JP5626388B2 - 靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高温に加熱された鋼板に、金型による抜熱を利用して、プレス成形及び焼入れを同時に施すホットスタンピングに関し、特に、強度、靭性及び耐水素脆化特性に優れたホットスタンピング成形品及びその製造方法に関するものである。
近年、自動車分野においては、部材の板厚を減じて自動車を軽量化するため、素材である鋼板の高強度化が図られている。しかしながら、鋼板の延性や加工性は高強度化に伴って低下するため、高強度鋼板を適用し得る部材は形状による制限を受ける。また、鋼板を高強度化すると、スプリングバックが大きくなり、成形品の形状の精度が低下するという問題もある。
このような問題に対して、成形性を向上させた高強度鋼板の開発や、成形性の劣る高強度鋼板の加工を可能にする成形方法の開発が進められている。特に、近年では、鋼板を熱間でプレス成形し、それとほぼ同時に金型を利用して急冷し、高強度鋼製部品を製造する技術が提案されている（例えば、特許文献１〜４を参照）。
特許文献１において提案されている方法は、フェライトの平均粒径を微細化した鋼板を素材としてホットスタンピングを行い、成形品の硬度のバラツキを抑制するものである。しかしながら、特許文献１に記載の方法は、ホットスタンピング成形の際の加熱温度を適性条件とするものではないため、成形品の強度と靭性のバランスが不充分であった。
また、特許文献２、３には、ホットスタンピング成形品の旧オーステナイト粒径を制御して、耐水素脆化特性を改善する方法が提案されている。しかしながら、これら特許文献２、３に記載の方法も、ホットスタンピング成形の際の加熱温度を適性条件とするものではないため、組織の微細化が充分ではなかった。
一方、特許文献４には、鋼板をＡｃ３〜Ａｃ３＋１００℃という比較的低い温度に加熱してホットスタンピングを行い、成形品の旧オーステナイト粒径を１０μｍ以下にする方法が提案されている。しかしながら、この方法では、焼入れ性を高めるためにＣｒ、Ｍｏを添加し、また、Ｔｉ、Ｎｂの炭化物を細粒化に利用しており、コストが高く、靭性の改善も充分ではないという問題があった。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、高コストの合金元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂの添加量を抑制し、安価であるとともに、強度、靭性及び耐水素脆化特性に優れたホットスタンピング成形品及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者等が、上記問題を解決するために鋭意研究を行なったところ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎの添加量を最適範囲とするとともに、Ａｌを添加することでＡｌＮを結晶粒径の粗大化の抑制に利用し、また、鋼板の加熱温度を比較的低い温度条件としてホットスタンピングを行うことにより、ホットスタンピング成形品の旧オーステナイト粒径が微細化になり、強度を低下させることなく、靭性及び耐水素脆化特性の改善を図ることが出来ることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
即ち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
［１］ 質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．３％超１．８％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、Ｎ：０．００１〜０．０１０％、Ｂ ：０．００５０％以下を含有し、Ｐ、Ｓの各々の含有量を、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下に制限し、更に、Ｃｒ、Ｍｏの内の一方を含む場合の含有量、又は、双方を含む場合の合計の含有量を０．２％未満、Ｔｉ、Ｎｂの内の一方を含む場合の含有量、又は、双方を含む場合の合計の含有量を０．１０％未満に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼成分を有してなり、Ａｃ３変態点が９００℃未満であり、金属組織が焼戻しマルテンサイトからなり、かつ旧オーステナイト粒径が１５μｍ以下であることを特徴とする靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品。
［２］ 質量％で、Ｔｉ：０．０４０％以下、に制限することを特徴とする上記［１］に記載の靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品。
［２］ 質量％で、Ｔｉ：０．０４０％以下、に制限することを特徴とする上記［１］に記載の靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品。
［３］ 上記［１］又は［２］に記載の靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品の製造方法であって、上記［１］又は［２］に記載の成分からなる鋼板を、Ａｃ３変態点〜Ａｃ３変態点＋１００℃、且つ９００℃未満に加熱し、次いで、Ａｒ３変態点以上の温度でプレス成形した後、そのまま金型との接触による焼入れを行い、さらに、４００〜７００℃の温度範囲で１〜１００分保持する焼戻し処理を施すことを特徴とする靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品の製造方法。
本発明の靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品によれば、規定の鋼成分とされ、Ａｃ３変態点が９００℃未満であり、金属組織が焼戻しマルテンサイトからなり、かつ旧オーステナイト粒径が１５μｍ以下である構成により、高コストの合金元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂの添加量を抑制しながら、強度を低下させることなく、高い靱性及び耐水素脆化特性を確保することが可能となる。従って、靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品を低コストで提供することが可能となり、産業上の貢献が極めて顕著となる。
また、本発明の靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品の製造方法によれば、規定の成分とされた鋼板を、Ａｃ３変態点〜Ａｃ３変態点＋１００℃、且つ９００℃未満に加熱し、次いで、Ａｒ３変態点以上の温度でプレス成形した後、そのまま金型との接触による焼入れを行い、さらに、４００〜７００℃の温度範囲で１〜１００分保持する焼戻し処理を施す方法なので、上述のような靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品を低コストで製造することが可能となる。
以下、本発明の靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品及びその製造方法の一実施形態について説明する。なお、この実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために詳細に説明するものであるから、特に指定の無い限り、本発明を限定するものではない。
本発明の靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品（以下、ホットスタンピング成形品と略称することがある）は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．３％超１．８％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％Ｎ：０．００１〜０．０１０％を含有し、Ｐ、Ｓの各々の含有量を、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下に制限し、更に、Ｃｒ、Ｍｏの内の一方を含む場合の含有量、又は、双方を含む場合の合計の含有量を０．２％未満、Ｔｉ、Ｎｂの内の一方を含む場合の含有量、又は、双方を含む場合の合計の含有量を０．１０％未満に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼成分を有してなり、Ａｃ３変態点が９００℃未満であり、金属組織がマルテンサイトからなり、かつ旧オーステナイト粒径が１５μｍ以下として概略構成される。
ここで、本発明において説明するホットスタンピング成形とは、鋼板の組織がオーステナイトになる温度、即ちＡｃ３変態点（以下、単にＡｃ３と称することがある）以上に加熱し、金型で成形した後、そのまま金型による抜熱を利用して焼入れする方法である。従って、ホットスタンピング成形品の組織は、焼入れままでは、マルテンサイトである。また、ホットスタンピング成形後、焼戻しを行う場合には、ホットスタンピング成形品の組織は、焼戻しマルテンサイトになる。
ホットスタンピング成形品の組織をマルテンサイト又は焼戻しマルテンサイトとし、強度を高め、かつ、靭性を確保するには、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎの含有量を適正な範囲に制御することが必要である。更に、旧オーステナイト粒径を微細化するためには、Ａｌを添加して、ＡｌＮを生成させることが必要である。
一方、従来、焼入れ性を高めるために添加されていたＭｏ、Ｃｒや、析出物を形成して粒径を微細化するＴｉ、Ｎｂは、過剰に添加すると、ホットスタンピング成形品の靭性を低下させることがわかった。従って、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂの含有量を制限することが必要であり、また、これら高価な元素の含有量を制限することにより、コストの低下と靭性の向上とを同時に達成することが可能となる。
さらに、本発明に係るホットスタンピング成形品のように、鋼板組織がマルテンサイトや焼戻しマルテンサイトである場合、靭性を改善するためには、旧オーステナイト粒径を微細化することが有効である。そのためには、Ａｃ３［℃］を低下させ、ホットスタンピング時の加熱温度の上限を抑制することが必要である。ここで、Ａｃ３［℃］は、鋼成分のうち、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ａｌ、Ｔｉの含有量［質量％］により、下記（１）式によって求めることができる。
Ａｃ３＝９１０−２０３Ｃ１／２−３０Ｍｎ＋４４．７Ｓｉ＋７００Ｐ＋４００Ａｌ＋４００Ｔｉ ・・・ （１）
なお、上記（１）式において、選択元素であるＴｉを含有しない場合は、０として計算する。
Ａｃ３＝９１０−２０３Ｃ１／２−３０Ｍｎ＋４４．７Ｓｉ＋７００Ｐ＋４００Ａｌ＋４００Ｔｉ ・・・ （１）
なお、上記（１）式において、選択元素であるＴｉを含有しない場合は、０として計算する。
以下、本発明の靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品及びその製造方法について詳細に説明する。
［鋼成分（化学成分組成）］
まず、本発明に係るホットスタンピング成形品における鋼板母材の化学成分組成の限定理由について説明する。なお、以下の説明において、各元素の添加量は全て質量％で表す。
まず、本発明に係るホットスタンピング成形品における鋼板母材の化学成分組成の限定理由について説明する。なお、以下の説明において、各元素の添加量は全て質量％で表す。
「Ｃ：炭素」０．１５〜０．３５％
Ｃは、ホットスタンピング成形品の金属組織をマルテンサイトとし、強度を確保するために必要な元素であり、このような効果を得るためには、０．１５％以上の添加が必要である。また、Ｃは、Ａｃ３［℃］を低下させる元素であり、ホットスタンピングの加熱温度を低下させるために、０．２０％以上添加することが好ましい。一方、Ｃ量を過剰に含有すると、ホットスタンピング成形品の靭性が低下するため、上限を０．３５％とする。
Ｃは、ホットスタンピング成形品の金属組織をマルテンサイトとし、強度を確保するために必要な元素であり、このような効果を得るためには、０．１５％以上の添加が必要である。また、Ｃは、Ａｃ３［℃］を低下させる元素であり、ホットスタンピングの加熱温度を低下させるために、０．２０％以上添加することが好ましい。一方、Ｃ量を過剰に含有すると、ホットスタンピング成形品の靭性が低下するため、上限を０．３５％とする。
「Ｓｉ：ケイ素」０．１〜１．０％
Ｓｉは、固溶強化により、ホットスタンピング成形品の強度を上昇させる元素であり、このような効果を得るためには、０．１％以上の添加が必要である。また、Ｓｉは、セメンタイトの析出を抑制し、強度及び靭性の向上に寄与するため、０．３％以上の添加がより好ましい。一方、Ｓｉ量が１．０％を超えると、ホットスタンピング成形品が硬化し、靭性を損なうため、上限を１．０％とする。また、ホットスタンピング成形品や素材である鋼板にめっきを施す場合には、Ｓｉ量を０．７％以下にすることが好ましい。
Ｓｉは、固溶強化により、ホットスタンピング成形品の強度を上昇させる元素であり、このような効果を得るためには、０．１％以上の添加が必要である。また、Ｓｉは、セメンタイトの析出を抑制し、強度及び靭性の向上に寄与するため、０．３％以上の添加がより好ましい。一方、Ｓｉ量が１．０％を超えると、ホットスタンピング成形品が硬化し、靭性を損なうため、上限を１．０％とする。また、ホットスタンピング成形品や素材である鋼板にめっきを施す場合には、Ｓｉ量を０．７％以下にすることが好ましい。
「Ｍｎ：マンガン」１．３％超１．８％以下
Ｍｎは、焼入れ性を高め、ホットスタンピング成形品の金属組織をマルテンサイトとするために必要な元素である。また、Ｍｎは、Ａｃ３［℃］を低下させる元素であり、ホットスタンピングの加熱温度を低下させるためには、１．３％超を添加することが必要である。一方、１．８％を超えてＭｎを添加すると、ＭｎＳが粗大化して水素脆化による破壊の起点となったり、強度が上昇し過ぎて靭性を損なったりするため、上限を１．８％以下とする。
Ｍｎは、焼入れ性を高め、ホットスタンピング成形品の金属組織をマルテンサイトとするために必要な元素である。また、Ｍｎは、Ａｃ３［℃］を低下させる元素であり、ホットスタンピングの加熱温度を低下させるためには、１．３％超を添加することが必要である。一方、１．８％を超えてＭｎを添加すると、ＭｎＳが粗大化して水素脆化による破壊の起点となったり、強度が上昇し過ぎて靭性を損なったりするため、上限を１．８％以下とする。
「Ａｌ：アルミニウム」０．０１０〜０．１００％
Ａｌは、脱酸元素であるが、本発明においては、ＡｌＮを形成して旧オーステナイト粒径の微細化に寄与する重要な元素である。ホットスタンプ成形品の旧オーステナイト粒径を微細にするためには、Ａｌを０．０１０％以上の量で添加することが必要である。一方、Ａｌ量が０．１００％を超えると、介在物が増加して靭性を損なうため、上限を０．１００％とする。
Ａｌは、脱酸元素であるが、本発明においては、ＡｌＮを形成して旧オーステナイト粒径の微細化に寄与する重要な元素である。ホットスタンプ成形品の旧オーステナイト粒径を微細にするためには、Ａｌを０．０１０％以上の量で添加することが必要である。一方、Ａｌ量が０．１００％を超えると、介在物が増加して靭性を損なうため、上限を０．１００％とする。
「Ｎ：窒素」０．００１〜０．０１０％
Ｎは、鋼中に不可避的に含有される元素であるが、本発明においては、ＡｌＮの形成により、ホットスタンプ成形品の旧オーステナイト粒径を微細化するため、０．００１０％以上を含有させることが必要である。一方、Ｎ量が０．０１００％を超えると、窒化物が増加して靭性を損なうため、上限を０．０１００％とする。
Ｎは、鋼中に不可避的に含有される元素であるが、本発明においては、ＡｌＮの形成により、ホットスタンプ成形品の旧オーステナイト粒径を微細化するため、０．００１０％以上を含有させることが必要である。一方、Ｎ量が０．０１００％を超えると、窒化物が増加して靭性を損なうため、上限を０．０１００％とする。
「Ｐ：リン」０．０３０％以下
Ｐは、不可避的に混入する不純物元素であり、靭性を低下させるため、その含有量を０．０３０％以下に制限する。また、Ｐのより好ましい上限は、０．０１５％以下である。
Ｐは、不可避的に混入する不純物元素であり、靭性を低下させるため、その含有量を０．０３０％以下に制限する。また、Ｐのより好ましい上限は、０．０１５％以下である。
「Ｓ：硫黄」０．０２０％以下
Ｓは、Ｐと同様に不可避的に混入する不純物元素であり、加工性及び靭性を損なうため、上限を０．０２０％以下とする。また、Ｓのより好ましい上限は、０．００５％以下である。
Ｓは、Ｐと同様に不可避的に混入する不純物元素であり、加工性及び靭性を損なうため、上限を０．０２０％以下とする。また、Ｓのより好ましい上限は、０．００５％以下である。
なお、本発明では、母材強度を向上させるＣｒ、Ｍｏ、及び、旧オーステナイト粒径の微細化させるＴｉ、Ｎｂの各元素について、以下に説明する理由により、その含有量を制限することが必要である。
「Ｃｒ、Ｍｏの内の一方を含む場合の含有量、又は、双方を含む場合の合計の含有量」
Ｃｒ及びＭｏは、焼入れ性を高める元素であるが、過剰に添加すると靭性を低下させる。従って、本発明においては、Ｃｒ、Ｍｏの内の一方を単独で添加する場合には、それぞれの上限を、Ｃｒ及びＭｏの双方を複合添加する場合には合計の量を、０．２％未満に制限する。また、Ｃｒ、Ｍｏは高価な元素であるため、一方又は双方の合計量の上限を０．１％未満に制限することがより好ましい。
Ｃｒ及びＭｏは、焼入れ性を高める元素であるが、過剰に添加すると靭性を低下させる。従って、本発明においては、Ｃｒ、Ｍｏの内の一方を単独で添加する場合には、それぞれの上限を、Ｃｒ及びＭｏの双方を複合添加する場合には合計の量を、０．２％未満に制限する。また、Ｃｒ、Ｍｏは高価な元素であるため、一方又は双方の合計量の上限を０．１％未満に制限することがより好ましい。
「Ｔｉ、Ｎｂの内の一方を含む場合の含有量、又は、双方を含む場合の合計の含有量」
Ｔｉ及びＮｂは、微細な析出物を形成して、旧オーステナイト粒径の微細化に寄与する元素であるが、これらの元素も、過剰に添加すると靭性を低下させる。従って、本発明においては、Ｔｉ、Ｎｂの内の一方を単独で添加する場合には、それぞれの上限を、Ｔｉ及びＮｂの双方を複合添加する場合には合計の量を、０．１０％未満に制限する。また、特に、靭性を高めるためには、Ｔｉ、Ｎｂの一方又は双方の合計量の上限を０．０５％未満に制限することがより好ましい。
Ｔｉ及びＮｂは、微細な析出物を形成して、旧オーステナイト粒径の微細化に寄与する元素であるが、これらの元素も、過剰に添加すると靭性を低下させる。従って、本発明においては、Ｔｉ、Ｎｂの内の一方を単独で添加する場合には、それぞれの上限を、Ｔｉ及びＮｂの双方を複合添加する場合には合計の量を、０．１０％未満に制限する。また、特に、靭性を高めるためには、Ｔｉ、Ｎｂの一方又は双方の合計量の上限を０．０５％未満に制限することがより好ましい。
次いで、本発明における選択成分元素の添加範囲の限定理由について以下に説明する。本発明においては、必須元素及び不可避的に含有される元素の各々の含有量を上記範囲とたうえで、焼入れ性を向上させるために、さらに、Ｂを添加してもよい。また、この場合には、ＢＮの生成を抑制するために、下記範囲の量のＴｉを、上述の上限規定を満足する範囲で、さらに以下に説明する範囲内で添加することが好ましい。
「Ｂ：ホウ素」０．００５０％以下
Ｂは、微量で焼入れ性を大幅に向上させる効果を有する元素である。このような効果を得るためには、０．０００３％以上のＢの添加が好ましい。特に、ホットスタンピング成形品の引張強度を向上させるためには、Ｂを０．０００５％以上添加することが好ましい。一方、０．００５０％を超えるＢを含有させても焼入れ性を向上させる効果は飽和し、また、成形品が脆化することもあるため、上限を０．００５０％とすることが好ましい。
Ｂは、微量で焼入れ性を大幅に向上させる効果を有する元素である。このような効果を得るためには、０．０００３％以上のＢの添加が好ましい。特に、ホットスタンピング成形品の引張強度を向上させるためには、Ｂを０．０００５％以上添加することが好ましい。一方、０．００５０％を超えるＢを含有させても焼入れ性を向上させる効果は飽和し、また、成形品が脆化することもあるため、上限を０．００５０％とすることが好ましい。
「Ｔｉ：チタン」０．０４０％以下
Ｔｉは、鋼中のＮと結合してＴｉＮを生成し、ＢＮの生成を抑制させるために有効である。焼入れ性の向上のために添加したＢを有効に作用させるには、Ｔｉを０．００１％以上添加することが好ましい。一方、ホットスタンピング成形品の強度が高い場合、０．０４０％超のＴｉを添加するとＴｉＮが破壊の起点となり、靭性を損なうことがある。したがって、Ｔｉ、Ｎｂの一方又は双方の合計量の合計の量を０．１０％未満に制限し、かつ、Ｔｉの含有量の上限を０．０４０％以下とすることが更に好ましい。また、上述したように、本実施形態では、Ｔｉの含有量を０．０４０％以下に制限しながら、Ｔｉ、Ｎｂの双方の合計の含有量を０．１０％未満とすることが好ましい。
Ｔｉは、鋼中のＮと結合してＴｉＮを生成し、ＢＮの生成を抑制させるために有効である。焼入れ性の向上のために添加したＢを有効に作用させるには、Ｔｉを０．００１％以上添加することが好ましい。一方、ホットスタンピング成形品の強度が高い場合、０．０４０％超のＴｉを添加するとＴｉＮが破壊の起点となり、靭性を損なうことがある。したがって、Ｔｉ、Ｎｂの一方又は双方の合計量の合計の量を０．１０％未満に制限し、かつ、Ｔｉの含有量の上限を０．０４０％以下とすることが更に好ましい。また、上述したように、本実施形態では、Ｔｉの含有量を０．０４０％以下に制限しながら、Ｔｉ、Ｎｂの双方の合計の含有量を０．１０％未満とすることが好ましい。
［金属組織］
次に、本発明に係るホットスタンピング成形品の金属組織について説明する。
本発明は、化学成分組成が上記範囲で規定された熱延鋼板又は冷延鋼板が、後述の製造方法で規定する条件で、Ａｃ３［℃］以上に加熱してプレス成形されることにより、鋼板の金属組織がマルテンサイト組織とされるものである。また、ホットスタンピング成形後に焼戻しを施す場合には、ホットスタンピング成形品の金属組織は焼戻しマルテンサイトとなる。
次に、本発明に係るホットスタンピング成形品の金属組織について説明する。
本発明は、化学成分組成が上記範囲で規定された熱延鋼板又は冷延鋼板が、後述の製造方法で規定する条件で、Ａｃ３［℃］以上に加熱してプレス成形されることにより、鋼板の金属組織がマルテンサイト組織とされるものである。また、ホットスタンピング成形後に焼戻しを施す場合には、ホットスタンピング成形品の金属組織は焼戻しマルテンサイトとなる。
一般に、鋼中の結晶粒径を微細化すると、割れの伝播抵抗が高くなり、靭性が向上する。一方、鋼中に水素が侵入すると、転位が動き易くなるため、歪の集中に起因する割れが発生し易くなる。また、水素の侵入によって割れの伝播抵抗が低下し、靭性が劣化するため、水素脆化現象が生じる。つまり、結晶粒径を微細にすることにより、転位が動き難くなり、靭性も向上することから、耐水素脆化特性も向上する。金属組織がマルテンサイトである鋼では、旧オーステナイト粒径を微細化すると、靭性及び耐水素脆化特性が向上する。これは、マルテンサイトの粒径が、旧オーステナイト粒径に、ほぼ比例しているためである。
本発明に係るホットスタンピング成形品の旧オーステナイト粒径は、靭性及び耐水素脆化特性を向上させるためには、１５μｍ以下とする必要がある。また、ホットスタンピング成形品の靭性及び耐水素脆化特性は、旧オーステナイト粒径の微細化によって向上するため、好ましくは、旧オーステナイト粒径を１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下とする。旧オーステナイト粒径の下限は、特には規定しないが、ホットスタンピング成形では、３μｍ未満にすることは困難である。
旧オーステナイトの粒径は、ピクリン酸アルコール溶液を用いて母材をエッチングし、ホットスタンピング成形品の旧オーステナイト粒界を現出させ、光学顕微鏡と画像処理装置を用いて測定する。なお、この際、旧オーステナイトの各結晶粒の面積を求め、各結晶粒と同じ面積を持った円（等価円）の直径を各結晶粒の粒径とする。このようにして、等価円直径として定義した結晶粒径の平均値を求め、旧オーステナイトの粒径とする。
なお、本発明に係るホットスタンピング成形品には、亜鉛めっき、アルミめっき等の表面処理を施してもよい。また、予め、素材である鋼板の表面に、亜鉛めっき、アルミめっき等の表面処理を施してもよい。
［Ａｃ３変態点］
本発明に係るホットスタンピング成形品は、後述のホットスタンピング成形によって製造する際、鋼板の加熱温度の上限を、Ａｃ３以上Ａｃ３＋１００℃以下、且つ、９００℃未満とするため、Ａｃ３を９００℃未満にすることが必要である。これにより、ホットスタンピング成形品の金属組織を、上記組織として制御することが可能となる。
本発明に係るホットスタンピング成形品は、後述のホットスタンピング成形によって製造する際、鋼板の加熱温度の上限を、Ａｃ３以上Ａｃ３＋１００℃以下、且つ、９００℃未満とするため、Ａｃ３を９００℃未満にすることが必要である。これにより、ホットスタンピング成形品の金属組織を、上記組織として制御することが可能となる。
以上説明したような本発明に係る靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品によれば、規定の鋼成分とされ、Ａｃ３変態点が９００℃未満であり、金属組織がマルテンサイトからなり、かつ旧オーステナイト粒径が１５μｍ以下である構成により、高コストの合金元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂの添加量を抑制しながら、強度を低下させることなく、高い靱性及び耐水素脆化特性を確保することが可能となる。従って、靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品を低コストで提供することが可能となり、産業上の貢献が極めて顕著となる。
［製造方法］
以下に、本発明に係る靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品の製造方法について、その限定理由を説明する。
本発明のホットスタンピング成形品の製造条件は、特に規定されるものではないが、以下に説明するような条件とすることが好ましい。
以下に、本発明に係る靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品の製造方法について、その限定理由を説明する。
本発明のホットスタンピング成形品の製造条件は、特に規定されるものではないが、以下に説明するような条件とすることが好ましい。
本実施形態で説明するホットスタンピング成形品の製造方法は、上述したような靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品を製造する方法であり、上記化学成分組成とされた鋼板を、Ａｃ３変態点〜Ａｃ３変態点＋１００℃、且つ９００℃未満に加熱し、次いで、Ａｒ３変態点（以下、単にＡｒ３と称することがある）以上の温度でプレス成形した後、そのまま金型との接触による焼入れを行う方法である。
本発明に係るホットスタンピング成形品の製造方法においては、まず、常法によって溶製、鋳造して得られた鋼片を、再加熱するか、又は鋳造した後、そのまま熱間圧延を施す。この際の鋼片の再加熱温度は、１０００〜１３００℃が好ましい。また、熱間圧延の圧延終了温度はＡｒ３変態点以上とすることが好ましい。また、熱間圧延後の鋼板を冷却し、５５０℃以上の温度で巻取ることが好ましい。
またさらに、酸洗、冷間圧延を鋼板に施しても良く、めっきを施しても良い。なお、これらの工程は、常法で行えば良く、めっきは、溶融アルミめっき、溶融亜鉛めっき、合金化溶融亜鉛めっき、電気亜鉛めっきの何れでも良い。
またさらに、酸洗、冷間圧延を鋼板に施しても良く、めっきを施しても良い。なお、これらの工程は、常法で行えば良く、めっきは、溶融アルミめっき、溶融亜鉛めっき、合金化溶融亜鉛めっき、電気亜鉛めっきの何れでも良い。
次に、本発明に係る製造方法におけるホットスタンピング成形方法について説明する。
まず、高温に加熱した鋼板をプレス成形し、急冷して、金属組織をマルテンサイト変態させるためには、加熱された鋼板の金属組織をオーステナイトにすることが必要である。従って、ホットスタンピングの加熱温度をＡｃ３以上にすることが必要である。
鋼板の温度がＡｃ３以上になると、鋼板の金属組織はオーステナイトになり、粒成長する。特に、本発明では、靭性を向上させるために、粒成長を抑制する効果を有するＴｉ、Ｎｂの添加量を制限するため、加熱温度が高すぎると、ＡｌＮによるオーステナイト粒成長抑制効果が低下し、オーステナイト結晶粒が粗大になる。
また、ホットスタンピング成形品の旧オーステナイト粒径は、加熱時のオーステナイトの粒径であるから、これを微細化するためには、ホットスタンピングにおける鋼板の加熱温度の上限が極めて重要である。ホットスタンピング成形品の旧オーステナイト粒径を１５μｍ以下にするためには、加熱温度の上限を（Ａｃ３＋１００）℃以下、且つ、９００℃未満に制限することが必要である。
まず、高温に加熱した鋼板をプレス成形し、急冷して、金属組織をマルテンサイト変態させるためには、加熱された鋼板の金属組織をオーステナイトにすることが必要である。従って、ホットスタンピングの加熱温度をＡｃ３以上にすることが必要である。
鋼板の温度がＡｃ３以上になると、鋼板の金属組織はオーステナイトになり、粒成長する。特に、本発明では、靭性を向上させるために、粒成長を抑制する効果を有するＴｉ、Ｎｂの添加量を制限するため、加熱温度が高すぎると、ＡｌＮによるオーステナイト粒成長抑制効果が低下し、オーステナイト結晶粒が粗大になる。
また、ホットスタンピング成形品の旧オーステナイト粒径は、加熱時のオーステナイトの粒径であるから、これを微細化するためには、ホットスタンピングにおける鋼板の加熱温度の上限が極めて重要である。ホットスタンピング成形品の旧オーステナイト粒径を１５μｍ以下にするためには、加熱温度の上限を（Ａｃ３＋１００）℃以下、且つ、９００℃未満に制限することが必要である。
ホットスタンピング成形の際に鋼板を加熱する方法としては、加熱炉、誘導加熱、通電加熱等の何れを用いても良い。なお、鋼板を均一に加熱するには、加熱炉を使用することが好ましい。
また、鋼板は、Ａｒ３変態点より低い温度に冷却されるとフェライト変態が開始する。従って、ホットスタンピングにおけるプレス成形は、Ａｒ３以上で行うことが必要である。プレス成形温度がＡｒ３よりも低いと、成形前には急冷されないため、フェライトが生成し、ホットスタンピング成形品の金属組織の一部がマルテンサイトにならず、強度が低下する。このＡｒ３変態点は、鋼の成分のうち、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ａｌの含有量［質量％］により、下記（２）式によって求めることができる。
Ａｒ３＝９０１−３２５Ｃ−９２Ｍｎ＋３３Ｓｉ＋２８７Ｐ＋４０Ａｌ ・・・ （２）
また、鋼板は、Ａｒ３変態点より低い温度に冷却されるとフェライト変態が開始する。従って、ホットスタンピングにおけるプレス成形は、Ａｒ３以上で行うことが必要である。プレス成形温度がＡｒ３よりも低いと、成形前には急冷されないため、フェライトが生成し、ホットスタンピング成形品の金属組織の一部がマルテンサイトにならず、強度が低下する。このＡｒ３変態点は、鋼の成分のうち、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ａｌの含有量［質量％］により、下記（２）式によって求めることができる。
Ａｒ３＝９０１−３２５Ｃ−９２Ｍｎ＋３３Ｓｉ＋２８７Ｐ＋４０Ａｌ ・・・ （２）
プレス成形の際には、鋼板が金型と接触するので、プレス成形後、そのまま金型による抜熱を利用し、焼入れを施す。また、通常、プレス成形では、鋼板よりも熱容量が充分に大きな金型を使用するため、冷却速度は８０℃／ｓ以上となる。さらに、冷却速度を高めるには、水等の冷却剤を用いても良い。この場合、金型の内部に冷却剤を循環させても良く、金型から冷却剤を噴出させても良い。
本発明に係る製造方法では、上記手順のホットスタンピング成形で得られたホットスタンピング成形品に対し、さらに、脱水素処理又は焼戻し処理を施してもよい。
脱水素処理は、鋼板の製造や表面処理、又はホットスタンピングを行う際に鋼中に侵入した水素を大気中に放散させる熱処理であり、これを行なうことによって、遅れ破壊の一種である、置き割れを防止することができる。このように、ホットスタンピング成形品から、水素を大気中に放散させるためには、脱水素処理の温度を１００℃以上にすることが必要である。一方、脱水素処理を３００℃超で行うと、低温焼き戻し脆化現象が生じ、靭性が低下することがある。従って、脱水素処理は、１００〜３００℃で行うことが好ましい。また、脱水素処理の時間は、水素を放出させるために、１分以上とすることが好ましい。なお、脱水素処理を長時間施しても、特に、ホットスタンピング成形品の組織や特性に悪影響を及ぼすことはないが、生産性を考慮すると、１００分以下とすることが好ましい。
脱水素処理は、鋼板の製造や表面処理、又はホットスタンピングを行う際に鋼中に侵入した水素を大気中に放散させる熱処理であり、これを行なうことによって、遅れ破壊の一種である、置き割れを防止することができる。このように、ホットスタンピング成形品から、水素を大気中に放散させるためには、脱水素処理の温度を１００℃以上にすることが必要である。一方、脱水素処理を３００℃超で行うと、低温焼き戻し脆化現象が生じ、靭性が低下することがある。従って、脱水素処理は、１００〜３００℃で行うことが好ましい。また、脱水素処理の時間は、水素を放出させるために、１分以上とすることが好ましい。なお、脱水素処理を長時間施しても、特に、ホットスタンピング成形品の組織や特性に悪影響を及ぼすことはないが、生産性を考慮すると、１００分以下とすることが好ましい。
また、焼戻し処理は、マルテンサイト中の炭素を微細なセメンタイトとして析出させ、金属組織を焼戻しマルテンサイトとし、ホットスタンピング成形品の靭性を向上させることができる。また、焼戻し処理によって、亀裂に対する伝播抵抗が高くなり、脆化特性が向上し、その結果として耐水素脆化特性を向上させることができる。このような焼戻し処理を４００℃未満で行うと、靭性が低下することがある。一方、焼戻し処理を７００℃超で行うと、強度の低下が問題になることがある。従って、焼戻し処理は、４００〜７００℃の温度範囲で行うことが好ましい。
また、焼戻し処理の時間は、靭性を向上させるためには、１分以上とすることが好ましい。一方、焼戻し処理の時間が１００分を超えると、析出物の粗大化や強度の低下が問題になることがあるため、上限を１００分以下とすることが好ましい。
また、焼戻し処理の時間は、靭性を向上させるためには、１分以上とすることが好ましい。一方、焼戻し処理の時間が１００分を超えると、析出物の粗大化や強度の低下が問題になることがあるため、上限を１００分以下とすることが好ましい。
以上説明したように、本発明に係る靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品の製造方法によれば、規定の成分とされた鋼板を、Ａｃ３変態点〜Ａｃ３変態点＋１００℃、且つ９００℃未満に加熱し、次いで、Ａｒ３変態点以上の温度でプレス成形した後、そのまま金型との接触による焼入れを行う方法なので、上述のような靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品を低コストで製造することが可能となる。
以下、本発明に係る靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品及びその製造方法の実施例を挙げ、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、もとより下記実施例に限定されるものではなく、前、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
［鋼板の製造］
製鋼工程において、下記表１に示す化学成分組成を有する鋼を溶製し、鋳造して鋼片とした。次いで、これらの鋼片を１０５０〜１２５０℃に再加熱した後、熱間圧延を行い、さらに、酸洗及び冷間圧延を施すことにより、板厚１．２ｍｍの鋼板とした。また、鋼板製造後、一部の鋼板には、めっき処理を施した（下記表１を参照）。めっき処理は、溶融アルミめっきの場合は、目付け量１２０ｇ／ｍ２、溶融亜鉛めっきの場合は、目付け量９０ｇ／ｍ２とした。
製鋼工程において、下記表１に示す化学成分組成を有する鋼を溶製し、鋳造して鋼片とした。次いで、これらの鋼片を１０５０〜１２５０℃に再加熱した後、熱間圧延を行い、さらに、酸洗及び冷間圧延を施すことにより、板厚１．２ｍｍの鋼板とした。また、鋼板製造後、一部の鋼板には、めっき処理を施した（下記表１を参照）。めっき処理は、溶融アルミめっきの場合は、目付け量１２０ｇ／ｍ２、溶融亜鉛めっきの場合は、目付け量９０ｇ／ｍ２とした。
上記手順で得られた鋼板から、幅が２４０ｍｍ、長さが５００ｍｍの試験片を採取した。次いで、試験片を、加熱炉にて所定の加熱温度で５分間保持し、抽出後、直ちに曲げ加工するプレス成形（ホットスタンピング成形）を行い、金型で急冷した。この際、加熱炉から抽出された鋼板の温度を放射温度計によって測定し、プレス成形開始前の温度が各鋼板のＡｒ３温度以上であることを確認した。次いで、各鋼板をプレス成形した後、この成形品に対し、表２に記載の熱処理種別（脱水素熱処理又は焼戻し熱処理）並びに熱処理温度により、各種熱処理を施した。
そして、このプレス成形品（ホットスタンピング成形品）から、引張試験、遅れ破壊試験の試験片を採取し、以下に説明する各評価を行った。なお、本実施例で製造したプレス成形品は、底部が７０ｍｍ、高さが６０ｍｍのハット形状である。
［評価試験］
上記方法によって製造した各プレス成形品について、以下のような評価試験を行った。
上記方法によって製造した各プレス成形品について、以下のような評価試験を行った。
（引張試験）
引張試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２０１の５号試験片を、各々のプレス成形品の底部から採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して行った。そして、プレス成形品の強度として、結果を下記表２に示した。
引張試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２０１の５号試験片を、各々のプレス成形品の底部から採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して行った。そして、プレス成形品の強度として、結果を下記表２に示した。
（シャルピー衝撃試験）
プレス成形品の靭性を評価するため、シャルピー試験片を採取し、シャルピー衝撃試験を実施した。試験片形状は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２のＶノッチ試験片と同等にした。ただし、プレス成形品から採取した試験片は板厚が薄いため、１０枚程度の試験片を重ね合わせて、合計の板厚が１０〜１２ｍｍ程度になるようにしてビスで固定して使用した。試験方法は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の方法に準じ、試験温度を−１２０℃として吸収エネルギーを測定し、吸収エネルギーをノッチ底の断面積で除して衝撃値［Ｊ／ｃｍ２］を求め、結果を下記表２に示した。
プレス成形品の靭性を評価するため、シャルピー試験片を採取し、シャルピー衝撃試験を実施した。試験片形状は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２のＶノッチ試験片と同等にした。ただし、プレス成形品から採取した試験片は板厚が薄いため、１０枚程度の試験片を重ね合わせて、合計の板厚が１０〜１２ｍｍ程度になるようにしてビスで固定して使用した。試験方法は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の方法に準じ、試験温度を−１２０℃として吸収エネルギーを測定し、吸収エネルギーをノッチ底の断面積で除して衝撃値［Ｊ／ｃｍ２］を求め、結果を下記表２に示した。
（耐水素脆化特性）
耐水素脆化特性は、以下の手順によって評価した。
まず、プレス成形品の底部から、８０ｍｍ×３０ｍｍの短冊状の小片をシャー切断で採取して短冊状の試験片とし、試験片の両端にボルトを通すための孔を設けた。次いで、試験片に、曲げ半径を１０ｍｍとして、Ｕ曲げ加工を施した。次に、曲げ部の外周に耐水性の歪ゲージを貼付した。その後、試験片の両端の孔にボルトを通し、ナットで締め付けながら、曲げ部に歪を加えた。
耐水素脆化特性は、以下の手順によって評価した。
まず、プレス成形品の底部から、８０ｍｍ×３０ｍｍの短冊状の小片をシャー切断で採取して短冊状の試験片とし、試験片の両端にボルトを通すための孔を設けた。次いで、試験片に、曲げ半径を１０ｍｍとして、Ｕ曲げ加工を施した。次に、曲げ部の外周に耐水性の歪ゲージを貼付した。その後、試験片の両端の孔にボルトを通し、ナットで締め付けながら、曲げ部に歪を加えた。
そして、歪ゲージで測定した歪量に、一般的な鋼のヤング率である２０５８００ＭＰａを掛けて負荷応力を算出し、負荷応力が５９０ＭＰａになるように歪量を調整した。その後、試料を０．５ｍｏｌ／ｌの硫酸中に漬け、電流密度４０ｍＡ／ｃｍ２として電解チャージを行った。この際の電解チャージ時間は最大１２０分とし、割れ発生の有無を評価した。割れの発生は、曲げ部に貼付した歪ゲージで、電解チャージ中の歪みの変化によって判定した。そして、耐水素脆化特性として、電解チャージ中に割れが発生したものを×、発生しなかったものを○として、下記表２に示した。
本実施例における鋼板の化学成分組成、Ａｃ３変態点、Ａｒ３変態点及びめっき種類の一覧を下記表１に示すとともに、プレス成形品（ホットスタンピング成形品）の製造条件及び評価結果の一覧を下記表２に示す。
［評価結果］
表２中の符号Ａ１、Ａ４、Ａ７の例は、成分が本発明の規定範囲内である鋼板を用いて、本発明の規定範囲内の製造条件でホットスタンピングを行い、必要に応じて熱処理を行った本発明例である。表２に示すように、これら本発明例の成形品は、強度及び耐水素脆化特性が良好であることが明らかである。
表２中の符号Ａ１、Ａ４、Ａ７の例は、成分が本発明の規定範囲内である鋼板を用いて、本発明の規定範囲内の製造条件でホットスタンピングを行い、必要に応じて熱処理を行った本発明例である。表２に示すように、これら本発明例の成形品は、強度及び耐水素脆化特性が良好であることが明らかである。
これに対して、表２中の符号Ａ２−２、Ａ３−２、Ａ３−３、Ｂ１〜Ｂ７の例は、鋼板の成分が本発明の規定範囲外であるか、本発明の規定範囲外の製造条件でホットスタンピングや熱処理を行った比較例である。符号Ａ２−２、Ａ３−３の例では、ホットスタンピングの加熱温度が高いため、旧オーステナイト粒径が１５μｍを超えている。また、符号Ａ３−２は、成形品の熱処理を不適切な温度で行った例であり、耐水素脆化特性が劣化している。
また、符号Ｂ１〜Ｂ１０の例は、成分が本発明の規定範囲外であるため、強度、靭性、耐水素脆化特性の何れか１つ以上が劣化した比較例である。ここで、符号Ｂ１は、Ａｌ量が少なく、旧オーステナイト粒径が１５μｍを超えた例であり、また、符号Ｂ２は、Ａｌ量が過剰であるため、介在物が増加した例であり、靭性及び耐水素脆化特性が低下している。
また、符号Ｂ３は、Ｃ量が多過ぎ、符号Ｂ５は焼入れ性を高めるＣｒ及びＭｏの合計量が多過ぎ、符号Ｂ４はＳｉ及びＭｎの含有量が多過ぎ、また、符号Ｂ６及びＢ７は、それぞれＮｂ及びＴｉの含有量が多過ぎ、靭性が低下した例である。
また、符号Ｂ８は、Ｓｉの含有量が少なく、強度、靭性及び耐水素脆化特性が低下した例である。また、符号Ｂ９は、Ｍｎの含有量が少なく、焼き入れ性が低下してフェライト相が出現し、靭性及び耐水素脆化特性は向上しているものの、強度が低下した例である。
また、符号Ｂ８は、Ｓｉの含有量が少なく、強度、靭性及び耐水素脆化特性が低下した例である。また、符号Ｂ９は、Ｍｎの含有量が少なく、焼き入れ性が低下してフェライト相が出現し、靭性及び耐水素脆化特性は向上しているものの、強度が低下した例である。
また、符号Ｂ１０は、Ａｃ３変態点が９００℃以上であり、加熱時に組織をオーステナイトにするために加熱温度を高くした例である。符号Ｂ１０では、旧オーステナイト粒径が１５μｍを超えているため、靭性及び耐水素脆化特性が低下している。
以上説明した実施例の結果より、本発明の靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品が、高コストの合金元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂの添加量を抑制しながら、強度を低下させることなく、高い靱性及び耐水素脆化特性を確保することが可能となることがわかる。従って、本発明の高強度ホットスタンピング成形品を、特に自動車部品等に適用することにより、自動車の軽量化や安全性の向上とともに、製造コストの低減が可能となることが明らかである。
Claims (3)
- 質量％で、
Ｃ ：０．１５〜０．３５％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：１．３％超１．８％以下、
Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、
Ｎ ：０．００１〜０．０１０％、
Ｂ ：０．００５０％以下
を含有し、Ｐ、Ｓの各々の含有量を、
Ｐ ：０．０３０％以下、
Ｓ ：０．０２０％以下、
に制限し、更に、
Ｃｒ、Ｍｏの内の一方を含む場合の含有量、又は、双方を含む場合の合計の含有量を０．２％未満、
Ｔｉ、Ｎｂの内の一方を含む場合の含有量、又は、双方を含む場合の合計の含有量を０．１０％未満
に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼成分を有してなり、
Ａｃ３変態点が９００℃未満であり、金属組織が焼戻しマルテンサイトからなり、かつ旧オーステナイト粒径が１５μｍ以下であることを特徴とする靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品。 - 質量％で、
Ｔｉ：０．０４０％以下、
に制限することを特徴とする請求項１に記載の靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品。 - 請求項１又は請求項２に記載の靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品の製造方法であって、
請求項１又は請求項２に記載の成分からなる鋼板を、Ａｃ３変態点〜Ａｃ３変態点＋１００℃、且つ９００℃未満に加熱し、
次いで、Ａｒ３変態点以上の温度でプレス成形した後、そのまま金型との接触による焼入れを行い、
さらに、４００〜７００℃の温度範囲で１〜１００分保持する焼戻し処理を施すことを特徴とする靭性及び耐水素脆化特性に優れた高強度ホットスタンピング成形品の製造方法。
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