弯曲加工性优良的耐候性高强度钢板及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及要求强度、喷丸后等的加工性、耐候性的铁路车辆和陆路运输、海上运输用的集装箱用钢材及其制造方法。
背景技术
从前，对于集装箱是要求具备轻量、长寿命和耐候性的材料，使用铝的材料成为主流。但是，由于价位高、强度低，因此迫切要求高强度且具有耐候性的钢材。到目前为止的耐候性钢材，有JIS G3125规定的拉伸强度在50kgf/mm2(490MPa)级的高耐候性轧制钢材。除此以外，作为高强度钢材，在特开平3-2321号公报中曾经公开拉伸强度在60kgf/mm2或以上的冷加工性优良的耐候性热轧钢板的制造方法。
并且，伴随海上集装箱的使用实绩的增加，使用环境变得更加苛刻、即使是涂装集装箱，由于局部腐蚀的发生而经不住长期使用的情况增多。对此，在特开昭63-72853号公报曾经公开了对于高P钢中添加Nb、Ti、V、B能够实现长寿命化。
但是，近年来对高强度且轻量化的集装箱的要求进一步提高，要求屈服强度在700MPa或以上且弯曲加工性良好的超高强度耐候性钢材。而且，以涂装时的涂料附着性和疲劳特性以及表面硬化性为目标，在喷丸处理后等进行弯曲加工，因此对钢材要求的强度和加工性均非常严格。所要求地强度不是拉伸强度而是屈服强度，是由于以超高强度达到轻量化为目标、因此即使板厚较薄仍需要保证保持刚性。所以，在特开平3-2321号公报中公开的成分和制造方法不能满足该规格要求。
此外，在以高寿命为目标的特开昭63-72853号公报中提出的成分体系能确保耐候性寿命，但在制造集装箱的喷丸-弯曲加工中产生裂纹，因此它也没有满足该规格。
【发明内容】
本发明的目的是，为了解决以上课题，提供确保屈服强度在700MPa或以上的超高强度、同时耐喷丸后等的弯曲加工且具备耐候性的钢材及其制造方法。
本发明为了实现上述目的的手段如下：
(1)一种弯曲加工性优良的耐候性高强度钢板，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.15％、Si：0.5％或以下、Mn：0.5～2.0％、P：0.02或以下、S：0.005％或以下、Ni：0.2～2.0％、Cu：0.2～0.5％、Cr：0.2～1.0％、且含有Ti：0.03～0.2％、Nb：0.01～0.07％、V：0.01～0.07％、B：0.0005～0.0050％之中的1种、2种或以上、余量为Fe以及不可避免的杂质。
(2)一种弯曲加工性优良的耐候性高强度钢板的制造方法，其特征在于：所用的钢以质量％计含有C：0.05～0.15％、Si：0.5％或以下、Mn：0.5～2.0％、P：0.02％或以下、S：0.005％或以下、Ni：0.2～2.0％、Cu：0.2～0.5％、Cr：0.2～1.0％、且含有Ti：0.03～0.2％、Nb：0.01～0.07％、V：0.01～0.07％、B：0.0005～0.0050％之中的1种、2种或以上、余量为Fe以及不可避免的杂质，所述制造方法包括对所述钢在1200℃或以上加热后、于850℃～950℃的温度范围使轧制终止、在500℃～650℃进行卷绕。
以下，就本发明的钢板以及制造方法的限定理由进行详细叙述。
【附图说明】
图1是表示Ni量以及P量对腐蚀减量的影响效果的图。
图2是表示冲压弯曲试验的示意图。
图3是表示P对腐蚀减量以及弯曲半径(R)的影响的图。
【具体实施方式】
本发明者为了解决上述课题，对许多钢种的钢板制造方法进行调查研究，最终实现了本发明。以下，就本发明进行详细说明。
一般地，耐候性钢材暴露在大气中的最初期间与普通钢材没有区别，同样生锈。但是，随后耐候性钢材的部分铁锈成为致密的且密着于母材的铁锈，该铁锈成为保护膜，能阻止环境引起铁锈的发展。使其含有Cu-Cr-P对制作这样的铁锈是有效的。
象以往那样，以拉伸强度是50～60kgf/mm2(490MPa～590MPa)为对象的材料的场合，按照该成分体系可能适用于集装箱用耐候性钢材。近年来，与地球环境问题相匹配，提出以提高燃料费为目标的汽车的轻量化，对于陆路运输、海上运输使用的集装箱，轻量化的要求也很强烈。因此，为了实现比从前更加轻量化的目的，希望钢材的板厚目标值变薄、为了确保刚性要求屈服强度在700MPa或以上。此外，在集装箱的制造上，为了更好地除鳞和涂装附着，通过往钢板上投射丸球、砂粒、石英砂等的喷丸对钢板表面赋予凹凸。借助于该工序，表面发生硬化，因此在其后的弯曲成形中容易引起弯曲裂纹。特别是屈服强度超过700MPa的材料，裂纹敏感性显著，选定添加元素的影响增大。
如上所述，对于屈服强度超过700MPa的钢材，在制造能耐喷丸材的弯曲加工的耐候性钢材时，要求同时满足：
①钢材强度的提高；
②确保弯曲加工特性；
③确保耐候性。
具有这样的耐候性的高强度钢材的制造，在使用多量的P时产生各种各样的问题。首先，在制造工序，于铸造200mm到300mm的板坯时，P容易引起中心偏析，向最后凝固的板厚中心部位富集。P的富集部位容易引起脆化裂纹。而且，高强度钢本身裂纹敏感性较高，因此添加P的耐候性高强度钢板经常产生板坯裂纹，成材率非常低。
此外，即使加工成钢板，由于P的添加其材质特性较脆，加工性不良。一般地，越是高强度钢材，伸长率越低，因此添加P的钢材的加工性更低，而且这次的对象是在喷丸后等进行弯曲加工，因此容易引起弯曲裂纹。加之，集装箱通过焊接而组装的场合，也容易引起焊接裂纹。对以往的钢作为耐候性元素使用的Cu、Cr、P的特性经过详细调查的结果判明：对于高强度钢材，P对上述②的有害影响很大，不能使用。本发明者在图2所示的90°冲压弯曲试验，使冲头端部的弯曲半径(R)变化，调查P量与弯曲裂纹的产生条件。同时还调查了添加P与腐蚀减量的关系，示于图3。结果表明，伴随P的增加，腐蚀减量减小，耐侯性提高，但随着P的增加弯曲裂纹极限的弯曲半径(R)增大，钢板的弯曲加工性变得严峻。因此，为了确保弯曲加工性，有必要研讨不使用P而确保耐候性的方法。关于Cu和Cr，对弯曲加工性的有害影响较小，但是只增加它们的量来确保耐候性也是很难的。而且，也不能承受喷丸后等的弯曲加工。
因此，经过反复进行各种实验的结果发现，通过代替P确保耐候性而使用Ni是可能的；为确保弯曲加工特性在通过低碳化谋求提高加工性的同时，尽量减少P的添加，并为了减少对弯曲特性带来有害影响的MnS的生成而尽量减少S；强度调整则借助于Ti、Nb、V、B之中的1种、2种或以上的组合的析出效果的运用得到补充，发现能够达成这一目的。
图1表示Ni和P量对腐蚀减量的影响效果的比较。可以看到，伴随Ni的增加，腐蚀减量减少，能够得到与P添加的场合同样的效果。
而且，Ni与P不同，在板坯铸造时不出现偏析，不必担心板坯裂纹，成材率良好。而且也不产生加工性、焊接性的问题，因此不必担心喷丸后等的弯曲加工和焊接裂纹、是弯曲加工性优良的耐候性钢材高强度钢板在制造上非常适宜的元素。关于耐候性，通过与Cu、Cr的并用发挥其效果。
本发明者以这些条件为基准，反复进行实验，实现本发明。关于本发明的添加元素的限定理由，详细叙述如下。
C：C作为提高强度的元素使用。除了作为固溶强化用以外，与Ti和Nb形成碳化物，也能够作为析出强化使用。但是，用量多时使加工性降低。钢材强度越高，加工性越低，因此C量低些为宜。下限确定在0.05％是由于比其低时屈服强度难于确保700MPa或以上的缘故。而且，上限确定在0.15％或以下是为了防止弯曲加工引起的裂纹。
Si：Si在钢板表面形成铁橄榄石(2FeO·SiO2)，使最外表面残存微细的Fe2O3，是容易产生红色氧化皮的元素。在钢板表面形成红色氧化皮时成为麻点状，被用户敬而远之。为了防止麻点，Si含量上限确定在0.5％。
Mn：是提高钢材强度的必要元素。在少于0.5％时难于制造高强度钢材。此外，在添加量超过2.0％时保持加工性变得困难，因此确定在0.5～2.0％的范围。
P：是对强度升高有效且对耐候性提高有益的元素，从前一直用于耐候性钢材。但是，对于屈服强度超过700MPa那样的超高强度钢材的制造，在钢材制造时成为板坯脆化的起因，焊接性也劣化。而且弯曲加工性也变差，因此尽量不添加为宜，上限确定在0.02％。
S：S与Mn形成硫化物MnS。该硫化物容易变形，通过轧制而拉长，存在于钢材中。MnS使钢材的弯曲性、加工性劣化。特别是高强度钢材，为了改善裂纹敏感性，尽量减少为宜，作为商业上可能达到的极限，确定在0.005％。
Ni：Ni对提高强度、同时对提高耐候性、防止脆化也是有效的元素。特别是对于盐分作用大的环境下的耐候性是有效的。在上述那样的高强度钢材中，对耐候性有效的P对加工性显示出明显的有害影响，因此不能使用。Ni作为其替代元素可以使用，不会象P那样出现板坯裂纹和使钢材的加工性劣化。为了有效地应用耐候性的特征，需要添加0.2％或以上。另一方面，Ni是高价的金属，即使超过2.0％，效果也不发生变化，因此上限确定在2.0％。集装箱在海运和陆路运输均可使用，在海上受海水的盐分的影响、在陆地上受寒冷地区散撒的溶雪盐的盐分的影响，因此Ni是耐候性的重要的元素。在盐以外的环境下，为了发挥下述Cu、Cr元素的效果，一并添加对耐候性是有效的。
Cu：Cu对提高耐候性是很重要的，对稳定铁锈的形成是有效的元素。作为对腐蚀环境的效果，0.2％或以上是必要的，但如果超过0.5％，则容易引起表面缺陷，因此确定在0.2～0.5％。
Cr：Cr对提高耐候性也很重要，对稳定铁锈的形成也是有效的元素。作为对腐蚀环境的效果，0.2％或以上是必要的。但是，即使超过1.0％，效果也不变化，因此确定在0.2～1.0％。为了制造屈服强度超过700MPa的钢材，析出强度的利用是有效的。对于可能利用析出效果的以下4种元素，对强度不足予以补充，使用1种、2种或以上能够达到目的。
Ti：与C和N形成碳化物和氮化物，使钢材的强度提高。0.03％或以上的添加显现出其效果，即使添加0.2％或以上其效果也不变。
Nb：与C和N形成碳化物和氮化物，使钢材的强度提高。0.01％或以上的添加显现出其效果，即使添加0.07％或以上其效果也不变。
V：与C和N形成碳化物和氮化物，使钢材的强度提高。0.01％或以上的添加显现出其效果，即使添加0.07％或以上其效果也不变。
B：与C和N形成碳化物和氮化物，同时对淬硬性的提高有效，是对强度提高有效的元素。0.0005％或以上的添加显现出其效果，即使添加0.0050％或以上其效果也不变。
其次，就制造条件的限定理由进行叙述。
加热温度确定在1200℃或以上，是为了利用Ti、Nb、V、B的析出效果，在板坯阶段通过使碳化物和氮化物固溶使钢板制造时生成微细的析出物而充分利用析出效果。
为了使析出物微细化，精轧温度在850℃或以上是必要的，如果超过950℃，容易产生晶粒的粗大化和氧化皮坑等问题，故精轧温度范围确定在850℃～950℃。
卷绕温度对析出物的尺寸产生影响，使析出效果的状况发生变化。在高温卷绕时，析出物成长，过分地成长使强度效果减小。此外，卷绕温度过低时，则析出物的生成不充分，不能希望强度升高。因此，可望强度升高的适度的温度范围确定在500℃～650℃。
在制造时，高压除鳞和带坯加热装置(バ一ヒ一タ一)的利用、轧制粗轧后的接合带坯的热轧连续化的利用也不存在任何问题，通过使用这些设备使加热工序能力提高、同时能够谋求氧化皮坑的防止发生以及成材率的提高。
实施例
按照表1所示的各种成分的钢编号1～12出钢后，以表2所示的轧制条件制造钢材、切取试料，表面进行喷丸处理后评价其特性。评价是通过拉伸试验测定屈服强度、拉伸强度、总伸长率。并且，使用弯曲角度为90℃、端部的弯曲半径(R)为3mm的冲头进行弯曲加工，调查弯曲部位有无裂纹。
焊接性是由电弧焊接后的焊接部位的有无裂纹进行判断。耐候性是进行盐水喷雾处理后反复作湿润～干燥的促进腐蚀的试验，测定试验前的试料重量以及试验后去除铁锈后的试料重量，求出腐蚀减量。作为比较，以市售的490MPa级科尔坦(Cor-ten)耐候性钢的数据为基准，在腐蚀减量比该基准多的场合以“×”评价，在同等或以下的场合以“○”评价。
此外，观察轧制后的钢材的表面评价表面状态。试验编号1～12的轧制条件均在本发明条件内实施。试验编号7的Ni含量少，耐候性差。编号8的耐候性好，但是由于含有较多的P，因此在焊接和弯曲加工时产生裂纹。由于编号9的Si量多、编号10的Cu量过多，因此它们的表面产生鳞状折叠和花纹，表面状态不良。编号11的C、Mn量过高，因此弯曲加工和焊接性不良。编号12的S量高，因此在弯曲试验中产生裂纹。
试验编号13～17，使用本发明范围的钢编号2而改变轧制条件。编号13由于加热温度过低，因此不能利用析出强化，而没能超过目标的屈服强度700MPa。编号14由于轧制温度高，因此表面状态不良。此外，编号15由于轧制温度低，因此没有产生析出物微细化引起的强化作用，没能得到目标的强度。编号16由于卷绕温度高，因此引起钢材的软质化，仍然不能得到目标强度。编号17由于卷绕温度过低，因此强度升高，但是硬化层增加，弯曲加工后产生裂纹。
满足本发明的成分范围和轧制条件的试验编号1至6，满足各种特性，得到了良好的评价结果。
并且，本发明的试验编号18至20，是热轧时在粗轧后其粗带坯经高压除鳞进行去除表面的氧化皮、然后由带坯加热装置加热粗带坯并进行粗带坯接合而应用热轧连续化的实例，均满足本发明的材料特性值，并具有灵活利用各工序产生的效果。编号18利用带坯加热装置，由于在精轧前粗带坯的温度较高且均匀，因此析出控制均匀地进行，材料内的材质不均匀性减小，伸长率不均匀性从这一级别通常具有的6％左右减小到3.8％。而编号19是利用高压除鳞以及热轧连续化的实例。通过高压除鳞，钢材表面状态被格外地提高了。并且，由于热轧连续化，钢卷端部的形状良好，材料的成材率从通常的95％左右提高到97％。此外，编号20是利用带坯加热装置以及热轧连续化的实例，伸长率的不均匀性降低到3.2％、并且材料成材率提高到98％。
表1 材料成分(质量％) 钢编号 C Si Mn P S Al N Cu Ni Cr Ti Nb V B发明例 1 0.07 0.29 1.41 0.006 0.002 0.033 0.006 0.25 1.80 0.31 0.078 0.031 - - 2 0.11 0.18 0.88 0.011 0.001 0.025 0.004 0.28 1.00 0.39 0.085 0.037 - - 3 0.08 0.10 1.22 0.008 0.002 0.011 0.003 0.23 0.50 0.39 0.082 0.024 0.025 0.0012 4 0.09 0.03 1.11 0.006 0.002 0.030 0.004 0.48 0.25 0.81 0.142 0.055 - - 5 0.14 0.43 0.62 0.016 0.004 0.022 0.003 0.44 0.65 0.30 0.180 - - - 6 0.05 0.04 1.86 0.005 0.003 0.056 0.005 0.31 1.20 0.52 0.052 0.043 0.045 -比较例 7 0.08 0.22 1.33 0.012 0.002 0.032 0.004 0.42 0.18 0.17 0.089 0.033 - - 8 0.09 0.30 2.10 0.091 0.004 0.017 0.006 0.27 0.35 0.38 0.080 0.040 - - 9 0.12 0.75 0.95 0.011 0.002 0.043 0.004 0.41 0.65 0.82 0.090 0.033 0.033 - 10 0.09 0.25 0.20 0.005 0.001 0.020 0.003 0.55 0.23 0.30 0.120 0.052 - 0.0036 11 0.23 0.48 2.50 0.028 0.004 0.017 0.006 0.48 1.90 0.90 - - - - 12 0.08 0.21 1.50 0.007 0.008 0.380 0.005 0.38 0.85 0.55 0.090 0.041 - 0.0008
(注)：其下面标有横线的部分表示本发明范围外的条件。
表2 制造条件以及评价 试验 编号 钢 编号 加热温度 ℃ 轧制温度 ℃ 卷绕温度 ℃ 屈服强度 (MPa) 拉伸强度 (MPa) 伸长率 (％) 弯曲 加工 焊接 性 耐候 性 表面 状态 备注发明例 1 1 1220 900 530 740 830 22 ○ ○ ○ ○ 2 2 1220 910 520 746 857 22 ○ ○ ○ ○ 3 3 1220 870 550 708 805 23 ○ ○ ○ ○ 4 4 1250 920 620 878 1009 20 ○ ○ ○ ○ 5 5 1250 900 590 876 1007 20 ○ ○ ○ ○ 6 6 1230 900 520 712 814 23 ○ ○ ○ ○比较例 7 7 1230 890 510 707 813 23 ○ ○ × ○Ni少 8 8 1250 880 630 711 818 19 × × ○ ○P量多 9 9 1210 910 550 776 892 21 ○ ○ ○ ×Si量多 10 10 1210 910 600 834 959 20 ○ ○ ○ ×Cu量多 11 11 1230 900 530 537 618 18 × × ○ ○C，Mn多量 12 12 1260 900 520 771 886 21 × ○ ○ ○S量多 13 2 1150 900 530 680 755 24 ○ ○ ○ ○加热温度低 14 2 1220 980 520 692 807 23 ○ ○ ○ ×轧制温度高 15 2 1230 820 590 672 805 19 × ○ ○ ○轧制温度低 16 2 1220 930 680 690 782 21 ○ ○ ○ ○卷绕温度高 17 2 1240 920 450 802 890 17 × ○ ○ ○卷绕温度低发明例 18 2 1210 870 530 752 862 23 ○ ○ ○ ○通过利用带坯加热装置，伸长率不均匀性减小到3.8％。 19 3 1220 920 560 705 810 21 ○ ○ ○ ○通过高压除鳞格外提高了表面状态。热轧连续化使材料成材率提高到97％。 20 5 1210 920 600 877 982 20 ○ ○ ○ ○通过带坯加热装置和轧制连续化的同时利用，伸长度不均匀性降低到3.8％、材料成材率提高到98％。
弯曲加工：90°弯曲冲压后弯曲部分有无裂纹的判定。弯曲半径(R)＝3mm；有裂纹的场合以“×”表示；无裂纹的场合以“○”表示。
焊接性 ：电弧焊后的焊接部位有裂纹的场合以“×”表示；无裂纹的场合以“○”表示。
耐候性 ：以以往的490MPa级科尔坦耐候性钢为基准，腐蚀减量比其多的场合以“×”表示；比其少的场合以“○”表示。
(注) ：其下面标有横线的部分表示本发明范围外的条件。
根据本发明制造的钢材，具有高强度、同时具备弯曲加工性以及耐候性。通过使用该钢材能够谋求集装箱等要求耐候性的钢材的轻量化，并且由于具备耐候性，因此寿命长。所以，能够获得由于轻量化对环保有利、以及长寿命带来的经济效果。