JP2015157972A - 通電加熱成形用鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】通常と同一の通電条件であってもより短時間で目標加熱温度まで到達する、通電加熱における加熱速度の速い鋼材を提供する【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．５０％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｔｉ：０．０１〜０．０３％、Ｂ：０．０００３〜０．０１％、Ｎｂ：０．０１〜０．１％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学成分を有し、ＳｉとＭｎの含有量が（１）式を満足することを特徴とする、通電加熱用鋼板。１．５≰１．５?〔Ｓｉ％〕＋０．５?〔Ｍｎ％〕＋１．０?〔Ｃｒ％〕≰４・・・（１）【選択図】図１

Description

本発明は、鋼板を直接通電加熱で加熱した後に急冷する工法、または、直接通電加熱で加熱した後に直ちに塑性加工を施して急冷する工法に好適な、通電加熱用鋼板に関するものである。

通電加熱法は、材料（導電体）に直接通電することで、発生するジュール熱により材料を加熱する方法である。鋼材を用いた部品製造における通電加熱法の利用例としては、中空スタビライザーの熱処理への利用例（たとえば特許文献１） 、熱間プレス加工への利用例（たとえば特許文献２、特許文献３）などがある。いずれの場合も、通電加熱法を利用する最大の狙いは、急速加熱が可能なことにある。すなわち、一般的な熱処理炉ではガスなどの熱媒体からの熱伝導や、発熱体からの輻射熱を熱源として加熱対象材を加熱するのに対し、通電加熱では加熱対象材自体がジュール熱で発熱するために、目標温度までの加熱時間が圧倒的に短いことが特徴である。

しかし、加熱速度が速い反面、通電加熱法は、加熱温度の精度の面では不利な点を有している。すなわち、温度上昇が急速であるために、目標温度に対してオーバーヒートが発生しやすく、加熱対象材の加熱温度を精度よく（すなわち狭い温度範囲に）制御することが難しい。さらには、加熱品の形状（断面積）によりジュール熱による温度上昇に不可避的な差が生じ、温度差が生じることも本質的かつ重要な問題点である。通電加熱法が、不可避的に加熱対象材の温度ムラを生じるものであるとすれば、温度ムラによる材質劣化に十分な配慮が必要になる。以上のように、中空スタビライザーの熱処理や熱間プレス加工のような、鋼材への通電加熱法を用いる場合、次の３つの課題が存在する。
１）加熱速度の向上
２）加熱温度の精度向上（チャージ毎の温度の再現性、加熱対象材の部位毎の温度ムラの解消）
３）オーバーヒート部位の材質劣化への対策

まず、１）の加熱速度の向上については、加工サイクルの短縮化に繋がると同時に、電気エネルギーの低減にも繋がるため重要である。また、加熱速度が向上し加工サイクルが短縮化すれば、加熱中の鋼材の表面酸化や脱炭も低減でき、材質面でも有利である。２）の加熱温度の精度向上は、加熱対象材の部位毎の温度ムラを低減させることで、冷却後の鋼材の材質特性の安定化をもたらす。３）については、加熱対象材の部位毎の温度ムラが激しい場合に、局部的に目標加熱温度を大きく上回るオーバーヒートが発生し、鋼材の金属組織において、旧オーステナイト結晶粒径の粗大化が起り、それに伴い靭性が劣化することへの対策である。オーバーヒートが起った場合においても、材質劣化が十分に抑制されていることは、実用上大きなメリットがある。

１）〜３）の課題を解決するにおいて、鋼材の化学成分や組織形態を最適化することによって、通電加熱に最適な材質を設計することは非常に有意義である。通電加熱に好適な鋼材を提供するものとしては、例えば特許文献３では、比較的粗大な炭化物の比率を小さく制御することで、通電加熱などの短時間急速加熱において容易にオーステナイト化できる方法が開示されている。しかし、この例は短時間の加熱で適切な熱処理組織を得やすくする方法であり、加熱速度そのものを高める工夫がなされているわけではない。

特開２０００−１１８２２４号公報 特開２００７−２６０７６１号公報 特開２０１１−１９５９５８号公報

本発明は、このような課題を解決するために案出されたものであり、鋼材の化学成分と金属組織を適切に設計することで、通常と同一の通電条件であってもより短時間で目標加熱温度まで到達する、通電加熱における加熱速度の速い鋼材を提供するものである。加熱速度が向上することで得られる効果は、加熱時間を短縮できることによる省電力化が可能であるばかりでなく、加熱温度の温度ムラを低減させる効果も併せて期待できる。すなわち、通常の鋼材を目標温度まで加熱するために要していた時間が短縮できるので、短縮された時間を、熱拡散による温度ムラ低減に使用することが可能となる。言い換えれば、加熱速度に余裕が生まれるために、温度制御の自由度が高まるということもできる。

本発明らは、鋼材の電気抵抗を高めることによって通電加熱時の加熱速度を向上させることと、通電加熱材の問題点である、温度ムラまたはオーバーヒートの発生による材質への悪影響を最小限に抑えることが、鋼成分の適切な配分によって同時に達成可能であることを見出した。

すなわち、この目的は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．５０％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｔｉ：０．０１〜０．０３％、Ｂ：０．０００３〜０．０１％、Ｎｂ：０．０〜０．１％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学成分を有し、ＳｉとＭｎの含有量が（１）式を満足することを特徴とする、通電加熱用鋼板によって達成される。
１．５≦１．５×〔Ｓｉ％〕＋０．５×〔Ｍｎ％〕＋１．０×〔Ｃｒ％〕≦４・・・（１）

まず、鋼材の電気抵抗は、置換型合金元素量を高めることによって上昇させることができる。中でも、Ｓｉ添加による電気抵抗値の上昇効果は大きく、ＭｎやＣｒも添加量に応じて電気抵抗値を高める。ただし、電気抵抗値を高める合金元素の増量は、合金コスト上昇、塑性加工性の劣化、製造性の劣化、最終製品での靭性劣化につながる場合が多く、おのずから添加量に上限がある。さらに、通電加熱を行なう目的には、鋼製部品を短期間かつ低コストで製造することや、熱間プレス加工においては冷間プレスでは不可能な高い加工度を付与したい狙いがある場合が多い。よって、加熱速度の速い通電加熱用鋼として利用するためには、加熱速度と、その他の要素を両立させた、最適な合金設計を見出さなければならない。

また、もう一つの課題として、オーバーヒートが発生した場合にも、材質の劣化が最小限に抑えられるよう、対策を行なっておくことも極めて重要である。オーバーヒートによって材質が劣化する原因としては、次の２つが考えられる。
１）加熱温度が高いことによる、旧オーステナイト結晶粒径の粗大化と、それに伴う衝撃強度の低下または衝撃遷移温度の上昇。
２）加熱温度が高いことによる、表面脱炭または粒界酸化の進行と、それに伴う強度低下。

本発明者らは、この点に関する実験を積み重ね、次の結果を得た。すなわち、電気抵抗値を高めるためには、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの添加量を高めること、オーバーヒートによる材質劣化を抑制するためには、Ｂ添加が有効であること、そして、これらの最適なバランスを確保することで、通電加熱用鋼として最高のパフォーマンスを発揮できること明らかにした。Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒなどの合金元素を鋼中に添加することで電気抵抗値が上昇することは周知の事実であるが、これを通電加熱用鋼に応用した例は公知とされていなかった。また、仮にＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等の合金元素を増量添加して電気抵抗値を高めた鋼があっても、通電加熱に特有の課題であるオーバーヒート部の材質劣化の対応がなされていなければ、工業用材料としての有用性にはおのずと限界があったといわざるを得ない。

本発明によれば、短時間での加熱が可能な通電加熱用鋼材を提供できる。

通電過熱による鋼材の温度変化を示した図である。

本発明における化学成分その他の限定理由について述べる。化学成分はすべて質量％である。
[Ｃ：Ｃ：０．１０〜０．５０％]
Ｃは鋼材を熱処理した際に目標の強度を得るために最も重要な元素である。本発明が対象とする通電加熱法および加熱後の急冷で十分な強度を確保するためには、Ｃ量は０．１％以上必要である。Ｃ量が０．５％を越える場合は、通電加熱による短時間加熱で組織形態を適切に制御することは困難性を増すので、上限は０．５％とする。

[Ｓｉ：０．１〜２．５％]
Ｓｉは、本発明において、鋼材の電気抵抗値を高める効果を発揮する重要な元素である。Ｓｉ量が多ければ多いほど、鋼材の電気抵抗値は高まるものの、Ｓｉの多量添加は鋼材の靱性を損なうことがある。また、Ｓｉは鋼材の変態点を上昇させる効果も有するために、オーステナイト化するための加熱温度を高める必要が生じ、本発明に逆効果をおよぼす場合がある。よって、Ｓｉ量の上限は２．５％とする。下限については、同様の効果を有するＭｎ、Crの添加量との兼ね合いで決定すべきであり、十分な量のＭｎやＣｒが添加させる場合にはＳｉ量は少なくても構わないが、Ｓｉが有する精錬時の脱酸効果を有効に利用するために、０．１％を下限とする。

[Ｍｎ：０．５〜２．０％]
[Ｃｒ：０〜２．０％]
ＭｎもＣｒも、Ｓｉ同様、 鋼材の電気抵抗値を高める効果を有する。ただし、電気抵抗値を高める効果はＳｉより小さい。その他、焼き入れ性の向上効果もある。ＭｎやCrを過剰添加すると、素材の加工性を損なう場合があるので、上限添加量はそれぞれ２．０％、２．０％である。下限については、同様の効果を有するＳｉの添加量との兼ね合いで決定すべきであり、十分な量のＳｉ量や、Ｍｎ量またはCr量によっては、添加下限はそれぞれ０．５％、０％（無添加）でよい。

[Ｐ：０．０３％以下]
[Ｓ：０．０３％以下]
Ｐ、Ｓは不純物元素であり、低い添加量に制限されるべき元素である。本発明が対象とする用途の場合、Ｐ、Ｓは０．０３%以下に抑えられていれば不具合が生じることはない。

[Ｂ：０．０００３〜０．０１％]
Ｂは、オーバーヒートされた部位で旧オーステナイト結晶粒径が著しく粗大化した場合に靱性劣化を抑制する、本発明において、最も重要な元素の一つである。また、Ｂは少量添加で効果的に焼入れ性を向上させる効果も有する。靱性向上のためには、下限添加量は０．０００３％以上であることが重要である。上限については、Ｂの過剰添加で特性劣化する可能性は低いが、０．０１％以上添加する合理的理由は見当たらない。

[Ｔｉ：０．０１〜０．０３％]
Ｂを添加する目的である、靱性と焼入れ性向上には、Ｂの存在状態としては、オーステナイト結晶粒界近傍に固溶状態で存在することが必要と考えられる。Ｂは鋼中のＮと結合してＢＮを生成しやすいので、上記目的のためには、ＢをＮと結合させず、固溶状態で保持する必要がある。ＴｉはＮと結合してＴｉＮを生成しやすい性質があるので、鋼中にＴｉを添加することで固溶Ｎを低減させ、ＢＮの生成を効果的に抑制することができる。また、Ｔｉを添加すると微細なＴｉＣが組織中に析出することにより旧オーステナイト結晶粒径が微細化されるので、靱性向上に効果がある。ＢＮ生成を抑制する目的でのＴｉの適性添加量は、下限は０．０１％が必要である。過剰に添加するとＴｉＣ量が増加して、素材加工性の劣化や、焼入れ時の硬さ低下をもたらすので、上限は０．０３％とする。

[Ｎｂ：０．０〜０．１％]
Ｎｂを添加すると微細なＮｂＣが組織中に析出することにより旧オーステナイト結晶粒径が微細化されるので、靱性向上に効果がある。この目的でＮｂを添加する場合、０．０１％以上添加することが好ましいが、用途によっては必ずしもＮｂを添加する必要はない。過剰に添加するとＮｂＣ量が増加して、素材加工性の劣化や、焼入れ時の硬さ低下をもたらすので、上限は０．１％とする。

[（１）式・・・１．５≦１．５×〔Ｓｉ％〕＋０．５×〔Ｍｎ％〕＋１．０×〔Ｃｒ％〕≦４]
鋼中に添加することで電気抵抗値を上昇させる効果の大きさは元素ごとに異なっている。本発明が利用するＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの中で最も効果が大きいのはＳｉであるが、ＭｎやＣｒで補完することも可能である。また、いずれの元素も過剰添加は素材加工性や経済性の面で避けるべきである。このことから、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの添加量は、それらを複合添加した場合にも上限下限を持つ。（１）式で表すと、１．５を下回ると電気抵抗値の上昇が不十分で、通電加熱用鋼として十分な効果を発揮しない。４を超えると電気抵抗値は十二分に高まるものの、素材の加工性劣化が大きくなる。よって（１）式の下限は１．５、上限は４とする。

表１に示す化学成分を有する鋼を、真空溶解炉にて成分調整し鋼塊し、熱間鍛造、熱間圧延を行い、板厚５ｍｍの熱延鋼板とした。その後、酸洗により表面の酸化スケールを除去した後、板厚４ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ４００ｍｍの帯状試験片を採取し、通電加熱を行なった。通電加熱は、試験片の両端に電極を固定し、電流５０００Ａで一定となるよう電圧を印加した。試験片の中央には熱電対を設置し、試験片の温度が６００℃、９００℃に到達するまでの所要時間を測定した。また、通電加熱後に急冷した鋼材を模擬したものとして、９００℃または１０５０℃に保持したソルトバスにて鋼材を３分加熱して油焼入れし、１５０℃で３０分焼戻しを行い、金属組織観察とシャルピー衝撃試験を行なった。シャルピー衝撃試験には、ＪＩＳ３号サブサイズ２ｍｍＶノッチ衝撃試験片を用いた。衝撃試験は室温にて行なった。

使用した鋼は、表１に示す９種である。鋼Ｄ〜鋼Ｇは本発明による化学成分を有するものであり、鋼Ａは（１）式およびＢ，Ｔｉ添加量が過少、鋼Ｂと鋼Ｃは（１）式が過少、鋼ＨはＢ，Ｔｉが過少、鋼ＩはＣ過多である。

表１に示した化学成分の熱延板を用いて、通電加熱による加熱速度を計測した。代表例として、鋼Ｂと鋼Ｄの結果を図１に示す。それぞれの鋼の電気抵抗値（体積抵抗値）は、鋼Ｂは１７．２μΩ・ｃｍ、鋼Ｄは２２．４μΩ・ｃｍであり、鋼Ｄの方が高い。試験片温度が６００℃または９００℃に到達するまでの時間を計測し、鋼Ａを基準とした時間短縮率を比較した結果を表２に示す。鋼Ｄ、Ｅでは時間短縮率が１８〜２４％であり、加熱速度が上昇していることが示されている。試験番号４（鋼Ｄ）は本発明範囲にある化学成分であり、通電加熱による加熱速度上昇の効果が顕著に現れたものである。試験番号５（鋼Ｅ）は本発明範囲外にある化学成分を有しているが、加熱速度向上に関わる（１）式の値は本発明の必要要件を満たしており、加熱速度の効果は十分に発揮できたと考えられる。試験番号１〜３については、各温度までの加熱速度は鋼Ｄより明らかに遅く、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ添加量または（１）式に示す本発明の要件を満たしていないために加熱速度上昇の効果は現れない。

表３には、各鋼を所定の温度に加熱し焼入焼戻しを行った場合の、断面硬さとシャルピー衝撃試験結果を示す。偶数の試験番号は加熱温度９００℃の結果、奇数の試験番号は加熱温度１０５０℃の結果を示したものである。加熱温度９００℃は適正な焼入れが行なわれた場合を想定し、加熱温度１０５０℃はオーバーヒート部位を想定したものである。

試験番号１０（鋼Ａ）は板厚中心部に不完全焼入れ組織（微細パーライト）が生成し、断面硬さは４００ＨＶ未満となった。試験番号１２（鋼Ｂ）は、板厚中心部まで健全な焼入焼戻し組織であり、断面硬さは約５００ＨＶであった。鋼Ａは焼入れ性が不十分で、板厚中心部では焼入れ不良が生じたものであるが、鋼ＢはＢ添加による焼入れ性向上効果により板厚中心部でも十分な断面硬さが得られた。試験番号１１（鋼Ａ）と試験番号１３（鋼Ｂ）は、オーバーヒート部位を想定した高温加熱焼入れを施しているが、試験番号１１では試験番号１０に比べて衝撃値が著しく低下している。これは高温加熱により旧オーステナイト粒径が粗大化した結果、脆性破壊を起こした結果である。しかし、試験番号１３はし件番号１２と同様に高い衝撃値を示している。試験番号１３でも高温加熱により旧オーステナイト粒径が粗大化したものの、Ｂ添加による靱性向上効果が発現されて高い靱性を示したものである。

次に試験番号２４〜２５は、比較鋼である鋼Ｈで同様の試験を行なった結果である。９００℃加熱焼入れの場合に比べてオーバーヒート部位を想定した高温加熱焼入れでは試験番号２５（鋼Ｈ）において衝撃値の劣化が認められる。これは、鋼ＨはＢが添加されていないため、高温加熱による旧オーステナイト粒径粗大化に伴い脆性破壊を起こしたものである。試験番号２６，２７は、鋼Ｉが過剰なＣを含有しているために靭性不足となったものである。これに対し、試験番号１４〜１９は本発明鋼（鋼Ｄ〜鋼Ｇ）の結果であり、焼入焼戻し後の断面硬さ、衝撃特性ともに優れており、オーバーヒート想定での衝撃特性劣化もまったく認められない。

表１では通電加熱速度について、表２ではオーバーヒート部位の靱性について評価した。いずれの観点においても優れた特性を示したのは鋼Ｄ、鋼Ｅ、鋼Ｆ、鋼Ｇである。すなわち、本発明鋼は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒを適量含有することで通電加熱時の加熱速度が速く、万一のオーバーヒート発生事態においても靱性が保たれることを示している。

Claims (1)

1. 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．５０％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｔｉ：０．０１〜０．０３％、Ｂ：０．０００３〜０．０１％、Ｎｂ：０．０〜０．１％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学成分を有し、ＳｉとＭｎの含有量が（１）式を満足することを特徴とする、通電加熱用鋼板。
   １．５≦１．５×〔Ｓｉ％〕＋０．５×〔Ｍｎ％〕＋１．０×〔Ｃｒ％〕≦４・・・（１）

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