JP3755368B2

JP3755368B2 - 伸びフランジ性に優れた高炭素鋼板

Info

Publication number: JP3755368B2
Application number: JP2000021098A
Authority: JP
Inventors: 毅藤田; 展之中村; 俊明占部
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2020-01-31
Also published as: JP2001214234A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、質量％で、Ｃを0. ５〜0.７％含有する伸びフランジ性に優れた高炭素鋼板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工具あるいは自動車部品（ギア、ミッション）等に使用される高炭素鋼板は、打抜き、成形後、焼入れ焼戻し等の熱処理が施される。これらの部品加工を行うユーザの要求の１つに、打抜き後の成形において、穴拡げ加工（バーリング）性の向上がある。この穴拡げ加工性は、プレス成形性としては伸びフランジ性で評価されている。そのため、伸びフランジ性の優れた材料が望まれている。
【０００３】
このような、高炭素鋼板の伸びフランジ性の向上については、いくつかの技術が検討されている。例えば、特開平１１-２６９５５２号公報と特開平１１-２６９５５３号公報には、冷間圧延を経たプロセスにおいて、伸びフランジ性に優れた中・高炭素鋼板を作る方法が提案されている。この技術は、Ｃ：0.1〜0.8質量％を含有する鋼からなり、金属組織が実質的にフェライト＋パーライト組織であり、必要に応じて初析フェライト面積率がＣ（質量％）により決まる所定の値以上、パーライトラメラ間隔が0.1μm以上の熱延鋼板に、15％以上の冷間圧延を施し、次いで、３段階又は２段階の温度範囲で長時間保持する３段階又は２段階焼鈍を施すというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの技術では、フェライト組織が初析フェライトからなり、炭化物を含まないため柔らかく延性に優れているが、伸びフランジ性は必ずしも良好ではない。それは、打抜き加工時に、打抜き端面の近傍で初析フェライトの部分が大きく変形するため、初析フェライトと球状化炭化物を含むフェライト（パーライトが球状化した組織：球状化組織）では変形量が大きく異なる。その結果、これら変形量が大きく異なる粒の粒界付近に応力が集中し、球状化組織とフェライトの界面にボイドが発生する。これがクラックに成長するため、結果的には伸びフランジ性を劣化させると考えられる。
【０００５】
この対策として、球状化焼鈍を強化することにより、全体として軟質化させることが考えられる。しかし、その場合は球状化した炭化物が粗大化し、加工後の熱処理段階で炭化物が溶解し難くなり、熱処理効率の低下や焼入強度の低下につながる。また、そのような軟質化のためには、通常をはるかに上回る長時間かつ高温の焼鈍を必要とするため現実的でない。
【０００６】
最近では従来にもまして、生産性向上の観点からの加工レベルに対する要求が厳しくなっている。そのため、高炭素鋼板の穴拡げ加工についても、加工度の増加等により、打抜き端面の割れが発生しやすくなっている。従って、高炭素鋼板にも高い伸びフランジ性が要求されている。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑み、焼鈍を長時間を要する多段階焼鈍とすることなく製造でき、打抜き端面の割れが発生しにくい伸びフランジ性に優れた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】
上記課題は、次の発明により解決される。その発明は、質量％で、Ｃ：０．５〜０．７％、 Si ：２％以下、 Mn ：２％以下、 P ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、 Al ：０．０８％以下、 N ：０．０１％以下含有し、残部 Fe および不可避的不純物である鋼からなり、炭化物平均粒径が0.1μm以上かつ1.2μm未満、炭化物を含まないフェライト粒の体積率が５％以下であることを特徴とする伸びフランジ性に優れた高炭素鋼板である。
【０００９】
この発明は、高炭素鋼板の伸びフランジ性に及ぼすミクロ組織の影響について鋭意研究を進める中でなされた。その過程で、鋼板の伸びフランジ性に影響を及ぼす因子は、炭化物の形状および量のみならず、炭化物の分散状態も大きな影響を及ぼしていることを見出した。特に、打抜き端面の部分の内部組織が伸びフランジ性に大きく影響し、炭化物を含まないフェライト粒（熱延後の初析フェライト）が多い場合、球状化組織の部分との粒界から、クラックが発生することが確認された。
【００１０】
ミクロ組織の挙動を見ると、打抜き加工時には炭化物の界面に、応力集中によるボイドの発生が顕著となる。この応力集中は、炭化物の寸法が大きいほど、また、炭化物を含まないフェライト粒が多いほど大きくなる。穴拡げ加工の際は、これらのボイドが連結しクラックとなる。この発明では、炭化物平均粒径、および炭化物を含まないフェライト粒の占める割合にそれぞれ上限を設けているので、応力集中を小さくし、ボイドの発生を低減することができる。
【００１１】
以下、本発明の限定理由について説明する。なお、成分組成における各元素の含有量は全て質量％を意味する。
（１）Ｃ含有量：０．５〜０．７％
Ｃは、炭化物を形成し、焼入後の硬度を付与する重要な元素である。Ｃ含有量が０．２％未満では、熱延後の組織において初析フェライトの生成が顕著となり、炭化物の分布が不均一となる。さらにその場合、焼入後も、機械構造用部品として十分な強度が得られない。この点については、本発明の対象を、後述の、０．５％以上のＣ含有量の鋼、とすることで解決される。一方、Ｃ含有量が０．７％を超える場合、焼鈍後でも十分な加工性が得られない。またその場合、熱延後の鋼板の硬度が高く脆いため取扱いに不便であり、焼入後の強度も飽和する。従って、Ｃ含有量を０．５〜０．７％に規定する。
【００１２】
(2) 炭化物平均粒径：0.1μm以上かつ1.2μm未満
炭化物粒径は、加工性一般、および穴拡げ加工におけるボイドの発生に大きく影響する。炭化物が微細になるとボイドの発生は抑制できるが、炭化物平均粒径で0.1μm未満になると、硬度の上昇に伴い延性が低下し、そのため伸びフランジ性も低下する。炭化物平均粒径の増加に伴い加工性一般は向上するが、1.2μm以上になると、穴拡げ加工におけるボイドの発生により伸びフランジ性が低下する。従って、炭化物平均粒径を0.1μm以上かつ1.2μm未満に規定する。
【００１３】
(3) 炭化物の分散状態：炭化物を含まないフェライト粒が5％以下
炭化物の分散状態を均一とすることにより、前述のように、穴拡げ加工の際の打抜き端面における応力集中が緩和され、ボイドの発生が抑制できる。Ｃ含有量が本発明より低い場合は、炭化物を含まないフェライト粒を体積率にして15％以下にすることにより、炭化物の分散状態を均一にした場合と同様の効果が得られ、伸びフランジ性が著しく向上する。本発明の対象とする 0.5 ％以上のＣ含有量の鋼では、後述のように、炭化物を含まないフェライト粒の体積率を 5 ％以下に抑制することにより、伸びフランジ性の低下を防止する。
【００１４】
なおこの発明で、炭化物を含まないというのは、通常の金属組織観察（光学顕微鏡）では炭化物が検出されないという意味である。このようなフェライト粒は、熱延後に初析フェライトとして生成した部分であり、焼鈍後の状態で、粒内の炭化物は実質的に見られず、その機械的性質（硬度）への影響も無視できる。
【００１５】
このように、この発明は、質量％で、Ｃを０．５〜０．７％含有する鋼を対象とし、炭化物を含まないフェライト粒の体積率が５％以下であることを特徴としている。この点について、更に説明する。
【００１６】
鋼のＣ含有量が増加すると、球状化組織の部分は、炭化物の量が増加するため硬度が上昇し、炭化物を含まないフェライト粒との硬度差が拡大する。その結果、穴拡げ加工の際、これらの粒の粒界付近では変形歪が大きくなり、クラックが発生しやすくなる。この傾向（硬度差拡大によるクラックの発生）は、Ｃ含有量が0.5％以上で顕著となった。
【００１７】
そこでさらに検討の結果、この傾向は、炭化物を含まないフェライト粒の体積率が少なくなると、解消することを突き止めた。これは、炭化物を含まないフェライト粒の体積率に対して、相対的に硬度の高い部分（球状化組織の部分）が多くなると、軟質な部分は周囲を硬質な部分により囲まれて変形が拘束されることによる。すなわち、軟質な部分だけが大きく変形することが抑制され、硬質な部分と変形量が同等となるため、応力集中が緩和ないし解消されるためと考えられる。
【００１８】
具体的には、炭化物を含まないフェライト粒の体積率が5％以下の場合は、穴拡げ加工における粒界付近のクラックが発生が見られなくなった。そこで、この発明では、鋼のＣ含有量が0.5％以上の場合は、炭化物を含まないフェライト粒の体積率を5％以下に抑制することにより、伸びフランジ性の低下を防止する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明に用いる鋼は、質量％で、Ｃ含有量を０．５〜０．７％とする他は、金属組織が前述の炭化物平均粒径および炭化物の分散状態となるものであればよい。その他の化学成分については、次のようにする。なお、成分組成における各元素の含有量は、全て質量％を意味する。
【００２０】
まず、Siについては、炭化物を黒鉛化し、焼入性を阻害する傾向があるので、2％以下とするのが望ましい。Mnについては、過剰の添加は延性の低下を引き起こす傾向があるので、2％以下とするのが望ましい。
【００２１】
P,Sについては、過剰に含有すると延性が低下し、またクラックも生成しやすくなるのでともに0.03％以下であることが望ましい。
【００２２】
また、Alについては、過剰に添加するとAlNが多量に析出し焼入性を低下させるので、0.08％以下とするのが望ましい。Nについても、過剰に含有している場合は延性の低下をもたらすため、0.01％以下であることが望ましい。
【００２３】
さらに、目的に応じて、通常添加される範囲でB,Cr,Cu,Ni,Mo,Ti,Nb,W,V,Zr等の各種元素を添加してもよい。これらの元素は、本発明の効果には特に影響を及ぼさない。また、製造過程でSn,Pb等の各種元素が不純物として混入する場合があるが、このような不純物も本発明の効果に特に影響を及ぼすものではない。
【００２４】
上記のように成分調製された高炭素鋼を、造塊−分塊圧延または連続鋳造によりスラブとする。このスラブについて熱間圧延を行うが、その際、スラブ加熱温度は、スケール発生による表面状態の劣化を避けるため1280℃以下とする。熱間圧延の仕上温度については、加工性の観点からAr₃以上とするのが望ましい。巻取温度については、炭化物の粗大化抑制のため700℃以下とし、同時に、硬度上昇防止の観点から、450℃以上とするのが望ましい。
【００２５】
なお、仕上温度確保のため、熱間圧延中にバーヒータ等の加熱手段により圧延材の加熱を行ってもよい。また、圧延後の冷却中に、パーライト変態前に初析フェライトが生成するのを抑制するため、仕上圧延直後に急速冷却設備により急冷を行ってもよい。さらに、球状化促進あるいは硬度低減のため、巻取後にコイルを徐冷カバー等の手段で保温してもよい。
【００２６】
冷間圧延鋼板を製造する場合は、熱延鋼板をそのままあるいは焼鈍後、冷間圧延する。その際、冷圧率は、焼鈍後の炭化物を微細化するために20％以上、上限は圧延負荷の観点から80％以下とすることが好ましい。
【００２７】
熱間圧延後あるいは冷間圧延後の焼鈍については、箱焼鈍、連続焼鈍のいずれでもよく、その際の温度は、パーライトの生成を抑制するため、Ａc₃点以下とすることが好ましい。なお、冷間圧延と焼鈍を２回以上組合せてもよい。その後、必要に応じて調質圧延を行う。この調質圧延については焼入れには影響を及ぼさないことから、その条件に対して特に制限はない。
【００２８】
なお、本発明の高炭素鋼の成分調製には、転炉あるいは電気炉のどちらでも使用可能である。また、熱間圧延時に粗圧延を省略して仕上圧延を行ってもよく、連続鋳造スラブをそのまま又は温度低下を抑制する目的で保熱しつつ圧延する直送圧延を行ってもよい。さらに、本発明の高炭素鋼板は、熱延鋼板でも冷延鋼板でもよく、いずれの場合にも本発明の効果を得ることができる。
【００２９】
【実施例】
以下に述べるように、連続鋳造スラブを加熱し、熱間圧延を行った。熱間圧延は、仕上温度、巻取温度を変えて、種々の条件で仕上圧延を行った。その後、箱焼鈍を行って、鋼板を製造した。
【００３０】
これらの鋼板からサンプルを採取し、炭化物平均粒径ならびに炭化物の分散状態の測定、高度測定、および伸びフランジ性測定を行った。それぞれの試験・測定の方法および条件について以下に示す。
【００３１】
▲１▼ 炭化物平均粒径およびその分散状態
サンプルの板厚断面を研磨・腐食後、走査型電子顕微鏡にてミクロ組織を撮影し、0.01mm²の範囲で炭化物粒径およびその分散状態（炭化物を含まないフェライト粒の体積率）の測定を行った。
【００３２】
▲２▼ 伸びフランジ性測定
サンプルを、ポンチ径d0=10mm、ダイス径10.8mm（クリアランス10％）の打抜き工具を用いて打抜き後、穴拡げ試験を実施した。穴拡げ試験は、円筒平底ポンチ（50mmφ、5R）にて押し上げる方法で行い、穴縁に板厚貫通クラックが発生した時点での穴径dbを測定して、次式で定義される穴拡げ率：λ(％)を求めた。
λ＝100×(db-d0)/d0 (1)
【００３７】
次に、鋼板の製造例について説明する。JIS規格S55C相当の鋼（C:0.55％、Si:0.2％、Mn:0.76％、P:0.01％、S:0.005％、Al:0.03％、N:0.004％）の連続鋳造スラブを1100℃に加熱し、仕上温度800〜880℃、巻取温度480〜700℃の種々の条件で熱間圧延を行った。熱延鋼板を酸洗後、冷圧率20〜60％で冷間圧延を行い、600〜720℃で20〜120時間の箱焼鈍を行って、板厚2.5mmの鋼板を製造した。
【００３８】
これらの鋼板からサンプルを採取し、実施例１と同様に炭化物平均粒径ならびに炭化物の分散状態の測定、高度測定、および伸びフランジ性測定を行った。伸びフランジ性測定のための穴拡げ試験については、鋼板の板厚2.5mmに合わせて、ポンチ径10mm（d0）に対してダイス径10.5mm（クリアランス10％）の打抜き工具を用いた。
【００３９】
以上の測定結果より得られた、炭化物平均粒径、炭化物の分散状態、および伸びフランジ性を表１に示す。ここで、伸びフランジ性はS55Cレベルの鋼板では、λ=40％以上で合格とする。
【００４０】
【表１】

【００４１】
この表１で、鋼板No.11〜14は炭化物平均粒径が0.1μm以上かつ1.2μm未満、炭化物を含まないフェライト粒の体積率が5％以下の本発明例である。鋼板No.5〜8は比較例で、鋼板No.15は炭化物平均粒径が上限1.2μm以上、No.16は炭化物平均粒径が下限0.1μm以下である。さらに、鋼板No.17,18は炭化物を含まないフェライト粒の体積率が、本発明の上限5％超（鋼板No.18はさらに炭化物平均粒径1.2μm以上）であり、いずれも本発明の範囲外である。
【００４２】
この表２より、発明例11〜14では、穴拡げ率λは43〜58％で、いずれもS55Cレベルの鋼板（λ=40％以上）として合格であり、優れた伸びフランジ性を有することが確認された。これに対して、炭化物平均粒径あるいは炭化物を含まないフェライト粒の体積率が、第２の発明の範囲外である比較例No.15〜18ではいずれも穴拡げ率λが26〜35％と低い。
【００４３】
【発明の効果】
この発明は、伸びフランジ性の向上を図るに当たって、単に炭化物粒径を制御するだけでなく、炭化物の分散状態をも制御することで、打抜き時の端面におけるボイドの発生を抑制し、穴拡げ加工におけるクラックの成長を遅くすることができる。その結果、極めて伸びフランジ性に優れた高炭素鋼板が提供可能となる。このような高炭素鋼板を用いることにより、ギアに代表される変速機部品等の加工において加工度を高くとることができ、その結果、製造工程を省略して低コストで部品等を製造することが可能となる。

Claims

質量％で、Ｃ：０．５〜０．７％、 Si ：２％以下、 Mn ：２％以下、 P ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、 Al ：０．０８％以下、 N ：０．０１％以下含有し、残部 Fe および不可避的不純物である鋼からなり、炭化物平均粒径が0.1μm以上かつ1.2μm未満、炭化物を含まないフェライト粒の体積率が５％以下であることを特徴とする伸びフランジ性に優れた高炭素鋼板。