1270 鉄 と 鋼　 第68年　 (1982)　 第9 号

技術報告C　 1982　 ISIJ

水焼入方式連続焼鈍法による超高張力冷延鋼板の製造

栗 原　 孝 雄*・ 逢 坂　 忍*2・ 岩 瀬　 耕二*2・ 大 沢　 紘 一*3

Manufacturing Technology and Properties of Ultra High Strength

Cold Rolled Strip Produced by Water Quenching Method

Takao KURIHARA, Shinobu OSAKA, Koji IWASE, and Koichi OSAWA

Synopsis: A new technique to manufacture cold rolled ultra high strength steel sheets through the continuous

annealing line with a water quenching device has been developed. Full martensite and ferrite plus martensite dual phase steels with 80 to 150 kgf/mm2 in tensile

strength can be easily obtained by water quenching after annealing in the austenite and ferrite plus austenite regions, respectively.

These products having good formability and weldability are used successfully for automobile parts to improve the safety of the passengers in case of an accident and to reduce the weight of the auto-mobiles.

Furthermore, these products are being utilized in the industry of construction, and are expected to be used for machinery, electric appliances, containers, and others.

1.　 ま え が き

水焼 入方式連続焼鈍法 に よる冷延鋼 板製造技 術は昭和

40年 代前半にその技術が 確立 され,昭 和46年 にはぶ

りき用連続焼鈍 ライ ンに 本技術に よる 設備が 組み込 ま

れ,実 用化 された.更 に昭和51年 には冷延 鋼板専用の

連続焼鈍設備が建設 され,量 産体制が確立 された1).　こ

の技術は加熱 均熱後 の急冷方法 と して水焼入方式 を採

用 して いるた め,下 記 の ように多 くの種類 の冷延鋼板を

製造 できる.

(1)　 絞 り加工用冷延鋼 板2).

(2)　 高張力冷延 鋼板3).

(3)　 超高張力冷延鋼板1).

(4)　 その他 ホー ロー用鋼板,電 気鋼板等.

今回は,こ れ らの製 品の うち,最 も特長 のある超 高張

力冷延鋼 板につ き,製 造法,製 品特 性,用 途等について

報告す る.こ の製造法は,連 続焼鈍設備において高温か

らの水焼入れに よるマル テ ンサ イ ト変態を利用 して,　引

張強 さ　80～150kgf/mm2　 の超高張力冷延鋼板を得 るこ

とを特徴 と してい る.

2.　 強 化 機 構

2・1　超高張力冷延鋼板の各種製造法

超 高張 力冷延鋼 板　(引張強 さ　80kgf/mm2　 以上)　を通

常 のバ ッチ焼鈍炉で製造する ことは,種 々の困難があ り

一般的には行われていない.一 方,近 年開発 された冷延

鋼板用連続焼鈍炉は急速冷却装置を内蔵 してい ることか

ら,特 に超 高張 力冷延鋼板製造に適 してお り,現 在,　実

用化 されている 超 高張力冷延鋼板 は この設備を 用いて

製造 されている ものが ほ とんどであ る.そ の 代 表例を

Table1　 に示す.

大別す ると,　オ ーステナ イ ト処理後 の急速冷却に よる

マルテ ンサ イ ト組織　(M)　な どに より強化す る変態組織

強化 タイプ,　Ti　または　Nb　等を添 加 し,再 結晶の開始

温度 と完 了温度 の 差が大 きい ことを 利用 した 回復焼鈍

タイプ 及 び前二者を併用 した 回復焼鈍+変 態組織強化

タイプの3種 類 である.変 態組織強化 タイプは冷却方法

に よ り,主 に水焼 入れ法 とガスジ ェット冷却法に分類 さ

れ る.前 者は冷却速度が非常に高 く　(約　2000℃/s),　 マ

ルテ ンサイ ト組織が容易に得 られ るため,Mn等 の合金

元 素の少 ない鋼が用 い られ る.後 者は冷却速度が比較的

低い　(約15℃/s)　 ので合金元素の多い鋼が 用い られて

い る.　また,変 態組織強化 タイプは,オ ーステナイ ト相

(γ)　か ら 焼入れ られたマルテ ンサ イ ト単相組織 とフェ

ライ ト+オ ーステナ イ ト相　(α+γ)　か ら焼入れ られた フ

ェライ ト+マ ルテ ンサ イ ト　(F+M)　 の複合組織 となつ

た ものに分類 され る.

得 られ る機械的性質 の特徴 の内,降 伏 比は複合組織に

昭 和　 56　 年　 10　 月16　 日 受付　 (Receivcd　 Oct.　 16,　 1981)

*日本 鋼 管(株)本 社　(Nippcn　 Kokan　 K.　 K.,　 1-1-2　 Marunouchi　 Chiyoda-ku　 100)

*2日 本 鋼 管(株)福 山 製 鉄 所　 (Fukuyama　 Works,　 Nippon　 Kokan　 K.　 K.)

*3 日 本 鋼 管(株)技 術 研 究 所　 (Technical　 Research　 Center,　 Nippon　 Kokan　 K.　 K.)

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水焼入方式連続焼鈍 法に よる超高張力冷延 鋼板の製造1271

なつた変態組織強化 タイプが最 も低 く,次 いで単相 の変

態組織強化 タイプであ り,回 復焼鈍 タイプが最 も高い.

引張強 さ一伸びバ ラ ンスは 複合組織 が マルテ ンサ イ ト単

相及び回復焼鈍 タイプよ り優れている。

2・2　水焼 入方 式超高張力冷延鋼板 の冶金 的現象

マルテ ンサ イ ト変態 を起 こし十分な強度を得るための

条件は,鋼 を　(α+γ)　相 または γ相 まで加 熱 した後,高

い冷却速度で マルテンサ イ ト変態開始点(Ms)を 通 過 さ

せ ることである.合 金元素の少ない低炭素鋼を マルテ ン

サ イ ト変態 させ るためには,冷 却速度を非常に高 く採 ら

なけれぼ らなない.　Fig.1に 低炭素鋼の場合のCCT　 カ

ーブを模式的に示す.　この図は　Mn　が約　1.5wt%　 以下

の場合 の　CCT　 曲線であ り,　2000℃/s程 度 の高い冷却

速度ではマルテ ンサ イ ト変態が起 きるが,　 15℃/s程 度

の低 い冷却速度ではパーライ ト(P)変 態を起 こし,マ

ルテ ンサイ ト組織は生 じない。 この程度の低い冷却速度

でマルテ ンサ イ ト変態を起 こさせ るためには,Mn等 の

焼入性を高める元素を多量に添加す る必要があ る.

超高張力冷延鋼板 の引張強 さ及び組織にお よぼす冷却

速度 の影響を,　C=0.17wt%,　 Mn=1.50wt%　 の鋼 と

C=0.14wt%,　 Mn=0.75wt%　 の鋼 について調べた結

果を　Fig.2　 に示す.　ベ イナ イ ト組織(B)及 びマルテ

ンサ イ ト組織が出始め ると引張強 さは急激に上 昇 し,マ

ルテ ンサ イ ト単相にな ると強度の上昇は停止す る.し か

し,ベ イナイ ト組織が 残 ると 製品 の強度一延 性バ ランス

はFig.3に 示す よ うに悪 くな るため,一 般には,フ ェラ

イ ト+マ ルテ ンサ イ トの複合組織にす るか,　マルテ ンサ

イ ト単相 にす るのが 良い.

マルテ ンサイ ト単相組織 に した場合 の　Cwt%　 と強度

の関係については,　LESLIE　等の多 くの研究 があ り,　MC-

FARLAND　 は これ らを整理 して　Cwt%　 が大 き くなるに従

Table 1. Examples of various types of ultra-high strength steels.

Fig. 1. Schematic C. C. T. curve of low carbon steel.

Fig. 2. Effect of cooling rate on tensile strength.

Fig. 3. Effect of microstructure on the strength-

elongation balance.

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1272 鉄 と 鋼　 第68年　 (1982)　 第9　号

い引張 り強 さは直線的に上 昇す る としている4).こ こで

は,成 分 とマルテ ンサ イ ト体積 率 の関係　 (Fig.4)　 及

び,マ ルテ ンサイ ト体積 率 と引張強 さの関係　(Fig.5)

について示す.こ れ らの結果か ら830℃ に加熱 均熱

した後,水 焼 入れ した場 合,マ ルテ ンサイ ト体積 率は次

の炭素 当量式 で整理 され る.

(1)

Ceq　の増 大 に よりマルテ ンサイ ト量 は 直線的 に 増加

し,　Ceq〓0.35で マル テ ンサ イ トが100%に 達す る.　マ

ルテ ンサ イ ト体積率が大 き くなるに従 い,引 張強 さも上

昇す る.　降伏比 もまた マルテ ンサイ ト体積率が大 き くな

るにつれ 上昇 し,一マルテ ンサ イ ト体積率が　100%　 に な

ると,　降伏比が80%程 度に なる.

一般的 に,こ こ で 論 じて いる ような 低炭素鋼　(C≦

0.20wt%)　 を焼入れた場合 は,マ ル テ ンサ イ ト変態開始

温度が高いため,焼 入れ時に 自己焼 もどしされ るか ら,

高炭素鋼を焼入れた場合に必要 とす る焼 もどしは必要 と

しない とされてい る.し か し 著者 らは 焼 もどし 温度を

2000℃　まで上げて も強度 の低下はほ とん ど無 く,焼 もど

し温度が上が るにつれて曲げ特性が良 くな ることを経験

してい る.こ の よ うに200℃ 以下 の軽い焼 もどしをす

る と曲げ特性学が 向上す るのは,フ ェライ ト組織の硬 さは

変化 しないで,マ ルテ ンサ イ ト組織 の 硬度 がやや下が

り,マ ルテ ンサ イ ト自体の変形能が 向上す るため と考え

られ る.

3.　 製 造 プ ロ セ ス と設備

製鋼か ら 製品 までの 製造 プ ロセスは 次の とお りであ

る.

製鋼→連続鋳造→熱間圧延→酸洗→冷間圧延→連続焼鈍

水焼入方式の超高張力冷延鋼板 では　C,　Mn　 などの所

要量が少 な くてすみ,　Ti,　Nb等 の高価な合金元素 も不

必要であ るか ら,製 鋼 での作業条件,例 えば鋳造条件な

どが厳 し くない.ま た これ ら合金元素に起因す る表面欠

陥及び内質欠陥 も少ない.鋳 造は,　C等 の偏析を なるべ

く少な くす るために連続鋳造で行 うのが有利 である.

水焼入法に よる超高張 力鋼板では,他 の方法 によるも

の と比較 して,上 記 のご とく所要合金元素が少ないので

熱間圧延 お よび冷 間圧延工程 におけ る圧延 荷重が少な く

てすむ.こ れは 生産能率 向上及び 省エ ネルギーに 寄与

し,さ らには製造可能寸法範囲を拡大する ことも可能で

ある.

連続焼 鈍炉 に設置 された水焼入装置では高速冷却を可

能にす るため,ま た焼入れ後 の 製品の 良、好 な 形状 と表

面性状を 保 つため 水 中 スプ レーを 行 う構造 となつてい

る1).

連続焼鈍 ではオーステナイ ト化 と焼入れが主 な処理 と

なる.オ ーステナイ ト化処理では,化 学成分及び要求定

る強度 レベルに従 い,必 要 とす る第二相体積率を得る よ

うに温度 と時 間を選ぶ.均 熱時間はオーステナイ ト化 の

ため通常30s以 上必要 とす る.こ の後,焼 入れに より

マルテ ンサ イ ト変態を起 こす.焼 もどしは特に必要 とし

ないが,前 述 した ように,強 度が落ちない範囲　(200℃

以下)で 軽 く処理す ることに よ り製品の曲げ特性が改善

され る。

4.　製品の品質特性

4・1　製造例

水焼入連続焼鈍法で製造 した代 表的 な超高張力冷延鋼

板 の化学成分 と機械的性質を　Table2　 に,組 織写真を

Photo.1　 に示す.　引張強 さ80及 び100kgf/mm2　 グ レ

ー ドは フ ェライ ト+マ ルテ ンサイ トの複合組織であ り,

引張強 さ　140kgf/mm2　 グ レー ドは マルテンサ イ ト単相

組織 の例を示す.　いずれ も良好 な延性及び曲げ特性 を示

し,ま た機械的性質 の異方性 もほとんどない.

Fig.6　 に引張強 さ　100kgf/mm2　 グ レー ドのス トリッ

Fig. 4. Relationship between composition and

volume fraction of martensite.

Fig. 5. Relationship between volume fraction of

martensite and tensile strength.

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水焼入方式連続焼鈍 法に よる超高張 力冷延 鋼板の製造1273

プ幅方向の強度変化例を示す.幅 方 向の引張強 さの変化

は少な く,ス トリップエ ッヂ まで均一 な性 質を示 してい

る.ま た,ス トリップ長手方向の機械 的性 質 も,幅 方向

と同様に均一性が良い.こ の よ うにス トリップ幅方向,

長手方 向共に機械的性質が均一であ るのは,連 続鋳造鋼

を使用 してい るため化学成分が均一であ ることと,連 続

焼鈍 での加熱均熱時 のス トリップ温度の均一性及び冷却

速 度の均 一性が保たれ てい ることに起因す る.

Table 2. Typical compositions and mechanical properties of ultra-high strength steels.

Photo. 1. Typical microstructures of ultra high strength steels.

Fig. 6. Uniformity of tensile strength across 914 mm

wide strip.

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12号4 鉄 と 鋼　 第68年　 (1982)　 第9 号

4・2　焼 もど し特性

超 高張 力冷延鋼板 に塗装焼付処理等 の加熱処理を行つ

た場合 の焼 もどし特性を示 した のが　Fig.号 であ る.　複

合組織 の　100kgf/mm2　 グレー ド及び マルテ ンサ イ ト単

相 の　140kgf/mm2　 グ レー ドについて,　100℃　か ら700

℃ まで の各温度 に加熱 し,　1min　 あ るいは　20min　 保

定 の後空冷 した場合 の引張強 さ変化を示す.　1min　処 理

と20min処 理の間に大 きな差はな く,　200℃　 以 下では

強度 の低下はほ とん どない.　200℃ を超え ると,温 度 の

上昇 と共に強度が低下す る.

塗装後 の焼付処理は一般に170゜ ～1900℃ ×20min　 程

度であ るので,超 高張力冷延鋼 板の引張強 さが 塗装焼付

に よ り低下す る必配はない.

4・3　スポ ッ ト溶接特 性

この超高張 力冷延鋼 板は変態組織強化 を利用 してい る

ためスポ ッ ト溶接 に 有害 な　C,　P　等を 比較的低 くす る

ことが 可能である.　 Fig.8　 に引張強 さ　100kgf/mm2

グレー ドの超 高張 力冷延鋼板 のスポ ッ ト溶接電流 と溶接

部強度(引 張せ ん断強 さ,十 字 引張強 さ)の 例を示す.

ち り発生 限界電流は 板厚　1mm　 の 場 合 約　8kA　 で,

引張強 さ　60kgf/mm2　 グ レー ドのものと ほぼ 同等であ

る.　ち り発生直前 の 適正電流 の 場合引張せん 断強 さは

約1400kgf/ス ポ ッ トであ るが,十 字引張強 さは約　500

kgf/ス ポ ッ トで,あ ま り大 き くない.こ の傾 向は一般の

高張力冷延鋼板 の傾 向と同 じで,一 般的に引張せん断強

さは母材 の引張強 さの上昇 と共に上昇す るが,十 字引張

強 さは母材破断で も母材の引張強 さに関係な くほぼ一定

で あ る傾 向 と一 致す る5).

4・4　 疲 労 特 性

Fig.9　 に 片 振 引 張 荷 重 下 に お け る 母 材 の　S-N　 線 図

を 示す.　 疲 労 限 と 考 え られ る107回 に お け る 疲 労強 度

は 引張 強 さ　 140kgf/mm2　 グ レー ドの 場 合約　 55kgf/

mm2,　 100kgf/mm2　 グ レー ドの場 合 で 約　50kgf/mm2　 で

あ る.

Fig.10　 に ス ポ ッ ト溶 接 継 手 の 引 張 せ ん 断疲 労 強 度

に つ いて のS-N線 図 を示 す.板 厚0.8mm,　 引張 強 さ

140kgf/mm2　 グ レー ドの 場 合い,　107回 の 疲労 限は,　 約

100kgf/ス ポ ッ トで あ る.　 図 に は,通 常 の ア ル ミキル ド

Fig. 7. Effect of tempering condition on tensile

strength.

Fig. 8. Spot weldability of ultra high strength steel.

Fig. 9. S-N diagram of ultra high strength steel (Axial tension).

Fig. 10. SN- diagram of spot welded joint (tensile shear).

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水焼入方式連続焼鈍法に よる超高張力冷延鋼板の製造 1275

鋼,　40kgf/mm2　 グ レー ドの燐 強 化 バ ッチ 焼 鈍 型 お よび

アル ミキ ル ド連 続 焼 鈍 型,　60kgf/mm2　 グ レー ドの　Si-

Mn　 系 連 続 焼 鈍 型 お よび 高Mn低 降 伏 比 型 の 合 計5　種

類 の材 料 に つ い て の試 験 結 果 を 斜線 の 領域 で示 して い る

が,　140kgf/mm2　 グ レー ドの鋼 材 に つ い て も測 定 点 は こ

の 領域 の中 に分 布す る.

5.　 用 途

超 高 張 力冷 延 鋼 板 の用 途 は 現 在 の と ころ 自動 車用 が 中

心 で 車 体重 量 の軽 量 化,お よび 衝 突 時 の安 全 化 に役 立 つ

て い る.　下記 に主 な用 途 を示 す.

(1)　 ドア ー ・イ ンパ ク ト ・ビー ム

米 国 の自 動 車安 全 基 準　(MVSS)　 で は車 体 側 面か らの

衝 突 に対 す る エ ネ ル ギ ー吸 収 に つ い て所 定 の変 形 範囲 に

お け る平均 荷重 お よび 最 大 荷 重 を規 準化 して い る.そ の

た め ドア ー の 内部 に エ ネル ギ ー 吸 収 用 の イ ンパ ク ト ・

ビー ムを具 えつ け て い るの が 一般 的 で あ る.こ の場 合 吸

収 エ ネ ル ギ ーは,イ ンパ ク ト ・ビー ムの構 造,板 厚 お よ

び 引 張特 性 な どに よつ て 決 ま るが,軽 量 化 のた め 超 高 張

力 冷延 鋼 板 が 使 用 され る よ うに なつ た.例 え ば,引 張 強

さ　100kgf/mm2　 グ レーー ドの1.2mm　 の材 料 を 使 用 し

て,引 張 強 さ　60kgf/mm2　 グ レー ドの　1.6mm　 の 材 料

と同等 以 上 のエ ネル ギ ー吸 収 特 性 を 持 つ よ うデ ザ イ ン さ

れ 実用 化 され て い る例 が あ る9).　Photo.2　 に ドア ー イ ン

パ ク トビー ムに使 用 され て い る例 を 示 す.

(2)　 バ ンパ ー補 強 材

バ ンパ ー補強 材 につ いて もエ ネル ギ ー吸収 は 重 要 な要

求特性であ る.　これについて も引張強 さ　80kgf/mm2　 グ

レー ドの超高張力冷延鋼板が使用 され るよ うになつた.

(3)　 そ の他の用途

自動車用部品 として,　吊手金具,　グ リル ・ヒンヂ,　ホ

ース ・グ リップをは じめ,多 くの 用途が 今後期待 でき

る.

自動車以外について も,建 設用材料,シ ョベル等の農

機具,コ ンテナ ー等適用範囲が広い.　大径パ イプの補強

用 として巻 き付けて使用 する試 み もあ る.

6.　 ま と め

以上 述べた ように水焼 入方式 連続焼鈍法 に よつて製造

した超 高張 力冷延鋼 板はマルテ ンサイ ト変態 を利用 して

いるため,引 張強 さ　80～150kgf/mm2　 の高強度 を経済

的にかつ容 易に得 るこ とが できる.引 張強 さに比較 して

伸 びが 高いため加工性が 良好 で,ま た,鋼 中の炭素や燐

を低 く抑 えるこ とが できるのでスポ ッ ト溶接特性 も良好

である.こ の ような特性を生か して自動車用をは じめ建

設産業 に広 く使用 されてお り,更 に機械,梱 包資材,　容

器,電 気機械,エ ネルギー,航 空産業,日 用品等応用分

野 の拡大が期待で きる.

文 献

1) S. OSAKA, N. TANAKA, K. MATSUDO, Y. FUKUOKA, and H. ISHIOKA: Iron Steel Eng., 57 (1980) 11, p. 67

2) H. KUBOTERA, K. NAKAOKA, K. ARAKI, K. WATANABE, A. NISHIMOTO, and K. IWASE: Trans. ISIJ, 12 (1977), p. 663

3) K. ARAKI, S. FUKUNAKA, and K. UCHIDA: Trans. ISIJ, 17, (1977), p. 701

4) W. H. MCFARLAND: Yearbook Amer. Iron Steel Inst. (1968), p. 187

5)　 日本鋼 管技 術 資料:　 自動 車 用 高 張 力 鋼 板　(1981)

6)　 済 木 捷 郎,　嶋 田泰 雄,　永 井 秋 男,　岡本 篤樹,　長 尾

典 昭:　鉄 と鋼,　66　(1980),　 S　957

7) P. B. LAKE and J. J. GRENAWALF: SAE paper 770163 (1977)

8)　 権 藤　 永,　武 智　 弘,　河 野　 彪,　小 山 一 夫:　鉄 と

鋼,　62　(1976),　 S591

9) H. NOUSHO, Y. SASAKURA, T. MIYAMOTO, and H. SAKURAI: SAE paper 810031 (1981)

Photo. 2. Impact beam for automotive door.

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