JP4375615B2 - ドア部材用鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、住居等のドア部材、特に鍵穴周辺のドア部材に用いられ、ドリル等の工具によっても穴あけしがたいドア部材用鋼板に関する。

住居等のドア部材には、板厚０.６〜１.０ｍｍ程度の亜鉛めっき鋼板が使用されている。亜鉛めっき鋼板は、加工性に優れていることからニーズに合ったドア形状に成形でき、塗装による種々の模様付与も可能である。また、長期にわたって美麗な外観を維持するドア部材として、耐食性に優れた高Ｃｒオーステナイト系ステンレス鋼の使用も検討されている。
ドアには、加工性，意匠性，耐久性の他に外部からの侵入を防止する機能が要求されるため、工具類では容易に開錠できない錠が取り付けられる。開錠防止対策の高度化に対応して、鍵穴周辺のドア部材に電動ドリルで穴を開け、穿孔部から特殊工具をドア内側まで挿し込んで開錠する手口，金切挟を用いて穿設部を起点に腕が入る程度に穴径を拡げた後、穴からドア内側に回した手で開錠する手口等により住居内に不法侵入される事件が急増している。

ドア部材を穿孔してドア内側から開錠する侵入への対策として、穴あけが困難な材料をドア外板に使用する方法，穿孔しがたい部材を鍵穴周辺のドア壁内に組み込んだ構造等が検討されており、難ドリル加工性に優れた鋼板が強く要求されている。ドア部材の穿孔に時間がかかる分だけ侵入現場を視認される確率が高くなるので、現在の段階では"ドリル穴をあけるために従来材の３倍以上の時間を要すること"がドア部材用鋼板の要求基準とされている。

ドア部材用鋼板への転用が予測される材料として金庫用材料がある。金庫用材料は、難ドリル加工性，難溶断性を改善した材料であり、合金鋼の間にセラミックスをクラッドした材料（特許文献１），難ドリル加工性の低合金工具鋼をオーステナイト系耐熱鋼にクラッドした材料（特許文献２），難ドリル加工性のＭｎ鋼板の表面に難溶断性のステンレス鋼を肉盛りした材料（特許文献３）等が知られている。しかし、何れもクラッドや肉盛りで製品化することから高価な材料であり、セラミックスをクラッドした材料では廃材のリサイクルにも問題がある。
特開平6-166136号公報 特開平5-92280号公報 特開平9-21276号公報

本発明は、ドアを穿孔して内側から開錠する不法侵入に対する防御を図るべく、難ドリル加工性に優れた材料を調査・検討した結果見出されたものであり、製品コストを上げるクラッドや肉盛り等に依ることなく、金属組織の調節により要求基準"ドリル穴をあけるために従来材の３倍以上の時間を要すること"を満足するドア部材用鋼板を提供することを目的とする。

本発明のドア部材用鋼板は、Ｃ：０.４〜１.２質量％，Ｓｉ：２.０質量％以下，Ｍｎ：０.２〜２.０質量％，Ｐ：０.０５質量％以下，Ｓ：０.０５質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成と、パーライト：９０面積％以上でラメラ間隔：１５０ｎｍ以下のパーライト組織をもつことを特徴とする。
ドア部材用鋼板は、更に、Ｃｒ：１.６質量％以下，Ｍｏ：０.３質量％以下，Ｖ：０.３質量％以下，Ｎｂ：０.１質量％以下，Ｂ：０.００７質量％以下の１種又は２種以上を含むことができる。

"ドリル穴をあけるために従来材の３倍以上の時間を要すること"の要求基準と鋼種との関係を調査・検討したところ、同じ鋼種ではベイナイト，焼戻しマルテンサイトに比較してパーライトは軟質であるものの難ドリル加工性に優れていた。パーライトは、熱延条件の適正管理によって得られる組織であり、ベイナイトや焼戻しマルテンサイトのように熱処理工程を要しない。しかも、比較的硬度が低いため、冷間圧延や冷間加工によって所定形状に成形できることも利点である。
パーライト組織は、フェライトとセメンタイトが層状に並んだラメラー組織であり、硬質のセメンタイトがドリルの侵入に高い抵抗力を示す。パーライト面積率の増加に伴い難ドリル加工性も向上するが、フェライト／セメンタイトのラメラー組織を緻密化することによって難ドリル加工性が更に向上する。

ラメラー組織の緻密化はセメンタイトのラメラ間隔で表され、ラメラ間隔が１５０ｎｍ以下になるとドリル穴をあけるため要する時間が飛躍的に長くなる。ラメラ間隔と穿孔所要時間との関係は、次のように説明できる。
パーライトは、層状のフェライト相とセメンタイト（Ｆｅ₃Ｃ）が交互に並んだラメラ組織であり、同じ鋼種では変態温度が低いほどラメラ間隔が狭く、フェライト，セメンタイト共に薄く硬質になる。セメンタイトは、穴あけ時に接触するドリルの刃先よりも硬い１２００ＨＶ程度の硬さをもち、穴あけに抗する抵抗として働く。しかし、脆いためにドリルとの接触によって亀裂が入ると、脆性的に破壊する傾向を示す。そのため、セメンタイトの厚み方向と平行にドリル刃が進行する場合、厚くて数が少ないセメンタイト（高温域でのパーライト変態により生成する）が分散している組織よりも薄くて数多くのセメンタイト（低温域でのパーライト変態により生成する）が分布する組織の方がドリル加工に抗する負荷が大きくなり、難ドリル加工性が向上する。

硬質のセメンタイトは、塑性変形することなく脆性的に割れることが通常であるが、２５ｎｍ以下と非常に薄い場合には塑性変形挙動を示す。セメンタイトの塑性変形が可能になると、ドリル刃の接触面を覆う状態になってドリル刃とセメンタイトとの接触頻度が高くなり、これによっても難ドリル加工性が向上する。
硬質セメンタイトの厚みと破壊挙動との関係を考慮すると、セメンタイトが薄く、ラメラ間隔が狭いパーライト組織ほど難ドリル加工性に有利である。特にラメラ間隔を１５０ｎｍ以下にすると、セメンタイトの厚みが２５ｎｍ以下となり、硬質のセメンタイトが塑性変形挙動を示すことからも難ドリル加工性が改善される。

本発明のドア部材用鋼板は、熱延後にパーライト：９０面積％以上の組織が得られるようにＣ，Ｍｎ量を調整している。
Ｃ含有量が多くなるほどパーライト組織が生成しやすく、０.４質量％以上が効果的である。しかし、過剰量のＣ含有は冷延時の設備負荷が大きくなりすぎるので、Ｃ含有量の上限を１.２質量％に設定する。

Ｓｉは、溶鋼段階で脱酸剤として添加される成分であるが、含有量増加に伴い鋼材を硬質化して伸びや絞りが低下するので、取付け時等に加工が予想されるドア部材用としての用途ではＳｉ含有量の上限を２.０質量％に規制することが好ましい。
Ｍｎは、オーステナイト→パーライト変態を遅延させる作用を呈する。恒温保持温度でパーライト変態を開始させるためにＭｎ含有量の下限を０.２質量％に、パーライト変態終了までの時間を短縮するためにＭｎ含有量の上限を２.０質量％に設定する。
ドア部材用鋼板に含まれるＰ，Ｓは靭性等に有害な成分であるが、０.０５質量％以下に規制することにより悪影響を抑制できる。

他の成分として、必要に応じ、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｂ等を添加しても良い。
Ｃｒは、鋼材の焼入れ性を高めて硬度を上昇させる成分であるが、過剰添加はベイナイトの生成原因となるので１.６質量％を上限とする。

Ｍｏ，Ｖは、炭化物となって析出し鋼材の硬質化には有効であるが、生成した炭化物がオーステナイト化温度域で十分に固溶せずパーライトの生成を抑制する傾向を示すので０.３質量％を上限とする。
Ｎｂは、旧オーステナイト粒径を微細化して伸び，絞りを向上させる作用を呈するが、０.１質量％で添加効果が飽和する。
Ｔｉは、パーライト組織の緻密化に有効な成分であるが、過剰添加は経済的に不利であるので上限を０.２質量％に設定する。
Ｂは、フェライトの生成を抑えてパーライトを生成しやすくする成分であるが、過剰添加は熱間加工性，靭性を劣化させるので０.００７質量％を上限とする。

所定の成分・組成に調整された鋼材は、仕上げ温度：８００〜９５０℃，冷却速度：２０度／秒以上，巻取り温度：６００℃以下の熱間圧延によってドア部材の要求特性を備えた鋼板に製造される。パーライト変態はオーステナイト相から起きる変態であるので、オーステナイト域での熱間圧延を保証するため８００〜９５０℃の温度域に仕上げ温度を設定する。遅い冷却速度では初析フェライトや初析セメンタイトが多量に生成してパーライト面積率が低下するので、２０℃／秒以上の冷却速度を確保することにより目標とするパーライト組織を生成させる。また、パーライト組織を緻密化するため、巻取り温度を６００℃以下に設定する。

適正条件下の熱延によってパーライト組織となった鋼板は、硬さが比較的低いものの優れた難ドリル加工性を呈する。低硬度は、後続する冷延工程でベイナイトやマルテンサイトに比較して負荷が小さく、低コストで製造可能なことを意味する。また、通常の熱延設備で製造可能な下限板厚は、一般的にドア部材用途に使用される板厚（１ｍｍ程度以下）以上である。そのため、このようなドア部材に適用する場合、冷間圧延によって板厚を減じる必要があるが、低硬度のため比較的小さな負荷で冷延可能である。

ドア部材としての要求特性を満足させる上では、パーライト：９０面積％以上，ラメラ間隔：１５０ｎｍ以下のパーライト組織を熱延で作り込む必要がある。軟らかいフェライトが減少するほど難ドリル加工性が向上し、パーライト：９０面積％以上で必要な難ドリル加工性が得られる。また、ラメラ間隔：１２０ｎｍ以下になると、パーライト組織の緻密化の影響が顕著になり、極めてドリル穿孔しがたい鋼板となる。

表１の組成をもつ鋼材を溶製し、次いで板厚：１.５ｍｍに熱間圧延した。熱間圧延は仕上げ温度：８００〜９００℃，巻取り温度：５００〜６５０℃の範囲で行い、硬さ，ラメラ間隔が異なるパーライト組織に調質した。

各熱延鋼板から試験片を切り出し、ドリル穴あけ試験に供した。ドリル穴あけ試験では、刃径：１０ｍｍ，先端角：１１８度，溝長：９５ｍｍで新品の汎用ストレートドリル（JIS B4301）を用い、ドリルを長さ方向に押える荷重（ドリル負荷荷重）：１９６Ｎを加え、回転数：６００ｒｐｍでドリルを回転させながら、ドリル径と同じ大きさの穴があくまでに要した時間（ドリル貫通時間）を測定した。
穴あけ開始から１２０秒経過した時点でも貫通孔が形成されなかった場合を「貫通せず」と評価し、現行材相当の鋼Ａのドリル貫通時間が１７秒であったので、ドリル貫通時間：６０秒以上（＞１７秒×３）を「難ドリル加工性良好」と評価した。

表２の調査結果にみられるように、パーライト：９０面積％以上，ラメラ間隔：１５０ｎｍ以下のパーライト組織をもつ試験片は、何れのドリル貫通時間も６０秒以上であり、要求特性を満足する難ドリル加工性を持っていた。なお、パーライト面積率は、走査型電子顕微鏡により倍率：５００倍の視野で金属組織を観察してフェライト組織とパーライト組織とに分類し、画像処理することによって求めた。ラメラ間隔は、同じく走査型電子顕微鏡を用い、種々の位置のパーライトの金属組織を倍率：１５００倍で撮影し、パーライトコロニー１０個分のラメラ間隔を撮影写真から測定し、１０データのうちラメラ間隔の小さいほうから五つのデータを平均化することにより求めた。

これに対し、Ｃ含有量が不足する鋼種Ａでは、パーライトの生成が少なく、軟らかいフェライト主体の組織であった。そのため、ドリル貫通時間が１７秒と短く、ドア部材としての要求特性を満足していない。同じ鋼種を使用しても、パーライト面積率が低すぎ、或いはラメラ間隔が大きすぎると、６０秒に達しない短時間で貫通孔が形成された（試験番号２，５，１２）。
この対比から明らかなように、パーライト：９０面積％以上，ラメラ間隔：１５０ｎｍ以下に調整することによってドア部材としての要求特性を満足することが確認できる。

表１の鋼Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆをそれぞれ表２の試験番号２，４，５，７，９，１０の条件で板厚：３.５ｍｍに熱延した後、冷間圧延で板厚：１.５ｍｍに仕上げた。何れも硬度が比較的低いため、大きな熱延負荷を必要としなかった。
各冷延鋼板から切り出した試験片を実施例１と同じドリル穴あけ試験に供し、ドリル貫通時間を測定した。表３の試験結果にみられるように、冷間圧延前の組織でパーライト：９０面積％以上，ラメラ間隔：１５０ｎｍ以下を満足する鋼材では、冷延後にもドリル貫通時間：６０秒以上の難ドリル加工特性を満足していた。他方、パーライト：９０面積％以上又はラメラ間隔：１５０ｎｍ以下を満足しない鋼材では、６０秒以内の短時間で穴があき、難ドリル加工特性に劣っていた（試験番号１，３）。

以上に説明したように、パーライト：９０面積％以上，ラメラ間隔：１５０ｎｍ以下に調整したパーライト組織をもつ鋼板は、ドア部材として使用されている従来材に比較して３倍以上の長いドリル貫通時間を示し、ドリル穿孔に十分耐えうるドア部材として使用される。しかも、硬度が比較的低いことから、冷間圧延時にも過剰な負荷を必要とせずに目標板厚に成形でき、取付け時の加工も可能である。そのため、特殊工具を用いた不法侵入を防ぎ、居住空間の安全が図られる。

Claims (2)

1. Ｃ：０.４〜１.２質量％，Ｓｉ：２.０質量％以下，Ｍｎ：０.２〜２.０質量％，Ｐ：０.０５質量％以下，Ｓ：０.０５質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成と、パーライト：９０面積％以上でラメラ間隔：１５０ｎｍ以下のパーライト組織をもつことを特徴とするドア部材用鋼板。
2. 更に、Ｃｒ：１.６質量％以下，Ｍｏ：０.３質量％以下，Ｖ：０.３質量％以下，Ｎｂ：０.１質量％以下，Ｔｉ：０.２質量％以下，Ｂ：０.００７質量％以下の１種又は２種以上を含む請求項１記載のドア部材用鋼板。