JP2020501017A - 熱間成形された物品の製造方法及び得られた物品 - Google Patents
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Abstract
Description
(a)鋼ブランクを温度T1に加熱し、時間t1の間、加熱された前記鋼ブランクを温度T1に保持する工程であって、温度T1がAc1〜Ac3+200℃の範囲内にあり、時間t1が12分以下である工程、
(b)加熱された前記鋼ブランクを搬送時間t2で熱間成形ツール(hot-forming tool)に搬送する工程であって、搬送時間t2の間に、加熱された前記鋼ブランクの温度が温度T1から温度T2に低下し、温度T2がAr1より高く、搬送時間t2が12秒以下である工程、
(c)前記熱間成形ツール内の前記鋼ブランクを物品に成形し、前記熱間成形ツール内において、25℃/秒以上の冷却速度V2で温度T2から温度T3まで急冷(quenching)する工程、
(d)時間t4の間、温度T4で前記物品を等温に保持する工程、
(e)温度T3及び/又は温度T4がMs〜Mfであり、時間t4が10秒を超え、かつ、10分未満であり、
(f)冷却速度V4で温度T4から室温まで前記物品を冷却する工程
を含む、方法によって達成される。
以下の元素:
C:0.10〜0.50、好ましくは0.15〜0.40、さらに好ましくは0.20〜0.35、
Mn:0.50〜4.00、好ましくは1.00〜3.00、さらに好ましくは1.00〜2.50、
Si:2.0以下、好ましくは0.1〜2.0、さらに好ましくは0.1〜1.6、
Al:2.0以下、好ましくは1.0以下、さらに好ましくは0.5以下、
Cr:1.5以下、好ましくは1.2以下、さらに好ましくは0.001〜1.1、
Ti:0.10以下、好ましくは0.05以下、さらに好ましくは0.04以下、
B:0.008以下、好ましくは0.005以下、
Nb:0.10以下、好ましくは0.05以下、さらに好ましくは0.001〜0.05、
を含み、
場合により、
V:0.2以下、好ましくは0.1以下、
Ca:0.003以下、好ましくは0.0003〜0.003、
N:0.005以下、好ましくは0.003以下、
P:0.015以下、
S:0.03以下、好ましくは0.01以下、
Mo:0.5以下、好ましくは0.05以下、
Cu:1.0以下、
Ni:1.0以下
から選択される1種又は2種以上の元素を含み、
残部がFe及び不可避的不純物である。
Cは、高強度を確保するために必須の元素である。Cは0.10%以上の量で添加されて必要な複合相ミクロ組織を形成し、そして、高強度及び高延性を達成する。より具体的には、変態区間オーステナイト化温度(intercritical austenization temperature)とともに、C含有量はフェライトの体積及び残りのオーステナイトの炭素含有量を決定し、それはBs及びMs点並びにベイナイト形成速度を制御する。C含有量が0.50を超えると、鋼板の靭性及び溶接性が劣化する可能性が高い。C量は、好ましくは0.15〜0.40の範囲、さらに好ましくは0.20〜0.35の範囲で存在する。
Mnの機能は、オーステナイトを安定化させること、及び所望の多相ミクロ組織を得ることである。マンガン含有量は、鋳造中のMnの偏析(segregation)を最小限に抑え、かつ自動車用抵抗スポット溶接技術にとって十分に低い炭素当量を維持しながら、適切な置換型固溶強化、適切な焼入れ硬化性及び周囲温度でのオーステナイトの適切な安定化をもたらすために0.50以上である。Mn含有量が0.50未満であると、フェライト−オーステナイト二相領域で鋼を熱処理することによって鋼の意図する高強度を達成することが困難である。Mn含有量が4%を超えると、鋼板の溶接性及び熱間圧延性が低下するおそれがある。さらに、MnはAc3温度を下げるのに有用な元素である。より高いMn含有量は、ホットプレス成形に必要な温度を下げるのに有利である。好ましくは、Mn含有量は1.0%〜3.0%の範囲に制限される。有利には、マンガンは1.00〜2.50の範囲内である。
Siは、固溶強化に有効な元素であり、残留オーステナイトの分解による炭化物の生成を抑制するのに有用である。ある量のSiは、ベイナイト形成中の脆いセメンタイトの析出を抑制し、それゆえ、成形性及び靭性の改善をもたらす。Siは鋼の変態区間温度範囲(intercritical temperature range)を広げることがさらに知られている。しかしながら、Siは、鋼基材に付着した酸化物が形成されるためにコーティング性が悪化することも知られている。したがって、Si量は2.0以下、好ましくは0.1〜2.0の範囲内である。コーティング性の観点から、良好なコーティング性/めっき性を有する物品が望まれる場合、Siの含有量は0.1〜1.0の範囲内であることが好ましい。より高い延性を有する鋼製品を目的とする場合、Si含有量は1.0〜2.0の範囲内であることが好ましい。
Alは、溶接性を維持し、製鋼及び鋳造中の「ノズル閉塞(nozzle blockage)」を最小限に抑えるために2.0以下に制限されている。Alは、特に残留オーステナイトの分解による炭化物の生成を抑制するのに有用な元素である。同量のAlによるSiの部分的置換は、鋼中の溶融めっき性に有害な影響を与えることなく炭化物形成を効果的に遅らせることが示されている。しかしながら、Alの濃度が高いとポリゴナルフェライトが生成される可能性が高くなり、強度面では微細板(fine plate)フェライトよりも効果的ではない。好ましくは、Alは1.0以下に制限され、さらに好ましくはAlは0.5以下である。
Pは、鋼の変態区間温度範囲を広げることが知られている。Pも所望の残留オーステナイトを維持するのに有用な元素である。しかしながら、過剰に添加すると、鋼の加工性を低下させるおそれがある。それゆえ、Pは、鋼中のその通常の許容限界である0.015重量%以下を超えて意図的に添加することはできない。
硫黄は、有害な非金属介在物を最小限に抑えるために最小限に抑える必要がある。Sは、MnS等の硫化物系介在物を形成し、これが割れを生じさせ、加工性を低下させる。したがって、S量をできるだけ少なくすることが望ましい。それゆえ、硫黄含有量は0.03以下、好ましくは0.01以下に制限される。
Mo及びCrは、鋼の焼入性を改善し、ベイナイトフェライトの形成を促進する元素であり、同時に、残留オーステナイトを安定化させるのに有用な同様の有効性を有する元素である。そのため、Mo及びCrはプロセス制御に非常に有効である。好ましくは、Mo及びCrはそれぞれ0.001%以上の量で存在する。しかしながら、それらの各々を過剰に添加すると、その効果は飽和し、そのプロセスは経済的ではない。したがって、Moの量は0.5以下、好ましくは0.05以下に制限される。Crは1.5以下、好ましくは1.2以下に制限される。有利なCrは0.001〜1.1の範囲内である。
Ti、Nb及びVは、強化析出物を形成し、ミクロ組織を微細化する効果がある。鋼は十分な強度レベルを持つべきである。初析晶(proeutectoid)及びベイニティックフェライト等の軟質相のため、最終製品の強度は標準の熱間成形材料よりも低くなる可能性がある。この強度の低下を補うために、Nb、Ti及びVのようなマイクロアロイ元素を個々に又は組み合わせて添加することができる。当該元素は、結晶粒微細化及び析出硬化によって強度を高める。結晶粒微細化は、特に高度に局在化した歪みが導入されているときに、熱間成形挙動を改善するより均質なミクロ組織をもたらす。したがって、Ti及びNbの量はそれぞれ0.1以下、好ましくは0.05以下に制限される。有利には、Tiは0.04以下であり、及び/又はNbは0.001〜0.05の範囲内である。Vの量は0.2%以下、好ましくは0.10以下に制限される。
Caは、鋼中の硫化物の形態を制御し、加工性を向上させるのに有効な元素である。しかしながら、Caは0.0003%以上含有させることが推奨される。しかし、過剰に添加しても効果は飽和する。したがって、その量を0.003%以下に抑えることが好ましい。
Bは、22MnB系鋼板の焼入れ性を高め、焼入れ後の強度を安定的に確保する効果をさらに高めるために重要な元素である。しかしながら、Bは比較的高炭素含有鋼のための任意元素である。Bを使用する場合、B量は、好ましくは0.008以下、さらに好ましくは0.005以下に制限される。比較的低い炭素レベルを有する鋼にBを添加する場合、B量は0.0005〜0.0025%の範囲内であることが好ましい。
・80体積%以上のベイナイト及び焼戻しマルテンサイト(焼戻しマルテンサイトは50体積%未満、好ましくは40体積%以下、さらに好ましくは30体積%以下である)、
・20体積%以下のフェライト及び/又はマルテンサイト、及び/又は残留オーステナイト
からなる(合計で100を加えるべきである)。
表1に示す組成B又はCを有する冷間圧延鋼板から、200mm×110mm×1.5mmの寸法の鋼ブランクを製造した。Ac3及びMs温度は、膨張試験を用いて決定された。ブランクを箱型炉内で最初に880℃(T1)で6分間加熱し、次いで熱間成形装置に搬送した。熱間成形は、ドイツのSchuler SMG社によって実験室規模で行われた(以下、SMGプレスという)。SMGプレス器具を450℃又は300℃の温度(T3)に予熱した。ブランクをSMGプレスに10秒で搬送し、そして物品にT3温度までプレス急冷した。この物品を350℃又は400℃の温度(T4)に予熱したマッフル炉(muffle furnace)に搬送し、オーステンパリング又はパーティショニング及び/又はテンパリング熱処理を施した(Q−P−T処理)。降伏強さ(YS)、最大引張強度(UTS:ultimate tensile strength)、均一伸び(UL:uniform elongation)、全伸び(TL:total elongation)及び曲げ角度(BA:bending angle)に関する実験結果を表2及び表3に示す。引張特性は、応力方向が圧延方向と平行であるサンプルで測定された。3点「型曲げ試験(guided bending test)」は、40mm×3025mmの寸法を有するサンプルに対して行われた。サンプルの長さ方向は鋼板の圧延方向と平行であった。曲げ軸がシートの圧延方向に対して垂直である平行曲げ試験を実施した。この方法では、鋼板を曲げるために前者と2つの支持シリンダーを使用した。シリンダーとパンチを引張試験機に取り付けた。ロードセルはパンチ力を測定するために使用され、クロスヘッドの変位はパンチ変位を与える。実験を異なる曲げ角度で停止させ、曲げ角度を決定するために試験片の曲げ表面を破損の識別について検査した。
本発明の方法は、表2に示すように、既知の22MnB5と同様であるが、これより22MnB5よりも高いC含有量を有する鋼組成物Eに適用された。Ac1、Ac3、及びMs温度は、膨張試験を用いて決定された。組成E及び1.5mmの厚さを有する冷間圧延鋼板を調製し、600mm×110mmの寸法のブランクを切断した。本発明による熱サイクルを適用して、連続アニーリングシミュレータ(CASIM)を用いてホットプレス成形プロセスをシミュレートした。ブランクをまず900℃又は810℃の可変浸漬温度(variable soak temperature)(T1)に加熱し、2分間の浸漬時間(t1)の間、その温度に保持した。加熱されたブランクの炉からプレス成形装置への搬送は、ブランクを3℃/秒の冷却速度で750℃(T2)にゆっくり冷却することによってシミュレートした。ブランクを40℃/秒(V2)の冷却速度で温度T3まで冷却し、t3の間、等温保持し、続いて、3.5℃/秒(V4)の冷却速度で室温まで冷却する。上記実験では、T3=T4である。プロセスパラメータ、引張特性及び曲げ角度を表2に示す。
表1による鋼組成物F、G、H、I及びJを使用した。表1に示すように、それぞれ組成F、G及びH、I、Jを有する冷間圧延鋼板から600mm×10mm×1.5mm又は230mm×110mm×1.5mmの寸法を有する鋼ブランクを製造した。鋼F及びGのブランクを連続アニーリングシミュレータ(CASIM)で熱処理し、鋼H、I及びJのブランクをホットディップ(hot dip)アニーリングシミュレータ(HDAS)で熱処理した。熱処理に使用される装置が何であれ、熱サイクルが正確にシミュレートされることが確実にされた。鋼F及びGのブランクを最初にCASIM中でそれぞれ900℃及び850℃(T1)に加熱し、そして、2分間(t1)、浸漬した。次いで、ブランクを10秒間、860℃(T1=900℃の場合)及び730℃(T1=850℃の場合)に冷却して、ブランクの再加熱炉からホットプレスへの搬送をシミュレートした(T2)。次いで、860℃又は730℃のいずれかで、ブランクを40℃/秒の速度でこれらの鋼のMs未満の等温保持温度に冷却し(T3=T4であり、2つの等温工程を1工程に組み合わせる)、次いで、鋼Fのブランクを310及び270℃で0、20、30、60及び120秒の期間にわたって等温的に保持し(t3=t4)、次いで5℃/秒の速度で室温まで冷却した。一方、鋼H及びIのブランクは、5℃/秒の速度で室温まで冷却する前に、0、20、30、60及び120秒の間、300℃及び260℃で等温的に保持した。鋼H及びIのブランクをHDAS装置内で900℃(T1)に加熱し、2分間(t1)、浸漬した。その後、ブランクを再加熱炉からホットプレスへの搬送をシミュレートするために10秒間で860℃(T2)に冷却した後、ブランクを300℃又は340℃まで50℃/秒の速度で冷却した(T3=T4であり、2つの等温工程は1つの工程にまとめられる)。表1から明らかなように、これら2つの温度は鋼H及びIのMsより低い。次いで、鋼H及びIのブランクを、5℃/秒の速度で室温に冷却した後、0、20、40及び60秒の間にわたって300℃又は340℃のいずれかに等温的に保持した。鋼Jのブランクについては、HDAS中で以下の熱処理手順に従った。ブランクをHDAS装置中で900℃(T1)に加熱し、5分間(t1)、浸漬した。次に、ブランクを10秒間で860℃(T2)に冷却して、ブランクを50℃/秒の速度で300、325、350、375及び400℃に冷却する前に、ブランクの再加熱炉からホットプレスへの搬送をシミュレートした(T3=T4であり、2つの等温工程は1つの工程にまとめられる)。表1から分かるように、これらの温度は鋼JのMsより高い。次いで、ブランクを、5℃/秒の速度で室温まで冷却した後、0、600、1800及び3600秒の間にわたってこれらの温度に等温的に保持した(t3=t4)。鋼F、G、H及びIのブランクの場合、T3=T4<Mであるので、上述のプロセスは基本的に一段階急冷及び分配(Q&P)プロセスであることに留意されたい。鋼Jの場合、それはオーステンパリングプロセスであり(T3=T4>Ms)、ベイナイト変態が起こるために使用された。t3(=t4も同様)が0秒のとき、この特定のブランクは基本的に、標準的な熱間成形の熱サイクルを経験した参照例サンプル、すなわちQ&P又はオーステンパリング工程を適用しない参照例サンプルを表す。鋼のプロセスパラメータ及び機械的性質を表4に示す。
Claims (15)
- 鋼ブランクを物品に熱間成形する方法であって、以下の工程:
(a)鋼ブランクを温度T1に加熱し、時間t1の間、加熱された前記鋼ブランクを温度T1に保持する工程であって、温度T1がAc1〜Ac3+200℃の範囲内にあり、時間t1が12分以下である工程、
(b)加熱された前記鋼ブランクを搬送時間t2で熱間成形ツールに搬送する工程であって、搬送時間t2の間に、加熱された前記鋼ブランクの温度が温度T1から温度T2に低下し、温度T2がAr1より高く、搬送時間t2が12秒以下である工程、
(c)前記熱間成形ツール内において前記鋼ブランクを物品に成形し、前記熱間成形ツール内において25℃/秒以上の冷却速度V2で温度T2から温度T3まで急冷する工程、
(d)時間t4の間、温度T4で前記物品を等温に保持する工程、
(e)温度T3及び/又は温度T4がMs〜Mfであり、時間t4が10秒を超え、かつ、10分未満であり、
(f)冷却速度V4で温度T4から室温まで前記物品を冷却する工程
を含む、方法。 - 温度T3がMs〜Mfであり、温度T4がBs〜Msである、請求項1に記載の方法。
- 温度T3がBs〜Msであり、温度T4がMs〜Mfである、請求項1に記載の方法。
- 温度T3及び温度T4の両方がMs〜Mfであり、好ましくは温度T3及び温度T4が同一である、請求項1に記載の方法。
- 前記物品が、1〜180秒の保持時間t3の間、温度T3に保持される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記物品が、15℃/秒以上、好ましくは20℃/秒以上、さらに好ましくは30℃/秒以上の速度V3で温度T3から温度T4まで加熱される、請求項2に記載の方法。
- 前記物品が、15℃/秒以下、好ましくは10℃/秒以下、さらに好ましくは8℃/秒以下の速度t3で温度T3から温度T4まで冷却される、請求項3に記載の方法。
- 前記物品が、0.1〜20℃/秒の範囲内、好ましくは1〜15℃/秒の範囲内、さらに好ましくは2〜10℃/秒の範囲内の冷却速度V4で温度T4から室温まで冷却される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 温度T1が、Ac1〜Ac3+150の範囲内、好ましくはAc1〜Ac3+100の範囲内、さらに好ましくはAc3−50〜Ac3+50の範囲内であり、時間t1が、好ましくは10分以下、さらに好ましくは2〜8分の範囲内であり、前記鋼ブランクが、10〜25℃/秒の範囲内の加熱速度V1で加熱される、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記鋼ブランクが、重量%で、
C:0.10〜0.50、好ましくは0.15〜0.40、さらに好ましくは0.15〜0.35、
Mn:0.50〜4.00、好ましくは1.00〜3.00、さらに好ましくは1.00〜2.50、
Si:2.0以下、好ましくは0.1〜2.0、さらに好ましくは0.1〜1,6、
Al:2.0以下、好ましくは1.0以下、さらに好ましくは0.5以下、
Cr:1.5以下、好ましくは1.2以下、さらに好ましくは0.001〜1.1、
Ti:0.10以下、好ましくは0.05以下、さらに好ましくは0.04以下、
B:0.008以下、好ましくは0.005以下、
Nb:0.10以下、好ましくは0.05以下、さらに好ましくは0.001〜0.05
を含み、
場合により、
V:0.2以下、好ましくは0.1以下、
Ca:0.003以下、好ましくは0.0003〜0.003、
N:0.005以下、好ましくは0.003以下、
P:0.015以下、
S:0.03以下、好ましくは0.01以下、 Mo:0.5以下、好ましくは0.05以下、
Cu:1.0以下、
Ni:1.0以下
から選択される1種又は2種以上の元素を含み、
残部がFe及び不可避的不純物である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。 - 前記鋼ブランクが、熱間成形プロセスにおける酸化及び/又は脱炭を低減するように設計された亜鉛系コーティング又はアルミニウム系コーティング又は有機系コーティング又は他の任意のコーティングを備える、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記亜鉛系コーティングが、0.5〜3.8重量%のAlと、0.5〜3.0重量%のMgと、場合により0.2重量%以下の1種又は2種以上の追加の元素と、不可避的不純物とを含み、残部が亜鉛であるコーティングである、請求項11に記載の方法。
- 請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法によって得られる熱間成形された物品であって、600MPa以上、好ましくは700MPa以上のYS、及び/又は、1000MPa以上、好ましくは1100MPa以上のUTSを有する、物品。
- 請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法によって得られる熱間成形された物品又は請求項13に記載の物品であって、6%以上の総伸び(TE)、及び/又は、45°以上、好ましくは50°以上の曲げ角度(BA)を有する、物品。
- 前記熱間成形された物品のミクロ組織が、体積分率(体積%)で(合計100)、
・80体積%以上のベイナイト及び焼戻しマルテンサイト、ここで、前記焼戻しマルテンサイトは50体積%未満、好ましくは40体積%以下、さらに好ましくは30体積%以下である、
・20体積%以下のフェライト及び/又はマルテンサイト、及び/又は残留オーステナイト
からなる複合相ミクロ組織である、請求項1〜12のいずれか一項に記載の熱間成形された物品又は請求項13若しくは14に記載の物品。
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