JP6893072B2 - 極めて高い強度を有するプレス硬化鋼および製造方法 - Google Patents

極めて高い強度を有するプレス硬化鋼および製造方法 Download PDF

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Description

本出願は、２０１７年３月１日に出願された「極めて高い強度を有するプレス硬化鋼および製造方法」と題する米国仮出願第６２／４６５，５２３号の優先権を主張し、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、プレス硬化鋼、熱間プレス成形鋼、ホットスタンピング鋼、またはオーステナイト化温度まで加熱され、最終部品で所望の機械的特性を達成するためにスタンピングダイで成形および急冷される他の任意の鋼の改良に関する。この出願では、それらをすべて「プレス硬化鋼」と称する。
プレス硬化鋼は、主に、自動車メーカーが高強度、軽量、耐侵入性の向上を望む自動車の構造部材として使用される。
２２ＭｎＢ５鋼などの従来のプレス硬化鋼は、焼入れ性を高めるためにホウ素と合金化される。プレス硬化鋼の強度は、鋼の炭素含有量を増やすことで簡単に高めることができるが、高レベルの炭素は溶接性を低下させ、鋼の破断伸び（全伸びとも呼ばれる）を低下させる。
従来技術のプレス硬化鋼の現在の工業加工では、ブランク（鋼板の一片）をＡ３温度（オーステナイト化温度）よりも高い温度、通常では９００〜９５０℃の範囲に加熱し、特定の温度で一定時間、材料を保持し、オーステナイト化ブランクをホットスタンピングダイに入れ、ブランクを所望の形状に成形し、ダイ内の材料を低温に急冷してマルテンサイトを形成する。最終結果は、高い極限引張強度と完全なマルテンサイト微細構造を持つ材料である。
従来技術のプレス硬化鋼の焼入れされたままの微細構造は、完全にマルテンサイトである。従来のプレス硬化鋼（例えば２２ＭｎＢ５）の極限引張強度は約１５００ＭＰａであり、全伸びは約６〜８％である。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある。
（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１） 特許第６００４１３８号公報
（特許文献２） 国際公開第２０１８／０６７５５４号
（特許文献３） 米国特許出願公開第２０１５／０５０５１９号明細書
（特許文献４） 米国特許出願公開第２０１３／０９５３４７号明細書
本出願の鋼は、置換溶質強化と自動焼戻しによる軟化の低減の組み合わせにより、鋼の強度を高める遷移金属元素を組み込んだ新規の合金化戦略により、プレス硬化鋼の強度を維持または増加させながら、低伸びの問題を解決する。
図１は、ＰＭＴ８４８℃で３００秒間オーステナイト化し、プレス硬化をシミュレーションした後の、合金４３３９−１のプレス硬化鋼の光学顕微鏡写真を示す。 図２は、ＰＭＴ８１６℃で３００秒間オーステナイト化し、プレス硬化をシミュレーションした後の、合金４３３９−２のプレス硬化鋼の光学顕微鏡写真を示す。 図３は、ＰＭＴ７８２℃で３００秒間オーステナイト化し、プレス硬化をシミュレーションした後の、合金４３４０−１のプレス硬化鋼の光学顕微鏡写真を示す。 図４は、ＰＭＴ７５９℃で３００秒間オーステナイト化し、プレス硬化をシミュレーションした後の、合金４３４０−２のプレス硬化鋼の光学顕微鏡写真を示す。 図５は、ＰＭＴ８２１℃で３００秒間オーステナイト化し、プレス硬化をシミュレートした後の、合金４３４１−１のプレス硬化鋼の光学顕微鏡写真を示す。 図６は、ＰＭＴ８３６℃で３００秒間オーステナイト化し、プレス硬化をシミュレートした後の、合金４３４１−２のプレス硬化鋼の光学顕微鏡写真を示す。 図７は、ＰＭＴ８２１℃で３００秒間オーステナイト化し、プレス硬化をシミュレートした後の、合金４３４２−１のプレス硬化鋼の光学顕微鏡写真を示す。 図８は、ＰＭＴ８４１℃で３００秒間のオーステナイト化し、プレス硬化をシミュレートした後の、合金４３４２−２のプレス硬化鋼の光学顕微鏡写真を示す。
本出願のプレス硬化鋼は、伸びがそれに対応して低下することなしにプレス硬化鋼部品の強度を増加させる。プレス硬化鋼の強度は、鋼の炭素含有量を増やすことで容易に高めることができるが、高レベルの炭素は溶接性を低下させ、鋼の破断伸びを減少させる。本合金は、置換溶質強化と自動焼戻しによる軟化の低減の組み合わせにより、置換元素を使用してマルテンサイトの強度を高める新規な合金化戦略を採用している。自動焼戻しの結果としての軟化は、合金化によるマルテンサイト開始（Ｍｓ）温度の抑制により最小限に抑えられる。マンガン、クロム、モリブデン、ニオブ、およびバナジウムの様々な添加から生じる本組成物の焼入れ性の増加の結果として、新規組成物はホウ素を含まないプレス硬化鋼を可能にする。
鉄および製鋼に付随する他の不純物に加えて、本合金の実施形態は、マンガン、ケイ素、炭素、クロム、モリブデン、ニオブ、および／またはバナジウムを、全て上記の１つ以上を得るのに十分な濃度で含む。いくつかの実施形態では、プレス硬化鋼は、マンガン、ケイ素、炭素、並びに、クロム、モリブデン、ニオブ、および／またはバナジウムの少なくとも１つ、並びに、鉄および製鋼に付随する他の不純物を含む。これらおよび他の合金元素の濃度と効果を以下に要約する。
炭素は、マルテンサイト開始温度を下げ、固溶強化を提供し、鋼の焼入れ性を高めるために添加される。炭素はオーステナイト安定剤である。特定の実施形態では、炭素は、０．１〜０．５０重量％の濃度で存在し得る；他の実施形態では、炭素は０．１〜０．３５重量％の濃度で存在し得る；そしてさらに他の実施形態では、炭素は約０．２２〜０．２５重量％の濃度で存在することができる。
マンガンは、マルテンサイトの開始温度を下げ、固溶強化を提供し、鋼の焼入れ性を高めるために添加される。マンガンはオーステナイト安定剤である。特定の実施形態では、マンガンは、２．０〜８．０重量％の濃度で存在し得る；他の実施形態では、マンガンは２．０〜５．０重量％の濃度で存在し得る；さらに他の実施形態では、マンガンは、３．０重量％〜８．０重量％を超える濃度で存在し得る；さらに他の実施形態では、マンガンは、３．０重量％〜５．０重量％を超える濃度で存在することができる。
ケイ素は、固溶強化を提供するために添加される。ケイ素はフェライト安定剤である。特定の実施形態では、ケイ素は、０．１〜０．５重量％の濃度で存在し得る。 他の実施形態では、ケイ素は０．２〜０．３重量％の濃度で存在することができる。
モリブデンは、固溶強化を提供し、鋼の焼入れ性を高め、微細構造の改善を提供し、および脆化に対して保護するために添加される。特定の実施形態では、モリブデンは０〜２．０重量％の濃度で存在し得る；他の実施形態では、モリブデンは０．０〜０．６重量％の濃度で存在し得る；さらに他の実施形態では、モリブデンは０．１〜２．０重量％の濃度で存在し得る；他の実施形態では、モリブデンは０．１〜０．６重量％の濃度で存在し得る；さらに他の実施形態では、モリブデンは０．４〜０．５重量％の濃度で存在することができる。
クロムは、マルテンサイトの開始温度を下げ、固溶強化を提供し、鋼の焼入れ性を高めるために添加されることができる。クロムはフェライト安定剤である。特定の実施形態では、クロムは、０〜６．０重量％の濃度で存在し得る；他の実施形態では、クロムは、２．０〜６．０重量％の濃度で存在し得る；他の実施形態では、クロムは０．２〜６．０重量％の濃度で存在し得る；他の実施形態では、クロムは０．２〜３．０重量％の濃度で存在することができる。
ニオブは、鋼の強度を高め、焼入れ性を改善するために添加されることができる。いくつかの実施形態では、ニオブはまた、改善された結晶粒微細化を提供するために添加される。特定の実施形態では、ニオブは、０〜０．１重量％の濃度で存在し得る；他の実施形態では、ニオブは０．０１〜０．１重量％の濃度で存在し得る；他の実施形態では、ニオブは、０．００１〜０．０５５重量％の濃度で存在することができる。
バナジウムは、鋼の強度を高め、焼入れ性を改善するために添加されることができる。特定の実施形態では、バナジウムは、０〜０．１５重量％の濃度で存在し得る；他の実施形態では、バナジウムは０．０１〜０．１５重量％の濃度で存在することができる。
ホウ素は、鋼の焼入れ性を高めるために添加されることができる。特定の実施形態では、ホウ素は、０〜０．００５重量％の濃度で存在し得る。
プレス硬化鋼は、従来の製鋼、粗加工、および仕上げプロセスを使用して処理できる。例えば、鋼を連続的に鋳造して、厚さ約１２〜２５ｃｍのスラブを製造できる。その後、スラブは１２００〜１３２０℃の温度で再加熱され、２．５ｍｍ以上の最終ゲージまで熱間圧延され、最終還元パスは約９５０℃の温度で行われる。その後、鋼は４００〜６７５℃の温度で巻き取られる。冷却後、鋼コイルは６００〜９００℃の温度で１秒以上アニールされ、冷間圧延の前に酸洗される。所望の厚さに達する前に、１つ以上の中間アニーリングおよび還元工程が必要になる場合がある。そのような中間アニーリングは、最初のアニーリング処理と同様の温度を利用する。
本願の合金は、冷間圧延後およびホットスタンプ前に、アルミニウムベースのコーティング、亜鉛ベースのコーティング（亜鉛メッキ（ｇａｌｖａｎｉｚｅｄ）または亜鉛メッキ（ｇａｌｖａｎｎｅａｌｅｄ）のいずれか）でコーティングすることもできる。そのようなコーティングは、溶融コーティングまたは電解コーティングを含む当技術分野で知られているプロセスを使用して鋼板に適用することができる。臨界温度が低いため、コーティング後の本合金のプレス硬化は、コーティングの融解およびそのような融解に関連する有害な影響をもたらす可能性が低くなる。
実施例１
表１に、テスト済みのプレス硬化鋼合金の鋼組成を示す。
表１の組成の合金は、標準的な製鋼プロセスを使用して調製された。すべての濃度は重量％である。さらに、先行技術の２２ＭｎＢ５プレス硬化鋼も調製され、その典型的な組成も提供されている。
Figure 0006893072
表１の鋼をＡｃ３温度（つまり、フェライトからオーステナイトへの変態が完了する温度）より２５〜３０℃高いピーク金属温度（ＰＭＴ）でオーステナイト化したプレス硬化シミュレーションの後に、機械的特性は評価された。その後、水冷された平らな銅製ダイで鋼を焼き入れた。室温および準静的速度での一軸引張試験を実施して、プレス硬化鋼の強度と伸びを測定した。表２は、指定時間のオーステナイト化後の鋼の加工温度と機械的特性をまとめたものである。トライアルヒートは、従来の２２ＭｎＢ５プレス硬化鋼に典型的な低炭素濃度で予想外に高い強度を示した。
Figure 0006893072
置換元素は通常、焼き入れしたままのマルテンサイトにおいて非常に弱い溶質強化剤と考えられているが、最終的な引張強度は、マンガン添加の重量パーセントあたり約１５６ＭＰａ、クロム添加の重量パーセントあたり約８３ＭＰａと著しく増加した。最も驚くべきことに、最大引張強さが２０００ＭＰａ以上の鋼では、従来の２２ＭｎＢ５鋼と比較して、破断伸び（つまり、全伸び）が低下していなかった。いくつかの合金化戦略を使用して、１８００ＭＰａを超える極限引張強度を達成した：Ｍｎ（４３４０−１、４３４０−２）、Ｍｎ＋Ｍｏ＋Ｎｂ（４３４１−１）、Ｍｎ＋Ｍｏ＋Ｎｂ＋Ｖ（４３４１−２）、Ｍｎ＋Ｃｒ（４３４２−２）。これらの合金のすべてについて、全伸びは７〜８％であった。
図１〜８は、３００秒間のオーステナイト化と表２のパラメーターによる鋼のシミュレートされたプレス硬化後の光学顕微鏡写真である。これらの図は、図１から図８に進むにつれて結晶粒の微細化が進む、主にマルテンサイト構造を示している。これは、オーステナイト化温度が低いことに起因する開始オーステナイト粒構造が小さいこと、および/または追加の合金化に起因する微細化に一部起因する。
実施例２
様々な温度と時間で鋼合金４３４０−２のサンプルをオーステナイト化したプレス硬化シミュレーションの後に、機械的特性は評価された。次に、サンプルを水冷された平らな銅製ダイで急冷した。室温および準静的速度での一軸引張試験を実施して、プレス硬化鋼の強度と伸びを測定した。表３は、指定された時間のオーステナイト化後のサンプルの処理温度と機械的特性をまとめたものである。試験サンプルは、現在のプレス硬化合金により可能になった低いオーステナイト化温度の利点を示した。表３に示すように、オーステナイト化温度が高いほど、降伏強度と引張強度が低くなった。加えて、最低のオーステナイト化温度で得られた極限引張強度は、プレス硬化前に１２００秒間オーステナイト化した後でも１９００ＭＰａを超え、この合金のプロセスウィンドウに有益な堅牢性を示している。
Figure 0006893072
実施例３
プレス硬化鋼であって、鋼の総重量パーセントで：
（ａ）０．１％〜０．５％、好ましくは０．１％〜０．３５％、より好ましくは０．２２〜０．２５％の炭素；
（ｂ）２．０％〜８．０％、好ましくは３．０％超〜８％、より好ましくは２．０〜５．０％、および、より好ましくは３．０％超〜５．０％のマンガン；および、
（ｃ）０．１％〜０．５％、好ましくは０．２％〜０．３％のケイ素を有し、
前記鋼は、ホットスタンピングダイで成形および焼入れされる前に実質的に完全にオーステナイト化される。
実施例４
０．０％〜６．０％、好ましくは０．０％〜２．０％、より好ましくは０．１％〜６．０％、より好ましくは０．１％〜２．０％、より好ましくは０．１％〜０．６％、および、より好ましくは０．４％〜０．５％のモリブデンをさらに有する、実施例４または以下の実施例のいずれか一つのプレス硬化鋼。
実施例５
０％〜６．０％、好ましくは０．２％〜６．０％、より好ましくは２．０％〜６．０％、および、より好ましくは０．２％〜３．０％のクロムをさらに有する、実施例３および４のいずれか一つ、または以下の実施例のいずれか一つのプレス硬化鋼。
実施例６
０．０％〜０．１％、好ましくは０．０１％〜０．１％、より好ましくは０．００１〜０．０５５％のニオブをさらに有する、実施例３〜５のいずれか一つ、または以下の実施例のいずれか一つのプレス硬化鋼。
実施例７
０．０％〜０．１５％、好ましくは０．０１％〜０．１５％のバナジウムをさらに有する、実施例３〜６のいずれか一つ、または以下の実施例のいずれか一つのプレス硬化鋼。
実施例８
０％〜０．００５％のホウ素をさらに含む、実施例３〜７のいずれか、または以下の実施例のいずれか一つのプレス硬化鋼。
実施例９
実施例３〜８のいずれか、または以下の実施例のいずれか一つのプレス硬化鋼であって、Ｍｓ温度が３６５℃未満であるプレス硬化鋼。
実施例１０
実施例３〜９のいずれか、または以下の実施例のいずれか一つのプレス硬化鋼であって、オーステナイト化のためのＰＭＴが８５０℃未満である、プレス硬化鋼。
実施例１１
実施例３〜１０のいずれか一つ、または以下の実施例のいずれか一つのプレス硬化鋼であって、プレス硬化またはホットスタンピング後に、少なくとも１４８０ＭＰａの極限引張強度および全伸びが少なくとも６％である、プレス硬化鋼。
実施例１２
実施例３〜１１のいずれか一つのプレス硬化鋼であって、冷間圧延後およびホットスタンプ前に、アルミニウムベースのコーティングまたは亜鉛ベースのコーティング（亜鉛メッキ（ｇａｌｖａｎｉｚｅｄ）または亜鉛メッキ（ｇａｌｖａｎｎｅａｌｅｄ）でコーティングされた、プレス硬化鋼。

Claims (8)

  1. 重量パーセントで、０．２２〜０．２５％の炭素、２．０〜５．０％のマンガン、０．２〜０．３％のケイ素、０．００４％未満のアルミニウム、並びに、０．１〜０．６％のモリブデン、０．２〜６．０％のクロム、０．０１〜０．１％のニオブ、または、０．０１〜０．１５％バナジウムの少なくとも１つ、鉄および付随的な不純物である残りを有し、その極限引張強度が少なくとも１８００ＭＰａである、プレス硬化鋼。
  2. 請求項１記載のプレス硬化鋼であって、３．０％超〜５．０％のマンガンをさらに有する、プレス硬化鋼。
  3. 請求項１記載のプレス硬化鋼であって、０．４〜０．６％のモリブデンを有する、プレス硬化鋼。
  4. 請求項１記載のプレス硬化鋼であって、２．０〜６．０％のクロムを有する、プレス硬化鋼。
  5. 請求項１記載のプレス硬化鋼であって、２つの外面を有し、少なくとも１つの外面に塗布されたアルミニウムベースのコーティングまたは亜鉛ベースのコーティングをさらに有する、プレス硬化鋼。
  6. 請求項１記載のプレス硬化鋼において、８５０℃未満のＰＭＴで完全にオーステナイト化されることができる、プレス硬化鋼。
  7. 請求項１記載のプレス硬化鋼であって、７〜８．３％の全伸びを有する、プレス硬化鋼。
  8. 重量パーセントで、０．２２〜０．２５％の炭素、２．９７〜５．０％のマンガン、０．２５〜０．２６％のケイ素、０．００４％未満のアルミニウム、０．００２〜０．０５５％のニオブ、および、０．００１〜０．１５％のバナジウム、鉄および付随的な不純物である残りを有し、その極限引張強度が少なくとも１８００ＭＰａである、プレス硬化鋼。
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