JP4941003B2

JP4941003B2 - ダイクエンチ用熱延鋼板およびその製造方法

Info

Publication number: JP4941003B2
Application number: JP2007049329A
Authority: JP
Inventors: 一洋瀬戸; 展之中村
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: JP2008214650A

Description

本発明は、金型内で950℃前後に加熱された鋼板を加工すると同時に急冷して、すなわち焼入れて高強度部品を製造するダイクエンチと呼ばれる方法に適した熱延鋼板、特にダイクエンチにより1000〜1500MPaの高強度化を可能にする板厚1.0〜4.0mmの熱延鋼板およびその製造方法に関する。

従来より、自動車などに用いられる構造部品は、所定の強度を有する鋼板をプレス加工して製造されている。近年、自動車車体の軽量化の要請に基づき、素材である鋼板としては、例えば板厚が1.0〜4.0mm程度の高強度鋼板が望まれているが、鋼板を高強度化すればするほどその加工性は劣化し、鋼板を部品形状に加工することが困難になる。

そこで、特許文献1に記載されているような金型内で加熱された鋼板を加工すると同時に焼入れて高強度化を図るダイクエンチと呼ばれる(ホットプレスとも呼ばれる)構造部品の製造方法が注目され、1000〜1500MPaの強度を必要とする一部の部品では実用化されている。この方法では、950℃前後の高温で鋼板を加工するため、冷間プレスおける加工性の問題が軽減され、また、水冷された金型により焼入れるため、変態組織を利用して部品を高強度化でき、素材である鋼板の合金元素の添加量を削減できるというメリットがある。特許文献1には、質量%で、C:0.4%未満、Mn:0.5〜2.0%、P:0.05%以下、S:0.05%以下、Cr:0.1〜0.5%、および/またはMo:0.05〜0.5%、Ti:0.1%以下、B:0.0005〜0.1%、Al:0.1%以下を含む鋼を775〜1000℃に加熱後、水冷された金型内で加工すると同時に焼入れてマルテンサイトやベイナイトなどの変態組織を形成させて高強度部品を製造する方法が、一例として開示されている。

通常、熱延鋼板を用いてダイクエンチを行う場合は、酸洗によってスケールが除去された熱延鋼板が用いられるが、加熱時の酸化により部品表面にはスケールが生成する。このスケールは厚さが厚く、鋼板との密着性も悪いため、加工時に剥離しやすく、金型と鋼板の間に噛み込んで、金型を損傷させたり、部品表面に線状疵を発生させる。また、生成したスケールは、その後の塗装や溶接などのために、ショットブラストや酸洗により除去されるが、スケールの厚さが厚いと部品の寸法精度が悪化したり、ショットブラスト時に部品の変形が起こりやすくなる。

そのため、ダイクエンチの加熱時には、できるだけスケールの生成を抑制させることが望まれており、例えば特許文献2には、鋼板表面にZn-Fe合金皮膜を形成して酸化防止を図り、スケールの生成を防止する方法が提案されている。しかし、これらの方法では、新たな工程が必要となってコスト増を招くばかりか、完全に酸化を防止できず、剥離しやすいスケールが生成しやすい。

また、特許文献3には、鋼にSi:0.01〜0.5%、Cr:0.01〜0.5%を含有させ、熱間圧延後、酸洗した鋼板、あるいはさらに冷間圧延を行った鋼板の表面平均粗さを3.0μm以下とし、ブラシ水洗浄を行った後、酸洗、アルカリ洗浄を行い、最後に再びブラシ水洗浄を行うことにより、ダイクエンチ後に地鉄との界面にFeO、FeCr₂O₄、およびFe₂SiO₄からなる混合相と、その上にFeOの単相とで構成された厚さの薄いスケールを生成させ、ダイクエンチの加工時にスケールの剥離もなく、また、その後のショットブラスト時に部品の変形を防止できる技術が開示されている。
英国特許第1490535号公報特開2003-147499号公報特開2005-133180号公報

しかしながら、特許文献3に記載の技術では、鋼板の表面平均粗さを3.0μm以下とする工程や、ブラシ水洗浄、酸洗、アルカリ洗浄、ブラシ水洗浄の複雑な工程が必要であり、著しく生産性を低下させるとともに、コスト増を招く。

本発明は、複雑な工程を必要とせず、簡便な方法で、ダイクエンチの加熱時にスケールの生成を抑制でき、ダイクエンチにより1000〜1500MPaの高強度化を可能にするダイクエンチ用熱延鋼板およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記の目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、以下の知見を得た。

1) 酸洗してスケールを除去した鋼板では、ダイクエンチの加熱時に生成するスケールの厚さが8.0μmを超えており、ダイクエンチの加熱時に生成するスケール厚さを8.0μm以下にすれば、ダイクエンチの加工後のショットブラストによるスケールの除去が容易に行える。

2) 厚さ2.0〜7.0μmで、地鉄との界面にFe₃O₄が形成されたスケールを有する熱延鋼板を用いると、ダイクエンチの加熱時にスケールの成長を抑制でき、その厚さを、酸洗板を加熱したときに生成するスケール厚さの下限である8.0μm以下にすることができる。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、質量%で、C:0.10〜0.25%、Si:0.01〜1.0%、Mn:0.5〜2.0%、P:0.025%以下、S:0.008%以下、Al:0.01〜0.10%、N:0.005%以下、Ti:0.01〜0.15%、B:0.0005〜0.0050%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、地鉄との界面の組成がFe₃O₄であるとともに、厚さが2.0〜7.0μmであるスケールを有するダイクエンチ用熱延鋼板を提供する。

本発明のダイクエンチ用熱延鋼板には、さらに、質量%で、Cr:0.05〜1.0%、Ni:0.05〜1.0%、Mo:0.05〜1.0%、V:0.05〜1.0%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含有させることができる。

本発明のダイクエンチ用熱延鋼板は、上記の成分組成を有する鋼を、700〜850℃の仕上温度で熱間圧延し、熱間圧延後1秒以内に冷却を開始し、少なくとも700℃まで平均冷却速度50℃/s以上で冷却した後、550〜630℃の巻取温度で巻取る方法により製造できる。

本発明により、複雑な工程を必要とせず、簡便な方法で、ダイクエンチの加熱時にスケールの生成を抑制でき、ダイクエンチにより1000〜1500MPaの高強度化を可能にするダイエンチ用熱延鋼板を製造できるようになった。本発明のダイクエンチ用熱延鋼板を用いることにより、スケールの剥離による金型の損傷や部品表面の線状疵の発生がなくなり、また、ショットブラスト時の部品の変形もなく、部品の寸法精度が著しく向上した。

以下、本発明を具体的に説明する。なお、成分に関する「%」表示は特に断らない限り「質量%」を意味するものとする。

1)成分
C:0.10〜0.25%
Cは、ダイクエンチでの焼入れ時にマルテンサイトを生成させて鋼を変態組織により強化する。しかし、C量が0.10%未満では、鋼の強化が不十分であり、ダイクエンチ後の強度が1000MPa以上とならない。一方、C量が0.25%を超えると、ダイクエンチ後の強度が大きくなり過ぎ、1500MPaを超え、靭性、耐遅れ破壊性、溶接性が低下する。したがって、C量は0.10〜0.25%とする。

Si:0.01〜1.0%
Siは、焼入れ後の靭性向上に有効な元素であるが、Si量が0.01%未満では、その効果がない。一方、Si量が1.0%を超えると、赤スケールと呼ばれるショットブラストにより除去しにくいスケールが不均一に生じる。したがって、Si量は0.01〜1.0%とする。

Mn:0.5〜2.0%
Mnは、焼入れ性を向上させるのに効果的な元素である。この効果を得るためには、Mn量は0.5%以上とすることが好ましく、ダイクエンチ後の強度を1000MPa以上とするには、Mn量を0.5%以上とする必要がある。一方、Mn量が2.0%を超えると、偏析して素材の熱延鋼板、ダイクエンチ後の部品ともに材質の均一性が低下する。したがって、Mn量は0.5〜2.0%とする。

P:0.025%以下
P量が0.025%を超えると、偏析して素材の熱延鋼板、ダイクエンチ後の部品ともに材質の均一性が低下するとともに、ダイクエンチ後の靭性も著しく低下する。したがって、P量は0.025%以下とするが、少ないほど好ましい。

S:0.008%以下
S量が0.008%を超えると、ダイクエンチ後の靭性が低下する。したがって、S量は0.008%以下とするが、少ないほど好ましい。

Al:0.01〜0.10%
Alは、鋼の脱酸剤として添加される。この効果を得るためにはAl量を0.001%以上とする必要がある。一方、Al量が0.10%を超えると、ダイクエンチ前のブランキング加工性や焼入れ性を低下させる。したがって、Al量は0.01〜0.10%とする。

N:0.005%以下
N量が0.005%を超えると、熱間圧延工程やダイクエンチの加熱時にAlNや、次に述べるTiやBとTiNやBNの窒化物を形成し、ダイクエンチ前のブランキング加工性や焼入れ性を低下させる。したがって、N含有量は0.005%以下とするが、少ないほど好ましい。

Ti:0.01〜0.15%
Tiは、次に述べるBよりも優先して窒化物を形成して、固溶Bによる焼入れ性の向上効果を発揮させるのに有効な元素であるが、Ti量が0.01%未満では、その効果がない。一方、Ti量が0.15%を超えると、熱間圧延時の圧延荷重が極端に増大し、また、ダイクエンチ後の靭性が低下する。したがって、Ti量は0.01〜0.15%とする。

B:0.0005〜0.0050%
Bは、ダイクエンチ時の焼入れ性やダイクエンチ後の靭性向上に有効な元素であるが、B量が0.0005%未満では、その効果がない。一方、B量が0.0050%を超えると、熱間圧延時の圧延荷重が極端に増大し、また、熱間圧延後にマルテンサイトやベイナイトが生じて鋼板の割れなどの不具合が生じる。したがって、Bは0.0005〜0.0050%とする。

残部は、Feおよび不可避的不純物であるが、焼入れ性の向上のために、Cr:0.05〜1.0%、Ni:0.05〜1.0%、Mo:0.05〜1.0%、V:0.05〜1.0%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含有させることができる。なお、いずれの元素も、その効果を得るためには0.05%以上含有させることが好ましいが、その含有量が1.0%を超えると、高温での強度が高くなり熱間圧延性が低下したり、ダイクエンチ前のブランキング加工性が低下したりするので、その上限は1.0%とする。

2)スケールの厚さおよび組成
上述したように、ダイクエンチの加熱時に生成するスケールの厚さを均一かつ8.0μm以下にすれば、ダイクエンチの加工後のショットブラストによるスケールの除去を従来に比べ容易に行える。そのためには、ダイクエンチ前の熱延鋼板は、酸洗などでスケールが除去された鋼板ではなく、厚さ2.0〜7.0μmのスケールを有する鋼板とする必要がある。また、地鉄との界面の組成を、地鉄との密着性の高いFe₃O₄とする必要がある。スケールの厚さが2.0μmを下回る場合、地鉄が部分的に露出するためと考えられるが、ダイクエンチの加熱時に地鉄が直接酸化されてスケールの成長を抑制できない。さらに、地鉄との界面の組成がFe₃O₄でない場合、スケールの密着性が十分でないため、プレス段階でのスケール剥離が大きくなる結果、やはりダイクエンチの加熱時に地鉄が直接酸化されて、スケールの成長を抑制できない。ダイクエンチ前のスケールの厚さが7.0μmを超えていれば、ダイクエンチ後のスケールの厚さを8.0μm以下にすることが困難となる。なお、Fe₃O₄が地鉄との密着性の高い理由は、必ずしも明らかでないが、Fe₃O₄と地鉄のFeとの格子定数が近く、格子歪が小さくなるためと考えられる。

3)製造条件
3-1)仕上温度:700〜850℃
熱延鋼板のスケールの厚さは、熱間圧延の終了温度である仕上温度にほぼ比例する。仕上温度が700℃未満だと、スケールの厚さが2.0μm未満となり、850℃を超えると、スケールの厚さが7.0μmを超える。したがって、仕上温度は700〜850℃とする。

3-2)冷却条件:圧延後1秒以内に冷却を開始し、少なくとも700℃まで平均冷却速度50℃/s以上で冷却
熱間圧延後、平均冷却速度50℃/s以上で冷却を開始するまでの時間が1秒を超えると、スケールの成長が無視できなくなり、仕上温度を850℃以下としてもスケールの厚さは7.0μｍを超える。同様に、700℃までの冷却速度が50℃/s未満では、この間のスケールの成長が無視できなくなり、仕上温度を850℃以下としてもスケールの厚さは7.0μｍを超える。したがって、熱間圧延後は、1秒以内に冷却を開始し、少なくとも700℃まで平均冷却速度50℃/s以上で冷却する必要がある。なお、仕上温度が700℃の場合は、強制冷却を1秒以内に開始すればよく、冷却速度は特に規定する必要はない。

3-3)巻取温度:550〜630℃
熱間圧延中のスケールの組成は、大半がFeOであり、巻取後共析変態(4FeO→Fe₃O₄+Fe)が進み、地鉄との界面にFe₃O₄が成される。巻取温度が630℃を超えると、コイルエッジ部などで巻取後も酸化が進み、スケールの厚さが7.0μmを超える。一方、550℃を下回ると、FeOの共析変態が起こらず、地鉄との界面に密着性の高いFe₃O₄が生成しない。したがって、巻取温度は550〜630℃とする。

表1に示す組成の鋼A〜Gを溶製し、連続鋳造によりスラブとした後、表2に示す熱延条件で圧延、冷却、巻取って板厚1.6mmの熱延鋼板1〜21を作製した。そして、製造ままの熱延鋼板に対し、地鉄との界面に存在するスケ−ルの組成、スケールの厚さを、および熱延鋼板にダイクエンチの加熱をシミュレートして950℃で3分の熱処理を行い、引き続きN₂ガスにより30℃/sで冷却した後のスケールの厚さを、次の方法で測定した。
スケ−ルの組成：X線回折によりスケール組成を求めるとともに、走査電子顕微鏡(SEM)によりスケールの断面構造を観察することにより地鉄との界面に形成されているスケール組成を求めた。
スケールの厚さ：酸洗減量法によりスケールの重量を求め、スケールの密度を5.2g/cm³と仮定して計算により求めた。

結果を表2に示す。本発明である製造後の地鉄との界面に存在するスケ−ルの組成がFe₃O₄であり、かつスケールの厚さが2.0〜7.0μmの範囲内にある鋼板2、6、7、10、14、15、17〜20では、950℃で3分の熱処理後のスケールの厚さが8.0μm以下となった。

なお、別途ダイクエンチ後の強度を評価すべく、製造した熱延鋼板に950℃で3分の熱処理を行い、引き続き水焼入れを行った後、引張強度を調査して、本発明例では強度が1200〜1500MPaであることを確認した。

Claims

質量%で、C:0.10〜0.25%、Si:0.01〜1.0%、Mn:0.5〜2.0%、P:0.025%以下、S:0.008%以下、Al:0.01〜0.10%、N:0.005%以下、Ti:0.01〜0.15%、B:0.0005〜0.0050%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、地鉄との界面の組成がFe₃O₄であるとともに、厚さが2.0〜7.0μmであるスケールを有するダイクエンチ用熱延鋼板。
さらに、質量%で、Cr:0.05〜1.0%、Ni:0.05〜1.0%、Mo:0.05〜1.0%、V:0.05〜1.0%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含む請求項1に記載のダイクエンチ用熱延鋼板。
請求項1または2に記載の成分組成を有する鋼を、700〜850℃の仕上温度で熱間圧延し、熱間圧延後1秒以内に冷却を開始し、少なくとも700℃まで平均冷却速度50℃/s以上で冷却した後、550〜630℃の巻取温度で巻取るダイクエンチ用熱延鋼板の製造方法。