JP2008163358A - 衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板 - Google Patents

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Abstract

【課題】 衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板を提供する。
【解決手段】 質量%にて、C:0.005〜0.05%、N:0.01〜0.30%、Si:0.1〜2%、Mn:0.1〜15%、Ni:0.5〜8%、Cu:0.1〜5%、Cr:11〜20%、Al:0.01〜0.5%、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、(A)式で与えられるMd30値が0〜100℃、動的引張試験における全衝撃吸収エネルギーが500MJ/m以上であることを特徴とする衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn
−13.7Cr−29(Ni+Cu) ・・・(A)
【選択図】 図1

Description

本発明は、主として強度や衝撃吸収性能が必要な構造用部材として使用されるステンレス鋼板に関するもので、特に自動車、バスのフロントサイドメンバー、ピラー、バンパーなどの衝撃吸収部材並びに足回り部材、鉄道車両の車体、自転車のリムなどの構造部材用鋼板に関わるものである。
近年、環境問題の観点から、自動車、二輪車、バス、鉄道車両などの輸送機器の燃費向上が必須課題になってきている。その解決手段の一つとして、車体の軽量化が積極的に推進されている。車体の軽量化は、部材を形成する素材の軽量化、具体的には素材板厚の薄手化に依るものが大きいが、素材板厚を薄くすると剛性や衝突安全性能が低下してしまう。衝突安全性向上の対策としては、部材を構成する材料の高強度化が有効であり、普通鋼高強度鋼板が自動車の衝撃吸収部材に適用されている。しかしながら、普通鋼は耐食性能が低いため、重塗装することが前提となっており、塗装しない、もしくは軽塗装部材には適用出来なかったり、重塗装によるコストアップが必須であった。また、普通鋼においては、固溶強化、析出強化、複相組織化、加工誘起変態など種々の方法で成されているが、いずれも高強度化に伴い延性が著しく低下する欠点がある。延性が低下すると、構造部材への加工が困難になり、構造の自由度が大きく低下することになる。一方、Crを含有するステンレス鋼は、普通鋼に比べて大幅に耐食性が優位であるため、錆代低減による軽量化、塗装省略化が期待される。また、オーステナイト系ステンレス鋼は、強度−延性バランスに優れており、化学成分の調整によって高強度−高延性が期待される。更に、衝突安全性向上に対しては、例えば車両の衝突を考えた場合、車両フレームに高い衝撃吸収能を有する材料を適用すれば、部材が圧壊変形することで衝撃を吸収し、車両内の人員に与える衝撃を緩和することが出来る。即ち、車体軽量化による燃費向上、塗装簡略化、安全性の向上などのメリットが大きくなる。
例えば鉄道車両の構造部材としては、耐食性に優れたSUS301LやSUS304などの延性が高く成型性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板が使用されている。下記特許文献1には、主として鉄道車両および一般車両の構造部材や補強材に使用することを目的として、高歪み速度での衝撃吸収能に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。これは、Niを6〜8%含有し、オーステナイト組織を有する素材において、変形時に加工誘起マルテンサイト相が生成することで高速変形において高強度化するものである。特許では動的引張変形時と静的引張変形時の変形強度、最大強度、加工硬化指数などが規定されている。しかしながら、高速で衝撃を受ける際に安全面で最も重要となる衝撃吸収エネルギーに関する点で不十分である他、動的変形強度と静的変形強度の差が高くてもが、静的変形強度が低い場合には、衝突性能に劣る場合がある。また、静動比として、最大動的強度と最大静的強度の比率を規定しているが、比較的低歪み域の強度、例えば耐力が衝突時の衝撃吸収特性に大きく影響するため、最大強度の比率では問題になる場合がある。更に、衝突時の大変形を受ける場合は、強度のみならず素材延性が寄与する場合があり、吸収エネルギー特性として破壊に至る様な大変形を考慮した設計が必要であった。即ち、特許文献1では、車両衝突時の安全性能すなわち衝撃吸収特性に関しては十分なものでは無かった。また、比較的Niを多量に含有するためコスト高となり、自動車、二輪車およびバスなどの一般輸送車両への適用は困難であった。
焼き入れにより高強度化するマルテンサイト系ステンレス鋼板(例えばSUS420)は、延性が著しく低く、溶接部靭性が著しく低い問題がある。自動車、バス、鉄道車両は溶接構造が多いため、溶接部靭性が低い場合、構造物としての信頼性が大きく低下してしまう。更に、フェライト系ステンレス鋼板(例えばSUS430)は、強度が低いために強度が要求される部材には不適であり、部材高速で変形する際の衝撃吸収エネルギーが低い問題から、衝突安全性能を向上させることは不可能である。
特開2002−20843号公報
上記の様に、ステンレス鋼板の成形性を確保しつつ、車両構造部材としての衝突安全性能を確保するための高速変形時の衝撃吸収エネルギーを向上させる技術は皆無であった。この様なことから、本発明は高強度でかつ高速変形時の衝撃吸収特性に優れたステンレス鋼板を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明者らは高速変形を受けた際の変形機構に関する金属組織的研究を実施した。そして、オーステナイト系ステンレス鋼の優れた加工性を確保しつつ高速変形時の衝撃吸収エネルギーを向上させる技術を見出した。具体的には、歪み速度103/secという超高速変形時の変形抵抗を上昇させるために加工誘起変態を積極的に活用して加工硬化能を増大させ、部材が衝突した際の強度と延性を飛躍的に向上させることで衝撃吸収エネルギーを増大させることである。これにより、車体衝突時の衝撃を吸収し、かつ車体崩壊を最小限にして乗員の安全性を格段に向上させるものである。
(1)質量%にて、C:0.005〜0.05%、N:0.01〜0.30%、Si:0.1〜2%、Mn:0.1〜15%、Ni:0.5〜8%、Cu:0.1〜5%、Cr:11〜20%、Al:0.01〜0.5%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、(A)式で与えられるMd30値が0〜100℃、動的引張試験における全衝撃吸収エネルギーが500MJ/m以上であることを特徴とする衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn
−13.7Cr−29(Ni+Cu) ・・・(A)
(2)耐力の静動比が1.4以上であることを特徴とする(1)記載の衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
(3)静的引張試験における引張強度が600MPa以上、破断伸びが40%以上であることを特徴とする(1)または(2)に記載の衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
(4)質量%にて、C:0.005〜0.05%、N:0.01〜0.30%、Si:0.1〜2%、Mn:0.1〜15%、Ni:0.5〜8%、Cu:0.1〜5%、Cr:11〜20%、Al:0.01〜0.5%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、(A)式で与えられるMd30値が0〜100℃、動的引張試験における10%歪みまでの衝撃吸収エネルギーが50MJ/m以上であることを特徴とする衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn
−13.7Cr−29(Ni+Cu) ・・・(A)
(5)耐力の静動比が1.4以上であることを特徴とする(4)に記載の衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
(6)静的引張試験における引張強度が600MPa以上、破断伸びが40%以上であることを特徴とする(4)または(5)に記載の衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
(7)静的引張試験における引張強度が700MPa以上、破断伸びが5%以上であることを特徴とする(4)または(5)に記載の衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
尚、動的引張試験における全吸収エネルギーとは、車両衝突時の歪み速度に対応する10/secで高速引張試験を行った際の破断までの衝撃吸収エネルギーとし、10%歪みまでの衝撃吸収エネルギーとは、前記高速引張試験において10%歪み域までの衝撃吸収エネルギーである。また、静的引張試験は、通常の引張速度(歪み速度10-3〜-2/sec)で行う引張試験である。
以上の説明から明らかなように、本発明によれば特に高価な合金元素を多量に添加せずとも、高強度で衝撃吸収性能に優れたステンレス鋼板を提供することができ、特に自動車、バス、鉄道等の運輸に関わる構造部材に適用することにより、軽量化による環境対策、衝突安全性向上など産業上有用な著しい効果を奏する。
以下に本発明の限定理由について説明する。
本発明においては、高速で衝撃を受ける際の衝撃吸収エネルギーがポイントである。車両衝突時の衝撃は、構造部材に加えられるため、部材を形成する材料の衝撃吸収能が重要である。これまで、高歪み速度での衝撃吸収エネルギーを考慮したステンレス鋼の提供は試みが無く、更に車両設計までなされていない状態であった。車両用の構造部材は、ハット型成形品に代表される角形断面が大半である。衝撃を吸収する歪み域は、構成部材によって異なっているが、衝突により崩壊現象が起きる部位では、材料が破壊するまでの衝撃吸収エネルギーが重要となるため、全衝撃吸収エネルギーを指標とする。全衝撃吸収エネルギーは、高速変形時の強度と延性の両者が高い方が良いが、従来の高強度鋼板は強度が高いものの破断延性が低いため、全吸収エネルギーには限界があった。本発明では、延性が高く、変形中の高加工硬化特性を活用して、全吸収エネルギーを飛躍的に向上させて衝突安全性能を素材の観点から極限まで向上させるものである。また、比較的低歪み域である10%歪み域までで衝撃を吸収する必要がある部位もあり、10%歪み域までの衝撃吸収エネルギーも指標とする。これは部材形状に依存するが、「自動車材料の高速変形に関する研究会成果報告書」日本鉄鋼協会編,p12に記載されている様に、自動車のフロントサイドメンバー等の部位で適用されるものである。
静的引張試験における耐力と動的引張試験における耐力の比は大きいほど衝突吸収構造体として好ましい。また、車両構造部材に成型するためには、材料の延性が高いことが好ましく、一般的な材質指標として、静的引張試験における破断伸びを指標とした。
上記の材料指標に基づき検討を重ねた結果、優れた衝撃吸収特性を有するステンレス鋼として、加工誘起変態による加工硬化を活用したオーステナイト系ステンレス鋼が最適であることを見出した。そして、種々の成分調整によりオーステナイト安定度を制御することにより、高速変形時の加工誘起マルテンサイト変態を適度に生じる様にすることで、高速変形時の衝撃吸収エネルギーが確保できる。
尚、加工誘起マルテンサイト変態の指標となるオーステナイト安定度は下記のMd30値(ステンレス協会編ステンレス鋼便覧記載)に基づき算出される。これは、真歪み0.3の引張歪みを付与した時に、マルテンサイトが50%生成する温度を意味するが、この値を用いて衝撃吸収エネルギーを評価したところ、本発明規定の優れた衝撃吸収エネルギーが得られることが判明した。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn
−13.7Cr−29(Ni+Cu)−18.5Mo−68Nb
なお、上記Md30は、Mo,Nbを含まない場合には下記(A)式となる。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn
−13.7Cr−29(Ni+Cu) ・・・(A)
まず、鋼成分について説明する。Cは、高強度化のために0.005%以上の添加が必要である。一方、多量に添加すると成形性や溶接性が劣化するため、0.05%以下とする。精錬コストおよび粒界腐食性を考慮すると、更に望ましくは、0.01〜0.02%が良い。
NもCと同様、高強度化に有効であり衝撃吸収エネルギーの向上に有益に作用し、0.01%以上の添加が必要である。一方過度な添加は成形性や溶接性が劣化するため、0.30%以下とする。精錬コスト、製造性および粒界腐食性を考慮すると、更に望ましくは、0.015〜0.25%が良い。
Siは、脱酸元素であるとともに、固溶強化元素で高強度化に有効な元素であり、0.1%以上の添加が必要である。一方、多量の添加は成形性が劣化し、静動比を著しく低下させるため2%以下とした。製造性を考慮すると、更に望ましくは、0.2〜1%が良い。
Mnは、脱酸元素であり、固溶強化元素で高強度化に有効な元素であるとともに、高速変形時にオーステナイト相の加工硬化を促進するため、0.1%以上の添加が必要である。一方、多量の添加は加工誘起マルテンサイトが生成しなくなったり、水溶性介在物であるMnSを生成して耐食性を劣化させるために、15%以下とする。製造工程における酸洗性などを考慮すると、更に望ましくは1〜10%が良い。
Niは、耐食性を向上させる元素であるとともに、オーステナイト相生成のために0.5%以上必要である。一方、多量の添加は、原料コストが著しく増加する他、加工誘起マルテンサイトが生成しなくなるため、8%以下とする。製造性、応力腐食割れ、時効割れなどを考慮すると更に望ましくは、1.5〜7.5%が良い。
Cuは、成形性を向上させ、静動比向上に寄与するため、0.1%以上添加する。これは、成分調整工程においてスクラップ等から混入する場合も有効である。しかしながら、5%超の添加により、加工誘起マルテンサイトが生成しなくなるため、5%以下とする。製造時の酸洗性等を考慮すると、更に望ましくは0.1〜4%が良い。
Crは、主要元素であり、耐食性の観点から11%以上添加が必要である。一方、過度な添加は組織調整のために他元素を多量に添加する必要が生じるため、上限を20%とした。更に、望ましくは14〜18%が良い。
Alは、脱酸元素として添加されることがある他、硫化物を無害化し、部品加工における穴広げ性などの加工性の向上に寄与する。これらは、0.01%以上から発現するため、下限を0.01%とした。0.5%超の添加は、表面疵の発生や製造性の劣化が生じるため、上限を0.5%とした。コスト等を考慮すると、更に望ましくは0.01〜0.5%が良い。
材料が衝撃を受けた時に、オーステナイト相がマルテンサイト相に変態する加工誘起変態を発現させ、変形中に加工硬化が効率的に生じる。変形時にマルテンサイト相が効率的に生じると高強度化するとともに、ネッキングを防止し延性向上に寄与する。マルテンサイト変態は歪みと温度が影響するため、高速変形時には加工発熱によりマルテンサイト生成は抑制されるが、本発明では静的変形に比べて動的変形時の方が変形初期段階にマルテンサイト生成が促進される場合があることを見出した。これは、成分に依存した変態の歪み速度依存性からであり、この効果によって高速変形時の衝撃吸収エネルギーが飛躍的に向上する。種々のステンレス鋼板(板厚1.5mm)について、10/secの歪み速度で動的引張試験をした際の全衝撃吸収エネルギーおよび10%歪みまでの衝撃吸収エネルギーに及ぼすMd30値の影響について、それぞれ図1と図2に示す。これより、本発明範囲において、全衝撃吸収エネルギー、10%歪みまでの衝撃吸収エネルギーともに優れた値を示す。Md30値が過度に高すぎると、変形中に生じるマルテンサイト相が多すぎてオーステナイト相とマルテンサイト相の界面で割れが発生し延性を低下させるためと考えられる。従来知見(例えば、CAMP-ISIJ,Vol9(1996),p1101、Fig.4、「自動車材料シンポジウム」(社)日本鉄鋼協会,平成9年,p71.)では、高強度鋼の高速変形時の全衝撃吸収エネルギーは400MJ/m未満程度とされている。本発明では、従来の高強度鋼に比べて極めて高い衝撃吸収特性を有する鋼として、全衝撃吸収エネルギーを500MJ/m以上とし、図1と2よりMd30の範囲を0〜100℃とした。本発明のMd30値の範囲で、10%歪みまでの衝撃吸収エネルギーについては、50MJ/m以上が得られている。種々の検討の結果、50MJ/mの衝撃吸収エネルギーが得られれば、比較的低歪み域での衝撃吸収特性として十分であるため、10%歪みまでの衝撃吸収エネルギーについては、50MJ/m以上とした。尚、衝撃吸収エネルギーの上限は特に定めることなく、本発明の効果を得ることが出来るので、上限値は定めない。
静動比は、加工硬化の変形速度依存性を示す指標であり、動的引張試験における耐力と静的引張試験における耐力の比率、即ちここでは(10/secの歪み速度で動的引張試験をした際の耐力)/(10-2/secの歪み速度で静的引張試験をした際の耐力)とした。静動比は、自動車の衝突の様な高速で変形した際にどれ位硬化するかを示すため、この値は大きい値ほど衝撃吸収構造用部材として好ましい。例えば、「自動車材料の高速変形に関する研究会成果報告書」日本鉄鋼協会編,平成13年,p12、Fig.6に従来鋼の静動比が記載されているが、600MPa以上の引張強度を有する場合、静動比は1.3以下となっている。本発明では静動比について1.4以上と規定し、従来鋼では到達出来なかった高強度−高静動比を有する鋼を提供する。尚、上限は特に定めることなく、本発明の効果を得ることが出来るので、上限値は定めない。
本発明のステンレス鋼は、構造部材として加工されるため、その成形性が重要となる。先述した様に、部材形状としてはハット型成形品に代表される角形断面が大半であり、曲げや絞り成型されるため、材料の延性が必要である。衝撃吸収部材の加工様式について種々検討した結果、材料を静的引張試験した際の引張強度が600MPa以上について、破断伸びが40%以上あれば十分成型可能であることが判明したため、静的引張試験における破断伸びを40%以上とした。
部品によっては700MPa以上の高強度が要求されるものもあるが、この様な高強度材については、冷延・焼鈍後に調質圧延を施して強度調整を行う。尚、材質上の上限は特に必要無いが、製造上および実用上、上限は1600MPaとなる。調質圧延を施す場合の圧下率については必要強度レベルに応じて設定すれば良いが、製造性等を考慮すると、1〜70%程度が望ましい。この様にして製造した鋼板は、静的引張試験における破断伸びが低減するが、上述した引張強度レベルの鋼板において5%以上は必要になるため、5%以上とした。更に望ましくは、10%以上である。
以下に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明の技術的範囲は、本実施例に限定されるものでない。表1に示す化学組成の鋼を溶製してスラブに鋳造し、スラブを熱間圧延した後、焼鈍・酸洗を施し、1.5mm厚まで冷間圧延し、焼鈍・酸洗を施した後、調質圧延を施して製品板とした。このようにして得られた製品板に対して、上記の静的引張試験と動的引張試験を行った。
表1に請求項1〜6に対応する実施例を示す。本発明で規定する成分組成を有する鋼は、比較鋼に比べて破壊までの全衝撃吸収エネルギー、10%歪みまでの低歪み域における衝撃吸収エネルギーのいずれも高く、衝撃吸収特性に優れている。これは、比較的大変形を受ける衝撃吸収部材に適している。また、静的引張試験における破断伸びが高く、延性に優れているため、複雑な構造体への成形にも好ましい。
表2に請求項7に対応する実施例を示す。調質圧延の圧下率の調整により引張強度700MPa以上、破断伸び5%以上とした本発明例は、動的引張試験における10%歪みまでの衝撃吸収エネルギーが50MJ/m以上と高く、静動比も1.4以上であり、低歪み域で衝撃を吸収する必要のある高強度部材に適している。
なお、本発明における鋼板の製造方法については特に規定せず、製品板厚は要求に応じて選択すれば良い。熱延条件や熱延板厚、熱延板および冷延板焼鈍温度、雰囲気などは適宜選択すれば良い。冷延におけるパススケジュールや冷延率、ロール径についても特別な設備を必要とせず、既設設備を効率的に使用すれば良い。調質圧延時の潤滑有無やパス数等についても特に規定しない。また、冷延・焼鈍後または調質圧延後にテンションレベラーを付与して形状矯正しても構わない。更に、製品組織は基本的にはオーステナイト相が主体となるが、フェライト相やマルテンサイト相などの第2相が生成していても構わない。
Figure 2008163358
Figure 2008163358
Md30値と高速引張試験における全衝撃吸収エネルギーの関係を示す図である。 Md30値と高速引張試験における10%歪みまでの衝撃吸収エネルギーの関係を示す図である。

Claims (7)

  1. 質量%にて、
    C:0.005〜0.05%、
    N:0.01〜0.30%、
    Si:0.1〜2%、
    Mn:0.1〜15%、
    Ni:0.5〜8%、
    Cu:0.1〜5%、
    Cr:11〜20%、
    Al:0.01〜0.5%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、(A)式で与えられるMd30値が0〜100℃、動的引張試験における全衝撃吸収エネルギーが500MJ/m以上であることを特徴とする衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
    Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn
    −13.7Cr−29(Ni+Cu) ・・・(A)
  2. 耐力の静動比が1.4以上であることを特徴とする請求項1に記載の衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
  3. 静的引張試験における引張強度が600MPa以上、破断伸びが40%以上であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
  4. 質量%にて、
    C:0.005〜0.05%、
    N:0.01〜0.30%、
    Si:0.1〜2%、
    Mn:0.1〜15%、
    Ni:0.5〜8%、
    Cu:0.1〜5%、
    Cr:11〜20%、
    Al:0.01〜0.5%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、(A)式で与えられるMd30値が0〜100℃、動的引張試験における10%歪みまでの衝撃吸収エネルギーが50MJ/m以上であることを特徴とする衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
    Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn
    −13.7Cr−29(Ni+Cu) ・・・(A)
  5. 耐力の静動比が1.4以上であることを特徴とする請求項4に記載の衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
  6. 静的引張試験における引張強度が600MPa以上、破断伸びが40%以上であることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
  7. 静的引張試験における引張強度が700MPa以上、破断伸びが5%以上であることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の衝撃吸収特性に優れた構造部材用ステンレス鋼板。
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