板の
引張強度の比を制御すると高い耐久比を有する熱延鋼板
が製造されることを見い出した。なお、金属組織は５〜
１５％のマルテンサイト以外はすべてフェライトである
のが好ましいが、合計の体積率が１０％以下であれば、
セメンタイト、パーライトおよびベイナイトが混入して
も構わない。

【０００９】本発明は上記のような知見に基づいてなさ
れたものであって、本発明の要旨は以下の通りである。 （１）重量％で、Ｃ：０.０２〜０.０８％、Ｓｉ：１.
５％未満、Ｍｎ：０.５〜２.０％、Ｔｉ：０.０２〜０.
２０％、Ｐ：０.００５〜０.０６％、sol.Ａｌ：０.０
１〜０.１０％、Ｓ：０.０１５％以下、Ｃｒ：０.２〜
１.０％とＭｏ：０.２〜１.０％の一種以上、残部が鉄
および不可避不純物からなり、かつマルテンサイトが体
積率で５〜１５％、残部が実質的にフェライトである複
合金属組織をもち、さらにフェライトのビッカース硬さ
（ＨＶ）／熱延鋼板の引張強度（ＭＰａ）の値が０.２
８以上であり、疲労特性に優れ、引張強度が５００〜９
００ＭＰａである熱延鋼板。

【００１０】（２）重量％で、Ｃ：０.０２〜０.０８
％、Ｓｉ：１.５％未満、Ｍｎ：０.５〜２.０％、Ｔ
ｉ：０.０２〜０.２０％、Ｐ：０.００５〜０.０６％、
sol.Ａｌ：０.０１〜０.１０％、Ｓ：０.０１５％以
下、Ｃｒ：０.２〜１.０％とＭｏ：０.２〜１.０％の一
種以上、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼片を、
鋳造直後あるいは１１００℃の温度以上に再加熱した
後、熱間圧延を実施し、最終パス出側温度がＡｒ₃−５
０℃の温度以上で熱間圧延を終了し、引き続き１〜５０
℃／ｓの冷却速度で５５０〜６５０℃の温度まで冷却後
巻取ることを特徴とする、マルテンサイトが体積率で５
〜１５％、残部が実質的にフェライトからなる複合金属
組織をもち、フェライトのビッカーズ硬さ（ＨＶ）／熱
延鋼板の引張強度（ＭＰａ）の値が０.２８以上である
疲労特性に優れた引張強度５００〜９００ＭＰａである
複合組織熱延鋼板の製造方法。

【００１１】

【作 用】本発明の熱延鋼板の組成について説明する。
Ｃは高張力鋼として必要な強度を確保するため、またマ
ルテンサイトを生成させるために０.０２％以上の含有
量が必要である。しかしながら０.０８％を超えて含有
させてもマルテンサイト量が増加することにより引張強
度が上昇しても疲労強度の上昇量は小さく、その結果耐
久比が低下する。好ましいマルテンサイト量は５〜１５
％であり、そのためＣ量は０.０２〜０.０８％と定め
た。

【００１２】Ｓｉは固溶強化元素であり、疲労亀裂の発
生する軟質のフェライト相を強化するのに効果的な合金
元素である。フェライト相の強化の結果、そのビッカー
ズ硬さが上昇する。Ｓｉ添加量が多くなると溶接性と表
面性状とを損なうため１.５％を超えないように上限を
定める必要がある。なお、Ｓｉによるマトリックスの強
化が特に要求される場合には、０.５〜１.５％未満添加
するのが好ましく、さらに著しいマトリックスの強化が
要求される場合には、１.０〜１.５％未満添加すること
が必要となる。

【００１３】Ｔｉは析出強化元素であり、フェライトの
ビッカース硬度を高めるのに効果的な元素である。その
効果は０.０２％未満では得られない。また０.２０％を
超えて含有させてもその効果が飽和してしまい経済的で
はない。したがってその含有量を０.０２〜０.２０％と
定めた。

【００１４】Ｍｎは強度を確保することの他に、パーラ
イト変態を抑制してマルテンサイトを得るために不可欠
である。一方２.０％を越えると溶接性が劣化し、また
フェライトが十分に生成せず加工性劣化を招くので好ま
しくない。したがってＭｎ量は０.５〜２.０％とした。
好ましくは１.０〜２.０％である。

【００１５】Ｃｒ，Ｍｏは強度を確保することの他に、
ポリゴナルフェライトの生成を阻害せず、かつパーライ
ト変態を抑制してマルテンサイトを得るために不可欠で
ある。そのためＣｒ：０.２％以上、Ｍｏ：０.２％以上
と定めた。一方それぞれ１.０％を超えると溶接性が劣
化しかつ焼入性が上がるためマルテンサイト量が増加す
る。そのため、Ｃｒ量を０.２〜１.０％、Ｍｏ量を０.
２〜１.０％と定めた。

【００１６】Ｐは固溶強化により、鋼板の強化に有効で
あるが，多すぎると加工性、靭性が劣化してしまう。し
たがってその含有量を０.００５〜０.０３％と定めた。
Ａｌは脱酸材として添加されるが、過度の添加はアルミ
ナ系介在物量を多くし加工性を低下させる。したがって
sol.Ａｌ含有量で０.０１〜０.１０％と定めた。

【００１７】ＳはＭｎと結合して介在物を形成するので
できるだけ少ない方がよい。0.０１５％は許容上限値で
ある。なお、さらに加工性を改善するため、介在物の球
状化を目的に少量のＣａ，Ｚｒ，希土類元素を添加して
も構わない。

【００１８】次に、製造方法に関する本発明の構成要件
について説明する。熱間圧延を行う際、鋳造後直接ある
いは１１００℃以上の温度に再加熱する。これは不純物
を完全に固溶させ偏析するのを防ぐためである。また熱
間圧延の最終パス出側温度を、Ａｒ₃−５０℃未満とす
ると疲労強度の上昇にあまり有効でない転位強化された
フェライト量が多くなりすぎて耐久比が低下する。した
がって最終パス出側温度はＡｒ₃−５０℃以上と定め
た。

【００１９】さらに熱延後は５５０〜６５０℃の温度ま
で１〜５０℃／ｓの冷却速度で冷却後速やかに巻取りが
実施される。５５０〜６５０℃の温度範囲まで１〜５０
℃／ｓの冷却速度で冷却することでパーライトの生成を
抑制、さらにＴｉＣの粗大析出を抑制しながら十分な量
のフェライトを生成させることができる。１℃／ｓ未満
の冷却速度ではパーライトが生成してしまい、また５０
℃／ｓを越える冷却速度では巻取り温度の制御が難し
く、またフェライト生成量が不十分で、いずれも所望の
金属組織が得られない。また５５０〜６００℃の温度ま
で冷却後速やかに巻取ることで、生成しているフェライ
トにＴｉＣが析出してきてフェライトの硬度が上昇し、
その結果耐久比が向上する。

【００２０】また巻取り後の冷却過程で未変態オーステ
イナイトがマルテンサイトに変態する。冷却停止温度が
６５０℃を超えると、ＴｉＣが粗大化するため、また冷
却停止温度が５５０℃未満ではＴｉが十分に拡散できず
フェライト地へのＴｉＣの析出が不十分であるため、い
ずれもフェライト硬度上昇量が十分でない。本発明では
ＴｉＣの析出によりフェライトのビッカー硬度を上昇さ
せるため、組成とともに巻取り温度も重要である。そこ
で疲労強度におよぼす巻取り温度の影響を明らかにする
ため、以下の試験を行った。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１に示す３種類の組成（鋼種１，２，
３）を有する鋼片を１１５０℃の温度に再加熱後最終パ
スの出側温度８８０℃で熱間圧延を終了し、熱延後１０
℃／ｓの冷却速度で５００〜７００℃の温度範囲まで冷
却後速やかに巻取り、６mm厚の熱延鋼板を製造し疲労試
験に供した。なお、鋼種１，２，３のうち、鋼種１のみ
が本発明範囲の組成を有する。また引張強度はＪＩＳ５
号引張試験片を採取し調査した。疲労試験は平行部４φ
の軸力試験片を用い繰り返し速度２０Hz荷重制御完全両
振りで実施した。なお疲労限度は破断繰返し数１０⁷ と
なる応力振幅と定義した。またフェライトのビッカース
硬度は荷重５gfで測定した。

【００２３】図１に各熱延鋼板の引張強度、疲労限度、
フェライト硬度におよぼす冷却停止温度（巻取り温度）
の影響を示す。Ｔｉを添加した鋼種Ａのみ冷却停止温度
５５０〜６５０℃でフェライトが硬化し、その結果疲労
強度が上昇する。図２に耐久比とフェライト硬度（Ｈ
Ｖ）／引張強度（ＭＰａ）の関係を示すがフェライト硬
度（ＨＶ）／引張強度（ＭＰａ）が０.２８以上で耐久
比が０.６０以上になる。

【００２４】

【実施例】表２に示す化学組成の鋼を５０kg真空溶解炉
で溶製後、熱間鍛造により、６０mm厚のスラブを製造
し、表３で示す熱延、冷却条件を実施した後、速やかに
巻取って６mm厚の熱延鋼板とした。得られた鋼板からＪ
ＩＳ５号引張試験片を採取し、機械的性質を調べた。疲
労試験は平行部４φの軸力試験片を用い繰り返し速度２
０Hz荷重制御完全両振りで実施した。ここで、疲労限度
は破断繰返し数１０⁷となる応力振幅と定義した。鋼種
ＡのＡｒ₃点は約７６０℃で、また他のいずれの鋼種で
もＡｒ₃点は８００℃以上である。このように本発明の
方法で製造された熱延鋼板は高い疲労強度を示すことが
分かる。なお、本実施例によって本発明の特許請求の範
囲が制限されるものでないことは、当業者にとって自明
の事項である。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】本発明方法で製造した試験番号１〜６号
は、フェライトとマルテンサイトの複合組織で、体積率
５〜１５％のマルテンサイトを有するため、加工性のパ
ラメーターである（引張強度×伸び）値が20000 を越え
る。またフェライトのビッカース硬度／引張強度が0.２
８より高くフェライトが十分に強化されているため、耐
久比0.６以上の高い疲労強度を示した。

【００２８】加熱温度の低い試験番号７は加熱時の未固
溶のＴｉが多く、巻取り後にフェライト中に析出してく
るＴｉＣ量が少なくフェライトの強化が小さく耐久比が
低い。熱間圧延の最終パス出側温度の低い試験番号８は
フェライトが転位強化され、延性と耐久比が低い。ま
た、熱延後の冷却速度の低い試験番号８はフェライトが
転位強化され、延性と耐久比が低い。また、熱延後の冷
却速度の遅い試験番号９と冷却停止温度の高い試験番号
１０はＴｉＣが粗大に析出して、また冷却停止温度の低
い試験番号１１はＴｉＣの析出が不十分で、フェライト
が強化されず耐久比が低い。Ｃ量が本発明範囲を超えた
試験番号１６はマルテンサイト量が多く、疲労強度に有
効でないマルテンサイトによる強化が大きすぎて耐久比
が低い。Ｔｉを含有しない試験番号１７はフェライトの
強化が小さいため耐久比が低い。Ｃｒ，Ｍｏ量の少ない
試験番号１８はマルテンサイトが生成されず延性（伸
び、引張強度×伸び）が低かった。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明により製造
された熱延鋼板は、高い耐久比を有するため、ホイール
などの自動車足廻りなどの部品に最適で、かかる効果を
有する本発明の意義は極めて著しい。

【図面の簡単な説明】

【図１】表１に掲げた鋼種１〜３における、引張強度、
疲労強度およびフェライト硬度に及ぼす冷却停止温度の
影響を示すグラフである。

【図２】表１に掲げた鋼種１〜３における、耐久比とフ
ェライト硬度（ＨＶ）／引張強度（ＭＰａ）との関係を
示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ：０.０２〜０.０８％、Ｓ
   ｉ：１.５％未満、Ｍｎ：０.５〜２.０％、Ｔｉ：０.０
   ２〜０.２０％、Ｐ：０.００５〜０.０６％、sol.Ａ
   ｌ：０.０１〜０.１０％、Ｓ：０.０１５％以下、Ｃ
   ｒ：０.２〜１.０％とＭｏ：０.２〜１.０％の一種以
   上、残部が鉄および不可避不純物からなり、かつマルテ
   ンサイトが体積率で５〜１５％、残部が実質的にフェラ
   イトである複合金属組織をもち、さらにフェライトのビ
   ッカース硬さ（ＨＶ）／熱延鋼板の引張強度（ＭＰａ）
   の値が０.２８以上であり、疲労特性に優れ、引張強度
   が５００〜９００ＭＰａである熱延鋼板。
2. 【請求項２】 重量％で、Ｃ：０.０２〜０.０８％、Ｓ
   ｉ：１.５％未満、Ｍｎ：０.５〜２.０％、Ｔｉ：０.０
   ２〜０.２０％、Ｐ：０.００５〜０.０６％、sol.Ａ
   ｌ：０.０１〜０.１０％、Ｓ：０.０１５％以下、Ｃ
   ｒ：０.２〜１.０％とＭｏ：０.２〜１.０％の一種以
   上、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼片を、鋳造
   直後あるいは１１００℃の温度以上に再加熱した後、熱
   間圧延を実施し、最終パス出側温度がＡｒ₃−５０℃の
   温度以上で熱間圧延を終了し、引き続き１〜５０℃／ｓ
   の冷却速度で５５０〜６５０℃の温度まで冷却後巻取る
   ことを特徴とする、マルテンサイトが体積率で５〜１５
   ％、残部が実質的にフェライトからなる複合金属組織を
   もち、フェライトのビッカーズ硬さ（ＨＶ）／熱延鋼板
   の引張強度（ＭＰａ）の値が０.２８以上である疲労特
   性に優れた引張強度５００〜９００ＭＰａである複合組
   織熱延鋼板の製造方法。 【０００１】