JP2006291236A - 打抜き性に優れた中・高炭素高強度鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】 高強度で打抜き性に優れ、各種機械構造用部品に適した中・高炭素高強度鋼板を提供する。
【解決手段】 この中・高炭素高強度鋼板は、平均粒径：２.０μｍ以下のフェライト結晶粒からなるマトリックスに平均粒径：０.３０μｍ以下の炭化物が分散した金属組織をもち、Ｃ含有量が０.３０〜１.００質量％の範囲にあり、硬さ：２５０ＨＶ以上に調質されている。具体的にはＣ：０.３０〜１.００質量％の他に、Ｓｉ：２.０質量％以下，Ｍｎ：１.０質量％以下，Ｐ：０.０３質量％以下，Ｓ：０.０２質量％以下，酸可溶Ａｌ：０.１質量％以下を含み、残部が実質的にＦｅの組成をもち、Ｃｒ：２.０質量％以下，Ｍｏ：０.５質量％以下，Ｃｕ：０.３質量％以下，Ｎｉ：２.０質量％以下，Ｔｉ：０.１０質量％以下の１種又は２種以上を含むこともできる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、各種機械構造用部品等に使用される打抜き性に優れた中・高炭素高強度鋼板に関する。

チェーンプレート，クラッチディスク等の自動車部品を始め、各種機械構造用部品の多くは、鋼板を打ち抜き、或いは更に曲げ加工で所定形状に成形することにより製造されている。成形加工された鋼材の硬さ，靭性等を確保するため、焼入れ・焼戻し等の熱処理を施す場合もあるが、寸法精度，なかでも板厚精度が重視される用途では打抜き時のダレやカエリを小さくするため冷延ままの鋼板を素材に使用している。また、部品の製造コストを低減するため、ユーザ側での熱処理を省略しても必要特性が確保される冷延ままの鋼板が検討されている。
たとえば、特開平9−316595号公報では、炭化物の大きさに拘らずフェライトの微細化のみでバリ高さ，型寿命等の打抜き性が改善されることが紹介されており、打抜き性，焼入れ性に優れた高炭素鋼板が提案されている。
特開平9−316595号公報

特開平9−316595号公報の開示は、焼入れ性に関与する因子として炭化物の粒径を把握しているに留まり、炭化物，フェライトの粒径が打抜き性に及ぼす影響が明らかでない。また、自動車用チェーンプレート，クラッチディスク等にみられるように熱処理工程を経ない機械構造用部品として使用される用途では、打抜き性に加えて高強度化も要求特性の一つであるが、必要強度を備えた鋼板がこれまでのところ実用化されていない。

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、炭化物，フェライトの双方を微細化することにより高強度化を図ると共に、打抜き性を改善した中・高炭素高強度鋼板を提供することを目的とする。

本発明の中・高炭素高強度鋼板は、その目的を達成するため、平均粒径：２.０μｍ以下のフェライト結晶粒からなるマトリックスに平均粒径：０.３０μｍ以下の炭化物が分散した金属組織をもち、Ｃ含有量が０.３０〜１.００質量％の範囲にあり、硬さ：２５０ＨＶ以上に調質されていることを特徴とする。

使用する鋼板は、具体的にはＣ：０.３０〜１.００質量％の他に、Ｓｉ：２.０質量％以下，Ｍｎ：１.０質量％以下，Ｐ：０.０３質量％以下，Ｓ：０.０２質量％以下，酸可溶Ａｌ：０.１質量％以下を含み、残部が実質的にＦｅの組成をもつ。更に、Ｃｒ：２.０質量％以下，Ｍｏ：０.５質量％以下，Ｃｕ：０.３質量％以下，Ｎｉ：２.０質量％以下，Ｔｉ：０.１０質量％以下の１種又は２種以上を含むこともできる。

発明の効果及び実施の形態

高強度で良好な打抜き性を付与する手段には、熱延後又は焼鈍後の冷間圧延，ベイナイト組織にする熱処理等が知られている。これに対し、本発明で使用する鋼板は、フェライトマトリックスに炭化物が分散した組織をもち、パーライト，ベイナイト等は含まれない。この鋼種について、熱延又は焼鈍後に冷間圧延条件，焼鈍条件を種々組み合わせて炭化物，フェライトの大きさを変化させ、炭化物，フェライトの粒径が強度，打抜き性に及ぼす影響を調査・検討した。その結果、平均フェライト粒径を２.０μｍ以下，平均炭化物粒径を０.３０μｍ以下にするとき、高強度化，打抜き性改善が両立することを見出した。

炭化物は、組織の微細化，鋼材の高強度化に重要な影響を与える。たとえば、パーライト組織をもつ鋼材を冷間圧延すると、冷間圧延で導入される歪みがフェライト内に堆積され、更には炭化物を分断する。このとき、フェライト／炭化物の界面に多くの歪みが蓄積され、後続する焼鈍工程で炭化物が再結晶の核として働く。この相変化を考慮すると、炭化物のある程度の分散がフェライト粒の微細化に有効であることが判る。冷間圧延で歪みが導入された鋼材に比較的低温で短時間の焼鈍を施すと、回復，再結晶の際に炭化物が粒成長を抑制するインヒビターとして働き、フェライトマトリックスが微細組織になる。

以下、本発明で規定した各種条件を個別に説明する。
平均フェライト粒径：２.０μｍ以下
平均炭化物粒径：０.３０μｍ以下
炭化物は、冷間圧延時に導入される歪みによって分断され、微細化するほど打抜き時に剪断割れに至るミクロボイドがフェライト／炭化物の界面に発生することが抑えられ、打抜き性が向上する。このような効果は、平均炭化物粒径：０.３０μｍ以下でみられ、後述の実施例でも支持される。熱延後又は４５０〜５５０℃×１０〜４０時間の焼鈍後に３０〜８０％で冷間圧延し、４２０〜５５０℃×１０〜４０時間の仕上げ焼鈍を組み合わせることにより、平均粒径：０.３０μｍ以下の炭化物が得られる。
炭化物の微細化に伴いフェライト粒も微細化し、鋼材の強度が上昇すると共に、打抜き時のダレが軽減される。しかも、フェライト粒の微細化に応じて剪断応力の分散が促進され、剪断割れが抑制される。このような効果は、平均フェライト粒径：２.０μｍ以下でみられる。

硬さ：２５０ＨＶ以上
高強度が要求されるチェーンプレート，クラッチディスク等の自動車用部品には焼入れ・焼戻しを施した熱処理材や冷延ままの素材が使用されているが、駆動系部品に要求される剛性を確保する上で２５０ＨＶ以上の硬さが必要である。硬さ：２５０ＨＶ以上は、鋼成分，冷間圧延，焼鈍等の製造条件でフェライト粒径，炭化物粒径を制御することにより達成される。

Ｃ：０.３０〜１.００質量％
基本的な合金成分であり、炭化物の微細分散によって鋼材を高強度化すると共に、フェライト粒の成長を抑制する析出物として働く。十分な分散強化やフェライト粒の微細化を得る上で０.３０質量％以上のＣ含有量が必要であるが、１.００質量％を超える過剰量のＣが含まれると熱延後の靭性が低下して製造性，取扱い性が悪くなる。過剰量のＣ含有は、冷間圧延を困難にし、焼鈍後の加工性を劣化させる原因にもなる。

Ｓｉ：２.０質量％以下
鋼材の強化に大きな影響を及ぼす成分であり、Ｓｉ添加による固溶強化作用でフェライトが硬化する。しかし、Ｓｉ含有量の増加に伴って製造過程で鋼板表面にスケール疵が発生しやすく、表面品質の低下を招くので、Ｓｉ含有量の上限を２.０質量％に規制した。
Ｍｎ：１.０質量％以下
強靭化に有効な合金成分であるが、多量添加は加工性を劣化させるので、上限を１.０質量％に規制した。
Ｐ：０.０３質量％以下
靭性に悪影響を及ぼす成分であり、０.０３質量％以下にＰ含有量を規制することによりＰ起因の靭性劣化を抑制した。

Ｓ：０.０２質量％以下
靭性を劣化させるＭｎＳ系介在物を形成する成分であるため、０.０２質量％以下にＳ含有量を規制して悪影響を抑制した。
酸可溶Ａｌ：０.１質量％以下
製鋼段階で脱酸剤として添加される成分であるが、０.１質量％を超える量のＡｌが含まれると鋼材の清浄度が低下し、表面疵が発生しやすくなる。

Ｃｒ：２.０質量％以下，Ｍｏ：０.５質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、共に鋼材の高強度化に有効である。しかし、過剰添加は鋼材の靭性を劣化させるので、それぞれの上限をＣｒ：２.０質量％，Ｍｏ：０.５質量％に規制した。
Ｃｕ：０.３質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、熱延中に生成する酸化スケールの剥離性を向上させ、表面性状の改善に寄与する。しかし、０.３質量％を超える過剰量のＣｕを添加すると、溶融金属脆化によって鋼板表面に微細なクラックが発生しやすくなる。Ｃｕを添加する場合、好ましくは０.１０〜０.１５質量％の範囲にＣｕ含有量が設定される。

Ｎｉ：２.０質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、焼入れ性の改善，低温脆性の防止に有効である。また、Ｃｕ起因の溶融金属脆化による悪影響を打ち消す作用を呈するので、特に０.２質量％以上のＣｕを添加した系ではＣｕ添加量と等量のＮｉを添加することが好ましい。しかし、過剰添加は靭性低下の原因となるので、Ｎｉ含有量の上限を２.０質量％に規制した。
Ｔｉ：０.１０質量％以下
製鋼段階で溶鋼の脱酸調整剤として添加される成分であり、鋼中Ｎと反応して窒化物を形成し、フェライト粒の微細化，析出強化によって鋼材を高強度化する作用も呈する。Ｔｉの添加効果は０.０１質量％以上でみられるが、０.１０質量％を超える過剰添加は経済的に不利になるばかりか、靭性劣化の原因にもなる。

Ｃ：０.７１質量％，Ｓｉ：０.２５質量％，Ｍｎ：０.６５質量％，Ｐ：０.０１６質量％，Ｓ：０.０１１質量％，酸可溶Ａｌ：０.０２２質量％を含む組成の熱延鋼板を酸洗後に圧下率８０％で冷間圧延し、４５０〜７００℃×１０〜４０時間の仕上げ焼鈍を施し、板厚１.０ｍｍの冷延焼鈍板を製造した。

得られた冷延焼鈍板の炭化物粒径，フェライト粒径を測定し、打抜き性を調査した。
粒径測定では、冷延焼鈍板から切り出された試験片を研磨した後、ナフタール腐食液で研磨面をエッチングし、炭化物の測定数を２００個以上，フェライト粒の測定数を１００個以上に取って炭化物，フェライト粒を画像処理することにより炭化物，フェライトの粒径を測定した。
打抜き試験では、ブランク：２０ｍｍ角の鋼板をクリアランス１４％で打ち抜き、打ち抜かれた鋼板の断面を観察してダレ、剪断割れの発生状況を調査した。調査結果から、ダレ高さが０.１ｍｍ以下を◎，０.１〜０.２ｍｍを△，０.２ｍｍ以上を×とし、剪断割れが全くないものを◎，僅かな剪断割れが発生したものを○，明瞭な剪断割れが発生したものを×として打抜き性を評価した（図１）。

表１の調査結果にみられるように、フェライト粒径の変化傾向は炭化物粒径とほぼ比例関係にあり、平均フェライト粒径：２.０μｍ以下，平均炭化物粒径：０.３０μｍ以下でダレ，剪断割れが共に少なく打抜き性に優れていることが確認された。剪断割れの少ない鋼材では、ダレ高さの減少も窺われる。

表２の組成をもつ鋼材を溶製し、熱延・酸洗後又は焼鈍を経て冷間圧延した後、冷延まま又は３５０〜７００℃×１０〜４０時間の焼鈍を施し、板厚１.０ｍｍの冷延焼鈍板を製造した。製造条件を表３に示す。

得られた冷延焼鈍板の金属組織を観察して実施例１と同様に炭化物，フェライトの粒径を測定すると共に打抜き性を調査した。
表４の調査結果にみられるように、Ｃ含有量が０.２３質量％と低い鋼Ａでは、フェライト粒が十分に微細化されておらず、硬さが不足していた（Ｎo.１）。逆にＣ含有量が１.２８質量％と高い鋼Ｇでは、２.０μｍ以下の平均フェライト粒径，０.３０μｍ以下の平均炭化物粒径で硬さも２５０ＨＶ以上であるが、明瞭な剪断割れが発生し打抜き性に劣っていた（Ｎo.２１）。

平均炭化物粒径＞０.３０μｍ，平均フェライト粒径＞２.０μｍのＮo.２，Ｎo.１４，Ｎo.１７は、成分的には同じ鋼種の本発明例に比較して軟質で打抜き性にも劣っていた。平均炭化物粒径≦０.３０μｍ，平均フェライト粒径≦２.０μｍのＮo.４は、打抜き性は良好であるものの硬さが不足していた。パーライト組織のまま冷間圧延したＮo.５は、炭化物粒径，フェライト粒径共に測定できず、剪断割れが発生した。Ｎo.６は平均炭化物粒径，硬さが本発明で規定した範囲を外れ、Ｎo.９は、平均フェライト粒径が本発明で規定した範囲を外れ、何れも剪断割れが発生した。Ｎo.１０は、フェライトの再結晶が完了していないためフェライト粒径を測定できず、硬さこそ高いものの明瞭な剪断割れが観察され、打抜き性に劣っていた。

これに対し、平均フェライト粒径，平均炭化物粒径，Ｃ含有量の何れもが本発明で規定した条件を満足する鋼板では、硬さが高く高強度化されており、打抜き性にも優れていた。この結果は、本発明の適用によって高強度で打抜き性の良好な中・高炭素高強度鋼板となることを示している。

以上に説明したように、Ｃ含有量，平均炭化物粒径，平均フェライト粒径を規制することにより、強度が高く打抜き性に優れた中・高炭素高強度鋼板が得られる。Ｃ含有量，平均炭化物粒径，平均フェライト粒径の規制が強度，打抜き性に及ぼす影響は、一般的な中・高炭素鋼板の鋼種に広く適用でき、何れの鋼種においても高強度化が図られる。この中・高炭素高強度鋼板は、ユーザ側での熱処理を必要とせず、高強度で打抜き性が要求される自動車用チェーンプレート，クラッチディスクを始めとして各種機械構造用部品に使用される。

打抜き試験で試験片断面に発生した剪断割れから打抜き性を評価する基準の説明図

Claims (3)

1. 平均粒径：２.０μｍ以下のフェライト結晶粒からなるマトリックスに平均粒径：０.３０μｍ以下の炭化物が分散した金属組織をもち、Ｃ含有量が０.３０〜１.００質量％の範囲にあり、硬さ：２５０ＨＶ以上に調質されていることを特徴とする打抜き性に優れた中・高炭素高強度鋼板。
2. Ｃ：０.３０〜１.００質量％の他に、Ｓｉ：２.０質量％以下，Ｍｎ：１.０質量％以下，Ｐ：０.０３質量％以下，Ｓ：０.０２質量％以下，酸可溶Ａｌ：０.１質量％以下を含み、残部が実質的にＦｅの組成をもつ請求項１記載の中・高炭素高強度鋼板。
3. 更にＣｒ：２.０質量％以下，Ｍｏ：０.５質量％以下，Ｃｕ：０.３質量％以下，Ｎｉ：２.０質量％以下，Ｔｉ：０.１０質量％以下の１種又は２種以上を含む請求項２記載の中・高炭素高強度鋼板。

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