JP2002155339A - 深絞り性に優れた中・高炭素鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特殊な合金元素を添加することなく、一般的
な中・高炭素鋼種において、深絞り性に優れた中・高炭
素鋼板を提供する。 【構成】 Ｃ含有量が０．１０〜０．９０質量％の中・
高炭素鋼からなり、炭化物のフェライト粒界存在率（Ｆ
値）が３０％以上になるように、炭化物をフェライト中
に分散させた組織とした鋼板。合金元素として、Ｃｒ、
Ｍｏ、Ｃｕ，Ｎｉ、Ｔｉ、Ｂ等を含有させることもでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、焼入れ性を有し、簡単
な熱処理により高い硬度と耐摩耗性をも発揮する深絞り
性に優れた中・高炭素鋼板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼中のＣ含有量が概ね０．０１〜０．９
質量％のいわゆる中・高炭素鋼板は、焼入れ強化が可能
であるとともに、焼鈍状態ではある程度の加工性も有し
ているため、自動車部品をはじめ各種機械部品や軸受け
部品の材料として広く使用されている。部品の製造に当
たっては、一般的には打抜き加工や曲げ成形が実施さ
れ、さらには比較的軽度な絞り加工、伸びフランジ成形
が施されることもある。また、部品形状が複雑な場合
は、２ないし３の部品を溶接で接合して製造されること
もある。そしてこれらの加工部品は熱処理されて各種用
途の部品に仕上げられていく。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが近年、部品の
製造コストの低減を目指して、部品の一体成形や、部品
加工の工程簡略化が進められている。このためより加工
率の高い（塑性変形量の大きい）加工に耐えられる素材
が求められている。つまり、加工技術の高度化に伴い、
素材である中・高炭素鋼板自体にもより高い加工性が要
求されるようになってきた。特に昨今では、打抜き加
工、曲げ加工のみならず、深絞り成形で得られるような
複雑な形状の製品へ、中・高炭素鋼板を適用しようとい
う要望が増している。

【０００４】特公平４−５６０８８号公報には、絞り性
の良好な高炭素冷延鋼板の製造法が開示されている。こ
の製造法では、化学成分を特定範囲に規制した鋼に、冷
間圧延と焼鈍処理を施して鋼中のセメンタイトを黒鉛化
し、その後さらに冷間圧延と再結晶焼鈍を施している。
セメンタイトを黒鉛化した鋼板に冷間圧延と焼鈍を施す
ことにより、従来得られていなかった高いｒ値を持ち、
軟鋼板並みの深絞り性を有する高炭素鋼板が得られると
記載されている。しかし、この方法は黒鉛化させるため
に特定の元素の添加が必要であることに加えて製造工程
が長く、結果的にコスト高となる。

【０００５】特開平８−２４６０５１号公報には、特定
組成の熱延鋼板を焼鈍して鋼中の炭素の５０％以上を黒
鉛化させ、これに冷間圧延と焼鈍を施して成形性を改善
する中炭素鋼板の製造方法が開示されている。この方法
は特公平４−５６０８８号公報で開示されている方法に
比べれば、製造工程は簡略化されている。しかし、この
方法においても、黒鉛化させるために特定の元素の添加
を必要としている。また、特開平１１−６１２７２号公
報には、特定組成のベイナイト組織を持つ高炭素熱延鋼
板に焼鈍および冷延を施すことにより、フェライト＋セ
メンタイトを主体組織とする高炭素鋼のｒ値を向上させ
る方法が開示されている。この方法では、特定の元素の
添加が必要であることに加えて、熱延においてベーナイ
ト組織とするために低温での巻取りが必要であり、製造
性に劣る。いずれの場合も、特定の添加元素を必要とす
るため、これらの技術は、一般的な中・高炭素鋼種の製
造に広く適用できるものではない。

【０００６】本発明は、このような問題を解消すべく案
出されたものであり、特殊な元素を添加することなく、
一般的な中・高炭素鋼板においても発現可能な優れた深
絞り性を得ることを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の深絞り性に優れ
た中・高炭素鋼は、その目的を達成するため、Ｃ：０．
１０〜０．９０質量％含有する鋼板からなり、下記
（ａ）で定義される炭化物のフェライト粒界存在率（Ｆ
値）が３０％以上であるように、炭化物がフェライト中
に分散された組織としたものである。 （ａ）Ｆ値＝（Ｎ_GB／Ｎ_A）×１００ ただし、炭化物総数が３００個以上となる観察視野領域
とし Ｎ_GB＝観察視野内のフェライト粒界に存在する炭化物数 Ｎ_A＝観察視野内の全炭化物数

【０００８】また、上記鋼板において、（２２２）面と
（２００）面のＸ線面強度比を２以上にすると、深絞り
性はさらに向上する。そしてこのような鋼板としては、
Ｃ：０．１０〜０．９０質量％、Ｓｉ：１．０質量％以
下、Ｍｎ：２．０質量％以下、Ｃｒ：０〜１．６質量％
（無添加を含む）、Ｍｏ：０〜０．５質量％（無添加を
含む）、Ｃｕ：０〜０．３質量％（無添加を含む）、Ｎ
ｉ：０〜２．０質量％（無添加を含む）を含有し、Ｔ
ｉ：０〜０．０５質量％（無添加を含む）、Ｂ：０〜
０．００５０質量％（無添加を含む）、Ｐ：０．０３質
量％以下、Ｓ：０．０２質量％、Ｔ．Ａｌ：０．１質量
％以下で、残部が実質的にＦｅである鋼が好ましい。

【０００９】

【作用】本発明者等は、一般的な中・高炭素鋼種におけ
る鋼板の深絞り性を改善する手段について詳細に検討し
てきた。その結果、フェライト中に分散している炭化物
の存在位置が重要な因子であることを見出した。炭化物
はフェライト粒内またはフェライト粒界のいずれかに存
在している。深絞り性に及ぼす炭化物の存在位置の影響
は、十分には明らかになっていないが、少なくともフェ
ライト粒界に存在する炭化物の存在割合がある程度以上
である場合に、深絞り性が向上する。さらに、炭化物が
フェライト粒界にある程度以上の割合で存在した上で、
深絞り性に好ましい集合組織、すなわち（２２２）面と
（２００）面のＸ線面強度比を大きくした場合には、深
絞り性はより一層向上することを見出した。

【００１０】ここで、本発明鋼板の金属組織を特定する
事項について説明する。〔炭化物のフェライト粒界存在率〕 炭化物のフェライト
粒界存在率は、フェライト中に存在している炭化物の分
散状態を評価する指標である。炭化物の分散状態を立体
的に性格にとらえて規定することは難しく、また製品鋼
板の適否を判定する上でも煩雑である。これに対し、鋼
板断面の平面的な金属組織の観察は容易であるから、本
発明者等は、鋼板断面の金属組織の中で観察される炭化
物について、炭化物のフェライト粒界存在率を把握し、
鋼板の深絞り性に対する炭化物のフェライト粒界存在率
の影響を検討した。

【００１１】鋼板断面の金属組織観察において、観察視
野内のフェライト粒界に存在する炭化物数（Ｎ_GB）およ
び全炭化物数（Ｎ_A）を測定し、Ｆ値＝（Ｎ_GB／Ｎ_A）×
１００（％）で求められる値を炭化物のフェライト粒界
存在率とした。このＦ値が大きいほどフェライト粒界に
存在する炭化物が多く、１００％の場合、全ての炭化物
がフェライト粒界に存在することになる。ただし、数値
の信頼性を高めるために、観察視野は測定炭化物総数が
３００個以上となる領域とする。そして、種々の実験の
結果、Ｆ値が大きいほど高い深絞り性を示すことを見出
した。

【００１２】〔Ｘ線面強度比〕低炭素鋼において板面に
平行な｛１１１｝集合組織が発達した場合に深絞り性が
向上し、｛１００｝集合組織が発達した場合には深絞り
性が低下することが知られている。本発明者者等は、中
・高炭素鋼板の深絞り性に及ぼす集合組織の影響につい
ても同様の傾向があることを確認した．すなわち、中・
高炭素鋼板のｒ値はＸ線回折における（２２２）面およ
び（２００）面のＸ線面強度（Ｉ₂₂₂およびＩ₂₀₀）の比
（Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀）と比較的強い相関があり、このＩ₂₂₂
／Ｉ₂₀₀強度比が高い場合に、深絞り性がさらに向上す
ることを見出している。さらに詳細な種々の実験の結
果、前述の炭化物のフェライト存在率（Ｆ値）を３０％
以上としたもので、上記Ｘ線回折におけるＩ₂₂₂／Ｉ₂₀₀
強度比を大きく２以上にすると、深絞り性がより一層向
上することを見出した。そこで、Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比を
２以上にすることが好ましいとした。

【００１３】次に、本発明で使用される鋼の成分組成に
ついて説明する。Ｃ：０．１０〜０．９０質量％ Ｃは、炭素鋼においては最も基本になる合金元素であ
る。その含有量によって、焼入れ硬さおよび焼鈍状態で
の炭化物量が大きく変動する。Ｃ含有量が０．１０質量
％以下の鋼では、各種機械構造用部品に適用するうえで
十分な焼入れ硬さが得られない。一方、Ｃ含有量が０．
９０質量％を超えると、熱間圧延後の靭性が低下して鋼
帯の製造性・取扱い性が悪くなるとともに、焼鈍後にお
いても十分な延性が得られないため、加工度の高い部品
への適用が困難になる。したがって、本発明では適度な
焼入れ硬さと加工性を兼ね備えた素材鋼板を提供する観
点から、Ｃ含有量が０．１０〜０．９０質量％の範囲に
鋼を対象とした。

【００１４】Ｓｉ：１．０質量％以下 Ｓｉは、局部延性に対して影響の大きい元素の１つであ
る。Ｓｉを過剰に含有すると固溶強化作用によりフェラ
イトが硬化し、成形加工時に割れ発生の原因になる。ま
たＳｉ含有量が増加すると製造過程で鋼板表面にスケー
ル疵が発生し易く、表面品質の低下を招く。そこでＳｉ
含有量は１．０質量％以下とするが、加工性を特に重視
する用途では、０．１質量％以下とすることが望まし
い。Ｍｎ：２．０質量％以下 Ｍｎは、鋼板の焼入れ性を高め、強靭化にも有効な添加
元素である。焼入れ性向上のためにはある程度含有させ
ることが望ましいが、２．０質量％を超えて多量に含有
させるとフェライトが硬化し、加工性の劣化を招く。そ
こで、Ｍｎ含有量は２．０質量％以下にすることが望ま
しい。Ｐ：０．０３質量％以下 Ｐは、延性や靭性を劣化させるので、その含有量は０．
０３質量％以下にすることが望ましい。

【００１５】Ｓ：０．０２質量％以下 Ｓは、ＭｎＳ系介在物を形成する元素である。この介在
物な量が多くなると加工性が劣化するので、鋼中のＳ含
有量は極力低減することが望ましい。本発明で規定する
炭化物分散形態を実現させれば、Ｓ含有量を特別に低減
していない一般的な市販鋼に対しても深絞り性の向上は
得られる。しかし、Ｃ含有量が０．９０質量％近くまで
高くなった場合でも、高い加工性を安定して確保するた
めには、Ｓ含有量を０．０２質量％以下に低減した鋼を
用いることが望ましい。

【００１６】Ｔ．Ａｌ：０．１質量％以下 Ａｌは、溶鋼の脱酸剤として添加されるが、鋼中のＴ．
Ａｌが０．１質量％を超えると鋼の清浄度が損なわれて
鋼板に表面疵が発生し易くなる。そこで、Ｔ．Ａｌ含有
量は０．１質量％以下にすることが望ましい。また本発
明では、必要に応じてＣｒ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎｉ、Ｔｉ、
Ｂ等の元素を添加して、各種特性を改善することもでき
る。

【００１７】Ｃｒ：０〜１．６質量％ Ｃｒは、焼入れ性を改善するとともに焼戻し軟化抵抗を
大きくする元素である。しかし、１．６質量％を超える
多量のＣｒが含まれるとＡ₁点以下での長時間焼鈍やＡ
１点以上の加熱を利用した焼鈍を施しても軟質化しにく
く、焼入れ前のプレス成形性や加工性が劣化するように
なる。したがってＣｒを添加する場合は１．６質量％以
下の範囲とする。Ｍｏ：０〜０．３質量％ Ｍｏは、少量の添加でＣｒと同様に焼入れ性・焼戻し軟
化抵抗の改善に寄与する。しかし、０．３質量％を超え
る多量のＭｏが含まれるとＡ₁点以下での長時間焼鈍や
Ａ₁点以上の加熱を利用した焼鈍を施しても軟質化しに
くく、焼入れ前のプレス成形性や加工性が劣化するよう
になる。したがって、Ｍｏを添加する場合は０．３質量
％以下の範囲とする。

【００１８】Ｃｕ：０〜０．３質量％ Ｃｕは、熱間圧延中に生成する酸化スケールの剥離性を
向上させるので、鋼板の表面性状の改善に有効である。
しかし、０．３質量％以上含有させると溶融金属脆化に
より鋼板表面に微細なクラックが生じ易くなるので、Ｃ
ｕを含有させる場合は０．３質量％以下の範囲とする。
好ましい範囲は０．１０〜０．１５質量％である。Ｎｉ：０〜２．０質量％ Ｎｉは、焼入れ性を改善するとともに、低温脆性を防止
する合金成分である。また、ＮｉはＣｕ添加によって問
題となる溶融金属脆化の悪影響を打ち消す作用を有する
ので、特にＣｕを約０．２質量％以上添加する場合には
Ｃｕ添加量と同程度のＮｉを添加することが極めて有効
である。しかし、２．０質量％を超える多量のＮｉが含
まれるとＡ₁点以下での長時間焼鈍やＡ₁点以上の加熱を
利用した焼鈍を施しても軟質化しにくく、焼き入れ前の
プレス成形性や加工性が劣化するようになる。したがっ
て、Ｎｉを添加する場合は２．０質量％以下の範囲とす
る。

【００１９】Ｔｉ：０〜０．０５質量％ Ｔｉは、溶鋼の脱酸調整に添加される成分であるが、脱
窒作用をも呈する。また、鋼板に固溶しているＮを窒化
物として固定するので、焼入れ性を改善する有効Ｂ量を
高める。更に、炭窒化物を形成し、焼入れ時の結晶粒粗
大化を防止する作用を呈する。これらの作用を安定して
得るためには０．０１質量％以上のＴｉの添加が好まし
い。しかし、０．０５質量％を超える多量のＴｉが含ま
れると、経済的に不利になるばかりか、局部延性を劣化
させる原因ともなる。

【００２０】Ｂ：０〜０．００５０質量％ Ｂは、極く微量の添加で鋼材の焼入れ性を大幅に向上さ
せる。また、粒界の歪みエネルギーを低下させることに
よって粒界を強化する作用を呈する。また、添加するこ
とにより、焼入れ硬さが安定して得られる。このような
Ｂの効果を安定して得るためには、０．０００５質量％
以上のＢの添加が好ましい。しかし、０．００５０質量
％を超えるＢを添加しても、その効果が飽和し、逆に靭
性を劣化させる原因となる。

【００２１】

【発明の実施の態様】本発明で特定されるようなフェラ
イト中の炭化物分散状態の鋼板を得るための具体的な方
法の例について説明する。Ｃ：０．４２質量％、Ｓｉ：
０．２１質量％、Ｍｎ：０．６８質量％、Ｐ：０．０１
１質量％、Ｓ：０．００７質量％の鋼において、熱延巻
取り温度を５５０℃とした熱延鋼板に、以下の冷間圧延
や焼鈍を施した。

【００２２】条件ａ：『７００℃で５ｈ→７５０℃で５
ｈの保持→１５℃／ｈの冷却温度で冷却→７００℃で５
ｈの保持→炉冷』の焼鈍を施す。 条件ｂ：『６００℃で１０ｈの保持→炉冷』の焼鈍の
後、『圧下率５０％』の冷延を施し、さらに『７１０℃
で３０ｈの保持』の焼鈍を施す。 条件ｃ：『７００℃で１０ｈの保持→炉冷』の焼鈍の
後、『圧下率３０％』の冷延を施し、さらに『７００℃
で５ｈ→７５０℃で５ｈの保持→１５℃／ｈの冷却速度
で冷却→７００℃で５ｈの保持→炉冷』の焼鈍を施す。

【００２３】条件ａの焼鈍材は、炭化物のフェライト粒
界存在率（Ｆ値）が８２％で、Ｘ線回折におけるＩ₂₂₂
／Ｉ₂₀₀強度比が１．３であり、ｒ値は１．０５であっ
た。条件ｂの焼鈍材は、Ｆ値が４２％で、Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀
強度比が２．９であり、ｒ値は１．１２であった。ま
た、条件ｃの焼鈍材は、Ｆ値が９３％で、Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀
強度比が３．３であり、ｒ値は１．３３であった。以上
のように、条件ａ〜ｃのような方法により、Ｆ値を３０
％以上、さらにはＩ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比を２．０以上にし
た鋼板を得ることができる。

【００２４】

【実施例】表１に示す化学組成の鋼を溶製した。表中の
焼入れ硬さは、供試材をそのまま９００℃で５分間保持
した後、水焼入れした場合の硬さを示した。表１の内、
鋼種Ａは、Ｃ含有量が０．０７質量％と低いので、焼入
れ後の硬さが低く、機械部品として必要な硬度が得られ
ないものであった。鋼種Ａを除く鋼板について、熱延コ
イル巻取り温度を種々変化させた熱間圧延を行い熱延組
織を変化させた。得られた熱延鋼板は、酸洗後、種々の
条件で冷間圧延や焼鈍を施し、鋼板の炭化物のフェライ
ト粒界存在率、集合組織を変化させた。その後、引張り
試験に供し、ｒ値を測定した。

【００２５】

【００２６】走査電子顕微鏡により、鋼板断面の一定領
域内を観察し、画像処理装置（ニコレ社製、ＬＵＺＥＸ
ＩＩＩ Ｕ）を利用して、フェライト粒界に存在する
炭化物数（Ｎ_GB）および全炭化物数（Ｎ_A）を測定し
た。そして、Ｆ値＝（Ｎ_GB／Ｎ_A）×１００で求められ
る値を炭化物のフェライト粒界存在率とした。その際の
測定炭化物総数は３００〜１０００個の範囲であった。

【００２７】引張り試験は、Ｌ（圧延方向）、Ｄ（圧延
方向に対して４５度）およびＴ（圧延方向に対して９０
度）の３方向のＪＩＳ５号引張り試験片を作成し、平行
部の標点間距離５０ｍｍとして、板厚は１．０ｍｍで実
施した。引張り試験にあたっては、１５％の引張り伸び
を与え、その時の標点間内の板幅を測定し、次の式によ
りｒ値を算出した。 ｒ＝ｌｎ（ｗ_o／ｗ_x）／ｌｎ（Ｌ_xｗ_x／Ｌ_oｗ_o） ここで、ｗ_oおよびＬ_oは試験前の板幅および標点間距離
であり、ｗ_xおよびＬ_xは１５％引張り伸び付与後の板幅
および標点間距離を示している。

【００２８】各供試材の平均ｒ値は、次の式で計算し
た。 平均ｒ値＝（ｒ_L＋２ｒ_D＋ｒ_T）／４ なお、ｒ_xのｘは、圧延方向に対する試験片の切出し方
向を示す。例えば、ｒ_DはDの方向（圧延方向に対して４
５度）に採取した試験片により測定したｒ値である。集
合組織は、鋼板表面を研磨し、板厚の１／４位置の集合
組織をX線回折により各面の積分強度を測定し、（２２
２）面強度と（２００）面強度との比（I₂₂₂／I₂₀₀）を
算出した。これらの結果を、金属組織と併せて表２に示
す。

【００２９】

【００３０】表２において、比較例（Ｎｏ．２，５，
７，１８）の鋼板は、Ｆ値が３０％よりも小さいため、
平均ｒ値は０．８５以下と他のものよりも低い。Ｎｏ．
１１の鋼板は、Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比が２を超えている
が、Ｆ値が３０％よりも小さいため、平均ｒ値は０．８
４と低い。また、Ｎｏ．２０の鋼板は、Ｆ値が３０以上
で、Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比が２を超えているが、Ｃ含有量
が０．９７質量％と高いため、平均ｒ値は低くなってい
る。Ｆ値が本発明で規定する範囲内にある本発明例１
（Ｎｏ．１，３，８，１２，１７）およびＦ値が本発明
で規定する範囲内にあり、かつＩ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比が２
以上である本発明例２（Ｎｏ．４，６，９，１０，１
３，１４，１５，１６，１９）では、比較例と比べて平
均ｒ値が著しく向上しており、優れた深絞り性を示して
いる。

【００３１】図１は、表２の結果の成分が本発明で規定
する範囲にある鋼板（鋼種Ｂ〜Ｋ）について、Ｆ値と平
均ｒ値の関係をプロットしたものである。本発明で規定
した範囲に金属組織が厳密にコントロールされたもので
は、平均ｒ値（深絞り性）が著しく向上していることが
わかる。中でも、炭化物のフェライト粒界存在率が３０
％以上であることに加えて、Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比が２以
上の範囲にある本発明例２はさらに平均ｒ値が向上して
いる。

【００３２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明では、
「炭化物のフェライト粒界存在率」を適正な範囲に特定
することにより、中・高炭素鋼板に優れた深絞り性を付
与することができた。したがって、本発明に係る鋼板
は、従来の中・高炭素鋼板よりも深絞り性が著しく向上
しているので、部品形状が複雑な各種機械部品の素材と
して好適に用いられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明例と比較例の鋼板における炭化物のフ
ェライト粒界存在率（Ｆ値）と平均ｒ値の関係を表すグ
ラフ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ：０．１０〜０．９０質量％を含有す
   る鋼板からなり、下記（ａ）で定義される炭化物のフェ
   ライト粒界存在率（Ｆ値）が３０％以上であるように、
   炭化物がフェライト中に分散された組織を有することを
   特徴とする深絞り性に優れた中・高炭素鋼。 （ａ）Ｆ値＝（Ｎ_GB／Ｎ_A）×１００ ただし、炭化物総数が３００個以上となる観察視野領域
   とし Ｎ_GB＝観察視野内のフェライト粒界に存在する炭化物数 Ｎ_A＝観察視野内の全炭化物数
2. 【請求項２】 （２２２）面と（２００）面のＸ線面強
   度比が２以上である請求項１記載の深絞り性に優れた中
   ・高炭素鋼。
3. 【請求項３】 Ｃ：０．１０〜０．９０質量％、Ｓｉ：
   １．０質量％以下、Ｍｎ：２．０質量％以下、Ｃｒ：０
   〜１．６質量％（無添加を含む）、Ｍｏ：０〜０．５質
   量％（無添加を含む）、Ｃｕ：０〜０．３質量％（無添
   加を含む）、Ｎｉ：０〜２．０質量％（無添加を含む）
   を含有し、Ｔｉ：０〜０．０５質量％（無添加を含
   む）、Ｂ：０〜０．００５０質量％（無添加を含む）、
   Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０２質量％、Ｔ．Ａ
   ｌ：０．１質量％以下で、残部が実質的にＦｅからなる
   鋼である請求項１または２記載の深絞り性に優れた中・
   高炭素鋼。