JP2011252189A - 薄肉鋼加工品及びその熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 普通鋼を所定形状に加工してなる薄肉鋼加工品の所望部位を効率的に高強度化できる薄肉鋼加工品の熱処理方法を提供する。
【解決手段】板厚１．２ｍｍ以下、好ましくは板厚０．８ｍｍ以下の普通鋼からなる所定形状に加工された薄肉鋼加工品の所望部位を４００℃／秒以上の加熱速度でＡ１変態点以上に急加熱し、Ａ１変態点付近から８００℃／秒以上の冷却速度で急冷する工程を有している。薄肉鋼加工品を従来よりも薄い薄肉鋼を使用して製作し、その所望部位に、従来よりも速い加熱速度及び冷却速度で熱処理を施すことにより、合金元素を添加することなく、高強度化が極めて困難であった普通低炭素鋼の高強度化が極めて迅速に可能となり、量産性に適している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄肉鋼を所定形状にプレス加工した薄肉鋼加工品及びその熱処理方法に関する。

例えば、自動車、航空機等の輸送機器用のシートフレームは、燃費改善や二酸化炭素排出規制等の観点から軽量化が強く求められており、そのためにシートフレームを形成する鋼材の高強度化が求められている。一方、シートフレームは、高強度化だけでなく、変形による衝撃吸収性等の観点から延性（伸び特性）が高い部位を有することも求められる。また、切欠き感受性の観点と耐久性向上の観点からも、引張りの残留応力を低減したり、なくしたり、あるいは圧縮の残留応力とすることが求められる。従来、例えば特許文献１〜３に開示の高強度鋼板が知られている。

これらに開示の高強度鋼板は、いずれも、炭素以外の合金元素の添加量を制御することを前提としたものであり、例えば、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｒなどを所定量以上含有させて所定の硬度、延性を確保するなどとしている。そして、自動車用の鋼材等として使用するため、最終的に１．２ｍｍに冷間圧延しているが、冷間圧延前の工程において行う熱処理は、鋼スラブを厚さ３．２ｍｍに熱間圧延するものである。つまり、厚さ数ｍｍ以上の鋼板を得るものであるため、熱処理においては、鋼板における板厚方向を含めてのミクロ組織の均一化を図ることが必要であり、そのため、合金元素の添加量制御が重要な要素となっている技術である。

一方、特許文献４〜５では、普通低炭素鋼の高強度化を図った技術が開示されている。特許文献４は、それ以前の技術において、普通低炭素鋼の焼入れ性が悪いことから、マルテンサイトを出発組織とすると、焼鈍時に不均一な混粒組織が生成されて所定の高強度、高延性鋼材を得ることができなかった、という課題を解決するためになされたものである。このため、特許文献４では、普通低炭素鋼を焼入れしてマルテンサイト相を９０％以上とした後、全圧下率２０％以上８０％未満の冷間圧延と焼鈍を行うことによって粒径１．０μｍ以下の超微細結晶粒フェライト組織を得ている。特許文献５は、本出願人が提案した技術であるが、プレス成形などの内部応力を高める加工処理を行って、熱処理により、低炭素鋼の金属組織の微細化、混粒化を図って高強度化したものである。

特許第４００５５１７号公報 特開２００５−２１３６４０号公報 特開２００８−２９７６０９号公報 特許第４１８９１３３号公報 特開２００８−１３８３５号公報

自動車のシートフレーム等は、省エネルギー化、環境問題への対応等から、今後益々コストの削減や資源のリサイクル性への要請が高くなる。従って、特許文献１〜３の技術のように、合金化による高強度化、高延性化よりも、リサイクル性が高くなる普通鋼（特に低炭素鋼）を用いて達成できることが望まれる。また、これらは、主として鉄鋼材料メーカーが、鋼スラブから所定の高強度高靱性鋼を作り出すために実施されている手法であり、市販の鋼を用いてシートフレーム等を加工する加工メーカーにおいて利用できる技術ではない。加工メーカーとしては、このように鉄鋼材料メーカーが高強度高靱性鋼（高張力鋼）として販売しているものを購入して使用するのではなく、鉄鋼材料メーカーから安価で成形が容易な普通鋼を購入した上で、必要な場合に必要な箇所にその普通鋼の高強度化高延性化を図ることができれば、シートフレームのコストの低減につながる。

一方、引張り強さ９８０ＭＰａ以上の高強度高靱性鋼（高張力鋼）を用いた場合には、プレス加工により所定形状に加工することが極めて困難であることが指摘されている。これは引張り強さを高くした際において、成形性（伸びフランジ特性、曲げ特性等）とのバランスを図ることが困難だからである。引張り強さ９８０ＭＰａ級の鋼材をマルテンサイトとフェライトの２相で構成し、延性を向上させることも行われているが、それをプレス加工に供した場合にはフェライトとマルテンサイトとの界面でマイクロクラックが生じ、それに基づいて割れが生じることも知られている。

特許文献４の技術は、普通低炭素鋼を熱処理の受入材として用いて、所望の強度、延性を得ようとする技術であるが、鋼材全体をマルテンサイト化した後に冷間圧延して均質に微細化することが必要である。従って、圧延機能を備えた設備が必要となり、設備コスト、製造コストの点で課題がある。これは、特許文献４の実施例において板厚２ｍｍの普通低炭素鋼材が例示されていることからも明らかなように、ある程度の板厚の鋼を高強度化、高延性化するためには、板厚方向にも均質な微細化が必要であり、そのためマルテンサイト化後における所定条件下での冷間圧延工程が必須だからである。

特許文献５の技術の場合、実施例において、板厚１．２ｍｍ、１．０ｍｍの薄肉低炭素鋼の冷間圧延鋼板、熱間圧延鋼板を熱処理して微細化し高強度化している。予めプレス加工を施すことで低炭素鋼の高強度化を可能にしたものであるが、一つの部材を一定の引張り強さに制御することが記載されているに過ぎない。

ところで、自動車用のシートフレームは、人を安全に支える構造体としての強度と剛性が必要であると共に、衝突などの衝撃力から人を守るために、所定の剛性を保ちながら衝撃吸収エネルギーを大きくする必要がある。しかしながら、これをシートフレームを形成するための鋼材の材料特性のみに依存していたのでは、上記した成形の困難性の点からも限界がある。さらに耐久性も改善する必要があるが、高強度化することで、切欠き感受性、残留応力が耐久劣化の要因となる。

そこで、本発明は、所定形状にプレス加工してその後に熱処理を施すことで、一つの部材に複数の物理的特性の領域を有する構成とし、強度、耐久性、剛性、衝撃吸収特性等のバランスに優れ、特に、シートフレームとして適する薄肉鋼加工品及びその熱処理方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の薄肉鋼加工品は、薄肉鋼を所定形状にプレス加工してなる薄肉鋼加工品であって、一つの部材中に、物理的特性の異なる複数の領域が熱処理により形成されており、前記複数の領域中の一部の領域の引張り強さが９８０ＭＰａ以上であることを特徴とする。

前記複数の領域は、熱処理条件を領域毎に異ならせることにより、マルテンサイトの単相組織、マルテンサイトとフェライトの二相組織、又は粒径の異なる結晶粒を複数有する混粒組織に制御して得られることが好ましい。また、前記複数の領域は、引張り強さ、延性及び引張りの残留応力の少なくとも一つの物理的特性が異なることが好ましい。前記薄肉鋼の板厚が１．０ｍｍ以下であることが好ましい。前記薄肉鋼の板厚が０．８ｍｍ以下であることがより好ましい。前記薄肉鋼がヘミング加工により形成された重なり部に対して熱処理が施され、この重なり部における折り返し部位とその対面部位とが前記熱処理による高強度化と同時に溶着されている構成とすることができる。前記部材が、シートフレームを形成しているいずれかの板状のフレームであることが好ましい。

また、本発明は、薄肉鋼を所定形状にプレス加工してなる薄肉鋼加工品の熱処理方法であって、４００℃／秒以上の加熱速度で常温からＡ１変態点より高温に至るまで急加熱する急加熱工程と、前記急加熱工程後、８００℃／秒以上の冷却速度で急冷する急冷工程とを有し、熱処理対象の部材に対し、前記急加熱工程の加熱温度の調整、又は、前記急冷工程の急冷開始温度をＡ１変態点以上とするかＡ１変態点未満とするかにより、物理的特性の異なる複数の領域を形成し、その一部の領域を引張り強さ９８０ＭＰａ以上に制御することを特徴とする薄肉鋼加工品の熱処理方法を提供する。

前記薄肉鋼が複数枚重なり合っている重なり部に対し、前記急加熱工程と前記急冷工程を施して熱処理することが好ましい。前記重なり部として、ヘミング加工により形成されている部位に熱処理を施すことができる。前記ヘミング加工により形成された重なり部における折り返し部位とその対面部位とを、前記急加熱工程と前記急冷工程により、高強度化と同時に溶着する構成とすることが好ましい。また、前記対面部位に隣接する部分に外方に突出させた突起部が形成されており、該突起部が前記急加熱工程により溶融し、前記折り返し部位と対面部位との間に侵入する構成とすることができる。前記急加熱工程における加熱速度が１０００℃／秒以上であることが好ましく、前記急冷工程における冷却速度が１０００℃／秒以上であることが好ましい。

本発明によれば、 薄肉鋼を所定形状にプレス加工してなる薄肉鋼加工品であって一つの部材中に、物理的特性の異なる複数の領域が熱処理により形成されており、その中の一部の領域の引張り強さが９８０ＭＰａ以上である。すなわち、プレス加工された薄肉鋼加工品に熱処理を施すことにより、一部に引張り強さ９８０ＭＰａ以上も領域が設定されている。引張り強さ９８０ＭＰａ以上の高強度高靱性鋼（高張力鋼）を用いた場合には、上記したようにプレス加工による成形性が悪く、従来のように材料特性のみに依拠していたのでは、結果として、加工度の高い部分（例えば、ヘミング加工した部分）にこのような高強度部を設けることはできないが、本発明によれば、加工度の高い部分においても引張り強さ９８０ＭＰａ以上の部位を設けることができ、薄肉鋼加工品の剛性を上げることができる。

その一方、引張り強さ、延性及び引張りの残留応力のいずれかにおいて異なる特性を備えた構成とすることにより、上記したような剛性の高い部分、衝撃を受けた際のエネルギー吸収機能を果たす部分、耐久性を向上させる部分を一つの部材に設定できる。このため、特に、乗物用のシートフレームとして適する。

また本発明の熱処理方法によれば、熱処理を施す部位に応じて、急冷開始時点をＡ１変態点以上とするかＡ１変態点未満とするかにより、引張り強さ等の特性を部分的に容易に所定の値に調整できる。また、熱処理を施すことでプレス加工等に伴う引張り方向の残留応力を除去することもできる。

また、プレス加工等により、薄肉鋼が複数枚重なり合っている重なり部を熱処理することにより、複数枚を一体化する溶着を同時に行うことも可能である。特に、ヘミング加工により形成されている折り返し部位とその対面部位とを熱処理し、同時に溶着が行われる構成とすることで、当該部位における機械結合力を高めることができる。

図１は、本発明の一の実施形態に係る薄肉鋼加工品であるシートフレームを示した斜視図である。 図２は、図１の側面図である。 図３（ａ），（ｂ）は、図２のＣ線に沿った断面図である。 図４（ａ）〜（ｄ）は、ヘミング加工した部分において突起部を設けた場合の熱処理を説明するための図である。 図５は、熱処理設備の一例を示した図である。 図６は、熱処理設備の高周波電極を示した図である。 図７は、試験例の熱処理における目標温度履歴曲線である。 図８は、試験例における引張り試験に供した試験片形状を示した図である。 図９は、試験例で用いたSPCC/t1.0の応力−ひずみ曲線を示した図である。 図１０は、試験例で用いたSPHC/t1.2の応力−ひずみ曲線を示した図である。 図１１は、SPCC/t1.0とSPHC/t1.2の各試料のミクロ組織を示した図であり、（ａ）が素材、（ｂ）が高周波焼入れを行ったもの、（ｃ）が電気炉焼入れを行ったものの図である。 図１２は、試験例で用いたSPCC/t0.5の熱処理の温度履歴を示した図である。 図１３は、試験例で用いたSPCC/t0.5の応力-ひずみ曲線を示した図である。 図１４は、試験例で用いたSPCC/t0.5の各資料のミクロ組織を示した図であり、（ａ）が試料Ａ、（ｂ）が試料Ｂ、（ｃ）が試料Ｃを示した図である。 図１５は、試験例で用いたSPFC/t0.6の熱処理の温度履歴を示した図である。 図１６は、試験例で用いたSPFC/t0.6の応力-ひずみ曲線を示した図である。 図１７は、試験例で用いたSPFC/t0.6の各資料のミクロ組織を示した図であり、（ａ）が試料Ａ、（ｂ）が試料Ｂ、（ｃ）が試料Ｃを示した図である。 図１８（ａ）は、SPCC/0.5tとSPFC440/0.6tの薄板を用いて製作したサイドフレームを含む自動車用のシートフレームの斜視図であり、図１８（ｂ）は図１８（ａ）の側面図であり、図１８（ｃ）は、図１８（ｂ）のＡ−Ａ線断面図であり、図１８（ｄ）は、図１８（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。 図１９は、下方向荷重を付加した際のシートフレームの変形挙動を示した図であり、（ａ）は付加前の状態を示し、（ｂ）は付加後の状態を示す。 図２０は、フレームからの反力と変位の解析結果を示した図である。

本発明において、熱処理対象となる薄肉鋼加工品は、薄肉のもの（以下、「薄肉鋼」という）を用いてプレス加工により所定形状に加工される。薄肉鋼としては、自動車のシートフレームなどに用いられる安価で加工性のよい圧延鋼板が適し、冷間圧延鋼板と熱間圧延鋼板のいずれも含む。厚さは、１．２ｍｍ以下である。これより厚い鋼の場合、急加熱・急冷を行うに当たって、大きな熱源と大規模な冷却設備が必要となり、あるいは、熱処理に時間がかかる結果となる。薄肉鋼加工品の所望部位を迅速に急加熱、急冷の熱処理工程によって高強度化を図り、かつ、製品の軽量化も考慮すると、厚さ１．０ｍｍ以下の薄肉鋼が好ましく、厚さ０．８ｍｍ以下の薄肉鋼がより好ましく、厚さ０．５ｍｍ以下の薄肉鋼がさらに好ましい。

上記薄肉鋼としては、安価な材料を用いることで、シートフレーム等の製造コストの低減を図ることができるため炭素含有量の少ないものが好ましく、質量％で０．１２％以下、さらには０．１％以下が好ましく、０．０５％以下であることがより好ましい。また、Ｍｎの含有量が質量％で１．５％以下であることが好ましく、０．５％以下であることがより好ましい。炭素含有量の下限は限定されるものではないが、後述の試験例では０．００２％のものでも本発明の方法により高強度化が図られている。但し、本発明は、既にプレス加工等を行った後の部位に熱処理を施すものであり、薄肉鋼としては、高張力鋼であってもよく、炭素含有量や合金元素の含有量がより多いものも本発明の熱処理対象となる。例えば、５９０ＭＰａ級、７８０ＭＰａ級、９８０ＭＰａ級以上の冷延鋼板は、フェライト＋マルテンサイトの二相組織である。これは、プレス加工等に供するために所定以上の延性を持たせるために二相組織としているが、二相組織の場合には界面でのマイクロクラックが生じやすい。しかしながら、このような冷延鋼板を用いて薄肉鋼加工品を製作した後に、本発明の熱処理を適用した場合には、二相組織がマルテンサイトの単相組織になりマイクロクラックが生じにくくなるという利点がある。

もっとも、本発明は、薄肉のプレス加工品に限定することにより、炭素含有量が低くても強度を上げるとことができる共に、延性とのバランスも図ることができるため、炭素以外の合金元素の添加等を行うことは必須ではないため、リサイクル性に優れている。なお、本発明の薄肉鋼加工品を形成している薄肉鋼としては板状のものが対象である。

上記薄肉鋼加工品の所望部位の熱処理は、次のような急加熱工程と急冷工程により行われる。急加熱工程は、高周波電極を用いて、薄肉鋼を、４００℃／秒以上の加熱速度で常温からＡ１変態点以上の温度（通常、約７５０〜１２５０℃）まで加熱する。加熱速度は、好ましくは１０００℃／秒以上、より好ましくは２０００℃／秒以上である。さらには、加熱対象の所望部位が高周波電極に対して相対的に移動することによって、高周波電極により加熱され初めてから高周波電極に対面している位置を通り過ぎるまでの間が０．５秒以内、好ましくは０．２秒以内、より好ましくは０．１秒以内で常温からＡ１変態点以上の温度まで加熱する。上記したように、薄肉鋼加工品は極めて薄いため、このような極めて短い時間でＡ１変態点以上まで加熱することが可能である。

急冷工程は、Ａ１変態点以上の所定の温度まで加熱した後、水冷により急冷する。冷却速度は、８００℃／秒以上、好ましくは１０００℃／秒以上、より好ましくは２０００℃／秒以上である。さらには、加熱された所望部位が、冷却設備に対して相対的に移動することによって水により、０．５秒以内、好ましくは０．２秒以内、より好ましくは０．１秒以内で急冷開始時点の温度から常温付近まで温度を低下させる。この場合も、薄肉鋼加工品の厚さが極めて薄いため、このような短時間で急冷できる。

水による急冷開始温度を「Ａ１変態点」以上とした場合には、マルテンサイトの単相からなる組織等、マルテンサイト相が大部分を占める組織が形成される。水による急冷開始温度を「Ａ１変態点」未満とした場合には、例えば、結晶粒径1〜5μｍの微細な結晶と10μｍ以上の結晶が混ざったフェライトの単相の混粒組織が形成される。従って、Ａ１変態点以上から急冷した場合には、引張り強度は高くなるが、延性は低めになる。Ａ１変態点未満から急冷した場合には、マルテンサイトの単相組織よりも引張り強度は低くなるが延性は高くなる。

本発明は、プレス加工により、薄肉鋼を所定形状に加工した薄肉鋼加工品に対して熱処理を行う。薄肉鋼加工品としては、自動車などの乗物用シートのシートフレーム等が挙げられるが、本発明では、サイドフレーム等の一つの部材に複数の物理的特性を設定したものである。例えば、図１及び図２に示したシートフレーム１において、薄肉鋼が複数枚重なり合った重なり部分に対して熱処理を施すと、その部分において重なり合った薄肉鋼同士が溶着される。特に、図１に示したように、サイドフレーム２として採用される２枚の薄肉鋼（インナーフレーム１０、アウターフレーム２０（図３参照））を重ね合わせ、インナーフレーム１０の端縁を１８０度折り返すヘミング加工を行って重なり合った部分（重なり部分２ａ）に対して熱処理することが好ましい。

図３に示したように、インナーフレーム１０の端縁を折り返した折り返し部位１１とこの折り返し部位１１に対面するアウターフレーム２０の対面部位２１に対して、熱処理を行う。高周波電極３０からの距離は、折り返し部位１１の方が対面部位２１よりも近い。しかし、図３（ａ）に示したように、折り返し部位１１及び対面部位２１を含んだフランジ部は、板が３枚重ねになっているため温度上昇しにくい。しかし、図３（ｂ）に示したように、折り返し部位１１の裏側（すなわち、折り返し部位１１と対面部位２１との間）に空隙を設けた構成としておくと、このフランジ部は温度上昇しやすい。従って、両者が同時に加熱された後急冷される場合、急冷開始時点の温度は、裏側に空隙のある折り返し部位１１の方が高くなる。このため、裏側に空隙のある折り返し部位１１の方が対面部位２１よりも引張り強度が高く、延性が低くなる。このとき、裏側に空隙のある折り返し部位１１の急冷開始時点の温度がＡ１変態点以上であれば、折り返し部位１１は、マルテンサイト相が大部分を占めた組織（例えば、マルテンサイト相の単相組織）となる。対面部位２１の急冷開始時点の温度がＡ１変態点未満であれば、例えば、結晶粒径1〜5μｍの微細な結晶と10μｍ以上の結晶が混ざったフェライトの単相の混粒組織となり、延性が高めになる。すなわち、折り返し部位１１を、マルテンサイト相の単相組織とすることにより、シートフレームの強度の向上が図られる。一方、アウターフレーム２０の対面部位２１においては、所定の延性を備えているため、衝撃を受けた際には、粘りながら変形し、衝撃吸収特性に役立つ。

インナーフレーム１０の折り返し部位１１とアウターフレーム２０の対面部位２１とは、上記のような熱処理が行われることにより、裏側に空隙のある折り返し部１１が溶融し、重力ないし圧力（空気圧や水圧）によりアウターフレーム２０の対面部位２１に溶着されることが好ましい。これにより、ヘミング加工した部位の機械結合力を高めることができる。しかも、本発明によれば、熱処理による表面組織の改質と溶着とを一つの工程で達成できるため、作業工程が簡素化でき、製造コストの低減にもつながる。

折り返し部位１１と対面部位２１との溶接を別の部位で行わせるために、図４（ａ），（ｃ）に示したように、アウターフレーム２０における対面部位２１に隣接する部分に外方に突出させた突起部２２を形成しておくこともできる。この突起部２２は、インナーフレーム１０の折り返し部位１１と同じ高さかそれよりも高くなるように設けることが好ましい。これにより、高周波電極との距離が近くなり、突起部２２は加熱時に溶融して（図４（ｂ），（ｄ）参照）、折り返し部位１１と対面部位２１との間隙に入り込み溶加材の機能を果たし、折り返し部位１１と対面部位２１との溶着を確実に行うことができる。なお、突起部２２の形状は限定されるものではなく、図４（ａ）に示したように、対面部位２１に隣接して湾曲状に突出させてもよいし、図４（ｃ）に示したように、対面部位２１に隣接する部分全体を外方に膨出させた形状でもよい。溶融時には、図４（ａ）の突起部２２は例えば図４（ｂ）に示したように溶融変形して折り返し部位１１と対面部位２１との間隙に入り込み、図４（ｃ）の突起部２２は例えば図４（ｄ）に示したように溶融変形して折り返し部位１１と対面部位２１との間隙に入り込む。

ここで、熱処理設備１００は、図５に示したように、高周波電極３０、水冷ノズル４０を有すると共にワークを把持して位置制御するロボットアーム５０を備えている。高周波電極３０は、図６に示したように、平面から見て略Ｕ字状に形成さているものが好ましい。そして、ワークの熱処理対象部が略Ｕ字状の２本の対向辺部３１，３２の対向方向（図６の矢印方向）に沿って相対的に動くように操作される。それにより、熱処理対象部は、最初に通過する対向辺部３１により第１段階の加熱がなされ、次に通過する対向辺部３２により第２段階の加熱がなされるため、２つの対向辺部３１，３２が通過する間に、一気に常温からＡ１変態点以上まで加熱される。また、高周波電極３０（対向辺部３１，３２）は、急加熱するために、熱処理対象部に対して数ｍｍ以下（例えば、１〜３ｍｍ）の離間距離となるように設定される。

また、本発明によれば、プレス加工による伸びフランジ部に生じる引張りの残留応力をその部位への熱処理によって低減でき、あるいはゼロにでき、あるいは圧縮の残留応力が生じた状態とすることができ、それにより、製品の耐久性を向上させることができる。

（試験例）
（試料）
供試材料として、自動車用極軟鋼薄鋼板SPCC/t1.0、SPCC/t0.5、SPHC/t1.2、および自動車用低炭素薄鋼板SPFC440/t0.6を用いた。表１は、ミルシートによる化学成分を示す。炭素含有量は、SPCC/t1.0は0.002 mass％、SPHC/t1.2は0.050 mass％、SPCC/t0.5は0.040 mass％、SPFC440/t0.6は0.120 mass％である。

（熱処理）
高周波電源は、容量30kWの汎用装置を用いた。SPCC/t1.0、とSPHC/t1.2については、比較のために電気炉焼入れも行った。図７は、自動車用薄鋼板に加熱と冷却を施すことによる目標温度履歴曲線を示す。温度の計測は、サーモグラフィーを使用し、図６に示したように測定した。表２は、その熱処理条件を示す。

（引張り試験）
SPCC/t1.0、SPCC/t0.5、SPHC/t1.2、およびSPFC440/t0.6各試料は、熱処理した部分をワイヤー放電加工によって切り出し、図８に示すJIS−Z2201規定13Ｂ号の試験片形状とした。精密万能試験機（AG-250kNG、島津製作所製）を用いて、表３に示す試験条件で引張試験を行い、それぞれの試料の引張り強さや破断伸びなどを評価した。

（ミクロ組織観察）
熱処理を行った試料表面には酸化膜が付着しているため、耐水研磨紙で取り除き、試料表面を鏡面に仕上げた。その後、腐食液としてピクラール（アルコール：ピクリン酸＝100：5）を用い、10〜30秒程度の浸漬によりエッチングを行った。

（実験結果）
・SPCC/t1.0およびSPHC/t1.2について
図９は、SPCC/t1.0の応力−ひずみ曲線を示し、図１０は、SPHC/t1.2の応力−ひずみ曲線を示す。SPCC、SPHC共に、高周波焼入れを行うことにより、素材と比較すると、引張強さについては、約300MPaから約600MPaまで2倍程度増加している。一方で、破断伸びについては、約40％から20％未満に、1/2程度減少している。これらの結果から、炭素含有量0.1%以下（Mn1.5%以下）、さらには、炭素含有量0.05%以下（Mn0.5%以下）の自動車用極軟鋼薄鋼板でも熱処理による強度増加が可能であると言える。

電気炉焼入れのSPCCについては、引張強さについては約400MPaとなり、高周波焼入れの試料と比較すると低い値を示した。一方、SPHCについては、引張強さについては高周波焼入れと同様であるが、破断伸びは10％未満となり、延性が極端に少なくなっている。電気炉焼入れの引張強さおよび破断伸びの違いについては、SPCCでは炭素含有量0.002 mass％であるのに対し、SPHCでは炭素含有量0.05 mass％であり、炭素含有量が異なることが原因と考えられる。

図１１は、SPCC/t1.0とSPHC/t1.2の各試料のミクロ組織の観察結果を示す。（ａ）が素材、（ｂ）が高周波焼入れを行ったもの、（ｃ）が電気炉焼入れを行ったもので、いずれも左列がSPCC、右列がSPHCである。

素材では、SPCC、SPHC共に平均結晶粒径が10μｍ程度の典型的なフェライト組織となっていることがわかる。素材に高周波焼入れを行うことにより、SPCC、SPHC共に結晶粒径1〜3μｍの微細な結晶粒が10μｍ程度の結晶の粒界に分散した混粒組織となっている。一方で、電気炉焼入れでは、SPHCの方はほぼ全域にわたって、数10μｍの粒界の中にパケット、ブロックおよびラスが認められるラスマルテンサイト組織となっている。

ミクロ組織の観察結果から、高周波焼入れによって、結晶粒径1〜3μｍの微細な結晶粒が10μｍ程度の結晶の周囲に分散した混粒組織に変化したと推定され、これが強度向上に関連していると考えられる。以上から、通常は焼入れの対象にならない自動車用極軟鋼薄鋼板でも、冷却速度を十分高めることができる熱容量の小さい薄板であれば、焼入れによる強化が期待できることが確認された。

次に、SPCC/t0.5は、図１２に示すような温度履歴で、試料を作成した。それぞれ、急加熱により、１〜2秒でA1変態点（723℃）以上の温度になっている。最高温度の違いにより水冷ノズルで急冷される直前の温度は、試料BではA1変態点（723℃）未満であり、試料CではA1変態点（723℃）以上であった。

これら試料と素材（試料A）について、図１３に応力−ひずみ曲線を、図１４にミクロ組織を示す。引張り試験結果から、引張り強さ320MPa、破断伸び45％の素材（試料A）（図１４（ａ））と比べると、A1変態点直下から急冷した試料B（図１４（ｂ））では、引張り強さ590MPaで約2倍、破断伸び20％で約1/2を示している。さらに、A1変態点直上から急冷した試料C（図１４（ｃ））では、引張り強さ840MPaで約2.7倍、破断伸び20％で約1/4を示している。これらの試料のミクロ組織を調べると、上記したSPCCおよびSPHCの結果と同様に、平均結晶粒径10μｍ程度のフェライト組織を示す素材（試料A）が、試料Bでは結晶粒径1〜5μｍの微細な結晶と10μｍ以上の結晶が混ざった組織に変化しており、試料Cではマルテンサイト組織に変化している。

SPFC440/t0.6は、図１５に示すような温度履歴で試料を作成した。それぞれ、急加熱により、１〜2秒でA1変態点（723℃）以上の温度になっている。時間経過の違いにより水冷ノズルで急冷される直前の温度は、試料BではA1変態点（723℃）未満であり、試料CではA1変態点（723℃）以上であった。

これら試料と素材（試料A）について、図１６に応力−ひずみ曲線を、図１７にミクロ組織を示す。引張り試験結果から、引張り強さ450MPa、破断伸び35％の素材（試料A）（図１７（ａ））と比べると、A1変態点直下から急冷した試料B（図１７（ｂ））では、引張り強さ830MPaで約2倍、破断伸び17％で約1/2を示している。さらに、A1変態点直上から急冷した試料C（図１７（ｃ））では、引張り強さ1220MPaで約2.7倍、破断伸び10％で約1/4を示している。これらの試料のミクロ組織を調べると、平均結晶粒径6μｍ程度のフェライト組織を示す素材（試料A）が、試料Bでは平均結晶粒径2μｍに微細化している。一方、試料Cでは平均結晶粒径3μｍに微細化するとともに、一部にマルテンサイト組織が認められる。このことから、プレス加工により所定形状に加工した後に本発明の熱処理を適用することにより、980MPa以上の引張り強さを備えた薄肉鋼加工品が得られることがわかる。

上記試験から明らかなように、SPCC/t1.0、SPCC/t0.5およびSPHC/t1.2の炭素含有量は0.05％以下であり、焼入性を向上させるMnなど合金元素は特別には含有していない。一方、SPFC440は、炭素含有量は0.12 mass％でマンガンも1.06 mass％あり、SPCC、SPHCに比べて焼入れ性を向上させる合金元素は、特別には入れていないが、焼入れ性は大きくなっていると考えられる。これら自動車用極軟鋼薄鋼板、自動車用低炭素薄鋼板は、通常の焼入れを施しても強化しにくいこいとが定説である。しかしながら、SPCC/t1.0、SPCC/t0.5、SPH C /t1.2、SPFC440/t0.6などの低炭素薄鋼板を上記した条件で高周波焼入れすると、混粒組織や微細組織が得られ、極端な脆化を伴わずに強度向上ができることが明らかとなった。

特に、上記した試験では、高周波誘導加熱と直後の水冷により、図１２および図１５の温度履歴に示すように、1〜2秒で800〜1,000℃まで急加熱され、A1変態点付近から0.5秒程度で100℃以下に急冷却されている。そして、比較的低い温度（A1変態点未満）から急冷した場合はフェライトの単相の混粒組織や微細組織が得られ、比較的高い温度（A1変態点以上）から急冷した場合はマルテンサイトの単相組織、あるいは、マルテンサイト相とフェライト相の二相でかつ粒径の異なるものが混じり合った混粒組織が得られる。これらの組織変化は、特に、冷却速度が1000℃/s程度と極めて大きいことに起因しているものと考えられる。従って、一つの部材に対して部分的に異なる条件で熱処理を行うことにより、すなわち、A1変態点未満から急冷する領域、A1変態点以上から急冷する領域といったように、熱処理条件を部分的に変えることにより、複数の物理的特性をもった部材を提供できる。

（自動車用シートフレームへの適用）
SPCC/0.5tとSPFC440/0.6tの薄板を図１８（ｃ），（ｄ）に示したようにヘミング加工して閉断面をつくり、図１８（ａ），（ｂ）に示した自動車用シートフレームのサイドフレームを作った。ヘミング加工した部分を熱処理した。ヘミング加工した部分に熱処理を施し、折り返し部分１１は、マルテンサイト相の単相組織となり、対面部位２１は、粒径1〜5μｍの微細な結晶と10μｍ以上の結晶が混ざったフェライトの単相の混粒組織となっていた（図３参照）。この自動車用シートフレームに対して、図１９（ａ）の矢印Aの位置に、人体を模したモデルによって荷重を下方に負荷した。図１９（ｂ）はそれにより座屈したときの様子を示した図である。図２０は、フレームからの反力と変位の解析結果である。図２０から、熱処理を施すことで、座屈現象が無くなり、２倍強の反力が生まれたことが分かる。以上のことから、成形性のよい軟鋼板を素材としたプレス成形品に高周波焼入れを施すと共に部分的に異なる物理特性を一つの部材（例えばサイドフレーム）に設定することにより、例えば自動車を構成する種々の構造部品に関して、強度を損なうことなく軽量化が可能であることがわかった。

Claims (14)

1. 薄肉鋼を所定形状にプレス加工してなる薄肉鋼加工品であって、
   一つの部材中に、物理的特性の異なる複数の領域が熱処理により形成されており、
   前記複数の領域中の一部の領域の引張り強さが９８０ＭＰａ以上であることを特徴とする薄肉鋼加工品。
2. 前記複数の領域は、熱処理条件を領域毎に異ならせることにより、マルテンサイトの単相組織、マルテンサイトとフェライトの二相組織、又は粒径の異なる結晶粒を複数有する混粒組織に制御して得られる請求項１記載の薄肉鋼加工品。
3. 前記複数の領域は、引張り強さ、延性及び引張りの残留応力の少なくとも一つの物理的特性が異なる請求項１又は２記載の薄肉鋼加工品。
4. 前記薄肉鋼の板厚が１．０ｍｍ以下である請求項１〜３のいずれか１記載の薄肉鋼加工品。
5. 前記薄肉鋼の板厚が０．８ｍｍ以下である請求項４記載の薄肉鋼加工品。
6. 前記薄肉鋼がヘミング加工により形成された重なり部に対して熱処理が施され、この重なり部における折り返し部位とその対面部位とが前記熱処理による高強度化と同時に溶着されている請求項１〜５のいずれか１に記載の薄肉鋼加工品。
7. 前記部材が、シートフレームを形成しているいずれかの板状のフレームである請求項１〜６のいずれか１に記載の薄肉鋼加工品。
8. 薄肉鋼を所定形状にプレス加工してなる薄肉鋼加工品の熱処理方法であって、
   ４００℃／秒以上の加熱速度で常温からＡ１変態点より高温に至るまで急加熱する急加熱工程と、
   前記急加熱工程後、８００℃／秒以上の冷却速度で急冷する急冷工程と
   を有し、
   熱処理対象の部材に対し、前記急加熱工程の加熱温度の調整、又は、前記急冷工程の急冷開始温度をＡ１変態点以上とするかＡ１変態点未満とするかにより、物理的特性の異なる複数の領域を形成し、その一部の領域を引張り強さ９８０ＭＰａ以上に制御することを特徴とする薄肉鋼加工品の熱処理方法。
9. 前記薄肉鋼が複数枚重なり合っている重なり部に対し、前記急加熱工程と前記急冷工程を施して熱処理することを特徴とする請求項８記載の薄肉鋼加工品の熱処理方法。
10. 前記重なり部が、ヘミング加工により形成されている請求項９記載の薄肉鋼加工品の熱処理方法。
11. 前記ヘミング加工により形成された重なり部における折り返し部位とその対面部位とを、前記急加熱工程と前記急冷工程により、高強度化と同時に溶着する請求項１０記載の薄肉鋼加工品の熱処理方法。
12. 前記対面部位に隣接する部分に外方に突出させた突起部が形成されており、該突起部が前記急加熱工程により溶融し、前記折り返し部位と対面部位との間に侵入する構成である請求項１１記載の薄肉鋼加工品の熱処理方法。
13. 前記急加熱工程における加熱速度が１０００℃／秒以上である請求項９〜１２のいずれか１に記載の薄肉鋼加工品の熱処理方法。
14. 前記急冷工程における冷却速度が１０００℃／秒以上である請求項９〜１３のいずれか１に記載の薄肉鋼加工品の熱処理方法。