JP6380660B2 - 熱処理鋼板部材およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、熱処理鋼板部材およびその製造方法に関する。
自動車用鋼板の分野においては、昨今の環境規制および衝突安全基準の厳格化を背景に、燃費と衝突安全性とを両立させるため、高い引張強度を有する高強度鋼板の適用が拡大している。しかし、高強度化に伴い鋼板のプレス成形性が低下するため、複雑な形状の製品を製造することが困難になってきている。具体的には、高強度化に伴う鋼板の延性低下により、高加工部位の破断という問題が生じている。また、加工後の残留応力によってスプリングバックおよび壁反りが発生し、寸法精度が劣化するという問題も生じている。したがって、高強度、特に780MPa以上の引張強度を有する鋼板を、複雑な形状を有する製品にプレス成形することは容易ではない。なお、プレス成形ではなくロール成形によれば、高強度の鋼板を加工しやすいが、その適用先は長手方向に一様な断面を有する部品に限定される。
そこで近年、例えば、特許文献1に開示されるように、高強度鋼板のような成形が困難な材料をプレス成形する技術として、ホットスタンプ技術が採用されている。ホットスタンプ技術とは、成形に供する材料を加熱してから成形する熱間成形技術である。この技術では、材料を加熱してから成形するため、成形時には、鋼材が軟質で良好な成形性を有する。これにより、高強度の鋼材であっても、複雑な形状に精度よく成形することができる。また、プレス金型によって成形と同時に焼入れを行うので、成形後の鋼材は十分な強度を有する。
また、特許文献2には、安定した強度と靱性を併せ持つ熱間成形部材と、それを作製する熱間成形法が開示されている。特許文献3には、プレス、曲げおよびロール成形などの成形性が良好で、焼き入れ後に高い引張強度を付与することのできる成形性および焼き入れ性に優れた熱延鋼板、および冷延鋼板が開示されている。特許文献4には、強度と成形性を両立した超高強度鋼板を得ることを目的とした技術が開示されている。
さらに、特許文献5には、高強度化された高い降伏比と高い強度とを併せ持つ高強度鋼材において、同一鋼種であっても各種強度レベルの材料を作り分けることができる鋼種およびその製造方法が開示されている。特許文献6には、成形性と、断面成形加工後の耐ねじり疲労特性に優れた薄肉高強度溶接鋼管を得ることを目的とした、鋼管の製造方法が開示されている。特許文献7には、金属板材を加熱して成形する熱間プレス成形装置において、金型及び成形品の冷却を促進して短時間で強度及び寸法精度に優れたプレス製品を得ることが可能な熱間プレス成形装置及び熱間プレス成型方法が開示されている。
特開2002−102980号公報 特開2004−353026号公報 特開2002−180186号公報 特開2009−203549号公報 特開2007−291464号公報 特開2010−242164号公報 特開2005−169394号公報
上記ホットスタンプのような熱間成形技術は、成形性を確保しつつ部材を高強度化することのできる優れた成形方法であるが、800〜1000℃といった高温に加熱することが必要なため、鋼板表面が酸化するという問題が生じる。その際に生じる鉄酸化物からなるスケールがプレス時に脱落して金型に付着すると生産性が低下する。また、プレス後の製品にスケールが残存すると外観が不良となるという問題がある。
しかも、鋼板表面にスケールが残存すると、次工程で塗装する場合に鋼板と塗膜との密着性が劣化し、耐食性の低下を招く。そこでプレス成形後は、ショットブラスト等のスケール除去処理が必要となる。したがって、生成するスケールに要求される特性としては、プレス時には剥離脱落して金型汚染を引き起こすことなく、ショットブラスト処理時には容易に剥離除去されやすいことである。
また、前述のように、自動車用鋼板には衝突安全性も要求される。自動車の衝突安全性は、鋼板の引張強度だけでなく、降伏強度および靱性にも依存する。例えば、バンパーレインフォースおよびセンターピラー等においては、塑性変形が極力抑制され、たとえ変形しても早期に破断しないことが求められる。したがって、衝突安全性を向上させるためには、材料強度だけでなく、引張強度に相応した降伏強度および靱性を得ることが重要である。
上記の従来の技術においては、適切なスケール特性および優れた耐衝突特性を得ることについて、十分な検討がなされておらず、改良の余地が残されている。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、良好なスケール特性を有するとともに、高い降伏強度を有し、かつ、靱性に優れた熱処理鋼板部材を提供することを目的とする。なお、特に熱間成形された鋼板部材は、多くの場合、平板ではなく成形体であるが、本発明では、成形体である場合も含めて「熱処理鋼板部材」という。また、熱処理鋼板部材の熱処理前の素材となる鋼板を「熱処理用鋼板」ともいう。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、下記の熱処理鋼板部材およびその製造方法を要旨とする。
(1)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0.2〜1.0%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4.0×10個/mm以下であり、
引張強度が1.4GPa以上であり、降伏比が0.65以上である、
熱処理鋼板部材。
(2)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、
上記(1)に記載の熱処理鋼板部材。
(3)下記(i)式で表されるMn偏析度αが1.6以下である、
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%)] ・・・(i)
(4)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、
上記(1)から(3)までのいずれかに記載の熱処理鋼板部材。
(5)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8.0×10個/mm以下である鋼板を、
5℃/s以上の平均昇温速度でAc点〜Ac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60℃/s以上の平均冷却速度で冷却する、
熱処理鋼板部材の製造方法。
(6)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、
上記(5)に記載の熱処理鋼板部材の製造方法。
(7)前記鋼板部材中に存在する残留炭化物の数密度が4.0×10個/mm以下である、
上記(5)または(6)に記載の熱処理鋼板部材の製造方法。
(8)下記(i)式で表されるMn偏析度αが1.6以下である、
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%)] ・・・(i)
(9)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、
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。
(10)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、
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。
本発明によれば、十分な引張強度を有するとともに高い降伏比および優れた靱性を有する熱処理鋼板部材を得ることが可能である。
本発明者らは、良好なスケール特性を有するとともに、十分な強度を有し、かつそれに相応した高い降伏強度および優れた靱性を有する鋼板部材を得るための化学成分および組織の関係について鋭意検討を行った結果、以下の知見を得るに至った。
(a)国内外で生産されている熱処理用鋼板の成分はほとんど同一であり、C:0.2〜0.3%およびMn:1〜2%程度を含有し、さらにTiおよびBを含む。熱処理工程において、この鋼板をAc点以上の温度まで加熱した後、フェライトが析出しないように速やかに搬送し、マルテンサイト変態開始温度(Ms点)まで金型プレスによって急冷することにより、強度の高いマルテンサイト組織を得る。
(b)しかしながら、本発明者らが詳細な組織調査を行った結果、熱処理工程後の鋼板部材において、全てをマルテンサイトが占める組織とならない場合があることが分かった。その原因として、以下のことが考えられる。急冷過程のMs点以下の温度範囲において、変態に伴う発熱によって冷却速度が低下する。そのため、発生したマルテンサイトがその場で焼き戻され(自動焼き戻し)、未変態オーステナイトへ炭素が拡散・偏析し、オーステナイトが1〜2%程度残留してしまう。
(c)本発明者らは、熱処理鋼板部材中に不可避的に含まれる残留オーステナイトが鋼板部材の特性に与える影響について、さらに詳しく検討した結果、残留オーステナイトの体積率が高くなるほど降伏強度が低くなることを見出した。すなわち、高い降伏強度を得るためには、残留オーステナイトの体積率を極力低く抑える必要がある。
(d)ただし、残留オーステナイトの体積率が過剰に低くなると、高い降伏強度は得られるものの、靱性が著しく劣化する。そのため、残留オーステナイトの体積率に下限値を設ける必要がある。
(e)また、熱処理用鋼板中に粗大な炭化物が過剰に存在し、熱処理後に炭化物が粒界に多く残留すると、熱処理鋼板部材の靱性が悪化する。そのため、鋼板部材中に存在する残留炭化物の数密度を規定値以下にする必要がある。
(f)さらに、スケール特性については、熱処理前の鋼板において、鋼中のSi量を従来の鋼板より多くすることで、所望のスケール特性を得ることが可能となる。
(g)熱処理用鋼板に含まれるMn偏析度を定量化し、それを低減することで熱処理鋼板部材の靱性がさらに向上する。
(h)鋼板部材中に含まれる介在物が超高強度鋼板の靱性に多大な影響を及ぼす。靱性改善のためには、JIS G 0555(2003)で規定される鋼の清浄度の値を低くすることが好ましい。
本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
(A)熱処理鋼板部材および熱処理用鋼板の化学組成
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:0.05〜0.50%
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:0.50〜5.0%
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。また、Siは、熱処理時に鋼板表面にFeSiO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FeSiO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。
これら効果を得るためには、Siを0.50%以上含有させる必要がある。なお、Siが0.50%以上であると、残留炭化物は少なくなる傾向にある。後述するが、熱処理前の鋼板中に析出する炭化物が多いと、それらが熱処理時に溶け残り、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し、強度不足となるおそれがあるため、この意味でもSiは0.50%以上とする。
ただし、鋼中のSi含有量が5.0%を超えると、熱処理に際して、オーステナイト変態のために必要となる加熱温度が著しく高くなる。これにより、熱処理に要するコストの上昇を招いたり、加熱不足による焼入れ不足を招いたりする場合がある。したがって、Si含有量は5.0%以下とする。Si含有量は0.75%以上であるのが好ましく、4.0%以下であるのが好ましい。
Mn:1.5〜4.0%
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Ac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:0.05%以下
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:0.05%以下
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:0.01%以下
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:0.01〜0.10%
Tiは、鋼板をAc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:0.0005〜0.010%
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。
本発明の熱処理鋼板部材および熱処理前の熱処理用鋼板には、上記の元素に加えてさらに、下記に示す量のCr、Ni、Cu、Mo、V、Ca、Al、NbおよびREMから選択される1種以上の元素を含有させてもよい。
Cr:0〜1.0%
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FeCr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FeCr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:0〜2.0%
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:0〜1.0%
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:0〜1.0%
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:0〜1.0%
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:0〜0.01%
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:0〜1.0%
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:0〜1.0%
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:0〜0.1%
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。
ここで、REMは、Sc、Yおよびランタノイドの合計17元素を指し、前記REMの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。REMは、例えばFe−Si−REM合金を使用して溶鋼に添加され、この合金には、例えば、Ce、La、Nd、Prが含まれる。
本発明の熱処理鋼板部材および熱処理用鋼板の化学組成において、残部はFeおよび不純物である。
ここで「不純物」とは、鋼板を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
(B)熱処理鋼板部材の金属組織
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0.2〜1.0%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95%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3.0%以下であれば許容される。
残留オーステナイト:0.2〜1.0%
残留オーステナイトは、熱処理鋼板部材の組織に不可避的に含まれてしまう。そして、上記のように、残留オーステナイトは降伏強度の低下を引き起こし、残留オーステナイトの体積率が高いほど降伏強度が低くなる。特に、残留オーステナイトの体積率が1.0%を超えると、降伏強度の低下が顕著となり、熱処理鋼板部材のバンパーレインフォースまたはセンターピラー等への適用が困難となる。
一方、残留オーステナイトの体積率を0%にすることは技術的に可能ではあるが、残留オーステナイトの体積率が過剰に低くなると、高い降伏強度は得られるものの、靱性が著しく劣化する。特に、残留オーステナイトの体積率が0.2%未満となると、靱性の劣化が顕著となる。したがって、残留オーステナイトの体積率は0.2〜1.0%とする。
なお、残留オーステナイトをはじめとした第二相を含む組織の相分率(体積率)を測定する手法としては、X線回折を用いた手法が一般的である。これは、第一相(マルテンサイト組織、体心立方格子)および第二相(残留オーステナイト相、面心立方格子)の回折X線強度を検出器で測定し、その回折曲線の面積比から各相の体積率を測定する手法であり、鋼板部材中の残留オーステナイトの体積%を高精度で測定することができる。なお、残留オーステナイトの他にフェライト等が混入する場合は、光学顕微鏡で容易に見分けることができるため、鋼板部材中の主組織であるマルテンサイトの体積%も高精度で測定することができる。
(C)残留炭化物:4.0×10個/mm以下
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ため好ましい。
また、熱処理前の鋼板中に残留炭化物が多く存在すると、焼入れ性が低下するだけでなく、残留炭化物は旧γ粒界に堆積し、粒界を脆化させる場合がある。特に、熱処理後の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4.0×10個/mmを超えると、熱処理後の鋼板部材の靭性が悪化するおそれがある。そのため、熱処理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は4.0×10個/mm以下とするのが好ましい。
なお、熱処理前の鋼板に存在する円相当直径が0.1μm以上の炭化物の数密度は8.0×10個/mm以下とすることが好ましい。また、上記炭化物は粒状のものを指し、具体的にはアスペクト比が3以下であるものを対象とする。
(D)熱処理鋼板部材の機械的性質
本発明に係る熱処理鋼板部材は、引張強度が1.4GPa以上であり、降伏比が0.65以上であることとする。前述のように、耐衝突特性は、引張強度ならびにそれに相応した降伏強度および靱性により評価することができる。そして、引張強度に相応した降伏強度は降伏比で表される。引張強度または降伏強度が同程度であるならば、降伏比が高いほうが耐衝突特性に優れる。降伏比が0.65未満であると、バンパーレインフォースまたはセンターピラーに用いられた場合に、十分な耐衝突特性が得られない。
なお、本発明においては、機械的性質の測定には、ASTM規格E8のハーフサイズ板状試験片を用いることとする。具体的には、引張試験は、ASTM規格E8の規定に準拠して実施し、厚さが1.2mm、平行部長さが32mm、平行部板幅が6.25mmの板状試験片に対して、3mm/minのひずみ速度で室温引張試験を行い、降伏強度(0.2%耐力)および最大強度(引張強度)を測定する。
(E)熱処理鋼板部材のMn偏析度
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%)] ・・・(i)
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(i)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。
なお、熱処理または熱間成形によってαの値が大きく変化することはないため、熱処理用鋼板のαの値を上記の範囲にすることで、熱処理鋼板部材のαの値も1.6以下にすることが可能であり、すなわち熱処理鋼板部材の靱性を向上させることが可能となる。
板厚中心部での最大Mn濃度は、以下の方法により求める。電子プローブマイクロアナライザ(EPMA)を用いて鋼板の板厚中心部においてライン分析を行い、分析結果から高い順に3つの測定値を選択し、その平均値を算出する。また、表面から板厚の1/4深さ位置での平均Mn濃度は、以下の方法により求める。同じくEPMAを用いて鋼板の1/4深さ位置において10ヶ所の分析を行い、その平均値を算出する。
鋼板中のMnの偏析は、主に鋼板組成、特に不純物含有量と、連続鋳造の条件とにより制御され、熱間圧延および熱間成形の前後では実質的に変化しない。したがって、熱処理用鋼板の偏析状況を制御することによって、それから熱処理された鋼板部材の偏析状況も同様に制御することが可能となる。
(F)熱処理鋼板部材の清浄度
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。
なお、熱処理または熱間成形によって清浄度の値が大きく変化することはないため、熱処理用鋼板の清浄度の値を上記の範囲にすることで、熱処理鋼板部材の清浄度の値も0.10%以下にすることが可能である。
本発明において、熱処理用鋼板または熱処理鋼板部材の清浄度の値は以下の方法によって求めることが可能である。熱処理用鋼板または熱処理鋼板部材について、5ヶ所から供試材を切り出す。そして、各供試材の板厚1/8t、1/4t、1/2t、3/4t、7/8tの各位置について、点算法にて清浄度を調査する。各板厚における清浄度の値が最も大きい(清浄性が最も低い)数値を、その供試材の清浄度の値とする。
(G)熱処理用鋼板の表面粗さ
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。
鋼板の表面における最大高さ粗さRzを3.0〜10.0μmとすることによって、プレス時におけるスケール密着性とショットブラスト処理時におけるスケール剥離性とを両立することが可能となる。なお、上記のような適切なアンカー効果を得るためには、算術平均粗さRaで管理するのでは不十分であり、最大高さ粗さRzを用いる必要がある。
鋼板表面の最大高さ粗さRzが3.0μm以上の鋼板を熱間成形した場合、表面に形成する酸化鉄のウスタイトの比率が増加する傾向を示す。具体的には、ウスタイトの割合が面積%で、30〜70%となることによって、優れたスケール密着性が得られる。
ウスタイトはヘマタイト、マグネタイトよりも高温での塑性変形能に優れ、熱間成形時に鋼板の塑性変形する場合にスケールも塑性変形しやすい特徴を示すことが考えられる。ウスタイトの比率が増加する理由としては、明確には不明であるが、凹凸が存在する場合にはスケール地鉄界面の面積が大きくなり、酸化時に鉄イオンの外方拡散が促進され、鉄の比率が高いウスタイトが増加するものと考えられる。
また、Siを含有させることにより熱間成形時に鋼板表面にFeSiOを生成させ、スケール生成を抑制することは前述したとおりである。全体のスケール厚が薄くなり、かつスケール中のウスタイト比率が増加することで、熱間成形時のスケール密着性が向上するものと考えられる。具体的には、スケール厚が5μm以下となることによって、優れたスケール密着性が得られる。
(H)熱処理用鋼板の製造方法
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。
上述の化学組成を有する鋼を炉で溶製した後、鋳造によってスラブを作製する。この際、遅れ破壊の起点となるMnSの集中を抑制するためには、Mnの中心偏析を低減させる中心偏析低減処理を行うことが望ましい。中心偏析低減処理としては、スラブが完全凝固する前の未凝固層において、Mnが濃化した溶鋼を排出する方法が挙げられる。
具体的には、電磁攪拌、未凝固層圧下等の処理を施すことで、完全凝固前のMnが濃化した溶鋼を排出させることができる。なお、上記の電磁攪拌処理は、250〜1000ガウスで未凝固溶鋼に流動を与えることで行うことができ、未凝固層圧下処理は、最終凝固部を1mm/m程度の勾配で圧下することで行うことができる。
上記の方法で得られたスラブに対して、必要に応じてソーキング(均熱)処理を実施してもよい。ソーキング処理を行うことで、偏析したMnを拡散させ偏析度を低下させることができる。ソーキング処理を行う場合の好ましい均熱温度は1200〜1300℃であり、均熱時間は20〜50hである。
また、鋼板の清浄度を0.10%以下にするには、溶鋼を連続鋳造する際に、溶鋼の加熱温度をその鋼の液相線温度より5℃以上高い温度とし、かつ、単位時間当たりの溶鋼鋳込み量を6t/min以下に抑えることが望ましい。
連続鋳造時に溶鋼の単位時間当たりの鋳込み量が6t/minを超えると、鋳型内での溶鋼流動が速いために、凝固シェルに介在物が捕捉されやすくなり、スラブ中の介在物が増加する。また、溶鋼加熱温度が液相線温度より5℃高い温度未満であると、溶鋼の粘度が高くなり、連続鋳造機内にて介在物が浮上しにくく、結果として、スラブ中の介在物が増加して清浄性が悪化しやすくなる。
一方、溶鋼の液相線温度からの溶鋼加熱温度を5℃以上、かつ単位時間当たりの溶鋼鋳込み量を6t/min以下として鋳造することにより、介在物がスラブ内に持ち込まれにくくなる。その結果、スラブを作製する段階での介在物の量を効果的に減少させることができ、0.10%以下という鋼板清浄度を容易に達成できるようになる。
溶鋼を連続鋳造する際、溶鋼の溶鋼加熱温度は液相線温度より8℃以上高い温度とすることが望ましく、また、単位時間当たりの溶鋼鋳込み量を5t/min以下にすることが望ましい。溶鋼加熱温度を液相線温度より8℃以上高い温度とし、かつ、単位時間当たりの溶鋼鋳込み量を5t/min以下にすることにより、清浄度を0.06%以下とすることが容易になるため望ましい。
その後、上記のスラブに熱間圧延を施す。熱間圧延条件は、炭化物をより均一に生成させる観点から、熱間圧延開始温度を1000〜1300℃の温度域とし、熱間圧延完了温度を950℃以上とすることが好ましい。
熱間圧延工程においては、粗圧延を行った後に、必要に応じてデスケーリングを行い、最後に仕上げ圧延を行う。この際、粗圧延が終了してから仕上げ圧延を開始するまでの時間を10s以下にすると、オーステナイトの再結晶が抑制され、結果的に炭化物の成長を抑えられるだけでなく、高温で生成するスケールの抑制、オーステナイト粒界の酸化の抑制、および鋼板の表面における最大高さ粗さを適切な範囲に調整することが可能になる。加えて、スケールの生成および粒界酸化の抑制により、表層にあるSiが固溶した状態で残存しやすいので、プレス加工の加熱時にファイアライトが生成しやすく、そのためにウスタイトも生成しやすくなると考えられる。
熱間圧延後の巻取温度は、加工性の観点からは高い方が好ましいが、高すぎるとスケール生成により歩留まりが低下するので、500〜650℃とすることが好ましい。また、巻取温度を低温にした方が、炭化物が微細分散しやすく、かつ炭化物の個数も少なくなる。
炭化物の形態は、熱間圧延での条件に加えて、その後の焼鈍条件を調整することでも制御することが可能である。すなわち、焼鈍温度を高温にし、焼鈍段階で一度炭化物を固溶させた後、低温で変態させるのが望ましい。なお、炭化物は硬質であるため、冷間圧延ではその形態が変化することはなく、冷間圧延後も熱間圧延後の存在形態が維持される。
熱間圧延により得られた熱延鋼板に酸洗等により脱スケール処理を施す。鋼板の表面における最大高さ粗さを適切な範囲に調整するためには、酸洗工程における溶削量を調整することが好ましい。溶削量を小さくすると最大高さ粗さは大きくなり、一方、溶削量を大きくすると最大高さ粗さは小さくなる。具体的には、酸洗による溶削量を1.0〜15.0μmとすることが好ましく、2.0〜10.0μmとすることがより好ましい。
本発明における熱処理用鋼板としては、熱延鋼板もしくは熱延焼鈍鋼板、または冷延鋼板もしくは冷延焼鈍鋼板を用いることができる。処理工程は、製品の板厚精度要求レベル等に応じて適宜選択すればよい。
すなわち、脱スケール処理が施された熱延鋼板は、必要に応じて焼鈍を施して熱延焼鈍鋼板とする。また、上記の熱延鋼板または熱延焼鈍鋼板は、必要に応じて冷間圧延を施して冷延鋼板とし、さらに、冷延鋼板は、必要に応じて焼鈍を施して冷延焼鈍鋼板とする。なお、冷間圧延に供する鋼板が硬質である場合には、冷間圧延前に焼鈍を施して冷間圧延に供する鋼板の加工性を高めておくことが好ましい。
冷間圧延は通常の方法を用いて行えばよい。良好な平坦性を確保する観点からは、冷間圧延における圧下率は30%以上とすることが好ましい。一方、荷重が過大となることを避けるため、冷間圧延における圧下率は80%以下とすることが好ましい。なお、冷間圧延で鋼板の表面における最大高さ粗さが大きく変化することはない。
熱処理用鋼板として焼鈍熱延鋼板または焼鈍冷延鋼板を製造する場合、熱延鋼板または冷延鋼板に対して焼鈍を行う。焼鈍では、例えば、550〜950℃の温度域において熱延鋼板または冷延鋼板を保持する。
焼鈍で保持する温度を550℃以上とすることにより、焼鈍熱延鋼板または焼鈍冷延鋼板のいずれを製造する場合であっても、熱延条件の相違に伴う特性の相違が低減され、焼入れ後の特性をさらに安定したものとすることができる。また、冷延鋼板の焼鈍を550℃以上で行った場合には、再結晶により冷延鋼板が軟質化するため、加工性を向上することができる。つまり、良好な加工性を備えた焼鈍冷延鋼板を得ることができる。したがって、焼鈍で保持する温度は550℃以上とすることが好ましい。
一方、焼鈍で保持する温度が950℃を超えると、組織が粗粒化することがある。組織の粗粒化は焼入れ後の靱性を低下させることがある。また、焼鈍で保持する温度が950℃を超えても、温度を高くしただけの効果は得られず、コストが上昇し、生産性が低下するだけである。したがって、焼鈍で保持する温度は950℃以下とすることが好ましい。
焼鈍後には、3〜20℃/sの平均冷却速度で550℃まで冷却することが好ましい。上記平均冷却速度を3℃/s以上とすることにより、粗大パーライトおよび粗大なセメンタイトの生成が抑制され、焼入れ後の特性を向上させることができる。また、上記平均冷却速度を20℃/s以下とすることにより、強度むら等の発生を抑制して、焼鈍熱延鋼板または焼鈍冷延鋼板の材質を安定したものとすることが容易になる。
(H)熱処理鋼板部材の製造方法
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、降伏比が高く靱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。
加熱工程
5℃/s以上の平均昇温速度で、Ac点〜Ac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。
冷却工程
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60℃/s以上の平均冷却速度で冷却する。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、濃化して残留オーステナイトが増加することを防ぐことができる。これにより、高い降伏比を有する熱処理鋼板部材を得ることが可能となる。
加熱後からMs点までの冷却速度が大きいと残留オーステナイトが適正な範囲にならないで、マルテンサイトの割合が大きくなる。その結果、衝撃値が悪化する。このため、加熱後からMs点までの冷却速度は800℃/s以下とするのが好ましい。Ms点までの冷却速度が速いと変態ひずみを緩和しきれずに微小な亀裂が入り(焼割れと呼ばれる)、靭性が極めて劣化することもあるため、500℃/s以下とするのがより好ましい。
また、前述したように、鋼板の最大高さ粗さRzは3.0〜10.0μmに調整している。最大高さ粗さRzが3.0μm未満であると、加熱、加工および冷却の過程におけるスケールの密着性が低下し、スケールが部分的に剥離するため、冷却速度のばらつきが大きくなる。また、最大高さ粗さRzが10.0μmを超えても、表面の凹凸形状に起因して冷却速度のばらつきが大きくなる。このように、最大高さ粗さRzを3.0〜10.0μmに調整することによって、温度制御が向上して製品の特性のばらつきが低減する。
上記の熱処理は任意の方法によって実施することができ、例えば、高周波加熱焼入れによって実施してもよい。加熱工程において、鋼板をAc点〜Ac点+200℃の温度域で保持する時間は、オーステナイト変態を進めて炭化物を溶解させることによって鋼の焼入れ性を高める観点から、10s以上とすることが好ましい。また、上記保持時間は、生産性の観点からは、600s以下とすることが好ましい。
なお、熱処理を施す鋼板としては、熱延鋼板または冷延鋼板に焼鈍処理を施した焼鈍熱延鋼板または焼鈍冷延鋼板を用いてもよい。
上記熱処理に際して、Ac点〜Ac点+200℃の温度域に加熱後、Ms点まで冷却する前に、上述したホットスタンプのような熱間成形を施してもよい。熱間成形としては、曲げ加工、絞り成形、張出し成形、穴広げ成形、およびフランジ成形等が挙げられる。また、成形と同時またはその直後に鋼板を冷却する手段を備えていれば、プレス成形以外の成形法、例えばロール成形に本発明を適用してもよい。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表1に示す化学成分を有する鋼を試験転炉で溶製し、連続鋳造試験機にて連続鋳造を実施し、幅1000mm、厚さ250mmのスラブを作製した。この際、表2に示す条件において、溶鋼の加熱温度および単位時間当たりの溶鋼鋳込み量の調整を行った。
Figure 0006380660
スラブの冷却速度の制御は2次冷却スプレー帯の水量を変更することにより行った。また、中心偏析低減処理は、凝固末期部においてロールを用いて、1mm/mの勾配で軽圧下を実施し、最終凝固部の濃化溶鋼を排出することにより行った。一部のスラブについては、その後、1250℃、24hの条件においてソーキング処理を実施した。
得られたスラブについて、熱間圧延試験機によって熱間圧延を施し、厚さ3.0mmの熱延鋼板とした。熱間圧延工程では、粗圧延後にデスケーリングを行い、最後に仕上げ圧延を行った。その後、上記の熱延鋼板を実験室にて酸洗した。さらに冷間圧延試験機にて冷間圧延を施し、厚さ1.4mmの冷延鋼板とし、熱処理用鋼板(鋼No.1〜18)を得た。
得られた熱処理用鋼板について、最大高さ粗さ、算術平均粗さ、炭化物の数密度、Mn偏析度および清浄度を測定した。本発明において、最大高さ粗さRzおよび算術平均粗さRaを求めるに際しては、表面粗さ計を用いて2mm区間の最大高さ粗さRzおよび算術平均粗さRaを圧延方向および圧延垂直方向に各10ヶ所測定し、その平均値を採用した。
円相当直径が0.1μm以上の炭化物の数密度を求めるに際しては、熱処理用鋼板の表面を、ピクラール液を使って腐食し、走査型電子顕微鏡で2000倍に拡大し、複数視野の観察を行った。このときに、円相当直径が0.1μm以上の炭化物が存在する視野の数を数えて1mmあたりの個数を算出した。
Mn偏析度の測定は以下の手順により行った。EPMAを用いて熱処理用鋼板の板厚中央部において、板厚方向と垂直な方向にライン分析を行い、分析結果から高い順に3つの測定値を選択した後、その平均値を算出し、板厚中心部での最大Mn濃度を求めた。また、熱処理用鋼板の表面から板厚の1/4深さ位置において、EPMAを用いて10ヶ所の分析を行い、その平均値を算出し、表面から板厚の1/4深さ位置での平均Mn濃度を求めた。そして、上記の板厚中心部での最大Mn濃度を、表面から板厚の1/4深さ位置での平均Mn濃度で割ることによって、Mn偏析度αを求めた。
清浄度は、板厚1/8t、1/4t、1/2t、3/4t、7/8tの各位置について、点算法にて測定した。そして、各板厚における清浄度の値が最も大きい(清浄度が最も低い)数値を、その鋼板の清浄度の値とした。
上述のように、熱間成形によってMn偏析度および清浄度の値が大きく変化することはないため、上記のMn偏析度αおよび清浄度の値を熱処理鋼板部材のMn偏析度αおよび清浄度の値とした。
熱処理用鋼板の製造工程における中心偏析低減処理およびソーキング処理の有無、熱間圧延工程における粗圧延が終了してから仕上げ圧延を開始するまでの時間、熱間圧延完了温度および熱延鋼板の巻取温度、酸洗による溶削量、ならびに、熱処理用鋼板の最大高さ粗さRz、算術平均粗さRaおよび炭化物の数密度の測定結果を表2に併せて示し、Mn偏析度αおよび清浄度の測定結果を後述の表4に示す。
Figure 0006380660
その後、上記の各鋼板から、厚さ:1.4mm、幅:30mm、および長さ:200mmのサンプルを2つずつ採取した。採取した各サンプルのうち1つについては、熱間成形を模擬した下記の表3に示す熱処理条件に従って、通電加熱および冷却した。なお、表3には、各鋼板のAc点およびMs点を併せて示す。冷却後に、各サンプルの均熱部位を切り出し、引張試験、シャルピー衝撃試験、X線回折試験、顕微鏡観察に供した。
引張試験は、ASTM規格E8の規定に準拠して、インストロン社製引張試験機で実施した。上記熱処理サンプルを1.2mm厚まで研削した後、試験方向が圧延方向に平行になるように、ASTM規格E8のハーフサイズ板状試験片(平行部長さ:32mm、平行部板幅:6.25mm)を採取した。なお、本実施例で用いた通電加熱装置冷却装置では、長さ200mm程度のサンプルから得られる均熱部位は限られるため、ASTM規格E8のハーフサイズ板状試験片を採用することとした。各試験片にひずみゲージ(共和電業製KFG−5、ゲージ長:5mm)を貼付け、3mm/minのひずみ速度で室温引張試験を行った。
シャルピー衝撃試験では、均熱部位を厚さが1.2mmとなるまで研削し、これを3枚積層したVノッチ入り試験片を作製し、この試験片のシャルピー衝撃試験を行って−80℃における衝撃値を求めた。なお、本発明においては、35J/cm以上の衝撃値を有する場合を靱性に優れると評価することとした。
X線回折試験では、フッ化水素酸と過酸化水素水とを用いて上記熱処理サンプルの表面を0.1mmの深さまで化学研磨した試験片(厚さ1.1mm)を用いた。具体的には、化学研磨後の試験片を、Co管球を用いて、2θで45°から105°の範囲で測定を行った。得られたX線回折スペクトルより残留オーステナイト体積率を求めた。
また、上記の熱処理サンプルの表面鏡面加工した後、ピクラール液を使って腐食し、走査型電子顕微鏡で2000倍に拡大し、複数視野の観察を行った。このときに、円相当直径が0.1μm以上の残留炭化物が存在する視野の数を数えて1mmあたりの個数を算出した。また、上記の熱処理サンプルの表面を鏡面加工した後、ナイタール腐食した。そして、光学顕微鏡を用いて、金属組織の観察を行い、主組織であるマルテンサイトの面積率を測定し、その値をマルテンサイトの体積率とした。
また、採取した各サンプルのうち、もう1つについては、熱間成形を模擬した下記の表3に示す熱処理条件で通電加熱した後、均熱部位に対して曲げ加工を施し、その後冷却した。冷却後に、各サンプルの曲げ加工を施した部位を切り出し、スケール特性評価試験に供した。なお、曲げ加工を施すに際しては、サンプルの両端を支持具で支え、長手方向中央付近に上からR10mmの冶具を押しつけて、U字曲げを行った。支持具同士の間隔は30mmとした。
スケール特性評価試験は、プレス時に剥離脱落しないかどうかの指標となるスケール密着性の評価と、ショットブラスト処理等により容易に剥離除去できるかどうかの指標となるスケール剥離性の評価とに分けてを行った。まず、通電加熱後の曲げ加工により剥離が生じるかどうかを観察し、以下の基準によってスケール密着性の評価を行った。本発明においては、結果が「○○」または「○」の場合に、スケール密着性に優れると判断することとした。
○○: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
続いて、上記のスケール密着性の評価において「××」となったサンプル以外については、さらに曲げ加工を施した部位に対して、接着テープにより貼着・剥離するテープ剥離試験を行った。その後、スケールがテープに付着して容易に剥離するかどうかを観察し、以下の基準によってスケール剥離性の評価を行った。本発明においては、結果が「○○」または「○」の場合に、スケール剥離性に優れると判断することとした。そして、スケール密着性およびスケール剥離性の双方に優れる場合に、熱間成形中のスケール特性が優れるとした。
○○: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
Figure 0006380660
引張試験、シャルピー衝撃試験、X線回折試験、顕微鏡観察、スケール特性評価試験の結果を表4に示す。
Figure 0006380660
表1〜4を参照して、本発明で規定される化学組成および組織の全てを満たした試験No.1〜4、10〜16、19〜21、25および26では、引張強度が1.4GPa以上であり、0.65以上の降伏比を有し、かつ、35J/cm以上の衝撃値を有し靱性に優れる結果となった。なかでもMn偏析度αの値が1.6以下でかつ清浄度が0.10%以下である試験No.1、3、4、10〜16および19〜21では、40J/cm以上の衝撃値を有し、特に靱性に優れる結果となった。
一方、試験No.5〜7、17、22および23では、Ms点から100℃までの冷却速度が低すぎたことに起因して、残留オーステナイトの体積率が1.0%を超え、その結果、降伏比が0.65未満となり、所望の耐衝撃特性を得ることができなかった。
また、試験No.8、18および24では、Ac点〜Ac点+200℃の温度域まで加熱する際の加熱条件が不適切であったことに起因して、脱炭が顕著となり、1.4GPa以上の引張強度を確保することができなかった。
本発明の化学組成を満足していない試験No.27および28では、最大高さ粗さRzの値が3.0μm未満となったため、スケール密着性が不良であった。試験No.32および33では、熱間圧延工程における粗圧延が終了してから仕上げ圧延を開始するまでの時間が10sを超えた。また、試験No.34では、Si含有量が本発明で規定する範囲より低く、また巻取温度が高かった。これらに起因して、試験No.32〜34では、最大高さ粗さRzの値が3.0μm未満となったことに加えて、残留炭化物数密度が4.0×10個/mmを超えたため、スケール密着性が不良であり、かつ、衝撃値が35J/cm未満となり、所望の靱性が得られなかった。
なお、試験No.29〜31は、本発明の規定は満足するものの、スケール特性に劣る熱処理用鋼板を用いた参考例である。試験No.29および31では、熱間圧延後の酸洗工程における溶削量が不十分であったことに起因して、最大高さ粗さRzの値が10.0μmを超えたため、スケール剥離性が不良であった。さらに、試験No.30では、熱間圧延後の酸洗工程における溶削量が過剰であったことに起因して、最大高さ粗さRzの値が3.0μm未満となったため、スケール密着性が不良であった。
試験No.29および31では、最大高さ粗さが過大であったため、凹凸形状に起因して、部分的に冷却むらが生じた。また、試験No.30では、スケールの密着性が悪いため、部分的に冷却むらが生じた。そのため、これらのサンプルについては、材質にばらつきが生じた。さらに、試験No.30では、マルテンサイト率が100%となる部分が存在し、当該部分を切り出して衝撃値の測定を行うと、35J/cm未満となった。これらの傾向は、熱間成形を実際に行った場合にはより顕著であった。
本発明によれば、熱間成形時のスケール密着性に優れる熱処理用鋼板に対して、熱処理または熱間成形処理を施すことによって、十分な引張強度を有するとともに高い降伏比および優れた靱性を有する熱処理鋼板部材を得ることが可能となる。本発明に係る熱処理鋼板部材は、特にバンパーレインフォースおよびセンターピラー等の自動車の耐衝突部品として用いるのに好適である。

Claims (10)

  1. 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0.2〜1.0%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4.0×10個/mm以下であり、
    引張強度が1.4GPa以上であり、降伏比が0.65以上である、
    熱処理鋼板部材。
  2. 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。
  3. 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)
  4. 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。
  5. 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8.0×10個/mm以下である鋼板を、
    5℃/s以上の平均昇温速度でAc点〜Ac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60℃/s以上の平均冷却速度で冷却する、
    熱処理鋼板部材の製造方法。
  6. 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。
  7. 前記鋼板部材中に存在する残留炭化物の数密度が4.0×10個/mm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。
  8. 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)
  9. 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。
  10. 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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