JP2009197253A - 熱間プレス部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱間プレス後に施されるトリムやピアスといった剪断加工や打ち抜き加工によって形成される、加工端面についての耐端面割れ性に優れる熱間プレス部材を製造する。
【解決手段】Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｍｎ＋Ｃｒ：０．５〜３．０％、さらにＰ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｖ：１％以下およびＡｌ：１％以下の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不純物からなる化学組成を有する鋼板を、Ａｃ_３点〜（Ａｃ_３点＋１００℃）の温度域に５分間以下保持したのちに熱間プレスを施し、次いで上部臨界冷却速度以上の冷却速度でＭｆ点まで冷却する焼入れ処理を施して引張強さを１．２ＧＰａ以上としたのちに、剪断加工または打ち抜き加工を施し、前記剪断加工または打ち抜き加工により形成された加工端面に、３００〜４００℃の温度域に１０分間以下保持する熱処理を施すことにより、熱間プレス部材を製造する。
【選択図】なし

Description

本発明は、例えば、自動車のボデー構造部品や足回り部品等を始めとする機械構造部品等に好適に使用される、熱間プレス部材の製造方法に関する。

近年、自動車の軽量化のため、鋼材の高強度化を図り、使用重量を減ずる努力が進められている。そして、自動車に広く使用される鋼板においては、強度の増加に伴ってプレス成形性が低下するため、複雑な形状を製造することが困難になってきている。具体的には、延性が低下してしまうことにより加工度が高い部位で破断が生じたり、スプリングバックや壁反りが大きくなってしまうことにより寸法精度が劣化したりする、といった問題が発生する。したがって、高強度、特に７８０ＭＰａ級以上の引張強さ（以下、「ＴＳ」とも表記する。）を有する鋼板にプレス加工を行って成形部材を製造することは、容易ではない。

一方、特許文献１に示されように、加熱した鋼板をプレス成形する熱間プレス法と呼ばれる成形方法では、プレス成形時には鋼板が高温で軟質かつ高延性になっているため、複雑な形状であっても寸法精度よく成形することが可能である。さらに、鋼板をオーステナイト域に加熱しておき、プレス金型内で急冷（焼入れ）することにより、マルテンサイト変態による鋼板の高強度化も同時に達成できる。

また、特許文献２には、室温で予め所定の形状に成形した後にオーステナイト域に加熱し、金型内で急冷することによって、鋼板の高強度化と成形性とを同時に達成する予プレスクエンチ法に係る発明が開示されている。

このような熱間プレス法や予プレスクエンチ法は、成形される部材の高強度化及び優れた成形性を同時に確保できる優れた成形方法である。
ところで、このようにして製造される部材には、トリムやピアスといった剪断加工や打ち抜き加工が施されることがしばしばある。しかし、部材の引張強さが１．２ＧＰａ以上に高くなると、剪断加工や打ち抜き加工が施されて形成される端面に大きな残留応力が残るようになるため、遅れ破壊の発生の危険が高まる。

このような問題を解決するために、特許文献３では、剪断加工を行われた端面に、コイニング加工により圧縮応力を付与することによって、遅れ破壊感受性の低下を図る発明が開示されている。
英国特許公報１４９０５３５号 特開平１０−９６０３１号公報 特開２００６−８２０９９号公報

特許文献３により開示された発明では、剪断加工や打ち抜き加工が施されて形成される端面を高い精度で加工する必要があるうえ、この端面の形状が複雑であったり加工端面の領域が多かったりすると、大幅な工程の増加を伴うこととなるため、効率的な方法であるとは言い難い。

本発明は、このような従来の技術が有する課題に鑑みてなされたものであり、熱間プレス後に施されるトリムやピアスといった剪断加工や打ち抜き加工によって形成される、加工端面についての耐端面割れ性に優れる熱間プレス部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、この端面の耐遅れ破壊特性を改善すべく鋭意検討を重ねた結果、適正な化学組成を有する鋼板に適正な熱処理を施すことにより、端面の耐遅れ破壊性が大幅に改善されることを新たに知見した。その新たな知見をもとに完成させた本発明は次の通りである。

本発明は、Ｃ：０．１５％以上０．４５％以下（本明細書では組成に関する「％」は特にことわりがない限り『質量％』を意味する。）、Ｍｎ＋Ｃｒ：０．５％以上３．０％以下、さらにＰ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｖ：１％以下およびＡｌ：１％以下の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不純物からなる化学組成を有する鋼板を、Ａｃ_３点以上（Ａｃ_３点＋１００℃）以下の温度域に５分間以下保持したのちに熱間プレスを施し、次いで上部臨界冷却速度以上の冷却速度でＭｆ点まで冷却する焼入れ処理を施して引張強さを１．２ＧＰａ以上としたのちに、剪断加工または打ち抜き加工を施し、前記剪断加工または打ち抜き加工により形成された加工端面に、３００℃以上４００℃以下の温度域に１０分間以下保持する熱処理を施すことを特徴とする熱間プレス部材の製造方法である。

この本発明に係る熱間プレス部材の製造方法では、化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、
（ａ）Ｂ：０．０１％以下、
（ｂ）Ｎｂ：１．０％以下および／またはＭｏ：１．０％以下、
（ｃ）式（１）：３．４２Ｎ＋０．００１≦Ｔｉ≦３．４２Ｎ＋０．５を満たす量のＴｉ、および
（ｄ）Ｃａ：０．００５％以下
のうちの１種または２種以上を含有してもよい。ここで、式（１）のＴｉおよびＮは、鋼中の各元素の含有量（％）を示す。

本発明により、熱間プレス後に施されるトリムやピアスといった剪断加工や打ち抜き加工によって形成される、加工端面についての耐端面割れ性に優れる熱間プレス部材を製造することが可能になるので、例えば、自動車のボデー構造部品や足回り部品等を始めとする機械構造部品を確実に提供することが可能になる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明において、化学組成および製造条件を限定する理由を説明する。
（ｉ）化学組成
本発明において、熱間プレスに供する鋼板の化学組成は、以下のように規定する。
Ｃ：０．１５％以上０．４５％以下
Ｃは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を主に決定する非常に重要な元素である。Ｃ含有量が０．１５％未満では、焼入れ後の強度で１．２ＧＰａ以上のＴＳを確保することが困難となる。したがって、Ｃ含有量を０．１５％以上とする。好ましくは０．２０％以上である。一方、Ｃ含有量が０．４５％を超えると、焼入れ後の強度が高くなりすぎ、靱性の劣化が著しくなる。そこで、Ｃ含有量は０．４５％以下とする。好ましくは０．３３％以下である。
Ｍｎ＋Ｃｒ：０．５％以上３．０％以下
ＭｎおよびＣｒは、いずれも、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を安定して確保するために、非常に効果がある元素である。しかし、ＭｎおよびＣｒの合計含有量（以下、「（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量」ともいう。）が０．５％未満ではこの効果は十分ではなく、一方、（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量が３．０％を超えるとその効果は飽和し、逆に安定した強度の確保が困難となる。したがって、（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量は０．５％以上３．０％以下とする。好ましくは（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量は０．８％以上２．０％以下である。
Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｖ：１％以下およびＡｌ：１％以下の１種または２種以上
これらの元素は、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を安定して確保するために効果がある元素である。しかし、上限値以上に含有させてもその効果は小さく、かついたずらにコスト増を招くため、各元素の含有量は上述した範囲とする。

さらに、本発明において、熱間プレスに供する鋼板は、任意添加元素として、Ｂ、ＮｂＭｏ、Ｔｉ、Ｃａを含有してもよいので、これらについても説明する。
Ｂ：０．０１％以下
Ｂは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を安定して確保する効果をさらに高めるのに有効である。また、粒界に偏析して粒界強度を高め、靱性を向上させる点でも重要な元素である。さらに、熱間プレスに供する際の加熱時におけるオーステナイトの粒成長を抑制する効果も高く、これによる靭性向上作用も有する。したがって、本発明では任意添加元素としてＢを含有することが好ましい。しかし、Ｂ含有量が０．０１％を超えると上記効果は飽和していたずらにコスト増を招く。したがって、Ｂを含有する場合にはその含有量は０．０１％以下とする。

好ましくは０．００３０％以下である。上記効果をより確実に得るにはＢ含有量０．０００１％以上とすることが好ましく、０．００１０％以上とすることがさらに好ましい。
Ｎｂ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下
ＮｂおよびＭｏは、いずれも、微細な炭化物を形成し、熱間プレスに供する鋼板をＡｃ_３点以上に加熱した際にオーステナイト粒の粗大化を抑制して細粒に保つため、靱性を大きく改善する効果を有する。さらに、Ｎｂは再結晶を抑制する強い作用を有するので、上記効果が一層大きい。したがって、本発明では任意添加元素としてＮｂおよび／またはＭｏを含有することが好ましい。しかし、いずれの元素も含有量が１．０％超になると、その効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。したがって、Ｎｂおよび／またはＭｏを含有する場合にはそれぞれの含有量はいずれも１．０％以下とする。

Ｎｂ含有量は０．１５％以下とすることが好ましく、０．１０％以下とすることがさらに好ましい。Ｍｏ含有量は０．２０％以下とすることが好ましく、０．１５％以下とすることがさらに好ましい。上記効果をより確実に得るには、Ｎｂ含有量は０．０２％以上とすることが好ましく、０．０４％以上とすることがさらに好ましい。また、Ｍｏ含有量は０．０１％以上とすることが好ましく、０．０４％以上とすることがさらに好ましい。
３．４２Ｎ＋０．００１≦Ｔｉ≦３．４２Ｎ＋０．５
Ｔｉは、微細な炭化物を形成するとともに再結晶を抑制することにより、熱間プレスに供する鋼板をＡｃ_３点以上に加熱した際にオーステナイト粒の粗大化を抑制して細粒に保つため、靱性を大きく改善する効果を有する。したがって、本発明では任意添加元素としてＴｉを含有することが好ましい。

かかる効果を確実に得るためにＴｉ含有量を（３．４２Ｎ＋０．００１）以上とすることが好ましい。一方で、Ｔｉ含有量が（３．４２Ｎ＋０．５）超になると、その効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。より望ましいＴｉ含有量は３．４２Ｎ＋０．０２≦Ｔｉ≦３．４２Ｎ＋０．０８である。
Ｃａ：０．００５％以下
Ｃａは、鋼中の介在物を微細化し、焼入れ後の靱性を向上させる効果を有する。したがって、本発明では任意添加元素としてＣａを含有することが好ましい。

しかし、Ｃａ含有量が０．００５％超になると、その効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。したがって、Ｃａ含有量は０．００５％以下とする。好ましくは０．００４％以下である。上記効果を確実に得るには、Ｃａ含有量を０．００１％以上とすることが好ましく、０．００２％以上とすることがさらに好ましい。

上述した以外の残部は、Ｆｅおよび不純物である。
（ｉｉ）製造条件
（熱間プレス）
上述した化学組成を有する鋼板をＡｃ_３点以上（Ａｃ_３点＋１００℃）以下の温度域に５分間以下保持したのちに熱間プレスを施す。

熱間プレスに供する鋼板の保持温度がＡｃ_３点未満では、オーステナイト単相とならないため後続する焼入れ処理を施したとしても１．２ＧＰａ以上の強度を得ることが困難となる。一方、熱間プレスに供する鋼板の保持温度が（Ａｃ_３点＋１００℃）超では、オーステナイト粒が粗大化して靭性劣化が著しくなったり、スケールロスの増大が著しくなったりするためである。したがって、熱間プレスに供する鋼板の保持温度はＡｃ_３点以上（Ａｃ_３点＋１００℃）以下とする。

また、熱間プレスに供する鋼板のこの温度域における保持時間は、加熱に要するコストがいたずらに増加するのを防ぐため５分間以下とする。なお、この保持時間の下限は特に規定する必要はないが、焼入れ処理前の組織を均質化して製品特性を安定化させる観点から１分間以上とすることが好ましい。
（焼入れ処理）
熱間プレスを施した鋼材には、上部臨界冷却速度以上の冷却速度でＭｆ点まで冷却する焼入れ処理を施す。

焼入れ処理における冷却速度が上部臨海冷却速度未満であったり、冷却終了温度がＭｆ点超であったりすると、不可避的に混在するレベルを超える相当量のマルテンサイト以外の相や組織が生成してしまい、１．２ＧＰａ以上の強度を確保することが困難となることがある。したがって、焼入れ処理は上述した条件とする。

なお、本発明の鋼板については、焼入れ処理における冷却速度は６０℃／秒以上とすれば十分である。また、焼入れ処理における冷却終了温度は１００℃とすれば十分である。
（剪断加工、打ち抜き加工）
焼入れ処理後の熱間プレス部材に剪断加工や打ち抜き加工を施すが、この剪断加工や打ち抜き加工は常法によって行えばよく、特に限定を要さない。
（熱処理）
剪断加工や打ち抜き加工による加工端面を形成された熱間プレス部材には、その加工端面を３００℃以上４００℃以下の温度域に１０分間以下保持する熱処理を施す。この熱処理により、加工端面に存在する引張残留応力が低減され、耐遅れ破壊感受性が改善される。

上記熱処理における保持温度が３００℃未満では、加工端面に存在する引張残留応力を低減する作用が充分に得られないことがある。一方、４００℃超では熱間プレス部材の強度低下が著しくなることがある。したがって、熱処理における保持温度は３００℃以上４００℃以下とする。好ましくは３００℃以上３５０℃以下である。

さらに、この熱処理における保持時間が１０分間超では、熱間プレス部材の強度低下が著しくなることがある。したがって、熱処理における保持時間は１０分間以下とする。好ましくは５分間以下である。熱処理によって加工端面に存在する引張残留応力の低減は速やかに進行するため、保持時間の下限は特に限定する必要はないが、実作業においては通常１０秒間以上である。

なお、熱処理を施す部位は、剪断加工や打ち抜き加工による加工端面を形成された熱間プレス部材の全体であってもよいし、加工端面のみであってもよい。この熱処理を施す際の加熱方法はいかなる方法を用いてもよいが、加工端面のみを加熱する場合には、例えば、レーザー加熱、高周波加熱さらにはガスバーナーによる加熱等が例示される。また、熱間プレス部材の全体を加熱する場合方法では、例えば、炉加熱や高周波加熱、通電加熱等が例示される。

本発明にかかる鋼板は、Ａｃ_３点以上の温度に保持したのちにプレス成形される熱間プレスに供するものである。したがって、室温での機械的性質は重要ではなく、熱間プレスに供する前の金属組織については特に規定する必要はない。したがって、本発明に係る鋼板は、熱延鋼板および冷延鋼板のいずれでもよく、さらに鋼板の表面にめっきが施されていてもよい。また、その製造方法についても特に限定する必要はない。

以上説明した本実施の形態により、熱間プレス後に施されるトリムやピアスといった剪断加工や打ち抜き加工によって形成される加工端面についての耐端面割れ性に優れる熱間プレス部材を製造することが可能になるので、例えば、自動車のボデー構造部品や足回り部品等を始めとする機械構造部品を確実に提供することが可能になる。

さらに、本発明を、実施例を参照しながらより具体的に説明する。
表１に示す鋼種Ｎｏ．１〜７の化学組成を有する鋼板（板厚：１．６ｍｍ）を供試材とした。

これらの鋼板は、実験室にて溶製したスラブを１２５０℃にて３０分加熱した後、９００℃以上で熱間圧延を行い、板厚４ｍｍの鋼板とした。熱間圧延後は、６００℃まで水スプレー冷却したのち炉に装入し、６００℃で３０分保持した後、２０℃／時で室温まで徐冷することにより、熱延巻き取り工程を模擬した。得られた熱延板を、酸洗によりスケールを除去した後、冷間圧延にて板厚１．６ｍｍとした。

このようにして製造した冷延鋼板を、１．６ｔ×５０ｗ×１５０Ｌ（ｍｍ）の寸法に切断し、大気雰囲気の加熱炉内で、表２に示す条件にて加熱して、加熱炉より取り出し、その直後に平板の鋼製金型を用いて、熱間プレスを行った。なお、表１における「保持時間」とは、炉に装入後のＡｃ_３点に達した時から、炉から取り出すまでの時間をいう。また、熱間プレスによる焼入れ処理の冷却速度は６０℃／秒以上であり、冷却終了温度は１００℃以下であった。

その後、一週間放置した後、１．６ｔ×５０ｗ×１０Ｌの寸法にシャーリング切断を行った。切断した試験片に、表２の条件の熱処理を施した後、ｐＨ１、温度３０℃の塩酸水溶液中に浸漬し、５０時間経過後に切断端面を検鏡し、割れの有無を調査した。

本発明例である例Ｎｏ．１〜７では、切断端面には全く割れが存在しなかった。一方、比較例である例Ｎｏ．８及び例Ｎｏ．９では、本発明で規定する熱処理温度、熱処理の保持時間を満足しないため、シャーリング切断による切断端面に割れが発生していた。

Claims (5)

1. 質量％で、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｍｎ＋Ｃｒ：０．５〜３．０％、さらにＰ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｖ：１％以下およびＡｌ：１％以下の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不純物からなる化学組成を有する鋼板を、Ａｃ_３点以上（Ａｃ_３点＋１００℃）以下の温度域に５分間以下保持したのちに熱間プレスを施し、次いで上部臨界冷却速度以上の冷却速度でＭｆ点まで冷却する焼入れ処理を施して引張強さを１．２ＧＰａ以上としたのちに、剪断加工または打ち抜き加工を施し、前記剪断加工または打ち抜き加工により形成された加工端面に、３００℃以上４００℃以下の温度域に１０分間以下保持する熱処理を施すことを特徴とする熱間プレス部材の製造方法。
2. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．０１％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の熱間プレス部材の製造方法。
3. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：１．０％以下および／またはＭｏ：１．０％以下を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱間プレス部材の製造方法。
4. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、下記式（１）を満たす量のＴｉを含有することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の熱間プレス部材の製造方法。
   ３．４２Ｎ＋０．００１≦Ｔｉ≦３．４２Ｎ＋０．５ ・・・・・・・（１）
   ここで、式（１）のＴｉおよびＮは、鋼中の各元素の含有量（単位：質量％）を示す。
5. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ：０．００５％以下を含有することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の熱間プレス部材の製造方法。