JP4313507B2 - 自動車客室構造部品用高強度鋼板とその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車客室構造部品用高強度鋼板とその製造方法に関わるものである。本発明による高強度鋼板はプレス成形を経て自動車客室構造部品に加工され、自動車衝突の際に客室中の乗員を保護するために使用されるものである。なお、プレス加工性や防錆性能の観点から、表面に溶融めっき、電気めっき、無機皮膜、有機皮膜などの処理を施した鋼板も本発明に含まれる。
【0002】
【従来の技術】
自動車車体が衝突した際の乗員の安全性を高めるために高速で塑性変形するときの流動応力の高い490MPa級以上の高強度鋼板が開発されている。これらはフロントサイドメンバーなど衝突時に大きく塑性変形することで、エネルギーを吸収することを目的とした部品を対象としており、5%ないし10%程度の比較的大きなひずみまでの吸収エネルギーが高速変形時に特に大きいことが重視されている。そのような鋼板として特開平09−111396号公報や特開平09−296247号公報ではマルテンサイトを含む複合組織鋼が開示されている。また、特開平10−158735号公報では残留オーステナイトを含む複合組織鋼板が、特開平11−100641号公報ではフェライトの硬さとある関係を満足する第2相(マルテンサイト、オーステナイト、ベイナイトのいずれか)を含む複合組織鋼板が開示されている。さらに特開平10−259448号公報ではベイナイトとフェライトからなる複合組織鋼板により高速引張試験における吸収エネルギーが高まることが開示されている。これらの鋼板の特徴は、鋼板中に最初から含まれるマルテンサイト、あるいはオーステナイト、ベイナイトを第2相として含み、これらがマトリックスに比べ硬質であることから発現される吸収エネルギーのひずみ速度依存性を活用しているものである。これら従来の鋼板では高速変形時の吸収エネルギーに主眼が置かれているが、低降伏比型デュアルフェーズ鋼で一般に知られているように硬質第2相+軟質マトリックスの組み合わせでは伸びフランジ性が劣り、クロスメンバーやセンターピラーインナーなどプレス成形時に伸びフランジ成形をともなう部品には適していない。また、衝突時に大きな塑性変形を生じることが許されない客室構造部品では、塑性変形吸収エネルギーを高めることを主眼にした従来の鋼板では乗員の安全性を確保する効果が小さい。
【0003】
一方、伸びフランジ性に優れる鋼板は自動車用でも足回り部品やホィール、リムなどを対象としており、客室構造部品に要求される衝突安全性を満足することができなかった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
自動車の衝突安全性の開発が進められて行く中で、上述のようにフロントサイドメンバー用の複合組織型の従来鋼板は、クロスメンバーやセンターピラーインナーなど客室構造部品に適していないことが明らかになった。そのため、伸びフランジ性と衝突時の耐変形強度が高い客室構造部品用高強度鋼板の開発が課題とされている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは前記の課題を解決すべく、まず、客室構造部品用材料にはどのような機械的特性が重要であるかを検討した。その結果、▲1▼加工性として伸びの他に伸びフランジ性が必要であること、および、▲2▼客室の安全性は塑性変形による吸収エネルギーとは無関係で入力した最大応力に対する耐変形強度が重要であること、▲3▼それには材料のひずみ速度500/s程度の高ひずみ速度域における上降伏点応力がその最重要材料要因であること、▲4▼たとえ低ひずみ速度で上降伏点が見られない材料でも500/s程度の高ひずみ速度では図1に示すような鋭い上降伏点が観察されること、▲5▼上降伏点応力のひずみ速度による上昇の程度は材料によって異なり、降伏比の低い複合組織鋼ではその値が比較的小さいこと、▲6▼鋼材の規格は静的引張強さがその基準となるため、ひずみ速度500/sにおける上降伏点応力の準静的引張強さに対する比が1.5以上が必要であることを見出した。さらに、種々の成分と種々の微視的組織を有する鋼板を用いた実験から、フェライトとベイナイトとマルテンサイト・残留オーステナイトの体積分率、フェライトの粒径がある範囲にある場合に、上記の材料要件が満足されることを見出した。そして、炭化物の形態が伸びフランジ性と高ひずみ速度での上降伏点応力を両立するために重要な因子であることも見出した。また、塗装焼き付け時に浸入型固溶元素が転位に固着し硬化する場合、強度上昇量は高ひずみ速度域でも大きいため、準静的引張強さを大きく上げることなく、ひずみ速度500/sにおける上降伏点応力を上げることができることを見出し、プレス成形で転位が導入できなくとも、調質圧延の工程で導入した転位が有効であることを発見した。
【0006】
本発明はこのような新しい知見に基づき、従来の衝突安全用鋼板にない思想に基づいて構成された新しい鋼板であり、その要旨は以下の通りである。
【0008】
(1) 質量%で、
C:0.05〜0.17%、
Si:0.5〜1.5%、
Mn:0.8〜2.4%、
P:0.02%以下、
S:0.004%以下、
Al:0.01〜0.1%、
N:0.006%以下
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなり、体積分率で30%以上のフェライトを含み、体積分率で10%以上のベイナイトを含み、マルテンサイト及びオーステナイトを合わせた体積分率が6%未満で、フェライトの平均結晶粒径が10μm〜22μmで、円相当半径が0.1μm以上の炭化物の体積分率が0.1%以下であって、引張り強さが490MPa以上で、穴広げ率が80%以上で、ひずみ速度500/sでの上降伏点が準静的引張り強さの1.5倍以上であることを特徴とする自動車客室構造部品用高強度鋼板。
【0012】
(2) さらに、質量%で、
Ca:0.0005〜0.004%を含むことを特徴とする請求項1に記載の自動車客室構造部品用高強度鋼板。
【0013】
(3)上記(1)又は(2)に記載の化学成分からなる組成の鋼片を(Ac1変態点+50)℃以上(Ar3変態点+50)℃以下の温度で仕上げ圧延を施し、仕上げ圧延終了から平均冷却速度50℃/s以上の速さで、
T=650−450×[%C]+40×[%Si]−60×[%Mn]+470×[%P]
で計算される温度T℃以下(T−60)℃以上の範囲まで冷却を施し、その後、空冷を経て350超〜500℃で巻き取り、さらに冷間で0.6〜3%の調質圧延を施すことを特徴とする、体積分率で30%以上のフェライトを含み、体積分率で10%以上のベイナイトを含み、マルテンサイト及びオーステナイトを合わせた体積分率が6%未満で、フェライトの平均結晶粒径が10μm〜22μmで、円相当半径が0.1μm以上の炭化物の体積分率が0.1%以下であり、引張り強さが490MPa以上で、穴広げ率が80%以上で、ひずみ速度500/sでの上降伏点が準静的引張り強さの1.5倍以上である自動車客室構造部品用高強度鋼板の製造方法。
【0014】
(4)上記(1)又は(2)に記載の化学成分からなる組成の熱延鋼板を、そのまま、もしくは冷間圧延を施し、(Ac1変態点+50)℃以上(Ar3変態点+50)℃以下の温度で30s以上焼鈍し、その温度域から0.5〜10℃/sの平均冷却速度で
U=723+30×[%Si]−10×[%Mn]
で計算される温度U℃以下(U−170)℃以上の範囲まで冷却を施し、その後、10℃/s以上の平均冷却速度で350超〜500℃の範囲に冷却し、その温度範囲で70s以上保持し、さらに冷間で0.6〜3%の調質圧延を施すことを特徴とする、体積分率で30%以上のフェライトを含み、体積分率で10%以上のベイナイトを含み、マルテンサイト及びオーステナイトを合わせた体積分率が6%未満で、フェライトの平均結晶粒径が10μm〜22μmで、円相当半径が0.1μm以上の炭化物の体積分率が0.1%以下であり、引張り強さが490MPa以上で、穴広げ率が80%以上で、ひずみ速度500/sでの上降伏点が準静的引張り強さの1.5倍以上である自動車客室構造部品用高強度鋼板の製造方法。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を詳細に説明する。まず、C、Si、Mn、P、S、Al、N、Caの数値限定理由について述べる。
【0016】
Cはベイナイトにより鋼板を高強度化するのに不可欠な元素である。Cが0.05%未満では十分な強度を得ることができない。しかし、0.17%を超えるとスポット溶接性が劣化する。そのためCは0.05〜0.17%とした。
【0017】
Siは伸びフランジ性の向上に最も重要な元素である。0.5%未満では伸びフランジ性が劣る。しかしながら1.5%を超えると溶接性が劣化するとともに、理由は定かでないが高ひずみ速度での上降伏点応力が準静的引張り強さに比べて低下する。そのためSiは0.5〜1.5%とした。
【0018】
Mnは高強度化と高ひずみ速度での上降伏点上昇に必要な元素であり、0.8%以上の含有が必要である。Mnは低い冷却速度でもフェライト粒径の粗大化を抑制するのに有効である。0.8%未満ではフェライトの粒径を小さくするのに極めて高い冷却速度が必要となるのでこれを下限とした。しかしながら2.4%を超えると鋼中Mn分布の不均一性により性能が不安定になるのでこれを上限とした。フェライトを30%以上含む場合、フェライトの粒径が大きいほど、鋼材の上降伏点応力のひずみ速度依存性が増し、高ひずみ速度での上降伏点応力が高まるが、フェライト粒径は冷却速度が低いほど大きい。Mnは比較的低い冷却速度でも粗大な炭化物の生成を押さえるため、伸びフランジ性を損なうことなく、大きなフェライト粒径を確保できる。
【0019】
Pは一般に不可避的不純物として鋼に含まれるが、その量が0.02%を超えるとスポット溶接性の劣化が大きい上、衝突変形時の靭性と冷間圧延性も劣化する。
【0020】
Sも一般に不可避的不純物として鋼に含まれるが、その量が0.004%を超えると硫化物系介在物が伸びフランジ性に悪影響をおよぼす。
【0021】
Alは脱酸元素として0.01%以上必要であるが、0.1%以上ではアルミナ介在物が顕著となり、伸びフランジ性を劣化させる。
【0022】
Nもまた一般に不可避的不純物として鋼に含まれるが、その量が0.006%を超えると伸びフランジ性が劣化するため、これを上限とする。
【0023】
Caは硫化物系介在物の形態を制御し伸びフランジ性に対して無害化するために0.0005%以上添加する必要がある。ただし、0.004%を超えるとCa系の介在物による悪影響が問題となる。
【0024】
次に本発明による高強度鋼板の微視的組織の特徴について述べる。
【0025】
フェライトは上降伏点応力のひずみ速度依存性を確保するため、及び高ひずみ速度での上降伏点応力を高めるため非常に重要な相である。複合組織鋼の降伏比はフェライトと第2相の強度差が大きいほど低下し、高ひずみ速度下でも上降伏点が十分に上昇しない。一般にフェライトの粒径は小さいほど強度が増すが、ひずみ速度500/s以上の高ひずみ速度ではひずみ速度依存性も重要である。また、フェライトは第2相に比較し、ひずみ速度依存性を高める。その体積分率が30%未満ではひずみ速度の増加にともなう上降伏強さの上昇の程度が小さい。さらに、フェライトの体積分率が30%未満では他の第2相による上降伏点応力のひずみ速度依存性の低下を十分に補えない。そのためフェライトは体積分率で30%以上必要である。特にフェライトのひずみ速度依存性が十分であるためには、その平均粒径は10μm以上が望ましい。また、フェライトの強度が十分であり、動的な上降伏強さが高く、かつ準静的な引張り強さを高くし部品として必要な衝突強度以外の実用強度を満足させるためには、その平均粒径は22μm以下が望ましい。
【0026】
ベイナイトは伸びフランジ性を損なうことなく準静的強度を確保するのに重要である。体積分率で10%に満たないと十分な強度が得られない。
【0027】
マルテンサイト及びオーステナイトは体積分率が6%以上では伸びフランジ性と上降伏点応力を低下させる。さらにマルテンサイトは動的な降伏強さの上昇を抑制するため好ましくない。
【0028】
炭化物は降伏強さを高めるのに有効であるが、ひずみ速度が高くてもその効果は認められる。しかしながら、円相当半径が0.1μm以上の炭化物が体積分率で0.1%以上あると伸びフランジ性が低下する。
【0029】
次に製造条件の限定理由について述べる。まず、熱延鋼板の製造条件について説明する。
【0030】
熱間圧延の仕上げ温度は、本発明範囲の成分においてその後の冷却条件との組み合わせにより、必要な量のベイナイトとフェライトを得、かつ、フェライトの平均粒径を最終的に22μm以下にするためである。(Ac1変態点+50)℃以下では最終的に10%以上のベイナイトが得られないか、得られるフェライトの粒径が22μm以上になる。(Ar3変態点+50)℃以上では最終的に得られるフェライトの体積分率が30%に満たない。
【0031】
仕上げ圧延終了後の平均冷却速度は20℃/s以上である必要がある。20℃/s以下では冷却中にオーステナイトのフェライト変態が進み最終的に得られるベイナイト量が10%以下となる。100℃/s以上ではこの効果が飽和するため、これを上限とした。
【0032】
急速冷却の終了温度は
T=650−450×[%C]+40×[%Si]−60×[%Mn]+470×[%P]
で計算される温度T℃以下(T−60)℃以上の範囲が必要である。T℃を超える温度ではパーライト生成により伸びフランジ性が低下する。(T−60)℃未満では準静的強度が不安定になる。
【0033】
急速冷却終点温度からは空冷を施し、巻き取り温度を350超〜500℃とする必要がある。これは、空冷から巻き取りを経てコイルの状態での冷却により、10%以上のベイナイトを確保し、他の相の生成を避けるためである。350℃以下の巻き取り温度ではマルテンサイトの混入が多くなるため不適当である。また、500℃を超えるとベイナイトが得られないばかりか、0.1μm以上の炭化物が0.1%以上生成することにより伸びフランジ性が劣化する。
【0034】
さらに冷間で0.6%〜3%の調質圧延を施す必要があるが、これはストレッチャーストレインを防止することの他に、塗装焼き付け処理時に鋼中に固溶するCやNの浸入型原子が調質圧延により導入された転位を固着することにより、静的引張強さの上昇を最小限に抑えたままひずみ速度500/sでの上降伏点応力を上昇せしめることを狙ったものである。上記の工程で製造された鋼板は巻き取り後の冷却で特に工夫することなく室温で過飽和な浸入型原子を含み、塗装焼き付け硬化量が大きいことが見出された。転位はプレス加工の際にも導入されるが、曲げ成形が主体のクロスメンバーやセンターピラーインナーの場合、変形を受けない部分も広く存在するため、調質圧延により素材まま必要最小限の転位を導入し、当該性能の発現を確実にする。0.6%未満では十分な効果が認められない。3%以上では伸びフランジ性を含む加工性が劣化する。
【0035】
次に一度、任意の熱間圧延か冷間圧延により、所望の板厚に調整された素材を連続焼鈍ラインに適用して本発明の鋼板を製造する場合の条件について述べる。前述の熱間圧延での温度条件とやや異なるが、これは350超〜500℃でのベイナイト変態温度保持の直前の冷却を急速に行なうことが可能なことによる。
【0036】
焼鈍温度は本発明範囲の成分においてその後の冷却条件との組み合わせにより、必要な量のベイナイトとフェライトを得、かつ、フェライトの平均粒径を最終的に22μm以下にするためである。(Ac1変態点+50)℃以下では最終的に10%以上のベイナイトが得られないか、得られるフェライトの粒径が22μm以上になる。(Ar3変態点+50)℃以上では最終的に得られるフェライトの体積分率が30%に満たない。焼鈍温度が30s未満ではこの温度域でも十分な量のオーステナイトが生成しないため、最終的に得られるベイナイトが10%未満となる。
【0037】
最初の冷却は0.5〜10℃/sの平均冷却速度で
U=723+30×[%Si]−10×[%Mn]
で計算される温度U℃以下(U−170)℃以上の範囲まで、その後の冷却は10℃/s以上の平均冷却速度で350超〜500℃の範囲まで行なう必要がある。最初の冷却速度が0.5℃/s未満では生産性が低下するためこれを下限とする。10℃/sを超えるとオーステナイト中のC濃度が低く、次の急速冷却中にマルテンサイトが生成し、降伏強さと伸びフランジ性を低下せしめる。最初の冷却終了温度がU℃を超える温度では十分な量のフェライトを確保できない。(U−170)℃未満ではその冷却中に粗大な炭化物が多く発生する。その後の冷却速度が10℃/s未満ではオーステナイトがパーライトに変態し、準静的強度が低下するだけでなく、伸びフランジ性も劣化する。
【0038】
その後、350超〜500℃の範囲で70s以上保持するのは10%以上のベイナイトを確保し、他の相の生成を避けるためである。350℃以下ではオーステナイトもしくはマルテンサイトが多く混入する。また、500℃を超えるとベイナイトが得られないばかりか、0.1μm以上の炭化物が0.1%以上生成する。保持時間が70s以下ではベイナイト変態が不十分で室温までの冷却が終了した際に最終的にマルテンサイトが多くなり含まれることとなる。
【0039】
さらに冷間で0.6%〜3%の調質圧延を施す必要があるが、その理由は前述の熱延工程での製造条件で説明したのと同じである。
【0040】
【実施例】
表1に示す成分の鋼を表2に示す方法で熱間圧延し、いったん室温まで冷却した後、表2に示すひずみの調質圧延を施した。板厚は1.8mmとした。また、表1の4番の成分の鋼を表2のEの熱延方法で1.8mmにしたものを0.8mmに冷間圧延した鋼板を準備し、表3に示す条件で熱処理と調質圧延を施した。これらのサンプルに準静的引張り試験及び穴広げ試験を行なった。フェライト粒径Df(μm)、フェライト体積分率Vf、ベイナイト体積分率Vb、マルテンサイト・オーステナイト体積分率VmはSEM写真から測定した。0.1μm以上の炭化物の体積分率の測定にはTEM写真の高倍率と低倍率を併用し、鋼全体の平均値として測定した。準静的引張り試験はJIS5号試験片を用い0.003/sのひずみ速度で実施し、引張強さTS(MPa)を測定した。穴広げ試験は直径10mmの打ち抜き穴を頂角60°の円錐ポンチで押し広げ、最初にクラックが板厚方向に貫通した際の穴径d(mm)を測定し、穴広げ率λ(%)=100×(d−10)/10で評価した。ひずみ速度500/sでの高速引張試験は170℃×20分の塗装焼き付け相当の熱処理を施した材料に対して行ない、降伏点の応力値DYPU(MPa)を測定した。
【0041】
必要な穴広げ率は部品の形状やプレス成形方法にもよるが、λが80%以上なら伸びフランジ破断が発生しないか、わずかなブランク形状の変更で伸びフランジ破断を回避できるようなクロスメンバーやセンターピラーインナーが多くある。λが80%以上でDYPU/TSが1.5以上を満足する引張強さ490MPa以上の高強度鋼板は、表4から01A、02A、03B、04B、05B、04Mであることがわかる。これらは本発明の範囲にあるが、それ以外の鋼はTSか、λか、DYPU/TSを満足していない。以上に示したように本発明をもってすれば、クロスメンバーやセンターピラーインナーなど自動車客室構造部品用高強度鋼板を提供することが可能である。
【0042】
【表1】
【0043】
【表2】
【0044】
【表3】
【0045】
【表4】
【0046】
【発明の効果】
以上、詳しく述べたように、本発明によればプレス加工時の伸びフランジ破断が避けられ、かつ、部品としての衝突性能を満足する、自動車客室構造部品用高強度鋼板を得ることができる。これは、自動車の生産性、衝突安全性、車体軽量化に大きく寄与する、産業上極めて大きな効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】ひずみ速度500/sでの高速引張試験により測定される応力(σ)−ひずみ(ε)曲線に観察される上降伏点の応力値(DYPU)を示す図である。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.05〜0.17%、
Si:0.5〜1.5%、
Mn:0.8〜2.4%、
P:0.02%以下、
S:0.004%以下、
Al:0.01〜0.1%、
N:0.006%以下
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなり、体積分率で30%以上のフェライトを含み、体積分率で10%以上のベイナイトを含み、マルテンサイト及びオーステナイトを合わせた体積分率が6%未満で、フェライトの平均結晶粒径が10μm〜22μmで、円相当半径が0.1μm以上の炭化物の体積分率が0.1%以下であって、引張り強さが490MPa以上で、穴広げ率が80%以上で、ひずみ速度500/sでの上降伏点が準静的引張り強さの1.5倍以上であることを特徴とする自動車客室構造部品用高強度鋼板。 - さらに、質量%で、
Ca:0.0005〜0.004%を含むことを特徴とする請求項1に記載の自動車客室構造部品用高強度鋼板。 - 請求項1又は2に記載の化学成分からなる組成の鋼片を(Ac1変態点+50)℃以上(Ar3変態点+50)℃以下の温度で仕上げ圧延を施し、仕上げ圧延終了から平均冷却速度50℃/s以上の速さで、
T=650−450×[%C]+40×[%Si]−60×[%Mn]+470×[%P]
で計算される温度T℃以下(T−60)℃以上の範囲まで冷却を施し、その後、空冷を経て350超〜500℃で巻き取り、さらに冷間で0.6〜3%の調質圧延を施すことを特徴とする、体積分率で30%以上のフェライトを含み、体積分率で10%以上のベイナイトを含み、マルテンサイト及びオーステナイトを合わせた体積分率が6%未満で、フェライトの平均結晶粒径が10μm〜22μmで、円相当半径が0.1μm以上の炭化物の体積分率が0.1%以下であり、引張り強さが490MPa以上で、穴広げ率が80%以上で、ひずみ速度500/sでの上降伏点が準静的引張り強さの1.5倍以上である自動車客室構造部品用高強度鋼板の製造方法。 - 請求項1又は2に記載の化学成分からなる組成の熱延鋼板を、そのまま、もしくは冷間圧延を施し、(Ac1変態点+50)℃以上(Ar3変態点+50)℃以下の温度で30s以上焼鈍し、その温度域から0.5〜10℃/sの平均冷却速度で
U=723+30×[%Si]−10×[%Mn]
で計算される温度U℃以下(U−170)℃以上の範囲まで冷却を施し、その後、10℃/s以上の平均冷却速度で350超〜500℃の範囲に冷却し、その温度範囲で70s以上保持し、さらに冷間で0.6〜3%の調質圧延を施すことを特徴とする、体積分率で30%以上のフェライトを含み、体積分率で10%以上のベイナイトを含み、マルテンサイト及びオーステナイトを合わせた体積分率が6%未満で、フェライトの平均結晶粒径が10μm〜22μmで、円相当半径が0.1μm以上の炭化物の体積分率が0.1%以下であり、引張り強さが490MPa以上で、穴広げ率が80%以上で、ひずみ速度500/sでの上降伏点が準静的引張り強さの1.5倍以上である自動車客室構造部品用高強度鋼板の製造方法。
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