JP6380659B2 - 熱処理鋼板部材およびその製造方法 - Google Patents
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-
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Description
C:0.05〜0.50%、
Si:0.50〜5.0%、
Mn:1.5〜4.0%、
P:0.05%以下、
S:0.05%以下、
N:0.01%以下、
Ti:0.01〜0.10%、
B:0.0005〜0.010%、
Cr:0〜1.0%、
Ni:0〜2.0%、
Cu:0〜1.0%、
Mo:0〜1.0%、
V:0〜1.0%、
Ca:0〜0.01%、
Al:0〜1.0%、
Nb:0〜1.0%、
REM:0〜0.1%、
残部:Feおよび不純物であり、
マルテンサイトを主体とし、かつ、残留オーステナイトの体積率が5.0%以上である金属組織を有し、
前記鋼板部材中に存在する円相当直径が0.1μm以上の残留炭化物の数密度が4.0×103個/mm2以下であり、
ASTM E8で規定される板状試験片を用いて下記の機械的性質を測定した場合に、
下記(i)式で表されるひずみ誘起変態パラメータkの値が20.0未満であり、
引張強度が1.4GPa以上であり、
全伸びが8.0%以上である、
熱処理鋼板部材。
k=(logfγ0−logfγ(0.02))/0.02 ・・・(i)
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
fγ0:鋼板部材中に存在する残留オーステナイトの体積率
fγ(0.02):鋼板部材に対して0.02の真ひずみを付与し、除加した後の部材中に存在する残留オーステナイトの体積率
Cr:0.01〜1.0%、
Ni:0.1〜2.0%、
Cu:0.1〜1.0%、
Mo:0.1〜1.0%、
V:0.1〜1.0%、
Ca:0.001〜0.01%、
Al:0.01〜1.0%
Nb:0.01〜1.0%、および
REM:0.001〜0.1%、
から選択される1種以上を含有する、
上記(1)に記載の熱処理鋼板部材。
上記(1)または(2)に記載の熱処理鋼板部材。
α=[板厚中心部での最大Mn濃度(質量%)]/[表面から板厚の1/4深さ位置での平均Mn濃度(質量%)] ・・・(ii)
上記(1)から(3)までのいずれかに記載の熱処理鋼板部材。
C:0.05〜0.50%、
Si:0.50〜5.0%、
Mn:1.5〜4.0%、
P:0.05%以下、
S:0.05%以下、
N:0.01%以下、
Ti:0.01〜0.10%、
B:0.0005〜0.010%、
Cr:0〜1.0%、
Ni:0〜2.0%、
Cu:0〜1.0%、
Mo:0〜1.0%、
V:0〜1.0%、
Ca:0〜0.01%、
Al:0〜1.0%、
Nb:0〜1.0%、
REM:0〜0.1%、
残部:Feおよび不純物である化学組成を有し、
表面における最大高さ粗さRzが3.0〜10.0μmであり、
円相当直径が0.1μm以上の炭化物の数密度が8.0×103個/mm2以下である鋼板を、
5℃/s以上の平均昇温速度でAc3点〜Ac3点+200℃の温度域まで加熱した後、前記温度域からMs点まで上部臨界冷却速度以上で冷却し、その後、Ms点から100℃まで5℃/s以下の平均冷却速度で冷却する、
熱処理鋼板部材の製造方法。
Cr:0.01〜1.0%、
Ni:0.1〜2.0%、
Cu:0.1〜1.0%、
Mo:0.1〜1.0%、
V:0.1〜1.0%、
Ca:0.001〜0.01%、
Al:0.01〜1.0%
Nb:0.01〜1.0%、および
REM:0.001〜0.1%、
から選択される1種以上を含有する、
上記(5)に記載の熱処理鋼板部材の製造方法。
上記(5)または(6)に記載の熱処理鋼板部材の製造方法。
上記(5)から(7)までのいずれかに記載の熱処理鋼板部材の製造方法。
α=[板厚中心部での最大Mn濃度(質量%)]/[表面から板厚の1/4深さ位置での平均Mn濃度(質量%)] ・・・(ii)
上記(5)から(8)までのいずれかに記載の熱処理鋼板部材の製造方法。
上記(5)から(9)までのいずれかに記載の熱処理鋼板部材の製造方法。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
Cは、鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の鋼板部材の強度を向上させる元素である。しかし、C含有量が0.05%未満では、焼入れ後の鋼板部材において十分な強度を確保することが困難となる。したがって、C含有量は0.05%以上とする。一方、C含有量が0.50%を超えると、焼入れ後の鋼板部材の強度が高くなり過ぎて、靱性の劣化が著しくなる。したがって、C含有量は0.50%以下とする。C含有量は0.08%以上であるのが好ましく、0.45%以下であるのが好ましい。
Siは、鋼の焼入れ性を高め、かつ固溶強化により鋼材の強度を向上させる元素である。さらに、Siは炭化物中にほとんど固溶しないため、熱間成形時に炭化物の析出を抑え、未変態オーステナイトへのC濃化を助長する。その結果、Ms点が著しく低下し、かつ固溶強化されたオーステナイトが多く残留する。また、Siは、熱処理時に鋼板表面にFe2SiO4を生成させ、スケール生成を抑制するとともに、スケール中のFeOを減少させる役割を果たす。このFe2SiO4がバリア層となり、スケール中へのFeの供給が遮断されるため、スケール厚さを薄くすることが可能となる。さらにスケール厚さが薄いと熱間成形時には剥離しづらく、成形後のスケール除去処理時に剥離しやすいというメリットもある。
Mnは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を安定して確保するために、非常に効果のある元素である。さらにAc3点を下げ、焼入れ処理温度の低温化を促進する元素である。しかし、Mn含有量が1.5%未満ではその効果は十分ではない。一方、Mn含有量が4.0%を超えると上記の効果は飽和し、さらに焼入れ部の靱性劣化を招く。そのため、Mn含有量は1.5〜4.0%とする。Mn含有量は2.0%以上であるのが好ましい。また、Mn含有量は3.8%以下であるのが好ましく、3.5%以下であるのがより好ましい。
Pは、焼入れ後の鋼板部材の靱性を劣化させる元素である。特に、P含有量が0.05%を超えると、靱性の劣化が著しくなる。したがって、P含有量は0.05%以下とする。P含有量は、0.005%以下であることが好ましい。
Sは、焼入れ後の鋼板部材の靱性を劣化させる元素である。特に、S含有量が0.05%を超えると、靱性の劣化が著しくなる。したがって、S含有量は0.05%以下とする。S含有量は、0.003%以下であることが好ましい。
Nは、焼入れ後の鋼板部材の靱性を劣化させる元素である。特に、N含有量が0.01%を超えると、鋼中に粗大な窒化物が形成され、局部変形能や靱性が著しく劣化する。したがって、N含有量は0.01%以下とする。N含有量の下限は特に限定する必要はないが、N含有量を0.0002%未満とすることは経済的に好ましくないので、N含有量は0.0002%以上とすることが好ましく、0.0008%以上とすることがより好ましい。
Tiは、鋼板をAc3点以上の温度に加熱して熱処理を施す際に再結晶を抑制するとともに、微細な炭化物を形成して粒成長を抑制することで、オーステナイト粒を細粒にする作用を有する元素である。このため、Tiを含有させることによって、鋼板部材の靱性が大きく向上する効果が得られる。また、Tiは、鋼中のNと優先的に結合することによってBNの析出によるBの消費を抑制し、後述するBによる焼入れ性向上の効果を促進する。Ti含有量が0.01%未満では、上記の効果を十分に得られない。したがって、Ti含有量は0.01%以上とする。一方、Ti含有量が0.10%を超えると、TiCの析出量が増加してCが消費されるため、焼入れ後の鋼板部材の強度が低下する。したがって、Ti含有量は0.10%以下とする。Ti含有量は0.015%以上であるのが好ましく、0.08%以下であるのが好ましい。
Bは、微量でも鋼の焼入れ性を劇的に高める作用を有するので、本発明において非常に重要な元素である。また、Bは粒界に偏析することで、粒界を強化して靱性を高める。さらに、Bは、鋼板の加熱時にオーステナイトの粒成長を抑制する。B含有量が0.0005%未満では、上記の効果を十分に得られない場合がある。したがって、B含有量は0.0005%以上とする。一方、B含有量が0.010%を超えると、粗大な化合物が多く析出し、鋼板部材の靱性が劣化する。したがってB含有量は0.010%以下とする。B含有量は0.0010%以上であるのが好ましく、0.008%以下であるのが好ましい。
Crは、鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の鋼板部材の強度を安定して確保することを可能にする元素であるため、含有させてもよい。またSiと同様に、熱処理時に鋼板表面にFeCr2O4を生成させ、スケール生成を抑制するとともに、スケール中のFeOを減少させる役割を果たす。このFeCr2O4がバリア層となり、スケール中へのFeの供給が遮断されるため、スケール厚さを薄くすることが可能となる。さらにスケール厚さが薄いと熱間成形時には剥離しづらく、成形後のスケール除去処理時に剥離しやすいというメリットもある。しかし、Cr含有量が1.0%を超えると上記の効果は飽和し、いたずらにコストの増加を招く。したがって、含有させる場合のCr含有量は1.0%とする。Cr含有量は0.80%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Cr含有量は0.01%以上であるのが好ましく、0.05%以上であるのがより好ましい。
Niは、鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の鋼板部材の強度を安定して確保することを可能にする元素であるため、含有させてもよい。しかし、Ni含有量が2.0%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。したがって、含有させる場合のNi含有量は2.0%以下とする。上記の効果を得るためには、Niを0.1%以上含有させることが好ましい。
Cuは、鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の鋼板部材の強度を安定して確保することを可能にする元素であるため、含有させてもよい。しかし、Cu含有量が1.0%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。したがって、含有させる場合のCu含有量は1.0%以下とする。上記の効果を得るためには、Cuを0.1%以上含有させることが好ましい。
Moは、鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の鋼板部材の強度を安定して確保することを可能にする元素であるため、含有させてもよい。しかし、Mo含有量が1.0%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。したがって、含有させる場合のMo含有量は1.0%以下とする。上記の効果を得るためには、Moを0.1%以上含有させることが好ましい。
Vは、鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の鋼板部材の強度を安定して確保することを可能にする元素であるため、含有させてもよい。しかし、V含有量が1.0%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。したがって、含有させる場合のV含有量は1.0%以下とする。上記の効果を得るためには、Vを0.1%以上含有させることが好ましい。
Caは、鋼中の介在物を微細化し、焼入れ後の靱性および延性を向上させる効果を有する元素であるため、含有させてもよい。しかし、Ca含有量が0.01%を超えるとその効果は飽和して、いたずらにコストの増加を招く。したがって、Caを含有する場合にはその含有量は0.01%以下とする。Ca含有量は0.004%以下であるのが好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ca含有量を0.001%以上とすることが好ましく、0.002%以上とすることがより好ましい。
Alは、鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の鋼板部材の強度を安定して確保することを可能にする元素であるため、含有させてもよい。しかし、Al含有量が1.0%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。したがって、含有させる場合のAl含有量は1.0%以下とする。上記の効果を得るためには、Alを0.01%以上含有させることが好ましい。
Nbは、鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の鋼板部材の強度を安定して確保することを可能にする元素であるため、含有させてもよい。しかし、Nb含有量が1.0%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。したがって、含有させる場合のNb含有量は1.0%以下とする。上記の効果を得るためには、Nbを0.01%以上含有させることが好ましい。
REMは、Caと同様に鋼中の介在物を微細化し、焼入れ後の靱性および延性を向上させる効果を有する元素であるため、含有させてもよい。しかし、REM含有量が0.1%を超えるとその効果は飽和して、いたずらにコストの増加を招く。したがって、含有させる場合のREM含有量は0.1%以下とする。REM含有量は0.04%以下であるのが好ましい。上記の効果を得たい場合は、REM含有量を0.001%以上とすることが好ましく、0.002%以上とすることがより好ましい。
本発明に係る熱処理鋼板部材は、マルテンサイトを主体とし、かつ、残留オーステナイトの体積率が5.0%以上である金属組織を有する。なお、本鋼板部材中に存在するマルテンサイトは、自動焼戻しマルテンサイトである。また、「マルテンサイトを主体」とするとは、マルテンサイトの体積率が90%以上である金属組織を意味する。鋼板部材中には、フェライト、パーライト、ベイナイト等の組織が混在する場合もあるが、これらの組織は合計体積率で5.0%以下であれば許容される。
残留オーステナイトは、変形時にマルテンサイト変態することによって、くびれを防止して加工硬化を助長し、延性を向上させる。特に、残留オーステイトの体積率が5.0%未満であると、延性が顕著に低下し、超高強度な熱処理鋼板部材の破断リスクが高まり、衝突安全性が低下する。したがって、残留オーステナイトの体積率は5.0%以上とする。一方、残留オーステナイトの体積率の上限について、特に制限は設けない。しかしながら、残留オーステナイトの体積率が過剰であると強度が低下してしまうため、10%以下とすることが好ましい。
熱処理を行う場合、鋼中に一般に存在する炭化物の再固溶により十分な焼入れ性を確保することができる。しかしながら、炭化物の一部が再固溶されずに残留する場合は、十分な焼入れ性を確保できず、低強度なフェライトが析出する。したがって、この残留炭化物が少ないほど、焼入れ性が向上し、高強度を確保することができる。
上述のように、残留オーステナイトの加工誘起変態を利用したTRIP効果によって高い延性を得ることが可能となる。しかしながら、低いひずみで残留オーステナイトが変態してしまうと、TRIP効果による高延性化は期待できない。すなわち、残留オーステナイトの量だけでなく、その性質を制御する必要がある。
k=(logfγ0−logfγ(0.02))/0.02 ・・・(i)
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
fγ0:鋼板部材中に存在する残留オーステナイトの体積率
fγ(0.02):鋼板部材に対して0.02の真ひずみを付与し、除加した後の部材中に存在する残留オーステナイトの体積率
Mn偏析度α:1.6以下
α=[板厚中心部での最大Mn濃度(質量%)]/[表面から板厚の1/4深さ位置での平均Mn濃度(質量%)] ・・・(ii)
鋼板の板厚断面中心部では、中心偏析が起きることでMnが濃化する。そのため、MnSが介在物として中心に集中し、硬質なマルテンサイトができやすくなるため、周囲との硬さに差が生じ、靱性が悪化するおそれがある。特に上記(ii)式で表されるMnの偏析度αの値が1.6を超えると、靱性が悪化するおそれがある。したがって、靱性を改善するためには、熱処理鋼板部材のαの値を1.6以下とすることが好ましい。靱性をより一層改善するには、αの値を1.2以下とすることがより好ましい。
清浄度:0.10%以下
熱処理鋼板部材中にJIS G 0555(2003)に記載のA系、B系およびC系介在物が多く存在すると、上記介在物が靱性劣化の原因となる。介在物が増加すると亀裂伝播が容易に起こるため、靱性が劣化するおそれがある。特に、1.4GPa以上の引張強度を有するような熱処理鋼板部材の場合、介在物の存在割合を低く抑えることが好ましい。JIS G 0555(2003)で規定される鋼の清浄度の値が0.10%を超えると、介在物の量が多いため、実用上十分な靱性を確保することが困難となる。そのため、熱処理鋼板部材の清浄度の値は0.10%以下とすることが好ましい。靱性をより一層改善するには清浄度の値を0.06%以下とすることがより好ましい。なお、鋼の清浄度の値は、上記のA系、B系およびC系介在物の占める面積百分率を算出したものである。
最大高さ粗さRz:3.0〜10.0μm
本発明に係る熱処理鋼板部材の熱処理前の素材となる、熱処理用鋼板の表面粗さについて、特に制限は設けない。しかし、熱間成形時のスケール密着性に優れる熱処理鋼板部材を得るためには、鋼板表面において、JIS B 0601(2013)で規定される最大高さ粗さRzが3.0〜10.0μmである鋼板を用いることが好ましい。鋼板表面の最大高さ粗さRzを3.0μm以上にすることによって、アンカー効果により熱間成形時のスケール密着性が向上する。一方、最大高さ粗さRzが10.0μmを超えると、ショットブラスト等のスケール除去処理の段階において、スケールが残存してしまうことがあり、押し込み疵の原因となる。
本発明に係る熱処理鋼板部材の熱処理前の鋼板である、熱処理用鋼板の製造条件について特に制限はないが、以下に示す製造方法を用いることにより、上述の組織を有する熱処理用鋼板を製造することができる。以下の製造方法では、例えば、熱間圧延、酸洗、冷間圧延および焼鈍処理を行う。
上記の熱処理用鋼板に対して熱処理を施すことによって、高い強度を有するとともに靱性および延性に優れる熱処理鋼板部材を得ることが可能となる。熱処理条件については特に制限は設けないが、例えば、下記の加熱工程および冷却工程を順に含む熱処理を施すことができる。
5℃/s以上の平均昇温速度で、Ac3点〜Ac3点+200℃の温度域まで鋼板を加熱する。この加熱工程によって、鋼板の組織をオーステナイト単相にする。加熱工程において昇温速度が遅過ぎるまたは加熱温度が高過ぎると、γ粒が粗大化し、冷却後の鋼板部材の強度が劣化するおそれがある。これに対して、上記の条件を満たした加熱工程を実施することによって、熱処理鋼板部材の強度の劣化を防止できる。
上記加熱工程を経た鋼板を、拡散変態が起きない(つまりフェライトが析出しない)ように、上記温度域からMs点まで上部臨界冷却速度以上で冷却し、その後、Ms点から100℃まで5℃/s以下の平均冷却速度で冷却する。100℃未満の温度から室温までの冷却速度については、空冷程度の冷却速度が好ましい。上記の条件を満たした冷却工程を実施することによって、冷却過程におけるフェライトの生成を防止でき、かつMs点以下の温度域において、自動焼戻しにより炭素が未変態オーステナイトに拡散、濃化し、塑性変形に対して安定的な残留オーステナイトが生成される。これにより、靱性および延性に優れた熱処理鋼板部材を得ることが可能となる。
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
fγ0:鋼板部材中に存在する残留オーステナイトの体積率
fγ(0.02):鋼板部材に対して0.02の真ひずみを付与し、除加した後の部材中に存在する残留オーステナイトの体積率
○○:剥離なし
○:1〜5個の剥離片落下
×:6〜20個の剥離片落下
××:21個以上の剥離片落下
○○:全て剥離
○:1〜5個の剥離片残存
×:6〜20個の剥離片残存
××:21個以上の剥離片残存
Claims (10)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.05〜0.50%、
Si:0.50〜5.0%、
Mn:1.5〜4.0%、
P:0.05%以下、
S:0.05%以下、
N:0.01%以下、
Ti:0.01〜0.10%、
B:0.0005〜0.010%、
Cr:0〜1.0%、
Ni:0〜2.0%、
Cu:0〜1.0%、
Mo:0〜1.0%、
V:0〜1.0%、
Ca:0〜0.01%、
Al:0〜1.0%、
Nb:0〜1.0%、
REM:0〜0.1%、
残部:Feおよび不純物であり、
マルテンサイトを主体とし、かつ、残留オーステナイトの体積率が5.0%以上である金属組織を有し、
前記鋼板部材中に存在する円相当直径が0.1μm以上の残留炭化物の数密度が4.0×103個/mm2以下であり、
ASTM E8で規定される板状試験片を用いて下記の機械的性質を測定した場合に、
下記(i)式で表されるひずみ誘起変態パラメータkの値が20.0未満であり、
引張強度が1.4GPa以上であり、
全伸びが8.0%以上である、
熱処理鋼板部材。
k=(logfγ0−logfγ(0.02))/0.02 ・・・(i)
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
fγ0:鋼板部材中に存在する残留オーステナイトの体積率
fγ(0.02):鋼板部材に対して0.02の真ひずみを付与し、除加した後の部材中に存在する残留オーステナイトの体積率 - 前記化学組成が、質量%で、
Cr:0.01〜1.0%、
Ni:0.1〜2.0%、
Cu:0.1〜1.0%、
Mo:0.1〜1.0%、
V:0.1〜1.0%、
Ca:0.001〜0.01%、
Al:0.01〜1.0%
Nb:0.01〜1.0%、および
REM:0.001〜0.1%、
から選択される1種以上を含有する、
請求項1に記載の熱処理鋼板部材。 - 下記(ii)式で表されるMn偏析度αが1.6以下である、
請求項1または請求項2に記載の熱処理鋼板部材。
α=[板厚中心部での最大Mn濃度(質量%)]/[表面から板厚の1/4深さ位置での平均Mn濃度(質量%)] ・・・(ii) - JIS G 0555(2003)で規定される鋼の清浄度の値が0.10%以下である、
請求項1から請求項3までのいずれかに記載の熱処理鋼板部材。 - 質量%で、
C:0.05〜0.50%、
Si:0.50〜5.0%、
Mn:1.5〜4.0%、
P:0.05%以下、
S:0.05%以下、
N:0.01%以下、
Ti:0.01〜0.10%、
B:0.0005〜0.010%、
Cr:0〜1.0%、
Ni:0〜2.0%、
Cu:0〜1.0%、
Mo:0〜1.0%、
V:0〜1.0%、
Ca:0〜0.01%、
Al:0〜1.0%、
Nb:0〜1.0%、
REM:0〜0.1%、
残部:Feおよび不純物である化学組成を有し、
表面における最大高さ粗さRzが3.0〜10.0μmであり、
円相当直径が0.1μm以上の炭化物の数密度が8.0×103個/mm2以下である鋼板を、
5℃/s以上の平均昇温速度でAc3点〜Ac3点+200℃の温度域まで加熱した後、前記温度域からMs点まで上部臨界冷却速度以上で冷却し、その後、Ms点から100℃まで5℃/s以下の平均冷却速度で冷却する、
熱処理鋼板部材の製造方法。 - 前記化学組成が、質量%で、
Cr:0.01〜1.0%、
Ni:0.1〜2.0%、
Cu:0.1〜1.0%、
Mo:0.1〜1.0%、
V:0.1〜1.0%、
Ca:0.001〜0.01%、
Al:0.01〜1.0%
Nb:0.01〜1.0%、および
REM:0.001〜0.1%、
から選択される1種以上を含有する、
請求項5に記載の熱処理鋼板部材の製造方法。 - 前記鋼板部材中に存在する残留炭化物の数密度が4.0×103個/mm2以下である、
請求項5または請求項6に記載の熱処理鋼板部材の製造方法。 - 下記(ii)式で表されるMn偏析度αが1.6以下である、
請求項5から請求項7までのいずれかに記載の熱処理鋼板部材の製造方法。
α=[板厚中心部での最大Mn濃度(質量%)]/[表面から板厚の1/4深さ位置での平均Mn濃度(質量%)] ・・・(ii) - JIS G 0555(2003)で規定される鋼の清浄度の値が0.10%以下である、
請求項5から請求項8までのいずれかに記載の熱処理鋼板部材の製造方法。 - 前記温度域まで加熱した後、Ms点まで冷却する前に、前記鋼板に熱間成形を施す、
請求項5から請求項9までのいずれかに記載の熱処理鋼板部材の製造方法。
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