JP5883351B2 - 熱間プレス成形品、その製造方法および熱間プレス成形用薄鋼板 - Google Patents
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Description
主要組織を、高強度且つ延性に富むベイニティックフェライトにすることで、熱間プレス成形品の高強度と高延性を両立させることができる。こうした観点から、ベイニティックフェライトの面積分率は、70面積%以上とすることが好ましい。しかしながら、この分率が97面積%を超えると、残留オーステナイトの分率が不足し、延性(残存延性)が低下する。ベイニティックフェライト分率の好ましい下限は75面積%以上(より好ましくは80面積%以上)であり、好ましい上限は95面積%以下(より好ましくは90面積%以下)である。
高強度のマルテンサイトを一部含ませることによって、熱間プレス成形品の高強度化が図れるが、その量が多くなると延性(残存延性)が低下する。こうした観点から、マルテンサイトの面積分率は、27面積%以下とすることが好ましい。マルテンサイト分率の好ましい下限は5面積%以上(より好ましくは10面積%以上)であり、好ましい上限は20面積%以下(より好ましくは15面積%以下)である。
残留オーステナイトは、塑性変形中にマルテンサイトに変態することで、加工硬化率を上昇させ(変態誘起塑性)、成形品の延性を向上させる効果がある。こうした効果を発揮させるためには、残留オーステナイトの分率を3面積%以上とする必要がある。延性に対しては、残留オーステナイト分率が多ければ多いほど良好になるが、自動車用鋼板に用いられる組成では、確保できる残留オーステナイトは限られており、20面積%程度が上限となる。残留オーステナイトの好ましい下限は5面積%以上(より好ましくは7面積%以上)であり、好ましい上限は17面積%以下(より好ましくは15面積%以下、もしくは10面積%以下)である。
上記組織の他は、フェライト、パーライト、ベイナイト等を残部組織として含み得るが、これらの組織はマルテンサイトより軟質な組織であり強度に対する寄与が他の組織に比べて低く、できるだけ少ない方が好ましい。但し、5面積%までなら許容できる。残部組織は、より好ましくは3面積%以下であり、更に好ましくは0面積%である。
熱間プレス成形品の組織を適切に調整するためには、加熱温度は所定の範囲に制御する必要がある。この加熱温度を適切に制御することによって、その後の冷却過程で、所定量の残留オーステナイトを確保しつつベイニティックフェライトを主体とする組織に変態させ、最終的な熱間プレス成形品で所望の組織に作り込むことができる。薄鋼板の加熱温度がAc3変態点未満であると、加熱時に十分な量のオーステナイトが得られず、最終組織(成形品の組織)で所定量の残留オーステナイトを確保できない。また、薄鋼板の加熱温度が1000℃を超えると、加熱時にオーステナイトの粒径が大きくなり、マルテンサイト変態開始温度(Ms)およびマルテンサイト変態終了温度(Mf)が上昇し、焼入れ時に残留オーステナイトを確保できず、良好な成形性が達成されない。
上記加熱工程で形成されたオーステナイトを、フェライトやパーライト等の組織の生成を阻止しつつ、所望の組織とするためには、成形中の平均冷却速度および冷却停止温度を適切に制御する必要がある。こうした観点から、成形中の平均冷却速度は20℃/秒以上とし、冷却停止温度は(Bs−100℃)以下、マルテンサイト変態開始温度Ms以上(この温度を「冷却速度変更温度」と呼ぶことがある)とする必要がある。平均冷却速度は、好ましくは30℃/秒以上(より好ましくは40℃/秒以上)である。尚、成形中の平均冷却速度の制御は、(a)成形金型の温度を制御する(前記図1に示した冷却媒体)、(b)金型の熱伝導率を制御する等の手段によって達成できる。
上記の温度範囲で冷却を一旦停止し、前記温度範囲(即ち、(Bs−100℃)以下、マルテンサイト変態開始温度Ms以上の温度範囲)で10秒以上滞在させることによって、過冷オーステナイトからベイナイト変態が進行してベイニティックフェライトを主体とする組織とすることができる。このときの滞在時間は、好ましくは50秒以上(より好ましくは100秒以上)であるが、滞在時間が長くなり過ぎると、オーステナイトが分解を始め、残留オーステナイト分率が確保できなくなるので、1000秒以下であることが好ましい(より好ましくは800秒以下)。
Cは、冷却過程で生成されるベイニティックフェライトを微細にし、且つベイニティックフェライト中の転位密度を上昇させることによって強度を向上させる上で重要な元素である。また、焼入れ性に強く係わる元素であり、含有量を増加させることによって、加熱後の冷却中のフェライト等の軟質なその他の組織の形成を抑制する効果を発揮する。更に、残留オーステナイトを確保する上でも必要な元素である。C含有量が0.15%未満では、ベイナイト変態開始温度Bsが上昇し、熱間プレス成形品の高強度が確保できない。またC含有量が過剰になって0.4%を超えると、強度が高くなり過ぎ、良好な延性が得られない。C含有量のより好ましい下限は0.18%以上(更に好ましくは0.20%以上)であり、より好ましい上限は0.35%以下(更に好ましくは0.3%以下、更により好ましくは0.25%以下)である。
Siは、焼入れ時に残留オーステナイトを形成させる作用を発揮する。また、固溶強化によって、延性をあまり劣化させずに強度を高める作用も発揮する。Si含有量が0.5%未満では、所定の残留オーステナイト量が確保できず、良好な延性が得られない。またSi含有量が過剰になって3%を超えると、固溶強化量が大きくなり過ぎ、延性が大幅に劣化することになる。Si含有量のより好ましい下限は1.15%以上(更に好ましくは1.20%以上)であり、より好ましい上限は2.7%以下(更に好ましくは2.5%以下)である。
Mnは、一次冷却中にフェライトやパーライトの形成を抑制するのに有用な元素である。また(Bs−100℃)を低下させることによって、ベイニティックフェライトの組織単位を微細化したり、ベイニティックフェライト中の転位密度を高めることで、ベイニティックフェライトの強度を高めるのに有用な元素である。更に、オーステナイトを安定化させて、残留オーステナイト量を増加させるのに有効な元素である。これらの効果を発揮させるためには、Mnは0.5%以上含有させることが好ましい。特性だけを考慮した場合は、Mn含有量は多い方が好ましいが、合金添加のコストが上昇することから、2%以下とすることが好ましい。また、オーステナイトの強度を大幅に向上させるため、熱間圧延の負荷が大きくなり、鋼板の製造が困難になるため、生産性の上からも、2%を超えて含有させることは好ましくない。Mn含有量のより好ましい下限は0.7%以上(更に好ましくは0.9%以上)であり、より好ましい上限は1.8%以下(更に好ましくは1.6%以下)である。
Pは、鋼中に不可避的に含まれる元素であるが延性を劣化させるので、Pは極力低減することが好ましい。しかしながら、極端な低減は製鋼コストの増大を招き、0%とすることは製造上困難であるので、0.05%以下(0%を含まない)とすることが好ましい。P含有量のより好ましい上限は0.045%以下(更に好ましくは0.040%以下)である。
SもPと同様に鋼中に不可避的に含まれる元素であり、延性を劣化させるので、Sは極力低減することが好ましい。しかしながら、極端な低減は製鋼コストの増大を招き、0%とすることは製造上困難であるので、0.05%以下(0%を含まない)とすることが好ましい。S含有量のより好ましい上限は0.045%以下(更に好ましくは0.040%以下)である。
Alは、脱酸元素として有用であると共に、鋼中に存在する固溶NをAlNとして固定し、延性の向上に有用である。こうした効果を有効に発揮させるためには、Al含有量は0.01%以上とすることが好ましい。しかしながら、Al含有量が過剰になって0.1%を超えると、Al2O3が過剰に生成し、延性を劣化させる。尚、Al含有量のより好ましい下限は0.013%以上(更に好ましくは0.015%以上)であり、より好ましい上限は0.08%以下(更に好ましくは0.06%以下)である。
Crは、フェライト変態やパーライト変態を抑制する作用を有するため、冷却中にフェライトおよびパーライトの形成を防止し、残留オーステナイトの確保に寄与する元素である。こうした効果を発揮させるためには、Crは0.01%以上含有させることが好ましいが、1%を超えて過剰に含有させてもコストが上昇する。また、Crはオーステナイトの強度を大幅に高めるため、熱間圧延の負荷が大きくなり、鋼板の製造が困難になるため、生産性の上からも、1%を超えて含有させることは好ましくない。Cr含有量のより好ましい下限は0.02%以上(更に好ましくは0.05%以上)であり、より好ましい上限は0.8%以下(更に好ましくは0.5%以下)である。
Bは、焼入れ性を高め、フェライト変態やパーライト変態を抑制する作用を有するため、加熱後の一次冷却中に、フェライト、パーライトの形成を防止し、ベイニティックフェライトと残留オーステナイトの確保に寄与する元素である。こうした効果を発揮させるためには、Bは0.0002%以上含有させることが好ましいが、0.01%を超えて過剰に含有させても効果が飽和する。B含有量のより好ましい下限は0.0003%以上(更に好ましくは0.0005%以上)であり、より好ましい上限は0.008%以下(更に好ましくは0.005%以下)である。
Tiは、Nを固定し、Bを固溶状態で維持させることで焼入れ性の改善効果を発現させる。こうした効果を発揮させるためには、Tiは少なくともNの含有量の4倍以上含有させることが好ましいが、Ti含有量が過剰になって0.1%を超えると、TiCを多量に形成し、析出強化により強度が上昇するが延性が劣化する。Ti含有量のより好ましい下限は0.05%以上(更に好ましくは0.06%以上)であり、より好ましい上限は0.09%以下(更に好ましくは0.08%以下)である。
Nは、BをBNとして固定することで、焼入れ性改善効果を低下させる元素であり、できるだけ低減することが好ましいが、実プロセスの中で低減するには限界があるため、0.001%を下限とした。また、N含有量が過剰になると、粗大なTiNを形成し、このTiNが破壊の起点として働き、延性が劣化するので、上限を0.01%とした。N含有量のより好ましい上限は0.008%以下(更に好ましくは0.006%以下)である。
Cu,NiおよびMoは、フェライト変態およびパーライト変態を抑制するため、一次冷却中に、フェライト、パーライトの形成を防止し、残留オーステナイトの確保に有効に作用する。こうした効果を発揮させるためには、合計で0.01%以上含有させることが好ましい。特性だけを考慮すると含有量は多いほうが好ましいが、合金添加のコストが上昇することから、合計で1%以下とすることが好ましい。また、オーステナイトの強度を大幅に高める作用を有するため、熱間圧延の負荷が大きくなり、鋼板の製造が困難になるため、製造性の観点からも1%以下とすることが好ましい。これらの元素含有量のより好ましい下限は合計で0.05%以上(更に好ましくは0.06%以上)であり、より好ましい上限は合計で0.9%以下(更に好ましくは0.8%以下)である。
VおよびNbは、微細な炭化物を形成し、ピン止め効果により組織を微細にする効果がある。こうした効果を発揮させるためには、合計で0.001%以上含有させることが好ましい。しかしながら、これらの元素の含有量が過剰になると、粗大な炭化物が形成され、破壊の起点になることで逆に延性を劣化させるので、合計で0.1%以下とすることが好ましい。これらの元素含有量のより好ましい下限は合計で0.005%以上(更に好ましくは0.008%以上)であり、より好ましい上限は合計で0.08%以下(更に好ましくは0.06%以下)である。
Ms点(℃)=550−361×[C]−39×[Mn]−10×[Cu]−17×[Ni]−20×[Cr]−5×[Mo]+30×[Al] …(2)
Bs点(℃)=830−270×[C]−90×[Mn]−37×[Ni]−70×[Cr]−83×[Mo] …(3)
但し、[C],[Si],[Mn],[P],[Al],[Ti],[V],[Cr],[Mo],[Cu]および[Ni]は、夫々C,Si,Mn,P,Al,Ti,V,Cr,Mo,CuおよびNiの含有量(質量%)を示す。また、上記(1)式〜(3)式の各項に示された元素が含まれない場合は、その項がないものとして計算する。
JIS5号試験片を用いて引張試験を行い、引張強度(TS)、伸び(EL)を測定した。このとき、引張試験の歪速度:10mm/秒とした。本発明では、(a)引張強度(TS)が980〜1179MPaで伸び(EL)が15%以上、(b)引張強度(TS)が1180MPa以上で伸び(EL)が12%以上のいずれかを満足するときに合格と評価した。
(1)鋼板中のベイニティックフェライト、およびその他の組織(フェライトおよびパーライト)については、鋼板をナイタールで腐食し、SEM(倍率:1000倍または2000倍)観察により、各組織を区別し、夫々の分率(面積率)を求めた。
(2)鋼板中の残留オーステナイト分率(面積率)は、鋼板の1/4の厚さまで研削した後、化学研磨してからX線回折法によって測定した(例えば、ISJJ Int.Vol.33.(1933),No.7,P.776)。
(3)マルテンサイト(焼入れままマルテンサイト)の分率については、鋼板をレペラ腐食し、SEM観察により白いコントラストを焼入れままマルテンサイトと残留オーステナイトの混合組織として面積率を測定し、そこからX線回折により求めた残留オーステナイト分率を差いて、焼入れままマルテンサイト分率を計算した。
2 ダイ
3 ブランクホルダー
4 鋼板(ブランク)
Claims (7)
- 薄鋼板から成形された熱間プレス成形品であって、
化学成分組成が、
C :0.15〜0.4%(質量%の意味。以下、化学成分組成について同じ。)、
Si:0.5〜3%、
Mn:0.5〜2%、
P :0.05%以下(0%を含まない)、
S :0.05%以下(0%を含まない)、
Al:0.01〜0.1%、
Cr:0.01〜1%、
B:0.0002〜0.01%、
Ti:(Nの含有量)×4〜0.1%、および
N:0.001〜0.01%、
を夫々含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、
金属組織が、ベイニティックフェライト:70〜97面積%、マルテンサイト:27面積%以下、および残留オーステナイト:3〜20面積%を夫々含み、残部組織:5面積%以下であることを特徴とする熱間プレス成形品。 - 更に他の元素として、Cu,NiおよびMoよりなる群から選択される1種以上:合計で1%以下(0%を含まない)含有するものである請求項1に記載の熱間プレス成形品。
- 更に他の元素として、Vおよび/またはNb:合計で0.1%以下(0%を含まない)含有するものである請求項1または2に記載の熱間プレス成形品。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の熱間プレス成形品を製造するに当たり、プレス成形金型を用いて薄鋼板をプレス成形するに際して、前記薄鋼板をAc3変態点以上、1000℃以下の温度に加熱した後、成形を開始し、成形中は金型内で20℃/秒以上の平均冷却速度を確保しつつ、(ベイナイト変態開始温度Bs−100℃)以下、マルテンサイト変態開始温度Ms以上の温度範囲まで冷却すると共に、前記温度範囲での滞在時間を10秒以上として成形を終了することを特徴とする熱間プレス成形品の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の熱間プレス成形品を製造するための熱間プレス成形用薄鋼板において、化学成分組成が、
C :0.15〜0.4%、
Si:0.5〜3%、
Mn:0.5〜2%、
P :0.05%以下(0%を含まない)、
S :0.05%以下(0%を含まない)、
Al:0.01〜0.1%、
Cr:0.01〜1%、
B:0.0002〜0.01%、
Ti:(Nの含有量)×4〜0.1%、および
N:0.001〜0.01%、
を夫々含有し、残部が鉄および不可避不純物からなるものであることを特徴とする熱間プレス成形用薄鋼板。 - 更に他の元素として、Cu,NiおよびMoよりなる群から選択される1種以上:合計で1%以下(0%を含まない)含有するものである請求項5に記載の熱間プレス成形用薄鋼板。
- 更に他の元素として、Vおよび/またはNb:合計で0.1%以下(0%を含まない)含有するものである請求項5または6に記載の熱間プレス成形用薄鋼板。
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