JP4513608B2 - 熱間プレス鋼板部材、その製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のボデー構造部品、足回り部品等を始めとする機械構造部品等に好適な、靱性に優れた高強度の熱間プレス鋼板部材およびその製造方法ならびにそのための熱間プレス用鋼板に関する。

近年、自動車の軽量化のため、鋼材の高強度化を図り、使用重量を減ずる努力が進んでいる。自動車に広く使用される薄鋼板においては、鋼板強度の増加に伴って、プレス成形性が低下し、複雑な形状を製造することが困難になってきている。具体的には、延性が低下し、加工度が高い部位で破断が生じる、スプリングバックや壁反りが大きくなり、寸法精度が劣化する、といった問題が発生する。従って、高強度、特に７８０ＭＰａ級以上の引張強さを有する鋼板を用いて、プレス成形により部品を製造することは容易ではない。プレス成形ではなくロール成形によれば、高強度の鋼板の加工が可能であるが、長手方向に一様な断面を有する部品にしか適用できない。

一方、特許文献１に示されているように、加熱した鋼板をプレス成形する熱間プレスと呼ばれる方法では、鋼板が高温で軟質、高延性になっているため、複雑な形状を寸法精度よく成形することが可能である。さらに、鋼板をオーステナイト域に加熱しておき、金型内で急冷（焼入れ）することにより、マルテンサイト変態による鋼板の高強度化が同時に達成できる。

特許文献２には、室温で予め所定の形状に成形後、オーステナイト域に加熱し、金型内で急冷することによって、鋼板の高強度化と成形性を同時に達成する予プレスクエンチ法が開示されている。

英国特許公報１４９０５３５号 特開平１０−９６０３１号公報

このような熱間プレス法や予プレスクエンチ法は、部材の高強度化と成形性を同時に確保できる優れた成形方法である。しかし、現在においてはさらなる高強度化が求められてきており、従来からある技術思想の下では、部材の引張強さ（以下、ＴＳとも表記する）が１.８ＧＰａ以上になってくると、靱性不足の問題が生じてくることが本発明者らの検討により初めて明らかとなった。実際、靱性を確保したまま熱間プレス後に１.８ＧＰａ以上のＴＳとなる部材の実用化例は皆無である。

従って、従来の熱間プレス成形では、実用可能なＴＳが１.８ＧＰａ以上の部材を作製するためには、靱性を確保するために、焼入れ後に焼き戻し処理が施されることになる。しかし、熱間プレス法において焼き戻し工程を追加することは、作業効率面や設備面からコストアップといった問題が出てくるため好ましくない。このように、熱間プレス法において、焼き戻しを行わずに、実用に耐えうるＴＳが１.８ＧＰａ以上の部材を提供することができる熱間プレス用鋼板がないのが現状である。

本発明の具体的課題は、熱間プレス後靱性に優れたＴＳが１.８ＧＰａ以上の熱間プレス部材を比較的容易に製造することを可能にする、熱間プレス用鋼板、それにより得られる熱間プレス鋼板部材、ならびにその製造方法を提供することである。

本発明者らは、熱間プレス後のＴＳが１.８ＧＰａ以上の熱間プレス部材の靱性を改善すべく鋭意検討を行った結果、鋼板成分を調整することにより、さらに必要により熱間プレス成形の際のヒートパターンの適正化、ならびにそれに先立つ加熱時のオーステナイト粒径細粒化により、靱性が大幅に改善されることを知見した。その知見に基づき完成させた本発明は、次の通りである。

（１）質量％で、Ｃ：０.２５〜０.４５％、およびＭｎ＋Ｃｒ：０.５〜３.０％を含有し、さらにＳｉ：０.５％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｖ：１％以下およびＡｌ：１％以下の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不純物からなる化学組成を有し、さらに所望により下記（ｉ）ないし（ｖ）のうちの少なくとも１を満足する、鋼組織が、旧オーステナイト平均粒径が８μｍ以下である自動焼き戻しマルテンサイトにより構成され、かつ引張強さが１.８ＧＰａ以上であることを特徴とする、熱間プレス鋼板部材。

（ｉ）Ｂ：０.０１％以下を含有する、
（ｉｉ）Ｎｂ：１.０％以下およびＭｏ：１.０％以下からなる群から選ばれる１種または２種を含有する、
（ｉｉｉ）下記式（１）を満たす量のＴｉを含有する:
３.４２Ｎ＋０.００１≦Ｔｉ≦３.４２Ｎ＋０.５ （１）
(式中のＴｉおよびＮは鋼中の各元素の含有量（単位：質量％）を示す)、
（ｉｖ）Ｃａ：０.００１〜０.００５％を含有する、および
（ｖ）不純物であるＰ、ＳおよびＮの１種または２種以上を、Ｐ：０.００５％以下、Ｓ：０.００５％以下およびＮ：０.００２％以下の１条件または２条件以上を満足するように制限する。

（２）上記（１）に記載の化学組成を有する鋼板に、Ａｃ₃点以上、（Ａｃ₃点＋１００℃）以下の温度域に２分以下の時間保持した後に熱間プレスを施し、Ｍｓ点までの冷却速度が上部臨界冷却速度以上、Ｍｓ点から１５０℃までの平均冷却速度が１０〜５００℃／ｓの冷却を行うことを特徴とする熱間プレス鋼板部材の製造方法。

本発明は、焼き戻しを行わずに熱間プレスのままで靱性に優れた、ＴＳが１.８ＧＰａ以上の熱間プレス部材を作製できる熱間プレス用鋼板の実用化が初めて可能になるという、技術的に価値ある効果が達成される。

次に、本発明において、各範囲に限定した理由について説明する。以後の説明で合金元素についての「％」は「質量％」を表す。
本発明における素地鋼板としての鋼板の化学組成については、以下のように規定する。

Ｃ：０.２５〜０.４５％
Ｃは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後強度を主に決定する非常に重要な元素である。特に、焼入れ後強度でＴＳ１.８ＧＰａ以上を確保するためには、Ｃ含有量を少なくとも０.２５％とする必要がある。一方で、Ｃ含有量が０.４５％を超えると、焼入れ後の強度が高くなりすぎるため、靱性劣化が著しくなる。より望ましいＣ含有量は０.２８〜０.３３％である。

Ｍｎ＋Ｃｒ：０.５〜３.０％
ＭｎおよびＣｒは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後強度を安定して確保するために、非常に効果のある元素である。しかしＭｎおよびＣｒの合計含有量（以下、「（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量」ともいう。）が０.５％未満ではその効果は十分ではなく、一方で（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量が３.０％を超えるとその効果は飽和し、逆に安定した強度確保が困難となる。より望ましい（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量は０.８〜２.０％である。

Ｂ：０.０１％以下
Ｂは、任意添加元素であり、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後強度の安定確保効果をさらに高めるのに有効である。また、粒界に偏析して粒界強度を高め、靱性を向上させる点でも重要な元素である。さらに、加熱時のオーステナイト粒成長抑制効果も高い。しかし、Ｂ含有量が０.０１％を超えるとその効果は飽和し、かつコスト増を招く。より望ましいＢ含有量は０.００１〜０.００３０％である。

Ｓｉ：０.５％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｖ：１％以下、Ａｌ：１％以下
これらの元素は、鋼板の焼入れ性を高めかつ焼入れ後強度の安定確保に効果の有る元素である。しかし、上限値以上に含有させてもその効果は小さく、かついたずらにコスト増を招くため、各合金元素の含有量は上述の範囲とする。

Ｎｂ：１.０％以下
Ｎｂは、任意添加元素であり、鋼板をＡｃ₃点以上に加熱したときに、再結晶を抑制しかつ微細な炭化物を形成してオーステナイト粒を細粒にするため、靱性を大きく改善する効果を有する。しかし、Ｎｂ含有量が１.０％超になると、その効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。より望ましいＮｂ含有量は０.０１〜０.２％であり、さらに望ましくは０.０４〜０.１５％である。

Ｍｏ：１.０％以下
Ｍｏは、任意添加元素であり、鋼板をＡｃ₃点以上に加熱したときに、微細な炭化物を形成してオーステナイト粒を細粒にするため、靱性を大きく改善する効果を有する。しかしＭｏ含有量が１.０％超になると、その効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。より望ましいＭｏ含有量は０.０１〜０.２％であり、さらに望ましくは０.０４〜０.１５％である。

３.４２Ｎ＋０.００１≦Ｔｉ≦３.４２Ｎ＋０.５
Ｔｉは、任意添加元素であり、鋼板をＡｃ₃点以上に加熱したときに、再結晶を抑制し微細な炭化物を形成してオーステナイト粒を細粒にするため、靱性を大きく改善する効果を有する。かかる効果を確実に得るためにＴｉ含有量を（３.４２Ｎ＋０.００１）以上とすることが好ましい。一方で、Ｔｉ含有量が（３.４２Ｎ＋０.５）超になると、その効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。より望ましいＴｉ含有量は３.４２Ｎ＋０.０２≦Ｔｉ≦３.４２Ｎ＋０.０８である。

Ｃａ：０.００１〜０.００５％
Ｃａは、任意添加元素であり、鋼中の介在物を微細化し、焼入れ後の靱性を向上させる効果を有する。かかる効果を確実に得るためにＣａ含有量を０.００１％以上とすることが好ましい。一方、Ｃａ含有量が０.００５％を超えるとその効果は飽和する。より望ましいＣａ含有量は０.００２〜０.００４％である。

Ｐ：０.００５％以下
Ｐは、焼入れ後の靱性を大きく劣化させる元素であるため、０.００５％以下とすることが好ましい。より望ましくは０.００３％以下である。

Ｓ：０.００５％以下
Ｓは、焼入れ後の靱性を大きく劣化させる元素であるため、０.００５％以下とすることが好ましい。より望ましくは０.００３％以下である。

Ｎ：０.００２％以下
Ｎは、鋼中にて介在物を形成し、焼入れ後の靱性を劣化させる元素であるため、０.００２％以下とすることが好ましい。より望ましくは０.００１％以下である。

本発明の熱間プレス鋼板部材は、ＴＳが１.８ＧＰａ以上の強度下で靱性を確保するために、旧オーステナイト平均粒径を１０μｍ以下にする。旧オーステナイト平均粒径は、望ましくは８μｍ以下、さらに望ましくは４μｍ以下である。旧オーステナイト平均粒径は、次に説明するように、熱間プレス前の加熱条件（保持温度および保持時間）に依存して変化する。

本発明によれば、上記化学組成を有する鋼板に対して熱間プレス成形を行うが、そのときの熱間プレス前の加熱条件（保持温度及び保持時間）は次の通りである。
熱間プレス工程において焼入れを行い目的とする強度と靱性を得るために、熱間プレスに供する鋼板をＡｃ₃点以上、（Ａｃ₃点＋１００℃）以下の温度域で５分以下の時間保持する。保持温度の下限は一旦オーステナイト単相として目的とする強度を得るためであり、保持温度の上限および保持時間の上限は、焼入れ後の旧オーステナイト粒径を１０μｍ以下に抑制し、ＴＳが１.８ＧＰａ以上の強度下で靱性を確保するためである。保持温度を（Ａｃ₃点＋１００℃）超とするか、あるいは保持時間を５分超とすると、旧オーステナイト粒径は１０μｍ以上となり、靱性が確保できなくなる場合がある。より望ましい保持温度は、Ａｃ₃点以上、（Ａｃ₃点＋５０℃）以下で、より望ましい保持時間は２分以下である。なお、旧オーステナイト粒径は細粒であればあるほど好ましいので、保持時間の下限は特に規定しない。

本発明における熱間プレス成形は、使用金型も含めてそれ自体特に制限されないが、熱間プレス成形後の冷却条件及びその方法は次の通りである。
ＴＳが１.８ＧＰａ以上の強度下で靱性を少しでも改善するためには、焼入れ後の組織を、完全マルテンサイト組織とするのではなく、自動焼き戻しマルテンサイト組織することが肝要である。この自動焼き戻しマルテンサイト組織にするためには、Ｍｓ点までは拡散変態が起きないように上部臨界冷却速度以上で冷却し、そしてＭｓ点から１５０℃までの温度範囲の平均冷却速度を１０〜５００℃／ｓという冷却速度にする。Ｍｓ点から１５０℃までの好ましい平均冷却速度は１５〜２００℃／ｓである。

このように、Ｍｓ点から１５０℃までの温度範囲の平均冷却速度は、Ｍｓ点までの冷却速度より遅くするのであるが、Ｍｓ点到達以降はマルテンサイト変態による変態発熱が非常に大きいため、Ｍｓ点以上での冷却方法と同じ冷却方法では十分な冷却速度が実現できない場合がある。このため、Ｍｓ点までの冷却よりもＭｓ点から１５０℃までの冷却を強く行う必要があり、具体的には以下に述べるようにすることが好ましい。

熱間プレス法では、通常、常温または数十℃程度の鋼製金型により冷却が達成される。従って、冷却速度を変化させるためには、金型寸法を変え熱容量を変化させればよい。また金型材質を異種金属（例えば銅など）に変えることでも冷却速度を変化させることができる。金型寸法を変えられない場合、水冷型の金型を用いて冷却水量を変えることによっても、冷却速度を変えることができる。また、予め溝を数カ所切った金型を用い、プレス中にその溝に水を通すことによって冷却速度を変えたり、プレス途中でプレス機を上げ、その間に水を流すことでも、冷却速度を変えることができる。さらには、金型クリアランスを変え、鋼板との接触面積を変化させることでも冷却速度を変えることができる。例えばＭｓ点前後で冷却速度を変える手段には、次のような手段が考えられる。

（１）Ｍｓ点到達直後に、熱容量の異なる金型または室温状態の金型に移動させて、冷却速度を変える；
（２）水冷金型の場合、Ｍｓ点到達直後に金型中の流水量を変化させて、冷却速度を変える；
（３）Ｍｓ点到達直後に、金型と部材の間に水を流し、その水量を変化させることで、冷却速度を変える。

本発明における熱間プレス法における成形の形態としては、前述のように特に制限されないが、例示すれば、曲げ加工、絞り成形、張出し成形、穴拡げ成形、フランジ成形がある。目的とする熱間プレス鋼板部材の種類によって適宜選べばよい。熱間プレス鋼板部材の代表例として、自動車用補強部品であるドアガードバーやバンパーレインフォースメントなどを挙げることができる。また、成形と同時または直後に鋼板を冷却する手段を備えていれば、プレス以外の成形法、例えばロール成形に適用してもよい。

本発明にかかる製品は靱性をも確保することが特徴であるが、そのときの実用に耐えうる靱性としては、−１２０℃でのシャルピー衝撃値として３０Ｊ／ｃｍ²以上であることが望ましい。

熱間プレス後は、通常、スケール除去目的でショットブラスト処理が施される。このショットブラスト処理には、表面に圧縮応力を導入する効果があるため、遅れ破壊が抑制され、また疲労強度が向上するという利点がある。

なお、予成形を伴わない熱間プレス時には、加熱の際にオーステナイト温度域に加熱し、オーステナイト変態をさせるため、加熱前の室温での機械的性質は重要ではなく、加熱前の金属組織については特に規定しない。つまり、素地鋼板として、熱延鋼板、冷延鋼板（フルハード材、焼鈍材）、めっき鋼板のいずれを使用してもよく、その製造方法については特に限定はしない。例えばめっき鋼板には、アルミニウム系めっき鋼板や亜鉛系めっき鋼板等が挙げられる。

一方、予成形を伴う熱間プレス時には、鋼板の種類やその組織は限定されないが、できるだけ軟質で延性のある鋼板であることが望ましい。例えば、ＴＳとして５９０ＭＰａ以下程度が望ましい。熱延鋼板における熱延巻取温度は、軟質鋼板を得るために４５０℃以上とし、スケールロスを減らすために７００℃以下とすることが好ましい。冷延鋼板においては、軟質鋼板を得るために焼鈍を行うことが好ましく、焼鈍温度は、再結晶温度以上９００℃以下が好ましい。また、焼鈍後の室温までの平均冷却速度は、上部臨界冷却速度以下であることが好ましい。

以下に本発明の実施例について説明する。
表１に示した化学組成を有する鋼板（板厚：１.６ｍｍ）を素地鋼板とした。これらの鋼板は、実験室にて溶製したスラブを、熱間圧延、冷間圧延により製造した鋼板である。さらに、めっきシミュレーターを用いて、鋼種Ｎｏ.１にはＡｌめっき（片面あたりのめっき付着量は１２０ｇ／ｍ²）、Ｎｏ.２には溶融亜鉛めっき（片面あたりのめっき付着量は６０ｇ／ｍ²）を施した。さらに、Ｎｏ.２には合金化処理（めっき皮膜中のＦｅ含有量は１５質量％）を行った。めっきシミュレーターにおける焼鈍温度は、８００℃であり、８００℃からＭｓ点までの平均冷却速度は５℃／ｓあった。Ｎｏ.１、Ｎｏ.２以外の鋼板は、冷間圧延まま（フルハード）で以下の試験に供した。

これらの鋼板を、１.６ｔ×１００ｗ×２００Ｌ（ｍｍ）の寸法に切断し、大気雰囲気の加熱炉内で、表１の条件にて加熱して、加熱炉より取り出し、その直後に平板の鋼製金型を用いて、熱間プレスを行った。保持時間とは、炉に装入後Ａｃ₃点に達した時から、炉から取り出すまでの時間をいう。また鋼板に熱電対を貼付し、冷却速度測定も行った。

得られた熱間プレス部材については、切断法による旧オーステナイト粒径測定、引張試験（ＪＩＳ５号試験片）に供した。
また１.６ｔの鋼板を６枚積層してネジ止めした後、Ｖノッチ試験片を作製し、シャルピー衝撃試験に供した。靱性評価としては、−１２０℃での衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ²以上となる場合に合格として○とした。それに達しないのは「×」とした。

各鋼種のＡｃ₃点、Ｍｓ点及び上部臨界冷却速度は、次記方法にて測定した。すなわち、熱延鋼板から直径３.０ｍｍ、長さ１０ｍｍの円柱試験片（図１）を切り出し、大気中で９００℃まで１０℃／ｓの昇温速度にて加熱し、その温度で５分間保持したのち、種々の冷却速度で室温まで冷却した。そのときの加熱、冷却中の試験片の熱膨張変化を測定することにより、Ａｃ₃点、Ｍｓ点を測定した。また、得られた試験片のビッカース硬度測定（荷重４９Ｎ、測定数：３）及び組織観察を行い、それらの結果から上部臨界冷却速度を見積もった。

これらの結果は、表２に示す。
本発明例である鋼種Ｎｏ.１〜１３は、引張強さが１.８ＧＰａ以上でかつ靱性値も良好であることがわかる。一方、比較例である鋼種Ｎｏ.１４及び１５は、本発明範囲を満足しないため、靱性値が不芳である。

本発明例として、鋼種Ｎｏ.２の鋼板について、大気雰囲気の加熱炉内で９００℃到達後、１分保持して、加熱炉より取り出し、ハット型の熱間プレス成形（ブランクサイズ：１.０ｔ×８０ｗ×３２０Ｌｍｍ）を行った。図２は、ハット成形法の模式的説明図である。このときの熱間プレス成形条件は、成形高さ７０ｍｍ、Ｒｄ（ダイス肩部Ｒ）８ｍｍ、Ｒｐ（パンチ肩部Ｒ）８ｍｍ、クリアランス１.０ｍｍ、しわ押さえ力１２.７ｋＮとした。

このハット成形品に対して、低温衝撃試験を行った。部材を−４０℃に冷却した後、高さ１０００ｍｍより重さ２４５０Ｎ（２５０ｋｇｆ）の錘体を部材に衝突させ、割れの有無を調査した。その結果、割れ発生がなく、十分な靱性を有していることが判明した。

臨界冷却速度測定用の試験片の形状の説明図である。 ハット成形法の模式的説明図である。

Claims (12)

1. 質量％で、Ｃ：０.２５〜０.４５％およびＭｎ＋Ｃｒ：０.５〜３.０％を含有し、さらにＳｉ：０.５％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｖ：１％以下およびＡｌ：１％以下の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不純物からなる化学組成を有し、鋼組織が、旧オーステナイト平均粒径が８μｍ以下である自動焼き戻しマルテンサイトにより構成され、かつ引張強さが１.８ＧＰａ以上であることを特徴とする、熱間プレス鋼板部材。
2. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０.０１％以下を含有する、請求項１に記載の熱間プレス鋼板部材。
3. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：１.０％以下およびＭｏ：１.０％以下よりなる群から選ばれる１種または２種を含有する、請求項１または２に記載の熱間プレス鋼板部材。
4. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、下記式（１）を満たす量のＴｉを含有する、請求項１〜３のいずれかに記載の熱間プレス鋼板部材:
   ３.４２Ｎ＋０.００１≦Ｔｉ≦３.４２Ｎ＋０.５ （１）
   ここで、式中のＴｉおよびＮは鋼中の各元素の含有量（単位：質量％）を示す。
5. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ：０.００１〜０.００５％を含有する、請求項１〜４のいずれかに記載の熱間プレス鋼板部材。
6. 前記化学組成が、不純物であるＰ、ＳおよびＮの１種または２種以上を、質量％で、Ｐ：０.００５％以下、Ｓ：０.００５％以下およびＮ：０.００２％以下の１条件または２条件以上を満足するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱間プレス鋼板部材。
7. 質量％で、Ｃ：０.２５〜０.４５％およびＭｎ＋Ｃｒ：０.５〜３.０％を含有し、さらにＳｉ：０.５％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｖ：１％以下およびＡｌ：１％以下の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不純物からなる化学組成を有する鋼板に、Ａｃ₃点以上、（Ａｃ₃点＋１００℃）以下の温度域に２分以下の時間保持した後に熱間プレスを施し、次いでＭｓ点までの冷却速度が上部臨界冷却速度以上で、Ｍｓ点から１５０℃までの平均冷却速度が１０〜５００℃／ｓの冷却を行うことを特徴とする、熱間プレス鋼板部材の製造方法。
8. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０.０１％以下を含有する、請求項７に記載の熱間プレス鋼板部材の製造方法。
9. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：１.０％以下およびＭｏ：１.０％以下よりなる群から選ばれる１種または２種を含有する、請求項７または８に記載の熱間プレス鋼板部材の製造方法。
10. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、下記式（１）を満たす量のＴｉを含有する、請求項７〜９のいずれかに記載の熱間プレス鋼板部材の製造方法。
    ３.４２Ｎ＋０.００１≦Ｔｉ≦３.４２Ｎ＋０.５ （１）
    ここで、式中のＴｉおよびＮは鋼中の各元素の含有量（単位：質量％）を示す。
11. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ：０.００１〜０.００５％を含有する、請求項７〜１０のいずれかに記載の熱間プレス鋼板部材の製造方法。
12. 前記化学組成が、不純物であるＰ、ＳおよびＮの１種または２種以上を、質量％で、Ｐ：０.００５％以下、Ｓ：０.００５％以下およびＮ：０.００２％以下の１条件または２条件以上を満足するものであることを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載の熱間プレス鋼板部材の製造方法。

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