JP3752118B2

JP3752118B2 - 成形性に優れた高炭素鋼板

Info

Publication number: JP3752118B2
Application number: JP2000028020A
Authority: JP
Inventors: 正芳末廣; 一行竹島; 志郎佐柳
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-02-04
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2020-02-04
Also published as: JP2001140037A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用オートマチックトランスミッションに組み込まれるドライブプレート用、自動車のシートに組み込まれるリクライナー部品のギヤー等に用いられる鋼板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高炭素鋼板は通常、打ち抜く、曲げ、絞り加工により、所定の寸法に成形後、焼き入れ、焼戻しの熱処理が施され、製品に供される。また、複数の部品を溶接等で接合して製作されていた部品をねじ転造加工、あるいはファインブランキングの半抜きで精密な加工が行われる方法が広まっている。例えば、オートマチックトランスミッションに組み込まれるドライブプレートは、エンジン始動時にセルモータギアーと噛み合い、エンジンを始動させる。このドライブプレートは、Ｓ４５Ｃ等のＳＣ材を切削加工し、焼き入れ焼戻し熱処理されたギヤー部を普通鋼等で製造されたプレートに溶接、焼きばめ等で接合して製造されてきた。しかし、自動車の軽量化、工程省略によるコスト低減等から、プレートとギヤー部を一体成形することが検討されている。
【０００３】
一体成形法の１つに鋼板をプレス加工後、ギヤー部を転造加工する方法がある。この方法に使用される鋼板は、プレス加工後、ギヤー転造成形性等の加工性と共にギヤー部を高周波焼き入れされるため、優れた焼き入れ性が要求される。即ち、焼き入れ性の優れた高炭素鋼あるいは高合金鋼はプレス加工性時にネッキング、割れ等は生じ易い。一方、低炭素鋼は、プレス成形性は良好であるが、ギヤー部の高周波焼き入れしても必要硬さが得られない。
【０００４】
また、上記以外の部品として、自動車のリクライナーシートの角度変更、シートを固定する役割を有するギヤー部品がある。このギヤー部品は、従来Ｓ４５Ｃ、あるいは、Ｓ２０Ｃが用いられて、半抜きにより、ギヤー部を成形し、Ｓ４５Ｃは直接に焼き入れ、焼戻し、Ｓ２０Ｃは浸炭焼き入れ、焼戻しにより、所定の強度を確保している。しかし、自動車の軽量化、リクライナーのスムースな変動等の要求から、ギヤーの小モジュール化、即ち、ギヤーの歯のピッチを小さくすることが進められている。このため、従来のＳ４５Ｃでは成形時に割れ等が生じ易く、歯のピッチが小さい部品の成形ができなく、成形ができても工具寿命が短く、成形コストが高くなる問題がある。低炭素のＳ２０Ｃは、浸炭焼き入れを行う必要があると同時に、未浸炭部の強度が不足するという問題点がある。
【０００５】
加工性、焼き入れ性を改善する方法として、特開平８−３６８７号公報、特開平１０−２５９４４７号公報が開示されている。特開平８−３６８７号公報は球状化焼鈍された炭化物の粒径と量を調整している。この方法はドライブプレートのギヤー部を成形するときに要求される転造成形性については何ら開示はない。また、この方法で製造された鋼板はプレス成形性もギヤー部の転造成形性、あるいはファインブランキングで微細なギヤーの成形には成形性が不十分である。
【０００６】
特開平１０−２５９４４７号公報は、ドライブプレート用に適した鋼板が、焼き入れ性は１０＜３０Ｃ＋５Ｍｎ＋６Ｃｒ＋３００Ｂを、加工性は５＞１０Ｃ＋Ｍｎ＋１５０Ｓを満足する成分に調整することで得られるとしている。しかし、この技術は転造加工性の厳しい場合、冷延後に焼鈍を必要とし、Ｃｒ添加が必須のため炭化物球状化に必要な焼鈍時間を長くとる必要があるため、製造コストが高いという問題点もある。このため、より転造加工性の優れた鋼板を安価に提供することが望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術で問題であった厳しい転造加工でも、厳しいファインブランキング加工でも成形可能で、かつ安価な高炭素鋼板を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記、従来技術の課題について、鋭意研究した結果、炭化物分率を一定以下にし、かつフェライト粒径を特定の範囲に制御することにより転造成形性、ファインブランキング性が共に良好となることを知見した。本発明はこの知見に基づき完成した。
【０００９】
本発明の要旨は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｍｎ：０．３〜１．２％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｎ：０．００８％以下を含有し、必要に応じてＴｉ：０．０１〜０．０６％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％のうち１種以上を含有し、残部が不可避的不純物とＦｅの組成をもち、パーライト＋セメンタイト分率が１０％以下、かつフェライト粒の平均粒径が１０〜２０μｍの組成を有し、転造成形性、ファインブランキング性に優れた高炭素鋼板である。そして、この鋼板は、自動車部品の一種であるドライブプレート用あるいはリクライナーギヤー用として適している。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成要件について説明する。
【００１１】
本発明は、０．１５％以上の炭素鋼において、炭化物の占める面積率を１０％以下に制御することが１つの特徴である。ここでの炭化物はセメンタイトおよびパーライト組織を併せたものをいう。炭化物の占める面積率が１０％を超えると、ドライブプレートのギヤー部の転造成形時に割れが生じたり、割れが発生しなく成形ができたとしても、微小なミクロクラックが発生し、耐久性が劣る。また、厳しいファインブランキング加工時もクラックが発生したり、工具寿命が短くなるためである。一方、下限の面積率は特に規定する必要はないが、本発明は焼き入れ性も必要なため、炭化物の面積率が少ないと焼き入れ時の硬さが低くなるため、５％以上が好ましい。
【００１２】
本発明では、炭化物面積率の制御をＣ量と炭化物の形態を変えること、即ち、熱延後の冷却時に生じるパーライト変態発熱を抑える冷却条件とＡｃ温度以下でできるだけ高い温度で焼鈍することにより、ラメラー状の炭化物をできるだけ少なくし、球状セメンタイトのサイズを大きくする方法で実施することができる。
【００１３】
次に、本発明の他の特徴は、フェライト粒径を１０〜２０μｍに制御することにある。フェライト粒径が１０μｍ未満になると炭化物の面積率を１０％以下に制御しても、ドライブプレートのギヤー転造成形時に割れが生じ成形できないか、できたとしてもクラックが生じる。また、加工度の厳しいファインブランク加工でもクラックが生じる。一方、２０μｍを超える大きなフェライト粒の鋼板は、ギヤー転造成形性は問題とならないが、焼き入れ性が不足したり、ドライブプレートの耐久性が劣るため、ファインブランキング時の工具寿命が短くなる、また、熱処理後の寸法変化が大きくなる。
【００１４】
この粒径は走査型電子顕微鏡によって観察したフェライト粒をＪＩＳの方法で粒度番号を測定し、フェライト粒を球とした場合の平均粒径を採用した。フェライト粒径は、熱延板を焼鈍して提供する場合、鋼成分と熱延条件の組み合わせで制御し、そして、熱延板を冷延、焼鈍して提供する場合は、鋼成分と熱延条件に加えて冷延率と焼鈍温度・時間を変えることにより制御する。
【００１５】
熱延条件の制御は主に熱延後の冷却時のフェライト変態温度域の冷却速度を変化させることで行うことができ、フェライト変態域の冷却速度が速いとフェライト粒径は細粒となり、遅いと粒径が大きくなる。
【００１６】
冷延、焼鈍後のフェライト粒径は鋼組成、熱延板の組織、冷延率、焼鈍条件により変化し、Ｃ、Ｍｎ量が少ないとフェライト粒径が大きくなり、熱延組織が粗いとフェライト粒径が大きくなり、冷延率が１５％以上の場合、冷延率が高いとフェライト粒径が細粒となる。鋼組成、熱延条件、焼鈍条件、冷延条件を制御することにより、フェライト粒径が１０〜２０μｍの範囲の鋼板が製造できる。
【００１７】
次に本発明の他の特徴である鋼組成について説明する。
【００１８】
Ｃは、ギヤー部の焼き入れ後の硬さを確保するために０．１５％以上必要である。一方、Ｃ量が０．４５％を超えると焼き入れ硬さは充分に確保されるが、転造成形性、ファインブランキング性が劣化する。
【００１９】
Ｓｉは、鋼板を硬質化させる元素で成形性を劣化させ、また熱延時にスケール疵が発生し易くなり、表面品質および歩留まり低下を招く。これらの理由から０．２５％以下とする必要がある。好ましい範囲は同様の理由から０．０８％以下である。
【００２０】
Ｍｎは、焼き入れ性に有用な元素であり、同時に不可避的に混入し、熱間脆化の原因となるＳをＭｎＳとして固定するためにも必要である。このため、０．３％以上の添加が必要である。一方、添加量が多くなると、連続鋳造時に偏析し、Ｍｎの高密度域の炭化物密度が高くなり、プレス加工性、転造成形性を悪くする。このため、１．２％以下にする必要がある。好ましい範囲は同様の理由から０．５〜０．８％である。
【００２１】
Ｐは、不可避的に混入する元素であるが、Ｍｎと同様に連続鋳造時に偏析しやすく、炭化物の分布を不均一にし、鋼板の加工性を損なう。このため、０．０２％以下に抑える必要がある。好ましい範囲は同様の理由から０．０１５％以下である。
【００２２】
Ｓは、不可避的に混入する元素で、Ｍｎと結合し、ＭｎＳの介在物となり、クラック等の原因となり、加工性を劣化する。このため、Ｓは０．０２％以下にする必要がある。好ましい範囲は同様の理由から０．００８％以下である。下限は特に特定する必要はないが、Ｓを０．００１％以下まで低めるには製鋼コストが高くなるので、本発明では主に０．００３〜０．００８％の範囲が好ましい。
【００２３】
Ａｌは、溶鋼の脱酸剤として使用される元素であると共に、ＮをＡｌＮとして固定し、焼き入れ時のγ粒の微細化に役立ち、靭性を高める。このような作用には０．０１％以上の添加が必要である。一方、添加量が０．１％を超えると表面性状を劣化させるので、上限を０．１％に特定したが、上限を０．０８％とすることが好ましい。
【００２４】
Ｎは不可避的に混入する元素であるが、Ａｌ、Ｔｉ等と結合し窒化物となり、焼き入れ時のγ粒微細化作用がある。しかし、含有量が増えると加工性が劣化するため、０．００８％以下にする必要がある。
【００２５】
Ｔｉは、Ｎと結合してＴｉＮとなり、焼き入れ時のγ粒の微細化に有効であると共に、Ｂと複合添加すると焼き入れ性向上に寄与するＢの比率を高め、焼き入れ性を高める。このため、０．０１％以上を添加することが好ましい。一方、添加量が多くなると鋼板を硬質化し、加工性を劣化させるため、０．０６％以下の添加が好ましい。
【００２６】
Ｂは、焼き入れ時に粒界に偏析し、粒界エネルギーを低めることで、微量添加でも焼き入れ性を高める元素であることが良く知られている。特に焼き入れ性を必要とする場合は、Ｔｉと複合添加する。焼き入れ性に有効な添加量は０．０００５〜０．００５％であるが、０．００１〜０．００４％とすることが好ましい。
【００２７】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を説明する。
【００２８】
表１に示す組成の鋼を転炉で溶製し、連続鋳造でスラブを造り、熱間圧延により、板厚２．５ｍｍおよび３．８ｍｍの熱延コイルを製造した。このコイルを酸洗後、２．５ｍｍ厚のコイルはそのまま焼鈍し、３．８ｍｍ厚のコイルは２．５ｍｍ厚まで冷間圧延した後に焼鈍した。各々の焼鈍コイルから直径３００ｍｍのブランクを打ち抜き、プレスでドライブプレート形状の皿型を造り、これを転造加工し、歯幅８ｍｍ、歯丈６ｍｍのギヤーを持つドライブプレートを造った。
【００２９】
同時に熱延コイルのフェライト粒径と炭化物面積率を走査型電子顕微鏡で測定した。フェライト粒径は鋼板の長手方向断面の任意の１ｍｍ²の結晶粒の数を基に円相当直径を求め、これを平均粒径とした。炭化物の面積率は、やはり鋼板の長手方向断面の任意の１ｍｍ²の領域を対象として点算法で求めた。点算法とは、金属便覧（社団法人、日本金属学会偏）改定５版に記載されているように、グリッドの交点を使用して、組織を定量化する方法である。
【００３０】
成形されたドライブプレートの外観に、割れ、クラックの有無の目視観察と、変形の大きな部分を切り出し、断面を光学顕微鏡でミクロクラックの有無を調査した。外観調査および断面の光学顕微鏡観察でミクロクラックが無いものを○、外観検査ではクラックが観察されないが、光学顕微鏡観察でミクロクラックが観察されたものを△、外観観察でクラックが観察されたものを×、所定の寸法まで成形する前に割れたものを××とし、転造成形性を評価した。
【００３１】
また、転造成形されたドライブプレートを高周波加熱で９００℃に加熱後、注水で冷却し、歯先と歯元のビッカース硬さを測定し、焼き入れ性を評価した。焼き入れされたドライブプレートをオートマチックトランスミッションに組み込み、耐久試験を行い、割れが生じたり、変形したものを×、割れ、変形等が無いものを○とし、耐久性を評価した。なお、転造成形で所定の寸法に成形できなかったものは焼き入れ、耐久試験を行わなかった。
【００３２】
【表１】

【００３３】
転造成形性、焼き入れ性、耐久性の評点を表２に示した。
【００３４】
熱延板を焼鈍したＡ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１および熱延板を冷延し、焼鈍したＡ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ｅ２の本発明範囲の実施例はいずれも転造成形性、焼き入れ性が優れ、しかも耐久試験でも良好な成績である。
【００３５】
一方、成分的に本発明範囲内であるが、熱延後の冷却速度を速めて製造した、フェライト粒径が本発明範囲外のＡ３、Ｃ３、パーライト変態発熱を抑えず、熱延後冷却して製造した、炭化物分率が本発明範囲外のＢ３は、転造成形性が劣り、耐久試験でクラックが大きくなり、割れが生じ、ドライブプレート用鋼板に適さない。
【００３６】
成分的にＣが本発明外のＦ、Ｓｉが本発明外のＧ、ＰおよびＳが本発明外のＨの各比較例は、いずれも転造成形時に割れが生じ、やはり、ドライブプレート用鋼板に適さない。
【００３７】
成分的に本発明範囲内で、炭化物分率も本発明範囲内であるが、フェライト粒径が大きすぎるＣ４は、転造成形性、焼き入れ性は共に良好であったが、耐久試験でクラックが生じると共に、プレートが変形しており、やはり自動車にとって重要な部品であるドライブプレートに適用できない。
【００３８】
このように、本発明は鋼組成と組織を共に特定することにより、その効果を発揮できるもので、そのいずれかが本発明範囲から外れると、転造成形時に割れ、クラックが生じ、一体成形でドライブプレートが成形できないことが分かる。
【００３９】
【表２】

【００４０】
表３に示す組成の鋼を転炉で溶製し、連続鋳造でスラブを造り、熱間圧延により、板厚７．０ｍｍおよび５．０ｍｍの熱延コイルを製造した。このコイルを酸洗後、５．０ｍｍのコイルはそのまま焼鈍し、７．０ｍｍのコイルは５．０ｍｍ、４．５ｍｍ厚まで冷間圧延した後に焼鈍した。各々の焼鈍コイルを内歯式のシートリクライナーのモジュール：０．４のアームポールをファインブランキングで作成した。同時に各コイルのフェライト粒径と炭化物面積率を走査型電子顕微鏡で測定した。成形されたアームポールの外観に割れ、クラックの有無を目視観察と、加工度の最も大きな歯先部の断面を光学顕微鏡で観察し、外観観察および断面の光学顕微鏡観察でミクロクラックが無いものを○、外観観察ではクラックが観察されないが、光学顕微鏡観察でミクロクラックが観察されたものを△、外観観察でクラックが観察されたものを×で評価した。また、同一工具で連続して成形し、良好な成形が可能な個数を調査した。これらの加工品を８６０℃×５０ｍｉｎの加熱の焼き入れ、４００℃×５０ｍｉｎの焼戻し処理を行い、熱処理前後の寸法変化と硬さを測定した。寸法変化は１０個の熱処理前後の寸法の差の平均値で評価した。硬さはＨＲＣ表面固さを測定した。なお、ファインブランキングでクラックが生じたものは、焼き入れ、焼戻し処理を行わなかった。得られた成形性、工具寿命、硬さ、寸法変化を表４に示した。
【００４１】
【表３】

【００４２】
【表４】

【００４３】
熱延板を酸洗し、焼鈍したＡ５、Ｂ５、Ｃ５、Ｄ５、Ｅ５、および熱延板を冷延し、焼鈍したＡ６、Ｂ６、Ｃ６、Ｄ６、Ｅ６の本発明範囲の実施例はいずれも、ファインブランキング成形性、工具寿命が良好で、熱処理後の硬さも必要レベルを確保しており、熱処理による寸法変化が小さく、リクライナーのギヤー部品とし良好な特性を有していることが分かる。
【００４４】
一方、成分的には本発明範囲であるが、熱延後の冷却速度を速めて製造することでフェライト粒径が本発明範囲より小さいＡ７、Ｃ７は、ファインブランキングで製品が成形できたが、工具寿命が大幅に短く、リクライナー用ギヤー部品用鋼板として適していない。
【００４５】
一方、フェライト粒径が本発明範囲より大きいＣ８は成形性、熱処理後の硬さは良好であるが、工具寿命が短く、熱処理前後の寸法変化が大きく、やはりリクライナーのギヤー部品用鋼板に適していない。
【００４６】
また、成分的に本発明範囲内であるが、熱延後の冷却速度を遅くして製造し、焼鈍後の炭化物面積が本発明範囲より多いＢ７は、ファインブランキング時にクラックが発生し、ファインブランキング性が劣る。
【００４７】
Ｆ２はＣ量が、Ｇ２はＳｉ量が、Ｈ２はＰ量が本発明範囲外の比較例であるが、いずれもファインブランキング性が劣る。特に、Ｇ２、Ｈ２はフェライト粒径、炭化物面積率共に本発明範囲内であるが、ファインブランキング性が劣る。
【００４８】
本発明は鋼成分、フェライト粒径、炭化物面積率が共に、特定範囲内で優れたファインブランキング性を発揮することが分かる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は、鋼組成を適切に調整し、フェライト粒径と炭化物分率を特定範囲に制御することにより、はじめて成形性の良好な高炭素鋼板を提供できる。とりわけ、リクライナー用のギヤー用部品、一体成形型によるドライブプレートの成形が可能となる。また、熱延板を直接焼鈍しても、優れた成形性を有するので、熱延板を焼鈍−冷延後に焼鈍する工程、冷延−焼鈍する工程に対し、省工程で鋼板の製造が可能で工業的に有用な発明である。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．４５％、
Ｓｉ：０．２５％以下、
Ｍｎ：０．３〜１．２％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ａｌ：０．０１〜０．１％、
Ｎ：０．００８％以下
を含有し、
残部が不可避的不純物とＦｅの組成をもち、パーライト＋セメンタイト分率が１０％以下、かつフェライト粒の平均粒径が１０〜２０μｍの成形性に優れた高炭素鋼板。
質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．４５％、
Ｓｉ：０．２５％以下、
Ｍｎ：０．３〜１．２％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ａｌ：０．０１〜０．０８％、
Ｎ：０．００８％以下
を含有し、
残部が不可避的不純物とＦｅの組成をもち、パーライト＋セメンタイト分率が１０％以下、かつフェライト粒の平均粒径が１０〜２０μｍの転造成形性に優れたドライブプレート用高炭素鋼板。
質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．４５％、
Ｓｉ：０．２５％以下、
Ｍｎ：０．３〜１．２％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ａｌ：０．０１〜０．１％、
Ｎ：０．００８％以下
を含有し、
残部が不可避的不純物とＦｅの組成をもち、パーライト＋セメンタイト分率が１０％以下、かつフェライト粒の平均粒径が１０〜２０μｍのファインブランキング性に優れたリクライナギヤー用高炭素鋼板。
鋼成分として、質量％で更に、
Ｔｉ：０．０１〜０．０６％、
Ｂ：０．０００５〜０．００５％
のうち１種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の高炭素鋼板。