專利名稱：通過對普通低碳鋼進行低應(yīng)變加工和退火獲得具有超微細晶粒結(jié)構(gòu)的高強度、高延展性 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將普通低碳鋼或含有0.01％以下的對促進馬氏體相變有效的量的B的普通低碳鋼進行加工和熱處理、將奧氏體晶粒粗化之后，通過水冷獲得90％以上的馬氏體相的鋼材、將該鋼材在總軋制壓縮率20％以上、最多不足80％的冷軋、在500℃以上不足600℃退火的低應(yīng)變加工和退火獲得的抗拉強度在800MPa以上，均勻延伸率在5％以上，斷裂延伸率在20％以上的高強度、高延展性的低碳鋼以及這種高強度、高延展性的低碳鋼的制造方法。
在本說明書中，所謂普通低碳鋼是指碳含量在0.2％以下，Mn在1.6％以下，Si在0.5％以下，P在0.05％以下，同時，S在0.05％以下的鋼材。所謂添加微量(0.01％以下)的B的普通低碳鋼，是為了通過淬火性能在前述普通低碳鋼中添加0.01％以下的對促進馬氏體相變有效的量的B的鋼材。
在本說明書中，只要沒有特別聲明，所述含量的％指的是重量％。
背景技術(shù)：
為了通過建筑物的高層化提高空間的利用率，汽車、船舶等的節(jié)能，并且通過資源的回收再利用性，對鋼鐵材料也提出了要求。為了滿足前兩者的要求，需要鋼鐵材料有高強度、高延展性，對于資源的回收再利用性，則希望不用添加合金元素，利用普通低碳鋼就能夠達到前述高強度、高延展性。
為了滿足前述對鋼材要求的高的性能，設(shè)立了一些項目。在這些項目中，稱作超級金屬或超級鋼鐵項目，其目標是將目前的“400MPa級組成鋼”的晶粒超微細化，使其晶粒的粒徑達到1μm以下，制成具有前述兩倍的強度“800MPa”，具有延展性，并且容易焊接的鐵素體結(jié)構(gòu)鋼。
在該領(lǐng)域，已知，為了通過將鋼的鐵素體結(jié)晶晶粒微細化提高強度，Hall-Petch關(guān)系成立，即，通過細化鋼的鐵素體的結(jié)晶粒徑，屈服應(yīng)力和抗拉強度上升，與此同時，韌性提高。但是，一般地存在著在拉伸試驗中延伸率降低的問題。
在CAMP-ISIJ Vol.11(1998)1031-1034中，在由容易焊接的400MPa級的組成鋼獲得的使其強度上升到800MPa級的鋼的研究中，提出了將在鐵素體-碳化物結(jié)構(gòu)中的粒徑達到1μm以下作為目標。同時，作為到達該目標的具體的手段，將厚度8mm的試樣進行使之轉(zhuǎn)化為奧氏體的處理，即，在1100℃處理60秒鐘后，經(jīng)水冷獲得馬氏體結(jié)構(gòu)，將其在640℃，進行總軋制壓縮率90％的雙軸熱軋，報告稱，所獲得的鋼材的鐵素體結(jié)構(gòu)，具有等軸微細結(jié)構(gòu)，其標稱粒徑為0.77μm，抗拉強度相當于760Mpa，維氏硬度為245。但是，文中沒有有關(guān)從該大塊鋼材中制作強度試驗用試驗片直接測定抗拉強度的報導，進而，對它們的延伸率則完全沒有提及。此外，這里所使用的鋼材，為了確保淬火性能，Mn的含量高達2.03％，并且，在640℃的熱條件下進行馬氏體化的鋼材進行熱軋。
進而，在為了滿足前述高強度、高韌性高延展性的要求的鋼材的開發(fā)中，研究了添加合金元素的固溶強化法，析出強化法，相變強化法等，但是，由于含有大量的合金元素，所以，存在著價格昂貴或回收再利用性能差的問題。因此，進行并報導了不添加合金元素、通過晶粒的微細化的強化方法，但是，這些方法都是通過進行大的應(yīng)變加工的方法，存在著需要特殊的加工設(shè)備的問題。
本發(fā)明人等，作為初始鋼材結(jié)構(gòu)，對采用鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)，通過進行作為大的應(yīng)變加工的、在室溫下的反復堆疊結(jié)合軋制(用ARB表示，Accumulative Roll-Bonding)與退火相互組合獲得的結(jié)構(gòu)和機械性質(zhì)的變化進行了研究，由于在大的應(yīng)變加工后，變成存在滲碳體的區(qū)域和不存在滲碳體的區(qū)域混合在一起的不均勻的結(jié)構(gòu)，所以，在退火時，生成鐵素體的粒徑大小不同的不均勻的混合粒子結(jié)構(gòu)，不能獲得所需的高強度、高延展性的鋼材。
為了實現(xiàn)普通低碳鋼的超微細鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)，采用從馬氏體結(jié)構(gòu)出發(fā)的想法，這在推進超級鋼鐵的開發(fā)的STX-21項目及超級金屬項目也加以采用，不能說這是一種新的想法。但是，用這種方法實際上不能實現(xiàn)抗拉強度在800MPa以上，均勻延伸率在5％以上，并且斷裂延伸率在20％以上的高強度、高延展性的低碳鋼。特別是，根本不存在利用低應(yīng)變加工獲得高強度、高延展性及高韌性的鋼材的想法。
本申請的發(fā)明的課題是，提供一種不用將現(xiàn)有技術(shù)的鋼材的制造工藝進行過多的變形就可以制造具有前述所需的特性的鋼材的方法，以及提供具有前述所需的特性的鋼材。
如前面所述，為了實現(xiàn)超微細鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)，將馬氏體結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)的想法是公知的。但是，在制造工藝中將淬火性差的普通低碳鋼全面地制成馬氏體結(jié)構(gòu)是很困難的。
本發(fā)明人等，為了很少變更現(xiàn)有技術(shù)的制造工藝，將馬氏體鋼作為制成抗拉強度在800MPa以上、均勻延伸率在5％以上，斷裂延伸率在20％以上的高強度、高延展性的普通低碳鋼鋼材的原料，首先，在對作為原料的馬氏體與通過以后的處理獲得的鋼材的強度、延展性等特性的關(guān)系的研究過程當中，我們發(fā)現(xiàn)，在奧氏體晶粒粗化之后，通過水冷獲得的馬氏體相在90％以上的鋼材，通過低應(yīng)變加工、即總軋制壓縮率在20％以上、最高不足80％的冷軋和退火，可以獲得具有前面所述的強度、均勻延伸率、斷裂延伸率等特性的高強度、高延展性的低碳鋼材，可以解決前述課題。
即，通過將所述低應(yīng)變加工和退火以及供該加工和退火的特定的鋼材相組合，解決前述課題。
發(fā)明的概述本發(fā)明的第一方面是一種將普通低碳鋼或添加0.01％以下的對促進馬氏體相變有效的量的B的普通低碳鋼進行加工和熱處理、奧氏體晶粒粗化到100μm以上之后，通過水冷獲得90％以上的馬氏體相的鋼材進行低應(yīng)變加工和退火獲得的抗拉強度在800MPa以上，均勻延伸率在5％以上，斷裂延伸率在20％以上延伸的高強度、高延展性的低碳鋼材。所述高強度、高延展性的低碳鋼材，其特征為，優(yōu)選地進行低應(yīng)變加工和退火，通過總軋制壓縮率為20％以上、最多為不足80％的冷軋和500℃以上不足600℃的退火，使所述鋼材具有平均晶粒的粒徑在1.0μm以下的超微細鐵素體結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的第二方面，是一種抗拉強度在800MPa以上、均勻延伸率在5％以上，斷裂延伸率在20％以上的高強度、高延展性的低碳鋼材的制造方法，其特征為，將普通低碳鋼或添加0.01％以下的對促進馬氏體相變有效的量的B的普通低碳鋼進行加工和熱處理、將奧氏體晶粒粗化到100μm以上之后，通過水冷獲得90％以上的馬氏體相的鋼材、將該鋼材進行在總軋制壓縮率20％以上、最高不足80％的冷軋、在500℃以上不足600℃的退火，使所述鋼材具有平均晶粒粒徑1.0μm以下的超微細晶粒鐵素體結(jié)構(gòu)。
附圖的簡單說明圖1、是在1000℃、15分鐘奧氏體化熱處理后水冷的普通低碳鋼板(JIS-SS400，厚度2mm)的縱剖面圖的光學顯微鏡(OM)的結(jié)構(gòu)照片。
RD是軋制方向，ND是厚度方向。
圖2、是表示用光學顯微鏡觀察用普通低碳鋼(JIS-SS400)的馬氏體結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)的冷軋材的縱剖面的結(jié)構(gòu)的顯微鏡照片。(a)是表示50％冷軋時的情況，(b)是表示70％冷軋時的情況。
圖3、是表示普通低碳鋼(JIS-SS400)的淬火材料和各種軋制壓縮率的冷軋材的標稱應(yīng)力-標稱應(yīng)變曲線。a是軋制壓縮率70％的冷軋材，b是軋制壓縮率50％的冷軋材，c是軋制壓縮率25％的冷軋材，d是馬氏體結(jié)構(gòu)的淬火材料，e是接受到鐵素體+滲碳體結(jié)構(gòu)的材料。
圖4、是表示以普通低碳鋼(JIS-SS400)的馬氏體結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)的50％冷軋材a，以及將其在各種溫度(b在400℃，c在500℃，d在550℃，e在600℃)退火30分鐘的材料的標稱應(yīng)力-標稱應(yīng)變的曲線。
圖5、表示與以普通低碳鋼(JIS-SS400)的馬氏體結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)的50％冷軋和退火材料的退火溫度與機械性質(zhì)的關(guān)系。-●-表示抗拉強度(σB)，-○-表示0.2％彈性極限應(yīng)力(σ0.2)，-▲-表示斷裂延伸率(e)，-△-表示均勻延伸率(e0)。
圖6、是以普通低碳鋼(JIS-SS400)的馬氏體結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)、在各種溫度下50％冷軋和退火的材料的縱剖面的透射式電子顯微鏡(TEM)結(jié)構(gòu)的顯微照片。(a)為在400℃，(b)為在500℃，(c)為在550℃，(d)為在600℃的各種溫度退火30分鐘時的情況。
圖7、是表示與以普通低碳鋼(JIS-SS400)的馬氏體結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)的50％冷軋后，在各種溫度退火30分鐘的材料(○)和以鐵素體+珠光體結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)在利用ARB冷軋97％之后，在各種溫度退火30分鐘的材料(△)的抗拉強度與斷裂延伸率的關(guān)系(強度-延展性平衡)的比較。
圖8、表示JIS5號的拉伸試驗片。
實施本發(fā)明的最佳形式對本發(fā)明的詳細說明A.集中說明用于說明本發(fā)明的試驗方法、測定裝置等。
1、拉伸試驗片的形狀為JIS5號試驗片(圖8)的1/5的大小(平行部長度10mm×平行部寬度5mm)。
2、光學顯微鏡〔(株)ニコン(Nicon)制，ォプチフォト-100S〕，TEM〔(株)日立制作所制，H-80〕的觀察試樣用公知的方法制成。
B.參照


本發(fā)明的特征。
這里，列舉具體的例子進行說明，但這只是為了更容易理解本發(fā)明，本發(fā)明并不局限于此。
圖1，是將一般結(jié)構(gòu)用軋制鋼材，即作為微量成分含有C 0.13％，Si 0.01％，Mn 0.37％，P 0.02％，S 0.004％，sol.Al 0.04％的鋼材(JIS-SS400)的厚度2mm的熱軋鋼板作為接受的材料，將其在1000℃奧氏體化處理15分鐘，將奧氏體粒徑粗化到100～200μm之后水冷獲得的淬火材料的縱剖面的光學顯微鏡結(jié)構(gòu)照片。是一種約含有4％的初析鐵素體的粗大的馬氏體結(jié)構(gòu)。
圖2是將圖1所示的淬火材料經(jīng)過多道次冷軋軋制到總軋制壓縮率為50％(a)和70％(b)獲得的冷軋材的縱剖面的光學顯微鏡結(jié)構(gòu)照片。以黑的反差觀察到析出到原有的奧氏體晶界處的初析馬氏體。通常，碳鋼的馬氏體在原封不動地保持淬火狀態(tài)不變時，加工性差，但圖2表示，低碳鋼馬氏體，至少利用本發(fā)明的處理方法形成的低碳鋼馬氏體，可以冷軋到70％以上。
圖3是由圖1所示的淬火材料、圖2所示的冷軋材的拉伸試驗獲得標稱應(yīng)力-標稱應(yīng)變曲線。為了進行參考，用虛線表示具有鐵素體-滲碳體結(jié)構(gòu)的接受材料的標稱應(yīng)力-標稱應(yīng)變曲線e。通過淬火，抗拉強度從410MPa，上升到1100MPa(d)，進而，通過25％冷軋，上升到1340MPa(c)，通過50％冷軋，上升到1470MPa(b)，通過70％冷軋，上升到1640MPa(a)。但是，斷裂延伸率，在淬火材料中約為10％，在冷軋材中約為6％。此外，冷軋材的均勻延伸率在1％以下。
圖4是圖3所示的50％冷軋材及將其在各種溫度退火30分鐘的退火材料的拉伸試驗獲得的標稱應(yīng)力-標稱應(yīng)變曲線。通過退火，強度降低，但通過500℃以上的退火延展性得到恢復，在500℃～550℃，強度不過分下降，斷裂延伸率和均勻延伸率明顯增加。其結(jié)果是，在550℃的退火材料(d)，獲得抗拉強度為870MPa，0.2％彈性極限應(yīng)力710MPa，斷裂延伸率21％，均勻延伸率8％的超高強度和高延展性的鋼。
圖5是表示50％的冷軋材及其退火材料的抗拉強度(-●-)、0.2％彈性極限應(yīng)力(-○-)、斷裂延伸率(-▲-)、以及均勻延伸率(-△-)與退火溫度的關(guān)系。當退火溫度超過525℃時，斷裂延伸率和均勻延伸率急劇恢復，但抗拉強度從500℃至550℃之間基本上恒定。這是在550℃獲得超高強度、高延展性的鋼的原因。
圖6是50％冷軋和退火材料的縱剖面的TEM結(jié)構(gòu)的照片。400℃退火的材料(a)結(jié)構(gòu)，是和軋制材同樣的層狀結(jié)構(gòu)。500℃的退火材料(b)，在很寬的范圍內(nèi)觀察到等軸形狀的粒徑100～300nm的超微細結(jié)晶晶粒。圖中沒有示出，由(b)的視野有限的衍射圖形可以看出，這些微細的等軸晶粒被大角度的晶界包圍，沒有亞晶粒。550℃的退火材料也是同樣的超微細晶粒結(jié)構(gòu)，當在600℃時，觀察到粒徑粗大化到幾個μm的晶粒和球狀析出滲碳體。
可以認為，通過在500℃以上時引起的這種滲碳體的析出抑制晶粒的成長，使之產(chǎn)生100～300nm的超微細晶粒結(jié)構(gòu)，同時，賦予均勻延伸率所必要的加工硬化能。
如上所述，可以看出，以低碳鋼馬氏體作初始結(jié)構(gòu)，通過軋制壓縮率50％的低應(yīng)變加工和550℃的退火，獲得超微細鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)，得到高強度、高延展性的低碳鋼。
圖7是表示作為本發(fā)明的鋼的馬氏體的50％冷軋和退火材料(○)和以現(xiàn)有技術(shù)的鐵素體+珠光體結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)的大的應(yīng)變加工材料(97％冷軋材)(△)的強度-延展性平衡。如前面所述，在以鐵素體+珠光體結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)進行大的應(yīng)變加工時，通過退火獲得的結(jié)構(gòu)成為混合晶粒結(jié)構(gòu)，不能獲得所需的高強度和高延展性。與此相對，本發(fā)明馬氏體的冷軋和退火材料中，如從圖7可以看出的，強度-延展性平衡，表示獲得滿足抗拉強度800MPa以上并且斷裂延伸率在20％以上的條件的實驗點。
工業(yè)上的可利用性如上所述，對于0.13％C普通低碳鋼(JIS-SS400)，以前述本發(fā)明的馬氏體結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)進行50％冷軋后進行退火時，獲得粒徑100～300nm的超微細鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)，此外，在550℃退火30分鐘，獲得抗拉強度870MPa，斷裂延伸率21％，均勻延伸率8％的具有極為優(yōu)異的機械性能的鋼，其制造方法，從前面所述的設(shè)備方面考慮，經(jīng)濟性良好，從環(huán)境方面出發(fā)，在材料的循環(huán)系統(tǒng)方面也能夠滿足社會的要求，導致優(yōu)異的效果。
權(quán)利要求
1.一種高強度、高延展性的低碳鋼，所述低碳鋼是一種將普通低碳鋼或添加0.01％以下的對促進馬氏體相變有效的量的B的普通低碳鋼的奧氏體晶粒粗化之后，通過水冷獲得90％以上的馬氏體相的鋼材進行低應(yīng)變加工和退火獲得的抗拉強度在800MPa以上，均勻延伸率在5％以上，斷裂延伸率在20％以上的高強度、高延展性的低碳鋼材。
2.如權(quán)利要求1所述的高強度、高延展性的低碳鋼，其特征為，進行低應(yīng)變加工，通過總軋制壓縮率為20％以上、最多不足80％的冷軋和退火，使所述鋼材具有平均晶粒的粒徑在1.0μm以下的超微細晶粒鐵素體結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的高強度、高延展性的低碳鋼，其特征為，進行500℃以上不足600℃的退火。
4.一種高強度、高延展性的低碳鋼的制造方法，所述方法是一種抗拉強度在800MPa以上、均勻延伸率在5％以上，斷裂延伸率在20％以上的高強度、高延展性的低碳鋼材的制造方法，其特征為，將普通低碳鋼或添加0.01％以下的對促進馬氏體相變有效的量的B的普通低碳鋼進行加工和熱處理、將奧氏體晶粒粗化到100μm以上之后，通過水冷獲得90％以上的馬氏體相的鋼材、將該鋼材在總軋制壓縮率20％以上、最多不足80％的冷軋和退火，使所述鋼材具有平均晶粒粒徑在1.0μm以下的超微細晶粒鐵素體結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的高強度、高延展性低碳鋼材的制造方法，其特征為，在進行總軋制壓縮率在20％以上、最多不足80％的冷軋之后，進行500℃以上不足600℃的退火。
全文摘要
一種將普通低碳鋼或添加0.01％以下的對促進馬氏體相變有效的量的B的普通低碳鋼進行加工和熱處理、將奧氏體晶粒粗化之后，通過水冷獲得90％以上的馬氏體相的鋼材進行低應(yīng)變加工，具體地說，通過進行總軋制壓縮率在20％以上、最高不足80％的冷軋和500℃以上600℃以下的低溫退火制成平均晶粒粒徑在1.0μm以下的超微細晶粒鐵素體，獲得的抗拉強度在800MPa以上，均勻延伸率在5％以上，斷裂延伸率在20％以上的高強度、高延展性的低碳鋼材，以及該鋼材的制造方法。
文檔編號C21D1/18GK1500155SQ02807339
公開日2004年5月26日 申請日期2002年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月27日
發(fā)明者齋藤好弘, 辻伸泰, 上路林太郎, 太郎 申請人:科學技術(shù)振興事業(yè)團