JP5729213B2

JP5729213B2 - 熱間プレス部材の製造方法

Info

Publication number: JP5729213B2
Application number: JP2011178909A
Authority: JP
Inventors: 敏伸西畑
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2031-08-18
Also published as: JP2013040390A

Description

本発明は、例えば、自動車のボデー構造部品や足回り部品等を始めとする機械構造部品等に好適に使用される、熱間プレス部材の製造方法に関する。

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められている。そして、自動車に広く使用される鋼板においては、強度の増加に伴ってプレス成形性が低下するため、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、延性が低下してしまうことにより加工度が高い部位で破断が生じたり、スプリングバックや壁反りが大きくなってしまうことにより寸法精度が劣化したりする、といった問題が発生する。したがって、高強度、特に７８０ＭＰａ級以上の引張強さ（以下、「ＴＳ」とも表記する。）を有する鋼板にプレス加工を行って成形部材を製造することは、容易ではない。

一方、特許文献１に示されように、加熱した鋼板をプレス成形する熱間プレス法と呼ばれる成形方法では、プレス成形時には鋼板が高温で軟質かつ高延性になっているため、複雑な形状であっても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、プレス金型内で急冷（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も同時に達成できる。

また、特許文献２には、室温で予め所定の形状に成形した後に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とを同時に達成する予プレスクエンチ法に係る発明が開示されている。

このような熱間プレス法や予プレスクエンチ法は、成形される部材の高強度化及び優れた成形性を同時に確保できる優れた成形方法である。
このようにして得た部材のミクロ組織は、マルテンサイト単相系の組織であり、一般には、靭性に乏しいといわれている。そのため、特許文献３では、熱間プレス時の冷却速度を制御することにより靭性を改善することが提案されている。

英国特許公報１４９０５３５号特開平１０−９６０３１号公報特開２００４−３５３０２６号公報

特許文献３に記載された発明は、熱間プレス部材の靭性を効果的に改善する優れた発明である。しかしながら、近年のさらなる靭性改善のニーズにより、さらに優れた靭性を有する熱間プレス部材の製造方法が求められている。

本発明は、このような近年のさらなる靭性改善のニーズに鑑みてなされたものであり、従来よりもさらに靭性に優れる熱間プレス部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、熱間プレス部材の靭性をさらに向上させるべく鋭意検討を重ねた結果、適正な化学組成を有する鋼材に適正な熱処理を施すことにより、熱間プレス部材の靭性が飛躍的に改善されることを知見した。その知見をもとに完成させた本発明は次の通りである。

（１）質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３９％、Ｍｎ＋Ｃｒ：０．８０〜３．０％、下記式（１）を満たす量のＴｉを含有し、さらにＰ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｉ：３％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材を、Ａｃ_３点以上（Ａｃ_３点＋１００℃）以下の温度域に１０分間以下保持したのちに熱間プレスを施し、次いで上部臨界冷却速度以上の冷却速度でＭｆ点まで冷却する焼入れ処理を施して引張強さを１．２ＧＰａ以上としたのちに、１５０℃以上２００℃以下の温度域に１０分間以上保持する熱処理を施すことにより、前記熱処理前の熱間プレス部材の、試験温度−１２０℃でのシャルピー衝撃値を前記熱処理前の熱間プレス部材の引張強さで除した値Ｅ _０とし、前記熱処理後の熱間プレス部材の、試験温度−１２０℃でのシャルピー衝撃値を前記熱処理後の熱間プレス部材の引張強さで除した値Ｅ _ｈとした時、Ｅ _ｈをＥ _０で除した値であるＥ値が１．１以上を示すことを特徴とする熱間プレス部材の製造方法。
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。

（２）前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．０１％以下を含有することを特徴とする（１）項に記載の熱間プレス部材の製造方法。
（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％以下からなる群から選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする（１）項または（２）項に記載の熱間プレス部材の製造方法。

（４）前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ：０．００５％以下を含有することを特徴とする（１）項〜（３）項のいずれかに記載の熱間プレス部材の製造方法。

本発明により、従来よりもさらに靭性に優れる熱間プレス部材の製造方法を提供することが可能になる。

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。

（ｉ）化学組成
本発明における素地鋼材の化学組成については、以下のように規定する。

［Ｃ：０．１５〜０．４５％」
Ｃは、鋼材の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を主に決定する非常に重要な元素である。Ｃ含有量が０．１５％未満では、焼入れ後の強度で１．２ＧＰａ以上のＴＳを確保することが困難となる。したがって、Ｃ含有量を０．１５％以上とする。好ましくは０．２０％以上である。一方、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、靱性の劣化が著しくなる。そこで、Ｃ含有量は０．４５％以下とする。好ましくは０．３３％以下である。

［Ｍｎ＋Ｃｒ：０．５〜３．０％］
ＭｎおよびＣｒは、いずれも、鋼材の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を安定して確保するために、非常に効果がある元素である。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％未満ではこの効果は十分ではない。したがって、（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量は０．５％以上とする。好ましくは０．８％以上である。一方、（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量が３．０％を超えるとその効果は飽和するばかりか、却って安定した強度の確保が困難となる。したがって、（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量は３．０％以下とする。好ましくは２．０％以下である。

［Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｉ：３％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］
これらの元素は、鋼材の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を安定して確保するために効果がある元素である。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、各元素の含有量は上述した範囲とする。

［Ｂ：０．０１％以下］
Ｂは、鋼材の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を安定して確保する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、熱間プレスに供する際の加熱時におけるオーステナイトの粒成長を抑制する効果も高く、これによる靭性向上作用も有する。したがって、本発明では任意元素としてＢを含有することが好ましい。しかし、Ｂ含有量が０．０１％を超えると上記効果は飽和していたずらにコスト増を招く。したがって、Ｂを含有する場合にはその含有量は０．０１％以下とする。好ましくは０．００３０％以下である。上記効果をより確実に得るにはＢ含有量０．０００１％以上とすることが好ましく、０．００１０％以上とすることがさらに好ましい。

［Ｎｂ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下］
ＮｂおよびＭｏは、いずれも、微細な炭化物を形成し、熱間プレスに供する鋼材をＡｃ_３点以上に加熱した際にオーステナイト粒の粗大化を抑制して細粒に保つため、靱性を大きく改善する効果を有する。さらに、Ｎｂは再結晶を抑制する強い作用を有するので、上記効果が一層大きい。したがって、本発明では任意元素としてＮｂおよび／またはＭｏを含有することが好ましい。しかし、いずれの元素も含有量が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。したがって、Ｎｂおよび／またはＭｏを含有する場合にはそれぞれの含有量はいずれも１．０％以下とする。Ｎｂ含有量は０．１５％以下とすることが好ましく、０．１０％以下とすることがさらに好ましい。Ｍｏ含有量は０．２０％以下とすることが好ましく、０．１５％以下とすることがさらに好ましい。上記効果をより確実に得るには、Ｎｂ含有量は０．０２％以上とすることが好ましく、０．０４％以上とすることがさらに好ましい。また、Ｍｏ含有量は０．０１％以上とすることが好ましく、０．０４％以上とすることがさらに好ましい。

［３．４２Ｎ＋０．００１≦Ｔｉ≦３．４２Ｎ＋０．５］
Ｔｉは、微細な炭化物を形成するとともに再結晶を抑制することにより、熱間プレスに供する鋼材をＡｃ_３点以上に加熱した際にオーステナイト粒の粗大化を抑制して細粒に保つため、靱性を大きく改善する効果を有する。したがって、本発明ではＴｉを含有する。上記効果をより確実に得るためにＴｉ含有量を（３．４２Ｎ＋０．００１）以上とする。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。Ｔｉ含有量は３．４２Ｎ＋０．０２≦Ｔｉ≦３．４２Ｎ＋０．０８である。

［Ｃａ：０．００５％以下］
Ｃａは、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。したがって、本発明では任意元素としてＣａを含有することが好ましい。しかし、Ｃａ含有量が０．００５％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。したがって、Ｃａ含有量は０．００５％以下とする。好ましくは０．００４％以下である。上記効果をより確実に得るには、Ｃａ含有量を０．００１％以上とすることが好ましく、０．００２％以上とすることがさらに好ましい。

上述した以外の残部は、Ｆｅおよび不純物である。

（ｉｉ）製造条件
［熱間プレス］
上述した化学組成を有する鋼材をＡｃ_３点以上（Ａｃ_３点＋１００℃）以下の温度域に１０分間以下保持したのちに熱間プレスを施す。

熱間プレスに供する鋼材の保持温度がＡｃ_３点未満では、オーステナイト単相とならないため後続する焼入れ処理を施したとしても１．２ＧＰａ以上の強度を得ることが困難となる。一方、熱間プレスに供する鋼材の保持温度が（Ａｃ_３点＋１００℃）超では、オーステナイト粒が粗大化して靭性劣化が著しくなったり、スケールロスの増大が著しくなったりする。したがって、熱間プレスに供する鋼材の保持温度はＡｃ_３点以上（Ａｃ_３点＋１００℃）以下とする。

また、熱間プレスに供する鋼材の上記温度域における保持時間は、加熱に要するコストがいたずらに増加するのを防ぐため１０分間以下とする。なお、この保持時間の下限は特に規定する必要はないが、焼入れ処理前の組織を均質化して製品特性を安定化させる観点から１分間以上とすることが好ましい。

［焼入れ処理］
熱間プレスを施した鋼材には、上部臨界冷却速度以上の冷却速度でＭｆ点まで冷却する焼入れ処理を施す。

焼入れ処理における冷却速度が上部臨海冷却速度未満であったり、冷却終了温度がＭｆ点超であったりすると、不可避的に混在するレベルを超える相当量のマルテンサイト以外の相や組織が生成してしまい、１．２ＧＰａ以上の強度を確保することが困難となる場合がある。したがって、焼入れ処理は上述した条件とする。

なお、上記化学組成を有する鋼材については、焼入れ処理における冷却速度は６０℃／秒以上とすれば十分である。また、焼入れ処理における冷却終了温度は１００℃とすれば十分である。

［熱処理］
焼入れ処理を施した熱間プレス部材には、１５０℃以上２００℃以下の温度域に１０分間以上保持する熱処理を施す。この熱処理により、靭性が飛躍的に改善される。

上記熱処理における保持温度が１５０℃未満では、靭性を向上させる作用が充分に得られない場合がある。したがって、熱処理における保持温度は１５０℃以上とする。好ましくは１７０℃以上である。一方、上記熱処理における保持温度が２００℃超では熱間プレス部材の強度低下が著しくなる場合がある。したがって、熱処理における保持温度は２００℃以下とする。好ましくは１９０℃以下である。

さらに、この熱処理における保持時間が１０分間未満では、靭性を向上させる作用が充分に得られない場合がある。したがって、熱処理における保持時間は１０分間以上とする。好ましくは２０分間以上である。保持時間の上限は特に限定する必要はないが、３時間超ではコスト面で不利となるため、３時間以下とすることが好ましい。さらに好ましくは１２０分間以下、特に好ましくは６０分間以下である。熱処理を施す際の加熱方法はいかなる方法を用いてもよく、例えば、炉加熱、高周波加熱、通電加熱等が例示される。

この熱処理による靭性改善は、Ｃ含有量の多い、より高強度の熱間プレス部材に特に有効である。これは本願の熱処理により、Ｃ含有量の多い部材（およそ０．３％Ｃ以上）では，強度が若干低下することに主に起因するためである。一方、Ｃ含有量の少ない部材（およそ０．２％Ｃ程度）では、この熱処理により、強度が上昇する傾向が認められるが、強度の上昇に伴い、靭性が劣化するのではなく、逆に靭性がさらに改善されるのが、この熱処理の特徴でもある。また、この熱処理により、降伏強度を引張強さで除した値である降伏比が大きく上昇する（およそ０．７５以上）ことも特徴のひとつである。

熱間プレスに供する鋼材は、Ａｃ_３点以上の温度に保持したのちにプレス成形されるものであるため、室温での機械的性質は重要ではなく、熱間プレスに供する前の金属組織については特に規定する必要はない。したがって、熱間プレスに供する鋼材が鋼板である場合には、熱延鋼板および冷延鋼板のいずれでもよく、さらに鋼板の表面にめっきが施されていてもよい。また、その製造方法についても特に限定する必要はない。

以上説明した本実施の形態により、靭性に優れる熱間プレス部材を製造することが可能になるので、例えば、自動車のボデー構造部品や足回り部品等を始めとする機械構造部品を確実に提供することが可能になる。

さらに、本発明を、実施例を参照しながらより具体的に説明する。
表１に示す鋼種Ｎｏ．１〜７の化学組成を有する鋼板（板厚：２．６ｍｍ）を供試材とした。

これらの鋼板は、実験室にて溶製したスラブを１２５０℃にて３０分間加熱した後、９００℃以上で熱間圧延を行い、板厚４ｍｍの鋼板とした。熱間圧延後は、６００℃まで水スプレー冷却したのち炉に装入し、６００℃で３０分間保持した後、２０℃／時で室温まで徐冷することにより、熱延巻き取り工程を模擬した。得られた熱延板は、酸洗によりスケールを除去した後、冷間圧延にて板厚２．６ｍｍとした。

このようにして製造した鋼板を、空燃比１．１に設定したガス炉内で、表２に示す条件にて加熱し、その後、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。なお、表２における「保持時間」とは、炉に装入後のＡｃ_３点に達した時から、炉から取り出すまでの時間をいう。

その後、オイルバスを用いて、表２に示す条件にて熱処理を施し、その後水冷した。最終的に得られた鋼板より各種試験片を採取し、引張試験（ＪＩＳ５号試験片）、シャルピー試験に供した。なおシャルピー衝撃試験については、２．６ｔの鋼板を２．５ｔに研削したのち、Ｖノッチ試験片を作製し、シャルピー衝撃試験に供した。また靱性評価は以下のように実施した。熱処理前の熱間プレス部材の、試験温度−１２０℃でのシャルピー衝撃値をその引張強さで除した値Ｅ_０とした。次に、熱処理後の熱間プレス部材の、試験温度−１２０℃でのシャルピー衝撃値をその引張強さで除した値Ｅ_ｈとした。ここでＥ_ｈをＥ_０で除した値をＥ値として定義し、このＥ値が１．１以上になる場合を合格とした。なお表２中には，降伏強度を引張強さで除した値である降伏比ＹＲも記載した。

本発明例である例Ｎｏ．１〜１０での靭性改善効果は明らかである。一方、比較例である例Ｎｏ．１１、１３では、本発明範囲を満足しないため、靭性改善効果が認められない。また例Ｎｏ．１２では、本発明範囲を満足しないため、強度不足である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３９％、Ｍｎ＋Ｃｒ：０．８０〜３．０％、下記式（１）を満たす量のＴｉを含有し、さらにＰ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｉ：３％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材を、Ａｃ_３点以上（Ａｃ_３点＋１００℃）以下の温度域に１０分間以下保持したのちに熱間プレスを施し、次いで上部臨界冷却速度以上の冷却速度でＭｆ点まで冷却する焼入れ処理を施して引張強さを１．２ＧＰａ以上としたのちに、１５０℃以上２００℃以下の温度域に１０分間以上保持する熱処理を施すことにより、前記熱処理前の熱間プレス部材の、試験温度−１２０℃でのシャルピー衝撃値を前記熱処理前の熱間プレス部材の引張強さで除した値Ｅ _０とし、前記熱処理後の熱間プレス部材の、試験温度−１２０℃でのシャルピー衝撃値を前記熱処理後の熱間プレス部材の引張強さで除した値Ｅ _ｈとした時、Ｅ _ｈをＥ _０で除した値であるＥ値が１．１以上を示すことを特徴とする熱間プレス部材の製造方法。
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。
前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．０１％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の熱間プレス部材の製造方法。
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％以下からなる群から選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の熱間プレス部材の製造方法。
前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ：０．００５％以下を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱間プレス部材の製造方法。