JP6822049B2 - 鋼加工部品及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼加工部品及びその製造方法に関する。

自動車の衝突安全性向上に対する社会的要求はいっそう高まっており、自動車の衝撃吸収部材は、高強度化により、走行時に衝突した場合のエネルギー吸収特性に優れた鋼材が使用される。一方で、一般に高強度化に伴い、鋼板の変形能は低下するため、衝突時に部品に割れが発生すると、エネルギー吸収能は低下する。

一般に、鋼板に冷間でのプレス加工などで加工を施し部品を製造すると、鋼板が有する変形能が加工により消費される。したがって、部品の形状が複雑であるほど変形能は消費され、加工後の部品の変形能は低下する。変形能が低下した部品は、衝突時に高変形を受ける部分で割れが発生する可能性が高くなる、すなわち、衝突特性が低くなる。

加工後の部品の変形能を高めるためのひとつの方法として、加工前の鋼板の加工性（延性）を高めることが考えられる。このような高強度鋼材として、加工誘起変態型（ＴＲＩＰ型）鋼が知られている。ＴＲＩＰ鋼は、鋼材にオーステナイトを残留させ延性を向上させた鋼であり、衝突時に力が加わると、オーステナイトが硬いマルテンサイトに変わり、変形部分の強度が局部的に高まる。これにより、衝突安全性において割れ発生が抑制され優れた機能を発揮する。

特許文献１には、鋼組織が残留オーステナイトを面積％で３％以上有する、延性、伸びフランジ性に優れた高張力冷延鋼板が開示されている。

鋼の延性を高める技術としては、たとえば、特許文献２に開示されるように、鋼板の組織を制御し、延性を高めることが知られている。

特開２０１５−１６１０２３号公報 特開２０１４−０２５１３３号公報

加工後の部品の変形能を高める方法としては、上述のとおり、延性の高い鋼種を用いることが考えられる。しかしながら、鋼材の強度を高めると加工性は低下し、超高張力鋼の領域においては、衝突時の加工性は十分とはいえない。

また、加工による変形能の消費を形状の工夫により下げる方法も考えられるが、形状の変更により変形能の消費を抑える方法は、形状の自由度の観点から限界になりつつある。

本発明は、上記の事情に鑑み、加工後の延性を向上させ、割れの発生を抑制できる鋼加工部品を提供することを課題とする。

本発明者らは、鋼加工部品における延性を高める手法を鋭意検討した。その結果、鋼板自体の延性を高めるのではなく、冷間でのプレス加工により消費された延性を回復させることにより、鋼加工部品の延性を高めることに着目した。

本発明者らはさらに検討を重ね、本発明を完成した。その要旨は以下のとおりである。

（１）鋼材を冷間でプレス加工し、プレス加工された上記鋼材に熱処理温度３００〜６００℃で熱処理時間１〜１０ｍｉｎの熱処理を施す鋼加工部品の製造方法であって、上記鋼材の冷間でのプレス加工前の伸びをＥｌ _Ｏ 、プレス加工後、熱処理前の伸びをＥｌ _Ａ 、熱処理後の伸びをＥｌ _Ｒ としたとき、Ｅｌ _Ｒ ≧（Ｅｌ _Ｏ −Ｅｌ _Ａ ）×０．５＋Ｅｌ _Ａ を満たすことを特徴とする鋼加工部品の製造方法。

（２）前記鋼材の冷間でのプレス加工前の組織が、オーステナイトを面積率で５％以上含有することを特徴とする前記（１）の鋼加工部品の製造方法。

（３）前記熱処理を施す際に、前記鋼材を加熱速度１〜５００℃／ｓで前記熱処理温度まで加熱することを特徴とする前記（１）又は（２）の鋼加工部品の製造方法。

（４）前記鋼材の冷間でのプレス加工前のオーステナイト面積率をγ_Ｏ、熱処理後のオーステナイト面積率をγ_Ｒとしたとき、０．６≦γ_Ｒ／γ_Ｏを満たすことを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項の鋼加工部品の製造方法。

（５）前記鋼加工部品が自動車用部品であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかの鋼加工部品の製造方法。

（６）冷間でのプレス加工前の前記鋼材の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０５０〜０．５００％、Ｓｉ：０．１０〜３．００％、Ｍｎ：１．００〜８．００％、Ｐ：０．１００％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．１００％以下、Ｎ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０１０％以下、Ｎｂ：０．１０％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．５００％以下、及びＭｏ：０．５００％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかの鋼加工部品の製造方法。

本発明によれば、高張力鋼板を用いた、延性の高い鋼加工部品を得ることができる。

本実施形態の鋼加工部品の製造方法は、鋼材を冷間でプレス加工して鋼加工部品を得る方法において、プレス加工後の鋼加工部品に対して熱処理を施すことを特徴とする。熱処理は、具体的には、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、６００℃以下の環境で、１〜１０ｍｉｎの間で施す。

上述したとおり、オーステナイトを含む鋼板を冷間でプレス加工することにより、公判中のオーステナイトは加工誘起変態によりマルテンサイトに変態する。プレス時は、この変態により、プレスの割れが抑制される。一方、プレスによって導入されたひずみの分だけ、加工後の部品の延性が低下する。

本実施形態においては、上記の熱処理により、マルテンサイトをオーステナイトに逆変態させる。これにより、伸びのよい結晶格子であるオーステナイト組織が鋼部品中に導入されるので、延性が向上する。

本実施形態の熱処理による逆変態は、一般的な鋼でも起こり得るので、特に対象となる鋼材は限定されない。

低温、短時間で逆変態を起こすためには、冷間でのプレス加工前の鋼材にオーステナイトが存在することが好ましい。オーステナイトが存在することにより逆変態温度が下がるので、より効果的に、組織の逆変態を起こすことが可能となる。

プレス加工前の鋼材のオーステナイトは面積率で５％以上あれば好ましい。１０％以上であればより好ましく、１５％以上であればさらに好ましい。たとえば、残留オーステナイトを５％以上含有するＴＲＩＰ鋼は、本実施形態の鋼材として好適である。

ここで、残留オーステナイトの面積分率は、例えば、電子線後方散乱回折（electron backscatter diffraction：ＥＢＳＤ）法又はＸ線回折法により測定することができる。Ｘ線回折法により測定する場合は、Ｍｏ−Ｋα線を用いて、フェライトの（１１１）面の回折強度（α（１１１））、残留オーステナイトの（２００）面の回折強度（γ（２００））、フェライトの（２１１）面の回折強度（α（２１１））、及び残留オーステナイトの（３１１）面の回折強度（γ（３１１））を測定し、次の式から残留オーステナイトの面積分率（ｆＡ）を算出することができる。

ｆＡ＝（２／３）｛１００／（０．７×α（１１１）／γ（２００）＋１）｝
＋（１／３）｛１００／（０．７８×α（２１１）／γ（３１１）＋１）｝

熱処理の際の加熱速度は１℃／ｓ以上が好ましい。加熱速度が遅いとセメンタイトが生成し、マルテンサイトからオーステナイトへの逆変態が抑制される。加熱速度は、より好ましくは１０℃／ｓ以上である。加熱速度の上限は特に限定されないが、現実的には、５００℃／ｓ程度である。

加熱方法は、特に限定されるものではない。通電加熱、炉加熱等、公知の方法を使用することができる。

冷却速度、冷却方法は鋼加工部品の特性には影響しないので、特に問わない。

本発明の鋼加工部品の製造方法によれば、冷間でのプレス加工前の鋼材のオーステナイト面積率をγ_Ｏ、プレス加工及び熱処理後のオーステナイト面積率をγ_Ｒとしたとき、好ましくは、０．６≦γ_Ｒ／γ_Ｏを満たす。すなわち、好ましくは、熱処理によりオーステナイト面積率が、プレス加工前の６割以上に回復する。

また、冷間でのプレス加工前の伸びをＥｌ_Ｏ、プレス加工後、熱処理前の伸びをＥｌ_A、熱処理後の伸びをＥｌ_Ｒとしたとき、好ましくは、Ｅｌ _Ｒ ＞（Ｅｌ _Ｏ −Ｅｌ _Ａ ）×０．５＋Ｅｌ _Ａ を満たす。すなわち、好ましくは、冷間でのプレス加工により消費された延性の１／２以上が、熱処理により回復する。

プレス加工された鋼加工部品の伸びは、部品からサンプルを切り出し、測定することができる。

本実施形態の組織の逆変態は、上述したとおり、一般的な鋼で起こりえるので、特に化学成分が限定されるものではない。以下、本実施形態において好適な鋼の成分組成の一例について説明する。

［Ｃ：０．０５０〜０．５００％］
Ｃは、フェライト、ベイナイト、マルテンサイト、オーステナイトの含有量を調整し、本実施形態において必要なオーステナイト量を確保する。Ｃの含有量は、０．０５０％〜０．５００％とすることが好ましく、０．１００〜０．４００％がより好ましい。

［Ｓｉ：０．１０〜３．００％］
Ｓｉは固溶強化による鋼の強度向上、延性向上、また、炭化物（セメンタイト）の生成を抑制して、オーステナイトを残留させる効果を有する。Ｓｉの含有量は、０．１〜３．００％とすることが好ましく、０．５０〜２．００％がより好ましい。

［Ｍｎ：１．００〜８．００％］
Ｍｎは変態挙動を制御し、変態相の量や硬さを制御する。動的強度も考慮して、Ｍｎ含有量は１．００〜８．００％が好ましく、１．５０〜３．００％がより好ましい。

［Ｐ：０．１００％以下］
Ｐは不純物として鋼中に含有され、粒界に偏析して鋼を脆化させる。Ｐの含有量は少ないほど好ましく、０．１００％以下が好ましい。より好ましくは０．０５０％以下である。

［Ｓ：０．０１０％以下］
Ｓは不純物として鋼中に含有され、硫化物系介在物を形成し、延性を低下させる。Ｓの含有量は少ないほど好ましく、０．０１０％以下が好ましい。より好ましくは、０．００５％以下である。

［Ａｌ：０．００５〜２．００％］
Ａｌは溶鋼を脱酸するために用いる。また、Ｓｉと同様にセメンタイトの生成を抑制し、オーステナイトを残留させる効果を有する。Ａｌの含有量は、０．００５〜２．００％が好ましく、０．０５〜１．００％がより好ましい。

［Ｎ：０．０１０％以下］
Ｎは不純物として鋼中に含有され、延性を劣化させる。Ｎの含有量は少ないほど好ましく、０．０１０％以下が好ましい。より好ましくは、０．００５％以下である。

［Ｏ：０．０１０％以下］
Ｏは酸化物を形成し、伸びを劣化させる。Ｏの含有量は少ないほど好ましく、０．０１０％以下が好ましい。より好ましくは、０．００５％以下である。

［Ｎｂ：０．１０％以下］
Ｎｂは、析出物強化、フェライト結晶粒の成長抑制による細粒強化、及び再結晶の抑制を通じた転位強化により鋼板の強度上昇に寄与するので、必要に応じて含有させてもよい。Ｎｂは少しでも存在すれば強度の上昇に寄与する。より効果的に強度を上昇させるためには、０．００５％以上含有させるのが好ましい。含有量が多すぎると、炭窒化物の析出が多くなり成形性が劣化するので、０．１０％以下とするのが好ましく、０．０５０％以下がより好ましい。

［Ｔｉ：０．２０％以下］
Ｔｉは、析出物強化、フェライト結晶粒の成長抑制による細粒強化、及び再結晶の抑制を通じた転位強化により鋼板の強度上昇に寄与するので、必要に応じて含有させてもよい。Ｔｉは少しでも存在すれば強度の上昇に寄与する。より効果的に強度を上昇させるためには、０．００５％以上含有させるのが好ましい。含有量が多すぎると、炭窒化物の析出が多くなり成形性が劣化するので、０．２０％以下とするのが好ましく、０．０５０％以下がより好ましい。

［Ｃｒ：０．５００％以下］
Ｃｒは強化元素であり、焼入れ性を向上するので、必要に応じて含有させてもよい。Ｃｒが少しでも存在すれば、これらの効果は得られる。より効果的に含有の効果を得るためには、含有量を０．０５０％以上とするのが好ましい。含有量が多すぎると製造性に悪影響をおよぼすので、０．５００％以下とするのが好ましい。

［Ｍｏ：０．５００％以下］
Ｍｏは強化元素であり、焼入れ性を向上するので、必要に応じて含有させてもよい。Moが少しでも存在すれば、これらの効果は得られる。より効果的に含有の効果を得るためには、含有量を０．０５０％以上とするのが好ましい。含有量が多すぎると製造性に悪影響をおよぼすので、０．５００％以下とするのが好ましい。

鋼の化学組成の残部はＦｅ及び不可避的不純物である。

表１に示す化学成分を有する鋼板Ａ〜Ｈを用いて、冷間でプレス加工を施し、その後、熱処理を施した。

［実施例１］
鋼板に対して、引張試験にて残延性が５％になるように、予ひずみを与える疑似プレスを施し、疑似プレスを施した鋼板に対して、表２〜３に記載の条件で熱処理を施した。熱処理を施した鋼板について、伸びを測定した。伸びの測定は、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して行った。試験片はすべて、ＪＩＳ Ｚ ２２０１に定められる１３Ｂ号試験片とした。

表２〜３中のγ量はオーステナイト面積率であり、鋼板の１／４厚さの面を観察面としてＸ線回析を行い、ｂｃｃとｆｃｃのピーク面積比から算出した。

式（１）は、プレス前のγ（オーステナイト）量をγ_O、熱処理後のγ量をγ_Ｒとしたときの、０．６≦γ_Ｒ／γ_Ｏを意味する。式（１）判定は、式（１）を満足する場合「○」、満足しない場合「×」とした。

式（２）は、冷間でのプレス加工前の伸びをＥｌ_Ｏ、プレス加工後、熱処理前の伸びをＥｌ_A、熱処理後の伸びをＥｌ_Ｒとしたときの、Ｅｌ _Ｒ ＞（Ｅｌ _Ｏ −Ｅｌ _Ａ ）×０．５＋Ｅｌ _Ａ を意味する。式（２）判定は、式（２）を満足する場合「○」、満足しない場合「×」とした。

表２〜３に示すように、本発明の熱処理を施した鋼板は、プレス後の延性が大幅に回復した。

Ｎｏ．２６は、加熱速度が遅かったため、延性は回復したが、他の発明例と比較すると回復量は小さかった。

熱処理の条件が本発明の範囲から外れた例は、延性の回復量が小さいか、０であった。なお、熱処理により、延性が劣化した例はなかった。

［実施例２］
実施例１で用いたのと同様の鋼板の一部を用いて、冷間でのプレス加工により４種類の部品を作製し、その後、表４に示す熱処理を施した。熱処理の条件は、実施例１でそれぞれの鋼板に対して施した条件と同じとした。表４中の部品種ａ〜ｄは、それぞれ、プレスによる伸びの減少が、１５％、２２％、８％、３％となる部品である。なお、表４中の熱処理後γ量、式（１）判定、式（２）判定は、表２〜３に示した、実施例１における疑似プレスを施した場合のものである。

その後、作製した部品を、衝突試験に供した。衝突試験においては、部品又は部品の一部を固定し、実際の自動車衝突時に受ける荷重・変形方向から、質量９００ｋｇの落錘を初速２３ｋｍ／ｓで部品衝突させ、１００ｍｍストロークで変形量と荷重変化を測定し、吸収エネルギーを求めた。評価は、明らかな吸収エネルギーの低下が見られる割れが発生した場合「×」、わずかな割れが生じて吸収エネルギー低下が見られない場合、及び割れが発生しなかった場合「○」とした。

表４に示すように、本発明の熱処理を施した鋼部品は、衝突試験においても良好な結果となった。

Claims (6)

1. 鋼材を冷間でプレス加工し、
   プレス加工された上記鋼材に熱処理温度３００〜６００℃で熱処理時間１〜１０ｍｉｎの熱処理を施す鋼加工部品の製造方法であって、
   上記鋼材の冷間でのプレス加工前の伸びをＥｌ _Ｏ 、プレス加工後、熱処理前の伸びをＥｌ _Ａ 、熱処理後の伸びをＥｌ _Ｒ としたとき、Ｅｌ _Ｒ ＞（Ｅｌ _Ｏ −Ｅｌ _Ａ ）×０．５＋Ｅｌ _Ａ を満たす
   ことを特徴とする鋼加工部品の製造方法。
2. 前記鋼材の冷間でのプレス加工前の組織が、オーステナイトを面積率で５％以上含有することを特徴とする請求項１に記載の鋼加工部品の製造方法。
3. 前記熱処理を施す際に、前記鋼材を加熱速度１〜５００℃／ｓで前記熱処理温度まで加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼加工部品の製造方法。
4. 前記鋼材の冷間でのプレス加工前のオーステナイト面積率をγ_Ｏ、熱処理後のオーステナイト面積率をγ_Ｒとしたとき、０．６≦γ_Ｒ／γ_Ｏを満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼加工部品の製造方法。
5. 前記鋼加工部品が自動車用部品であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼加工部品の製造方法。
6. 冷間でのプレス加工前の前記鋼材の化学組成が、質量％で、
   Ｃ ：０．０５０〜０．５００％、
   Ｓｉ：０．１０〜３．００％、
   Ｍｎ：１．００〜８．００％、
   Ｐ ：０．１００％以下、
   Ｓ ：０．０１０％以下、
   Ａｌ：０．００５〜２．００％、
   Ｎ ：０．０１０％以下、
   Ｏ ：０．０１０％以下、
   Ｎｂ：０．１０％以下、
   Ｔｉ：０．２０％以下、
   Ｃｒ：０．５００％以下、及び
   Ｍｏ：０．５００％以下
   を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼加工部品の製造方法。