JP3596376B2

JP3596376B2 - 成形性および焼入れ性に優れた熱延鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP3596376B2
Application number: JP28425299A
Authority: JP
Inventors: 純芳賀; 直光水井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2019-10-05
Also published as: JP2001107144A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の車体構造部材等の素材に用いられる成形性および焼入れ性に優れた熱延鋼板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の衝突事故の際の車体破壊のデータが公開され、それが車の売れ行きを支配するなど、搭乗者の安全確保に対するニーズは年々高まってきており、法的規制も厳しくなる傾向にある。自動車の車体は、いわゆるクラッシャブルボディー構造が採用され、衝突に際し一部が適度に変形して衝撃を吸収する一方、車室は高強度の構造とし車内の搭乗者を守るように設計される。すなわち、車体の部位により高強度が要求される。このため、必要部分に板厚の厚い成形品を用いる、補強材を取り付ける、あるいは高強度鋼板を用いて成形する等の対策がとられている。
【０００３】
しかし、板厚を厚くすることは重量増加につながり、燃費改善ないしは省エネルギーの要求とは相反する。補強にはリブ材のスポット溶接や衝撃吸収用の部品を組み込むが、これも車体重量を増すことになる。実際には車両のドア内部に、鋼管で作った焼入れ強化した補強材を組み込むことが広く採用されている。また、高強度鋼板はプレス成形性が劣るため複雑なプレス加工が困難である。その上、加工による残留応力は強度が高くなるほど増加し、遅れ破壊の危険が増してくるので、鋼板強度を増大させることには限界がある。
【０００４】
車体構造の補強に、強化が必要な車体の特定部所に適用する鋼板成形部品の板厚を増したり、高強度鋼板を使用したりせず、その所望部分を局所的に高周波加熱して焼入れ処理し、強度を向上させる方法の発明が特開平６−１１６６３０号公報に開示されている。プレス成形後に焼入れして強化するのであれば、高強度鋼板を成形する場合のような、複雑な形状の成形の困難さや成形後の大きな残留応力の問題は排除できる。しかしながら、上記公報には高周波焼入れの方法は示されているが、適用する鋼板の種類については全く記載がない。鋼板によっては焼入れによる強度上昇を示さないものもあり、ことにプレス成形性の良好な鋼板ほど焼入れ強化は期待できない。
【０００５】
また、特開平１０−１７９３３号公報には、車体のプレス成形部品に要請される強度分布を得るのに、その強度分布に対応した硬度を局所的高周波焼入れによって変化させる方法の発明が開示されている。その適用例として、車体側面の前席と後席との間に配置される、センターピラーとも呼ばれる支柱を取り上げている。衝突時に予想される支柱の荷重分布は、長さ方向の中央部が最も大きく、衝突荷重に対応するため、従来の方法では支柱全体の板厚を増すか、中央部に補強材を重ねて溶接する必要があった。これに対し、上記方法では長さ方向の中央部を高周波焼入れして強化することによって、不必要な部分まで板厚を増すことがなくなり、補強材も不要となって軽量化がはかれるというものである。この場合、支柱成形用の素材鋼板は、Ｃ含有量が０．０５〜０．２５％のものが適用でき、ＪＩＳ規格のＳＡＰＨ３７０〜ＳＡＰＨ４４０、あるいはＳＰＦＣ３７０〜ＳＰＦＣ４４０などの鋼板がよいとされている。
【０００６】
しかし、これらの規格の鋼板は、強度や伸びなど素材としての鋼板の機械的特性は保証されているが、焼入れ性や焼入れ後の強度などは全く不明である。
【０００７】
車体構造部材ではないが、側面衝突に対する車室内部保護用にドア内部に組み込まれる補強材として、焼入れして所要強度とした鋼管を加工した部品が広く採用されている。これらの多くは鋼板から作られた電縫鋼管の管端をドア内部への取り付けに適した状態に加工し、高周波焼入れして製造される。
【０００８】
例えば、特開平４−５２２４９号公報には、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｍｎ：０．２〜１．５０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．１０％およびＢ：０．０００５〜０．０１０％を含有する鋼板による電縫鋼管を高周波焼入れした引張強さが１２７５ＭＰａ（１３０ｋｇｆ／ｍｍ^２）以上の自動車補強材の発明が開示されている。このような鋼による鋼板を車体構造部材に用いれば、上記のような高周波焼入れによる局部的な強度向上が可能と思われるが、電縫鋼管のような単純な曲げ加工は可能であっても、車体構造のような複雑なプレス成形には適用が困難であると考えられる。
【０００９】
焼入れ、焼戻し処理を施して使用する鋼板としては、ＪＩＳ−Ｇ３３１１の磨き帯鋼がある。この場合、合金鋼を除く最も炭素量の低い鋼でもＣ：０．２７〜０．３３％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％であり、Ｃ、ＳｉおよびＭｎのいずれの含有量も高く、これでは焼入れにより十分な強度は得られても、焼鈍された素材鋼板としての加工性は悪く、到底必要とするプレス加工性は得られない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、車体構造用部品などに適用できる十分な成形性を有し、かつ成形後の焼入れによって容易に高強度化できる熱延鋼板の製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、成形加工後、焼入れ処理をおこなうことにより、部材の形状や適用素材の強度を大幅に変更することなく、自動車車体の構造を強化することのできる薄鋼板を開発するため、種々実験、検討した。その結果以下の知見を得るに至った。
【００１２】
ａ）車体構造強化に必要とする強度は、鋼としての性能や経済性を配慮すれば７８５〜１７６５ＭＰａ（８０〜１８０ｋｇｆ／ｍｍ^２）程度であり、十分な焼入れが可能な成分設計をおこなえば、炭素含有量０．０５〜０．２％の低Ｃ鋼で実現でき、加工性確保も容易となる。
【００１３】
ｂ）焼入れ性を向上させるために、ＣｒやＳｉのような焼入れ性向上元素を使用するのは好ましくない。自動車用の薄鋼板としては、防食のため、めっき性や塗装下地の化成処理性が良好でなければならないが、これらを阻害するからである。また、コストの低減が厳しく要求されるので、高価な添加元素も避けるべきである。
【００１４】
ｃ）一般に焼入れ性向上元素は、添加量を増すと鋼を硬くし、加工性を低下させるので、焼入れ性向上元素の含有量はできるだけ低くすべきである。
【００１５】
ｄ）焼入れ性向上元素として、ＭｎとＢを有効活用するのが最良である。Ｍｎは、焼入れ性を大きく向上させる効果があり、しかも安価で、めっき性や化成処理性に及ぼす影響が小さい。しかし、含有量が多量になると加工性が悪くなり、鋼としての耐食性が劣化する傾向にあるので、添加量には限界がある。これを補うため、Ｂを併用するのがよい。
【００１６】
ｅ）Ｂの効果は微量の添加で発揮されるので、鋼の他の一般的な性質にほとんど影響を及ぼすことなく、鋼の焼入れ性を大幅に向上させることができる。
【００１７】
ｆ）ただし、Ｂ添加により焼入れ性を向上させるには、微量添加したＢを固溶状態にしておく必要があるので、従来はＢは酸化されやすいことから鋼は十分に脱酸をおこない、Ｂと結合しやすいＮはＴｉ添加により固定していた。ところが、ＢとＴｉを複合して含有させた鋼は加工性が不良となり、自動車部品用としては適していない。その原因は、Ｎを固定するために添加したＴｉにある。
【００１８】
ｇ）すなわち、十分にＮを固定するため、従来は鋼中のＮがすべてＴｉＮになる以上のＴｉを含有させていたが、この過剰のＴｉがＴｉＣとなって鋼中に析出し、これが伸びを著しく劣化させている。
【００１９】
ｈ）ＴｉＣの析出を防止し、加工性を確保するためには、Ｔｉ含有量をＮ含有量の３．４倍以下にすればよいが、Ｔｉにて固定されなかったＮがＢＮを形成して固溶Ｂ量が低下するため、熱延のままでは焼入れ後に十分な強度が得られない場合が多い。
【００２０】
ｉ）しかし、熱延板に焼鈍を施すことにより、焼入れ性を飛躍的に向上させることができる。その理由は、熱延板に析出したＢＮが焼鈍中に分解し、冷却後にＮはより安定なＡｌＮとして再析出してＢは固溶状態で残るためと考えられる。
【００２１】
ｊ）ただし、ＡｌＮを析出させるためには、Ｎに対して十分な量のＡｌを含有させなければならず、ｓｏｌ．Ａｌ量をＮ含有量の９．６倍以上とする必要がある。
【００２２】
本発明は、上記の知見に基づき、なされたもので、その要旨は次のとおりである。
【００２３】
質量％で、Ｃ：０．０５〜０．２％、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．８〜２％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｂ：０．０００３〜０．００４％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１〜０．１％で、かつ９．６×Ｎ（％）以上、およびＴｉ：３．４×Ｎ（％）以下を含み、残部鉄および不可避的不純物よりなる鋼スラブを熱間圧延し、４８０℃以上の温度で巻き取って熱延コイルとした後、５００℃以上の温度で焼鈍する成形性および焼入れ性に優れた熱延鋼板の製造方法。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる鋼の化学組成および製造条件を限定した理由を説明する。なお、化学組成の％表示はすべて質量％を示す。
【００２５】
１）化学組成
Ｃ：
Ｃは、焼入れ後の鋼の強度を決定するために重要な元素である。Ｃ含有量が０．０５％未満では、十分な焼入れをおこなっても車体強度強化に必要な強度が得られない。また、含有量が０．２％を超えるとプレス成形性が不十分となる。したがって、Ｃ含有量は０．０５〜０．２％とした。より好ましくは、０．０５％以上０．１％未満である。
【００２６】
Ｓｉ：
Ｓｉは０．１％以下とする。Ｓｉは一般的には鋼の脱酸に用いられ、強度の上昇、焼入れ性向上の効果がある。しかし、Ｂを添加する場合はＳｉによる脱酸では不十分であり、本発明ではより強力な脱酸作用のあるＡｌを用いるため、特に必要としない。自動車車体に用いる薄鋼板の場合、めっきや塗装がおこなわれるが、Ｓｉの存在は鋼表面のめっき性や塗装下地の化成処理性を悪くするので、その含有量はできるだけ少ない方が好ましい。そこで、ほとんど影響を及ぼさない範囲として、０．１％以下としたが、望ましいのは０．０４％以下、さらに望ましいのは０．０１％以下である。
【００２７】
Ｍｎ：
Ｍｎの含有量は、０．８〜２％とする。本発明において、Ｍｎは鋼の焼入れ性を確保するために重要な元素である。０．８％未満では焼入れ性が不足し、十分な強度が得られなくなるおそれがある。一方、２％を超えて含有させると、伸びの低下など鋼の加工性を悪くし、その上、鋼自体発錆しやすくなって耐食性が悪くなる。好ましいのは０．８〜１．５％である。
【００２８】
Ｐ：
Ｐは、鋼の不可避的不純物の一つであり、焼入れ後の鋼の靱性を悪くするので、その含有量は少なければ少ないほどよい。顕著な悪影響を及ぼさない範囲として、０．０２％以下に限定したが、好ましいのは０．００５％以下である。
【００２９】
Ｓ：
Ｓも不可避的不純物の一つであり、鋼の加工性および靱性を劣化させるので、その含有量は少なければ少ないほどよい。Ｐと同様、顕著な悪影響を及ぼさない範囲として、０．０２％以下に限定したが、好ましいのは０．００５％以下である。
【００３０】
Ｎ：
Ｎは、０．００５％以下とする。ＮはＢと結合して、Ｂの焼入れ性向上効果を阻害する。このＮの悪影響を抑止するため、ＴｉやＡｌと結合させて無害化するが、結果としてできたＴｉＮやＡｌＮなどの微細析出物は、鋼の加工性を悪くするのでＮの含有量は少なければ少ないほど好ましい。目立った影響を示さない範囲としてＮの含有量は０．００５％以下とした。
【００３１】
Ｂ：
Ｂの含有量は、０．０００３〜０．００４％とする。Ｂは焼入れ性を著しく向上させ、ことに本発明のようにＣの含有量を低くした場合ほどその効果が大きい。その焼入れ性向上効果は、含有量に依存せずほぼ一定であるが、０．０００３％を下回る場合はその効果は十分に現出されない。また、含有量が多くなると鋼を脆化させるので、多くても０．００４％までとした。
【００３２】
ｓｏｌ．Ａｌ：
ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）の含有量は０．０１〜０．１％とする。Ａｌは、製鋼時に溶鋼の脱酸を主目的として添加する。脱酸処理により鋼中に残存するｓｏｌ．Ａｌは、０．０１％を下回る場合には脱酸不十分で、酸化により固溶Ｂが残らないおそれがある。本発明の場合には、さらにＮの十分な固定のためにも少なくとも０．０１％以上のｓｏｌ．Ａｌの含有が必要である。しかし、多く含有させてもその効果が飽和し、無意味な添加によりコストを増すだけなので、上限を０．１％とした。
【００３３】
ｓｏｌ．Ａｌ（％）≧９．６×Ｎ（％）・
Ｂを添加する効果がＮによって阻害されるのを抑止するために、Ａｌは十分に含有させる。そのため、下記式（１）を満足するｓｏｌ．Ａｌを含有させる必要がある。この式は、鋼中のＮをすべてＡｌＮとするのに必要なＡｌの化学当量に対し、５倍以上の量のｓｏｌ．Ａｌを含有させることを意味する。
【００３４】
ｓｏｌ．Ａｌ（％）≧９．６×Ｎ（％）・・・（１）
このようにＮに対し十分な量のＡｌを含有させることにより、Ｎを無害化させることができる。
【００３５】
Ｔｉ：
Ｔｉは、必要により含有させる元素で、含有させる場合は、
Ｔｉ（％）≦３．４×Ｎ（％）・・・（２）
を満足する量とした。ＴｉはＮの固定に極めて効果的であり、一般にＢを添加する場合、Ｎの固定を目的に添加される。本発明の場合、Ｔｉを添加しなくても、Ａｌの含有量が前記式（１）を満足する範囲であればＮは固定される。しかしながら、Ｎを確実に固定し、Ｂの効果をより発揮させるためには、少量のＴｉの添加が好ましい。ただし、多く添加すると加工性が劣化し、この加工性の劣化はＴｉＣの形成によると考えられるので、Ｔｉの含有量はＴｉＣを形成しない範囲にとどめること、すなわち上記式（２）を満足する範囲内とした。また、加工性劣化の点ではＴｉＮも多くなれば影響してくるので、Ｔｉの含有量は（２）式の範囲内であっても、０．０１％以下とするのが好ましい。なお、Ｎを固定する目的で含有させる場合は、少なくとも０．００２％以上含有させることが望ましい。
【００３６】
２）製造方法
上記化学組成の鋼を溶製してスラブとし、それを熱間圧延する工程やその条件については通常通りでよく、特には規制する必要はない。しかし、熱間圧延後の巻取温度は４８０℃以上とする必要がある。４８０℃未満での巻取りは、巻取温度までの冷却により焼入れされることがあり、鋼板が著しく硬化するからである。なお、巻取温度を高くすると冷却むらが生じやすくなり、コイル全長にわたる特性の均一性が確保され難くなるため、６００℃未満で巻き取ることが望ましい。
【００３７】
熱延鋼板に焼鈍を施すのは、焼入れ性を向上させるためである。焼鈍により焼入れ性が向上するのは、焼入れ性向上に有効な固溶Ｂの量が、熱延ままでは不足しているが熱延鋼板の焼鈍により増加するためと考えられる。
【００３８】
Ｔｉによって固定できなかった鋼中のＮは、温度が低下してくると、ＡｌやＢが存在すればＡｌＮやＢＮなどの析出物を形成してくる。ただし、この二つの元素が共存する場合、Ｂは鋼中での拡散速度がＡｌよりもはるかに大きいので、圧延後の冷却過程で主としてＢＮが形成され、熱延板中の固溶Ｂ量が少なくなる。ところが、ＢＮよりもＡｌＮの方がより安定なので、十分にＡｌが存在する場合には、熱延板の焼鈍をおこなうと、ＢＮは分解してすべてＡｌＮとなって析出し、Ｂが固溶状態になり、その結果として焼入れ性が向上するものと推察している。
【００３９】
焼鈍温度が５００℃未満ではＢＮが分解しＡｌＮが形成されるのに時間がかかりすぎ、生産性が損なわれるから焼鈍温度は５００℃以上とした。望ましいのは、７００℃以上である。また、上限は８５０℃とするのが好ましい。
【００４０】
【実施例】
実験用真空溶解炉を用い、表１に示す組成の鋼を溶製した。鋼組成としては、Ｃ：０．１２％、Ｍｎ：１．５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０４５％、Ｎ：０．００３％、Ｔｉ：０．００５％、Ｂ：０．０００６％を目標基準組成とし、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｂ、ＡｌおよびＮの含有量の影響を求めるため、それぞれの含有量について変化させ、その他の成分はできるだけ一定とした。
【００４１】
【表１】

【００４２】
これらの鋳塊を鍛造して２０ｍｍ厚の熱間圧延用スラブとし、１２００℃に加熱後、１１５０℃から９００℃に至る温度範囲内で、熱間圧延をおこなって４ｍｍ厚に仕上げ、強制空冷あるいは水スプレーによるホットストリップミルを想定した冷却条件で５５０℃あるいは５８０℃まで冷却し、直ちに得られた鋼板をそれぞれ５５０℃あるいは５８０℃に保持した炉に投入して、巻取り後のコイルを想定した条件にて冷却した。
【００４３】
得られた熱延鋼板から、厚さ１．２ｍｍ、幅９０ｍｍ、長さ２４０ｍｍの試験片を採取し、そのまま、あるいは、７００℃で２０時間の熱延板焼鈍を施した後、出力２００ｋＷ、周波数１５０ｋＨｚの高周波焼入れ装置により、加熱温度９５０℃、２秒間保持後水冷の条件にて焼入れ処理をおこなった。その後、ＪＩＳ５号引張試験片に成形して試験に供した。
【００４４】
熱延したままの鋼板および熱延板焼鈍を施した後の試験結果を表２に示す。
【００４５】
【表２】

【００４６】
表２から明らかなように、試番１〜４に示されているように、Ｍｎ含有量の増加とともに、焼入れ前の素材の状態では伸びが低下し加工性が悪くなるが、焼入れ後の強度は上昇する。本発明で規定する範囲内であれれば、加工前の伸びは十分大きく、焼入れ後の強度も大きいことがわかる。
【００４７】
Ｔｉ含有量の、焼入れ前の鋼板の伸びに及ぼす影響については、試番５〜９の結果からわかるように、Ｔｉ量が増すにつれて伸びが低下して加工性が悪くなっている。
【００４８】
図１は、試験結果に基づく、Ｔｉ（％）／Ｎ（％）と熱延板焼鈍を施した熱延鋼板の焼入れ前の伸びとの関係を示す図である。
【００４９】
図１から、Ｔｉ（％）／Ｎ（％）が３．４以上、すなわちＴｉがすべてＴｉＮになってしまう量より過剰のＴｉが含有されていると伸びが悪くなることがわかる。
【００５０】
Ｂの影響は、試番１０〜１２にて見られるが、０．０００３％を下回ると十分な強度が得られず、焼入れ性は不足となる。
【００５１】
図２は、試験結果に基づく、Ａｌ（％）／Ｎ（％）と焼入れ後の引張強さの関係を示す図で、Ａｌ量とＮ量を変えた試番１３〜２０の結果と、Ｍｎ、ＴｉおよびＢなどの量がほぼ同一である試片による結果とを合わせた図である。
【００５２】
図２から、ＡｌとＮの原子量比は１．９３であるが、この原子量比の５倍、すなわちＡｌ（％）／Ｎ（％）にて９．６を下回る場合、引張強さが低く、焼入れ性不十分となっていることが分かる。
【００５３】
また、表２から明らかなように、試番２５〜３２は鋼の化学組成は本発明の範囲内であるが、熱延板焼鈍が施されていないために、焼入れ後の強度が不十分である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、プレス成形などの加工に適用できる十分な成形性を有し、かつ成形後の焼入れによって、容易に高強度化できる熱延鋼板を得ることができる。この熱延鋼板を例えば自動車の車体構造に活用することにより、車室構造をより強度が高く、しかも軽量にすることが可能である。これは、自動車の衝突事故の際の搭乗者の安全性を高め、かつ自動車の軽量化による省エネルギーなど、社会的要求に合致するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼のＴｉ含有量とＮ含有量との比と、鋼板の伸びとの関係を示す図である。
【図２】鋼のＡｌ含有量とＮ含有量との比と、高周波焼入れ後のその鋼板の引張強さとの関係を示す図である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０５〜０．２％、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．８〜２％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｂ：０．０００３〜０．００４％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１〜０．１％で、かつ９．６×Ｎ（％）以上、およびＴｉ：３．４×Ｎ（％）以下を含み、残部鉄および不可避的不純物よりなる鋼スラブを熱間圧延し、４８０℃以上の温度で巻き取って熱延コイルとした後、５００℃以上の温度で焼鈍することを特徴とする成形性および焼入れ性に優れた熱延鋼板の製造方法。