JP4471486B2

JP4471486B2 - 深絞り性に優れた中・高炭素鋼板

Info

Publication number: JP4471486B2
Application number: JP2000350926A
Authority: JP
Inventors: 雅人鈴木; 直人大久保; 昭史平松
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: JP2002155339A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、焼入れ性を有し、簡単な熱処理により高い硬度と耐摩耗性をも発揮する深絞り性に優れた中・高炭素鋼板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼中のＣ含有量が概ね０．０１〜０．９質量％のいわゆる中・高炭素鋼板は、焼入れ強化が可能であるとともに、焼鈍状態ではある程度の加工性も有しているため、自動車部品をはじめ各種機械部品や軸受け部品の材料として広く使用されている。部品の製造に当たっては、一般的には打抜き加工や曲げ成形が実施され、さらには比較的軽度な絞り加工、伸びフランジ成形が施されることもある。また、部品形状が複雑な場合は、２ないし３の部品を溶接で接合して製造されることもある。そしてこれらの加工部品は熱処理されて各種用途の部品に仕上げられていく。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが近年、部品の製造コストの低減を目指して、部品の一体成形や、部品加工の工程簡略化が進められている。このためより加工率の高い（塑性変形量の大きい）加工に耐えられる素材が求められている。つまり、加工技術の高度化に伴い、素材である中・高炭素鋼板自体にもより高い加工性が要求されるようになってきた。特に昨今では、打抜き加工、曲げ加工のみならず、深絞り成形で得られるような複雑な形状の製品へ、中・高炭素鋼板を適用しようという要望が増している。
【０００４】
特公平４−５６０８８号公報には、絞り性の良好な高炭素冷延鋼板の製造法が開示されている。この製造法では、化学成分を特定範囲に規制した鋼に、冷間圧延と焼鈍処理を施して鋼中のセメンタイトを黒鉛化し、その後さらに冷間圧延と再結晶焼鈍を施している。セメンタイトを黒鉛化した鋼板に冷間圧延と焼鈍を施すことにより、従来得られていなかった高いｒ値を持ち、軟鋼板並みの深絞り性を有する高炭素鋼板が得られると記載されている。しかし、この方法は黒鉛化させるために特定の元素の添加が必要であることに加えて製造工程が長く、結果的にコスト高となる。
【０００５】
特開平８−２４６０５１号公報には、特定組成の熱延鋼板を焼鈍して鋼中の炭素の５０％以上を黒鉛化させ、これに冷間圧延と焼鈍を施して成形性を改善する中炭素鋼板の製造方法が開示されている。この方法は特公平４−５６０８８号公報で開示されている方法に比べれば、製造工程は簡略化されている。しかし、この方法においても、黒鉛化させるために特定の元素の添加を必要としている。
また、特開平１１−６１２７２号公報には、特定組成のベイナイト組織を持つ高炭素熱延鋼板に焼鈍および冷延を施すことにより、フェライト＋セメンタイトを主体組織とする高炭素鋼のｒ値を向上させる方法が開示されている。この方法では、特定の元素の添加が必要であることに加えて、熱延においてベーナイト組織とするために低温での巻取りが必要であり、製造性に劣る。いずれの場合も、特定の添加元素を必要とするため、これらの技術は、一般的な中・高炭素鋼種の製造に広く適用できるものではない。
【０００６】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、特殊な元素を添加することなく、一般的な中・高炭素鋼板においても発現可能な優れた深絞り性を得ることを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の深絞り性に優れた中・高炭素鋼板は、その目的を達成するため、Ｃ：０．１０〜０．９０質量％、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｎ：２．０質量％以下、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０２質量％、Ｔ．Ａｌ：０．１質量％以下を、さらに必要に応じてＣｒ：１．６質量％以下、Ｍｏ：０．５質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、Ｎｉ：２．０質量％以下、Ｔｉ：０．０５質量％以下、Ｂ：０．００５０質量％以下のいずれか１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成に調整するとともに、下記（ａ）で定義される炭化物のフェライト粒界存在率（Ｆ値）が３０％以上であるように、炭化物がフェライト中に分散された組織としたものである。
（ａ）Ｆ値＝（Ｎ_ＧＢ／Ｎ_Ａ）×１００
ただし、炭化物総数が３００個以上となる観察視野領域とし
Ｎ_ＧＢ＝観察視野内のフェライト粒界に存在する炭化物数
Ｎ_Ａ＝観察視野内の全炭化物数
【０００８】
また、上記鋼板において、（２２２）面と（２００）面のＸ線面強度比を２以上にすると、深絞り性はさらに向上する。
【０００９】
【作用】
本発明者等は、一般的な中・高炭素鋼種における鋼板の深絞り性を改善する手段について詳細に検討してきた。その結果、フェライト中に分散している炭化物の存在位置が重要な因子であることを見出した。炭化物はフェライト粒内またはフェライト粒界のいずれかに存在している。深絞り性に及ぼす炭化物の存在位置の影響は、十分には明らかになっていないが、少なくともフェライト粒界に存在する炭化物の存在割合がある程度以上である場合に、深絞り性が向上する。
さらに、炭化物がフェライト粒界にある程度以上の割合で存在した上で、深絞り性に好ましい集合組織、すなわち（２２２）面と（２００）面のＸ線面強度比を大きくした場合には、深絞り性はより一層向上することを見出した。
【００１０】
ここで、本発明鋼板の金属組織を特定する事項について説明する。
〔炭化物のフェライト粒界存在率〕
炭化物のフェライト粒界存在率は、フェライト中に存在している炭化物の分散状態を評価する指標である。炭化物の分散状態を立体的に性格にとらえて規定することは難しく、また製品鋼板の適否を判定する上でも煩雑である。これに対し、鋼板断面の平面的な金属組織の観察は容易であるから、本発明者等は、鋼板断面の金属組織の中で観察される炭化物について、炭化物のフェライト粒界存在率を把握し、鋼板の深絞り性に対する炭化物のフェライト粒界存在率の影響を検討した。
【００１１】
鋼板断面の金属組織観察において、観察視野内のフェライト粒界に存在する炭化物数（Ｎ_GB）および全炭化物数（Ｎ_A）を測定し、Ｆ値＝（Ｎ_GB／Ｎ_A）×１００（％）で求められる値を炭化物のフェライト粒界存在率とした。このＦ値が大きいほどフェライト粒界に存在する炭化物が多く、１００％の場合、全ての炭化物がフェライト粒界に存在することになる。ただし、数値の信頼性を高めるために、観察視野は測定炭化物総数が３００個以上となる領域とする。そして、種々の実験の結果、Ｆ値が大きいほど高い深絞り性を示すことを見出した。
【００１２】
〔Ｘ線面強度比〕
低炭素鋼において板面に平行な｛１１１｝集合組織が発達した場合に深絞り性が向上し、｛１００｝集合組織が発達した場合には深絞り性が低下することが知られている。本発明者者等は、中・高炭素鋼板の深絞り性に及ぼす集合組織の影響についても同様の傾向があることを確認した．すなわち、中・高炭素鋼板のｒ値はＸ線回折における（２２２）面および（２００）面のＸ線面強度（Ｉ₂₂₂およびＩ₂₀₀）の比（Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀）と比較的強い相関があり、このＩ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比が高い場合に、深絞り性がさらに向上することを見出している。
さらに詳細な種々の実験の結果、前述の炭化物のフェライト存在率（Ｆ値）を３０％以上としたもので、上記Ｘ線回折におけるＩ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比を大きく２以上にすると、深絞り性がより一層向上することを見出した。そこで、Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比を２以上にすることが好ましいとした。
【００１３】
次に、本発明で使用される鋼の成分組成について説明する。
Ｃ：０．１０〜０．９０質量％
Ｃは、炭素鋼においては最も基本になる合金元素である。その含有量によって、焼入れ硬さおよび焼鈍状態での炭化物量が大きく変動する。Ｃ含有量が０．１０質量％以下の鋼では、各種機械構造用部品に適用するうえで十分な焼入れ硬さが得られない。一方、Ｃ含有量が０．９０質量％を超えると、熱間圧延後の靭性が低下して鋼帯の製造性・取扱い性が悪くなるとともに、焼鈍後においても十分な延性が得られないため、加工度の高い部品への適用が困難になる。したがって、本発明では適度な焼入れ硬さと加工性を兼ね備えた素材鋼板を提供する観点から、Ｃ含有量が０．１０〜０．９０質量％の範囲に鋼を対象とした。
【００１４】
Ｓｉ：１．０質量％以下
Ｓｉは、局部延性に対して影響の大きい元素の１つである。Ｓｉを過剰に含有すると固溶強化作用によりフェライトが硬化し、成形加工時に割れ発生の原因になる。またＳｉ含有量が増加すると製造過程で鋼板表面にスケール疵が発生し易く、表面品質の低下を招く。そこでＳｉ含有量は１．０質量％以下とするが、加工性を特に重視する用途では、０．１質量％以下とすることが望ましい。
Ｍｎ：２．０質量％以下
Ｍｎは、鋼板の焼入れ性を高め、強靭化にも有効な添加元素である。焼入れ性向上のためにはある程度含有させることが望ましいが、２．０質量％を超えて多量に含有させるとフェライトが硬化し、加工性の劣化を招く。そこで、Ｍｎ含有量は２．０質量％以下にすることが望ましい。
Ｐ：０．０３質量％以下
Ｐは、延性や靭性を劣化させるので、その含有量は０．０３質量％以下にすることが望ましい。
【００１５】
Ｓ：０．０２質量％以下
Ｓは、ＭｎＳ系介在物を形成する元素である。この介在物な量が多くなると加工性が劣化するので、鋼中のＳ含有量は極力低減することが望ましい。本発明で規定する炭化物分散形態を実現させれば、Ｓ含有量を特別に低減していない一般的な市販鋼に対しても深絞り性の向上は得られる。しかし、Ｃ含有量が０．９０質量％近くまで高くなった場合でも、高い加工性を安定して確保するためには、Ｓ含有量を０．０２質量％以下に低減した鋼を用いることが望ましい。
【００１６】
Ｔ．Ａｌ：０．１質量％以下
Ａｌは、溶鋼の脱酸剤として添加されるが、鋼中のＴ．Ａｌが０．１質量％を超えると鋼の清浄度が損なわれて鋼板に表面疵が発生し易くなる。そこで、Ｔ．Ａｌ含有量は０．１質量％以下にすることが望ましい。
また本発明では、必要に応じてＣｒ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎｉ、Ｔｉ、Ｂ等の元素を添加して、各種特性を改善することもできる。
【００１７】
Ｃｒ：０〜１．６質量％
Ｃｒは、焼入れ性を改善するとともに焼戻し軟化抵抗を大きくする元素である。しかし、１．６質量％を超える多量のＣｒが含まれるとＡ₁点以下での長時間焼鈍やＡ１点以上の加熱を利用した焼鈍を施しても軟質化しにくく、焼入れ前のプレス成形性や加工性が劣化するようになる。したがってＣｒを添加する場合は１．６質量％以下の範囲とする。
Ｍｏ：０〜０．３質量％
Ｍｏは、少量の添加でＣｒと同様に焼入れ性・焼戻し軟化抵抗の改善に寄与する。しかし、０．３質量％を超える多量のＭｏが含まれるとＡ₁点以下での長時間焼鈍やＡ₁点以上の加熱を利用した焼鈍を施しても軟質化しにくく、焼入れ前のプレス成形性や加工性が劣化するようになる。したがって、Ｍｏを添加する場合は０．３質量％以下の範囲とする。
【００１８】
Ｃｕ：０〜０．３質量％
Ｃｕは、熱間圧延中に生成する酸化スケールの剥離性を向上させるので、鋼板の表面性状の改善に有効である。しかし、０．３質量％以上含有させると溶融金属脆化により鋼板表面に微細なクラックが生じ易くなるので、Ｃｕを含有させる場合は０．３質量％以下の範囲とする。好ましい範囲は０．１０〜０．１５質量％である。
Ｎｉ：０〜２．０質量％
Ｎｉは、焼入れ性を改善するとともに、低温脆性を防止する合金成分である。また、ＮｉはＣｕ添加によって問題となる溶融金属脆化の悪影響を打ち消す作用を有するので、特にＣｕを約０．２質量％以上添加する場合にはＣｕ添加量と同程度のＮｉを添加することが極めて有効である。しかし、２．０質量％を超える多量のＮｉが含まれるとＡ₁点以下での長時間焼鈍やＡ₁点以上の加熱を利用した焼鈍を施しても軟質化しにくく、焼き入れ前のプレス成形性や加工性が劣化するようになる。したがって、Ｎｉを添加する場合は２．０質量％以下の範囲とする。
【００１９】
Ｔｉ：０〜０．０５質量％
Ｔｉは、溶鋼の脱酸調整に添加される成分であるが、脱窒作用をも呈する。また、鋼板に固溶しているＮを窒化物として固定するので、焼入れ性を改善する有効Ｂ量を高める。更に、炭窒化物を形成し、焼入れ時の結晶粒粗大化を防止する作用を呈する。これらの作用を安定して得るためには０．０１質量％以上のＴｉの添加が好ましい。しかし、０．０５質量％を超える多量のＴｉが含まれると、経済的に不利になるばかりか、局部延性を劣化させる原因ともなる。
【００２０】
Ｂ：０〜０．００５０質量％
Ｂは、極く微量の添加で鋼材の焼入れ性を大幅に向上させる。また、粒界の歪みエネルギーを低下させることによって粒界を強化する作用を呈する。また、添加することにより、焼入れ硬さが安定して得られる。このようなＢの効果を安定して得るためには、０．０００５質量％以上のＢの添加が好ましい。しかし、０．００５０質量％を超えるＢを添加しても、その効果が飽和し、逆に靭性を劣化させる原因となる。
【００２１】
【発明の実施の態様】
本発明で特定されるようなフェライト中の炭化物分散状態の鋼板を得るための具体的な方法の例について説明する。Ｃ：０．４２質量％、Ｓｉ：０．２１質量％、Ｍｎ：０．６８質量％、Ｐ：０．０１１質量％、Ｓ：０．００７質量％の鋼において、熱延巻取り温度を５５０℃とした熱延鋼板に、以下の冷間圧延や焼鈍を施した。
【００２２】
条件ａ：『７００℃で５ｈ→７５０℃で５ｈの保持→１５℃／ｈの冷却温度で冷却→７００℃で５ｈの保持→炉冷』の焼鈍を施す。
条件ｂ：『６００℃で１０ｈの保持→炉冷』の焼鈍の後、『圧下率５０％』の冷延を施し、さらに『７１０℃で３０ｈの保持』の焼鈍を施す。
条件ｃ：『７００℃で１０ｈの保持→炉冷』の焼鈍の後、『圧下率３０％』の冷延を施し、さらに『７００℃で５ｈ→７５０℃で５ｈの保持→１５℃／ｈの冷却速度で冷却→７００℃で５ｈの保持→炉冷』の焼鈍を施す。
【００２３】
条件ａの焼鈍材は、炭化物のフェライト粒界存在率（Ｆ値）が８２％で、Ｘ線回折におけるＩ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比が１．３であり、ｒ値は１．０５であった。条件ｂの焼鈍材は、Ｆ値が４２％で、Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比が２．９であり、ｒ値は１．１２であった。また、条件ｃの焼鈍材は、Ｆ値が９３％で、Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比が３．３であり、ｒ値は１．３３であった。
以上のように、条件ａ〜ｃのような方法により、Ｆ値を３０％以上、さらにはＩ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比を２．０以上にした鋼板を得ることができる。
【００２４】
【実施例】
表１に示す化学組成の鋼を溶製した。表中の焼入れ硬さは、供試材をそのまま９００℃で５分間保持した後、水焼入れした場合の硬さを示した。
表１の内、鋼種Ａは、Ｃ含有量が０．０７質量％と低いので、焼入れ後の硬さが低く、機械部品として必要な硬度が得られないものであった。鋼種Ａを除く鋼板について、熱延コイル巻取り温度を種々変化させた熱間圧延を行い熱延組織を変化させた。得られた熱延鋼板は、酸洗後、種々の条件で冷間圧延や焼鈍を施し、鋼板の炭化物のフェライト粒界存在率、集合組織を変化させた。その後、引張り試験に供し、ｒ値を測定した。
【００２５】

【００２６】
走査電子顕微鏡により、鋼板断面の一定領域内を観察し、画像処理装置（ニコレ社製、ＬＵＺＥＸＩＩＩＵ）を利用して、フェライト粒界に存在する炭化物数（Ｎ_GB）および全炭化物数（Ｎ_A）を測定した。そして、Ｆ値＝（Ｎ_GB／Ｎ_A）×１００で求められる値を炭化物のフェライト粒界存在率とした。その際の測定炭化物総数は３００〜１０００個の範囲であった。
【００２７】
引張り試験は、Ｌ（圧延方向）、Ｄ（圧延方向に対して４５度）およびＴ（圧延方向に対して９０度）の３方向のＪＩＳ５号引張り試験片を作成し、平行部の標点間距離５０ｍｍとして、板厚は１．０ｍｍで実施した。引張り試験にあたっては、１５％の引張り伸びを与え、その時の標点間内の板幅を測定し、次の式によりｒ値を算出した。
ｒ＝ｌｎ（ｗ_o／ｗ_x）／ｌｎ（Ｌ_xｗ_x／Ｌ_oｗ_o）
ここで、ｗ_oおよびＬ_oは試験前の板幅および標点間距離であり、ｗ_xおよびＬ_xは１５％引張り伸び付与後の板幅および標点間距離を示している。
【００２８】
各供試材の平均ｒ値は、次の式で計算した。
平均ｒ値＝（ｒ_L＋２ｒ_D＋ｒ_T）／４
なお、ｒ_xのｘは、圧延方向に対する試験片の切出し方向を示す。例えば、ｒ_DはDの方向（圧延方向に対して４５度）に採取した試験片により測定したｒ値である。
集合組織は、鋼板表面を研磨し、板厚の１／４位置の集合組織をX線回折により各面の積分強度を測定し、（２２２）面強度と（２００）面強度との比（I₂₂₂／I₂₀₀）を算出した。
これらの結果を、金属組織と併せて表２に示す。
【００２９】

【００３０】
表２において、比較例（Ｎｏ．２，５，７，１８）の鋼板は、Ｆ値が３０％よりも小さいため、平均ｒ値は０．８５以下と他のものよりも低い。Ｎｏ．１１の鋼板は、Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比が２を超えているが、Ｆ値が３０％よりも小さいため、平均ｒ値は０．８４と低い。また、Ｎｏ．２０の鋼板は、Ｆ値が３０以上で、Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比が２を超えているが、Ｃ含有量が０．９７質量％と高いため、平均ｒ値は低くなっている。
Ｆ値が本発明で規定する範囲内にある本発明例１（Ｎｏ．１，３，８，１２，１７）およびＦ値が本発明で規定する範囲内にあり、かつＩ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比が２以上である本発明例２（Ｎｏ．４，６，９，１０，１３，１４，１５，１６，１９）では、比較例と比べて平均ｒ値が著しく向上しており、優れた深絞り性を示している。
【００３１】
図１は、表２の結果の成分が本発明で規定する範囲にある鋼板（鋼種Ｂ〜Ｋ）について、Ｆ値と平均ｒ値の関係をプロットしたものである。本発明で規定した範囲に金属組織が厳密にコントロールされたものでは、平均ｒ値（深絞り性）が著しく向上していることがわかる。中でも、炭化物のフェライト粒界存在率が３０％以上であることに加えて、Ｉ₂₂₂／Ｉ₂₀₀強度比が２以上の範囲にある本発明例２はさらに平均ｒ値が向上している。
【００３２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明では、「炭化物のフェライト粒界存在率」を適正な範囲に特定することにより、中・高炭素鋼板に優れた深絞り性を付与することができた。したがって、本発明に係る鋼板は、従来の中・高炭素鋼板よりも深絞り性が著しく向上しているので、部品形状が複雑な各種機械部品の素材として好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明例と比較例の鋼板における炭化物のフェライト粒界存在率（Ｆ値）と平均ｒ値の関係を表すグラフ

Claims

Ｃ：０．１０〜０．９０質量％、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｎ：２．０質量％以下、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０２質量％、Ｔ．Ａｌ：０．１質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成と、下記（ａ）で定義される炭化物のフェライト粒界存在率（Ｆ値）が３０％以上であるように、炭化物がフェライト中に分散された組織を有することを特徴とする深絞り性に優れた中・高炭素鋼板。
（ａ）Ｆ値＝（Ｎ_ＧＢ／Ｎ_Ａ）×１００
ただし、炭化物総数が３００個以上となる観察視野領域とし
Ｎ_ＧＢ＝観察視野内のフェライト粒界に存在する炭化物数
Ｎ_Ａ＝観察視野内の全炭化物数
さらに、Ｃｒ：１．６質量％以下、Ｍｏ：０．５質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、Ｎｉ：２．０質量％以下、Ｔｉ：０．０５質量％以下、Ｂ：０．００５０質量％以下のいずれか１種又は２種以上を含有する成分組成を有する請求項１記載の深絞り性に優れた中・高炭素鋼板。
（２２２）面と（２００）面のＸ線面強度比が２以上である請求項１又は２記載の深絞り性に優れた中・高炭素鋼板。