JP2006274357A - プレス成形部材及びその製造方法並びに車両用フレーム - Google Patents

Abstract

【課題】靱性を向上させた窒化成形部材及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 化合物ではなく元素形態で存在しているチタニウムの重量パーセントが０．０５％以下の鋼板を準備し（Ｓ１０１）、鋼板を所定形状にプレス成形し（Ｓ１０２）、プレス成形後の鋼板に対して高温で窒化処理を加え（Ｓ１０３）、窒化処理を加えた鋼板を冷却する（Ｓ１０４）。このとき、マルテンサイトを析出させ、更に高強度化を図ることが望ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化処理されたプレス成形部材及びその製造方法並びに車両用フレームに関する。

従来から、軟鋼材に対し、プレス成形後、窒化処理を行なって高強度化を図る技術が知られている（特許文献１参照）。

特に近年では、車両のボディにハイテン化したプレス成形部材を多く採用する傾向にあるが、元々９８０ＭＰａ程度の強度（引っ張り強さ）を持つハイテン材料は、その強度故にプレス成形性が悪く、適用範囲に制約がある。そこで、２８０ＭＰａ程度の軟鋼材を成形後に窒化処理することによって、１０００ＭＰａ程度まで高強度化する技術が提案されている（特許文献２）。
特開平１１-２７９６８６号公報 特開２００２-０２０８５３号公報

しかしながら、従来の窒化材料においては、靱性（toughness）が低いという問題があった。

本願発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、靱性を向上させた窒化成形部材及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る方法は、化合物ではなく元素形態で存在しているチタニウムの重量パーセントが０．０５％以下の鋼板を準備する準備工程と、前記鋼板を所定形状にプレス成形する成形工程と、プレス成形後の鋼板に対し窒化処理を加える窒化工程と、窒化処理を加えた鋼板を冷却する冷却工程と、を含むことを特徴とする。

これにより、プレス成形部材の靱性を向上させ、割れを抑制することができる。

ここで、窒化工程は、６００℃〜７５０℃で行ない、鋼板に対して窒素を０．１％〜０．２％固溶し、炭素を０．００８％〜０．０２％固溶するまで窒化し、前記冷却工程は、窒化された鋼板を急冷してマルテンサイトを析出させることを特徴とする。

これにより、プレス成形部材の高強度化を図ることができ、プレス成形の容易化、高強度化の両立を実現できる。

前記冷却工程では、毎秒４．５℃以上の平均冷却速度で冷却した後、焼戻しを行なうことを特徴とする。

これにより、確実にマルテンサイトを析出させることができる。

窒化工程では、６５０℃〜７５０℃の窒化炉で所定量の窒素及び炭素が固溶するまで窒化したのち、５９２〜７００℃の拡散炉に移し、固溶した窒素及び炭素の拡散を図ることを特徴とする。

これにより、特に拡散処理に要する熱エネルギー量を抑制しつつ、熱処理にかかるサイクルタイムを有効に短縮できる。

冷却工程では、冷却後の焼戻しを１０分以上行なえば、焼き戻しの効果を十分に得ることができる。

窒化工程の後、冷却工程の前に、プレス成形部材に対して塗装を施す塗装工程を更に有し、冷却工程での焼戻しを、塗装乾燥炉内で行なうことにより、別途焼戻し用の熱源を設ける必要がなく、生産効率を向上させることができる。

化合物ではなく元素形態で存在しているチタニウムの重量パーセントが０．０５％以下の鋼板を成形されたプレス成形部材であって、窒化により窒素を０．１％〜０．２％固溶し、炭素を０．００８％〜０．０２％固溶しており、マルテンサイトが析出したプレス成形部材、及びこのプレス成形部材によって組み上げられた車両用フレームによれば、靱性が高いことにより衝突荷重が作用した場合であっても十分なエネルギー吸収効果が期待でき、かつ、引っ張り強度も十分であって、しかも、プレス成形がしやすいという効果を実現することができる。

以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（第１実施形態）
本出願人は、窒化処理を施したプレス成形部材の割れを改善するため、材料、プレス成形時の条件、組織、窒化処理の条件、そして、窒化処理後の処理など、様々な条件を見直し、繰り返し再評価した。

その結果、鋼板に含まれる有効チタニウム量の靱性に対する影響を突き止め、従来材に比べて、有効チタニウム量の少ない鋼板をを用いれば、大幅な靱性の改善効果があることを突き止めた。ここで、有効チタニウム量Ｔｉ＊とは、化合物ではなく元素形態で存在しているチタニウムの量であり、以下の式で示される。

Ｔｉ＊＝Ｔｉ−｛（Ｎ／１４）＋（Ｓ／３２）＋（Ｃ／１２）｝×４８
ここでＴｉ、Ｎ、Ｓ、Ｃは、それぞれ成分分析によって求められる重量パーセントである。つまり、Ｔｉは、化合物を含むチタニウムの重量パーセントであり、そこから、窒化チタニウム量、硫化チタニウム量、炭化チタニウム量を減算することにより、有効チタニウム量が得られる。

この有効チタニウム量が０．０５重量パーセント以下の鋼材を用いれば低温で高い靱性が得られることが分かった。例えば、窒化前の主要化学成分がＣ：０．００２、Ｎ：０．００２１、Ｓ：０．００３、Ｔｉ：０．０７５、有効Ｔｉ＊：０．０５５である、従来材を窒化した成形部材では、圧縮試験において、塑性変形後、０ｋＮ付近まで荷重が低下し、割れてぼろぼろになっており、靱性が低く、部材としてのエネルギー吸収能が低いことが見て取れる（図４の４０１参照）が、窒化前の主要化学成分がＣ：０．００２、Ｎ：０．００１７、Ｓ：０．００４、Ｔｉ：０．０３２、有効Ｔｉ＊：０．０１２である、低チタニウム材を窒化した成形部材では、圧縮試験において、塑性変形後、所定の荷重以下にはならず、割れずに変形しており、靱性が高く、部材としてのエネルギー吸収能が高いことが見て取れる（図４の４０２参照）。

一方、低チタニウム材を窒化した成形部材では、引っ張り強度や降伏応力が、従来の窒化部材よりも低下する場合があった。

そこで、本実施形態では、図１に示す各工程を経てマルテンサイトを析出させることによって、窒化成形部材の割れ改善及び高強度化の両立を図っている。

まず、ステップＳ１０１では、化合物ではなく元素形態で存在しているチタニウムの重量パーセントが０．０５％以下の鋼板を準備する。

次に、ステップＳ１０２では、鋼板を所定形状にプレス成形する。

そして、ステップＳ１０３では、プレス成形後の鋼板に対して高温で窒化処理を加える。具体的には、６００℃〜７５０℃の窒化炉で窒化処理を行ない、鋼板に対して窒素Ｎを０．１％〜０．２％固溶し、炭素Ｃを０．００８％〜０．０２％固溶するまで窒化する。ここで示した窒素量は、窒化処理及びその後の冷却処理で鋼板をオーステナイト相とするのに必要な固溶量である。下限は、図２に示す状態図でγ域になる範囲であり、上限は長時間窒化の実験結果から導かれた最大値である。

ただし、窒素が上記量固溶していても炭素の固溶量が少ない場合には、急冷してもマルテンサイトの析出量が少なく強度が大幅には向上しない。そこで、Ｃも、適量固溶されるような窒化条件として、変態しやすくする。炭素の固溶量の下限は、変態の駆動力を上げるのに必要と実験の結果導かれた量であり、上限は、窒素と同様に長時間窒化の実験結果から導かれた最大値である。

このような、高窒素化、高炭素化を図るため、窒化温度を高くし、窒化時間を長くし、かつ窒化ガス（または窒化液）中の窒素（または窒素化合物）の濃度を大きくする。

ステップＳ１０４では、窒化処理を加えた鋼板を冷却する。この時、窒化された鋼板がマルテンサイトが析出する程度に急冷する。具体的には、毎秒４．５℃以上の平均冷却速度で冷却する。

次に、ステップＳ１０５ではプレス成形部材を溶接などにより組み立てた後、塗装を行なう。

更に、ステップＳ１０６では、焼戻しを行なう。焼き戻しは、ラインの塗装乾燥炉において、塗装の乾燥と同時に行なわれ、１００℃〜２００℃の条件下で、約１０分以上かけて行なわれる。

以上のようなマルテンサイト生成により、低チタニウム材を単に窒化した場合に比べて、十分に引っ張り強度が向上する。即ち、プレス成形を容易に行なうことができ、高強度でかつ靱性の高いプレス成形部材を製造することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態では、６００℃〜７５０℃の窒化温度で、時間をかけて窒化することとしたが、本実施形態では、そのような窒化工程を、窒化炉中の窒化工程と、高温大気中の拡散工程とに分けて行なう。その他の工程については、上記従来技術と同様であるためここでは説明を省略する。

本実施形態では、プレス成形部材の窒化工程において、表面付近のみが窒化された後、鋼材内部へ窒化がじわじわと進む（拡散する）ことに着目し、拡散工程においては、窒化炉から成形部材を取り出すことによって、窒化炉の駆動効率を向上させる。

具体的には、図３に示すように、６５０℃〜７５０℃の窒化炉で所定量の窒素及び炭素が固溶するまで窒化したのち、５９２〜７００℃の拡散炉に移し、固溶した窒素及び炭素の拡散を図る。窒化炉を６５０℃〜７５０℃としたのは、高温にして確実にオーステナイト領域に入れ、マルテンサイトを析出させるためである。一方、温度を上げすぎると再結晶が起こり、強度特性に悪影響を及ぼすため、７５０℃程度を上限としている。

拡散炉を５９２〜７００℃としたのは、オーステナイト状態を保持するためである。表面窒化も内部拡散も温度が高いほど進みやすいため、拡散炉の温度を窒化炉の温度と同じにしてもいいが、生産性（エネルギーの節約）を考慮し、窒化後のプレス部材の保温に十分な温度とする。即ち、拡散炉よりも低温でよいが、オーステナイト状態を保持するため最低でも５９２℃を確保する必要がある。

なおここで、酸素含有雰囲気で拡散処理を行なえば、拡散中に、化合物層が減少し、更に鋼材の表面に酸化膜が形成されるため、耐食性が大きく向上する。

本発明の第１実施形態に係るプレス成形部材の製造方法を示すフローチャートである。 一般的な鋼材の状態図を示す図である。 第２実施形態に示す２段ヒートパターンについて示す図である。 チタン量による靱性の違いを説明する図である。

Claims (8)

1. 化合物ではなく元素形態で存在しているチタニウムの重量パーセントが０．０５％以下の鋼板を準備する準備工程と、
   前記鋼板を所定形状にプレス成形する成形工程と、
   プレス成形後の鋼板に対して窒化処理を加える窒化工程と、
   窒化処理を加えた鋼板を冷却する冷却工程と、
   を含むことを特徴とするプレス成形部材の製造方法。
2. 前記窒化工程は、６００℃〜７５０℃で行ない、鋼板に対して窒素を０．１％〜０．２％固溶し、炭素を０．００８％〜０．０２％固溶するまで窒化し、
   前記冷却工程は、窒化された鋼板を急冷してマルテンサイトを析出させることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形部材の製造方法。
3. 前記冷却工程では、毎秒４．５℃以上の平均冷却速度で冷却した後、焼戻しを行なうことを特徴とする請求項１に記載のプレス成形部材の製造方法。
4. 前記窒化工程では、６５０℃〜７５０℃の窒化炉で所定量の窒素及び炭素が固溶するまで窒化したのち、５９２〜７００℃の拡散炉に移し、固溶した窒素及び炭素の拡散を図ることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のプレス成形部材の製造方法。
5. 前記冷却工程では、冷却後の焼戻しを１０分以上行なうことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のプレス成形部材の製造方法。
6. 前記窒化工程の後、前記冷却工程の前に、プレス成形部材に対して塗装を施す塗装工程を更に有し、
   前記冷却工程での焼戻しを、塗装乾燥炉内で行なうことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のプレス成形部材の製造方法。
7. 化合物ではなく元素形態で存在しているチタニウムの重量パーセントが０．０５％以下の鋼板を成形されたプレス成形部材であって、
   窒化により窒素を０．１％〜０．２％固溶し、炭素を０．００８％〜０．０２％固溶しており、マルテンサイトが析出したことを特徴とするプレス成形部材。
8. 請求項７に記載のプレス成形部材によって組み上げられた車両用フレーム。