JP7036214B2 - 熱間プレス部材、熱間プレス用鋼板の製造方法、および、熱間プレス部材の製造方法 - Google Patents
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Description
しかし、引張強さが1780MPa以上の鋼板は、冷間プレスによる成形時に割れが発生したり、降伏強度が高いことに起因して大きなスプリングバックが発生したりして、高い寸法精度で成形できない場合がある。
そこで、最近は、熱間プレス(ホットスタンプ、ダイクエンチ、プレスクエンチ等とも呼称される)による成形が着目されている。熱間プレスは、鋼板をオーステナイト単相の温度域まで加熱した後に、高温のままで成形(加工)する技術である。これにより、高い寸法精度で成形できる。また、成形後の冷却により焼き入れを行なうことで、高強度化できる。
もっとも、抵抗スポット溶接機のガンが入り込めない一部の場所では、ボルト締結が行なわれ、その場合、プロジェクション溶接を行なう(特許文献1~2を参照)。具体的には、まず、プロジェクション部を有するナットを鋼板に抵抗溶接する。これにより、ナットのプロジェクション部と鋼板との溶接継手(プロジェクション溶接部)を形成する。その後、ボルトを用いて他の鋼板を組み付ける。
また、本発明は、熱間プレス用鋼板を製造する方法、および、上記方法により製造した熱間プレス用鋼板を用いて熱間プレス部材を製造する方法を提供することも目的とする。
[1]鋼板と、上記鋼板の表面にめっき層と、を有する熱間プレス部材であって、上記熱間プレス部材の引張強さが、1780MPa以上であり、上記めっき層の表面の十点平均粗さRzjisが、25μm以下であり、上記鋼板は、質量%で、C:0.25%以上0.50%未満、Si:1.5%以下、Mn:1.1%以上2.4%以下、P:0.05%以下、S:0.005%以下、Al:0.01%以上0.50%以下、N:0.010%以下、Sb:0.001%以上0.020%以下、Nb:0.005%以上0.15%以下、および、Ti:0.005%以上0.15%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成と、上記めっき層を除いた上記鋼板の表面から板厚方向50μm以内において、旧オーステナイトの平均結晶粒径が7μm以下であり、かつ、マルテンサイトの体積率が90%以上であるミクロ組織と、を有する、熱間プレス部材。
[2]上記鋼板の成分組成が、さらに、質量%で、B:0.0050%以下、Mo:0.50%以下、Cr:0.50%以下、Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下、REM:0.005%以下、V:0.15%以下、Cu:0.50%以下、Ni:0.50%以下、Sn:0.50%以下、Zn:0.10%以下、および、Ta:0.10%以下からなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、上記[1]に記載の熱間プレス部材。
[3]上記めっき層が、Zn系めっき層、Zn-Ni系めっき層、または、Al系めっき層である、上記[1]または[2]に記載の熱間プレス部材。
[4]上記[1]または[2]に記載の成分組成を有する鋼素材を、1100℃以上1250℃以下の温度で、30分以上120分以下加熱し、上記加熱した上記鋼素材に、860℃以上950℃以下の仕上げ圧延温度で熱間圧延を施すことにより、熱延鋼板を得て、上記熱延鋼板を、500℃以下の巻取温度で巻き取り、上記巻き取りした上記熱延鋼板を、20℃以上70℃以下の温度の酸液を用いて、10秒以上100秒以下酸洗し、上記酸洗した上記熱延鋼板に冷間圧延を施すことにより、冷延鋼板を得て、上記冷延鋼板に、第1の焼鈍および第2の焼鈍からなる焼鈍を施し、上記焼鈍を施した上記冷延鋼板にめっき処理を施すことにより、熱間プレス用鋼板を得る、熱間プレス用鋼板の製造方法。
ただし、上記第1の焼鈍では、上記冷延鋼板を、850℃以上950℃以下の温度で600秒以下保持し、次いで、350℃以上450℃以下の冷却停止温度まで冷却し、上記冷却停止温度で60秒以上1800秒以下保持し、その後、室温まで冷却し、上記第2の焼鈍では、上記第1の焼鈍が施された上記冷延鋼板を、720℃以上850℃以下の温度で15秒以上保持し、次いで、600℃以下の冷却停止温度まで5℃/s以上の平均冷却速度で冷却する。
[5]上記[4]に記載の熱間プレス用鋼板の製造方法によって得られた熱間プレス用鋼板を、Ac3変態点以上(Ac3+100)℃以下の加熱温度に加熱し、上記加熱した上記熱間プレス用鋼板に、熱間プレスを施すことにより、熱間プレス部材を得る、熱間プレス部材の製造方法。
[6]上記熱間プレス用鋼板を上記加熱温度に加熱する際に、加熱開始温度からAc3変態点までの平均加熱速度が50℃/s以上である、上記[5]に記載の熱間プレス部材の製造方法。
本発明の熱間プレス部材は、鋼板と、上記鋼板の表面にめっき層と、を有する熱間プレス部材であって、上記熱間プレス部材の引張強さが、1780MPa以上であり、上記めっき層の表面の十点平均粗さRzjisが、25μm以下であり、上記鋼板は、質量%で、C:0.25%以上0.50%未満、Si:1.5%以下、Mn:1.1%以上2.4%以下、P:0.05%以下、S:0.005%以下、Al:0.01%以上0.50%以下、N:0.010%以下、Sb:0.001%以上0.020%以下、Nb:0.005%以上0.15%以下、および、Ti:0.005%以上0.15%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成と、上記めっき層を除いた上記鋼板の表面から板厚方向50μm以内において、旧オーステナイトの平均結晶粒径が7μm以下であり、かつ、マルテンサイトの体積率が90%以上であるミクロ組織と、を有する、熱間プレス部材である。
また、本発明の熱間プレス部材は、鋼板が特定の成分組成およびミクロ組織を有し、かつ、めっき層の表面の十点平均粗さRzjisが特定の値を示すことにより、プロジェクション溶接後の押込剥離強度に優れる。
本発明の熱間プレス部材における鋼板は、特定の成分組成およびミクロ組織を有する。
鋼板の板厚は、特に限定されず、例えば、5mm以下である。
まず、鋼板の成分組成の限定理由を説明する。以下、特に断らない限り、「質量%」は、単に「%」で記す。
Cは、高い固溶強化能を有し、鋼板強度の増加に寄与するため、熱間プレス後にマルテンサイトを強化して鋼の強度を高めるのに重要な元素である。このような効果を得るためには、C量は、0.25%以上であり、0.27%以上が好ましく、0.30%以上がより好ましく、0.32%以上がさらに好ましい。
一方、C量が多すぎると、プロジェクション溶接後のナットと鋼板との界面近傍の鋼板の硬度が増す。このため、靱性が低下して、押込剥離強度が低下する。したがって、C量は、0.50%未満であり、0.47%以下が好ましく、0.42%以下がより好ましく、0.40%以下がさらに好ましい。
Siは、フェライト中で高い固溶強化能を有し、鋼板強度の増加に寄与する。しかし、Si量が多すぎると、プロジェクション溶接後のナットと鋼板との界面近傍の鋼板の硬度が増す。このため、靱性が低下して、押込剥離強度が低下する。また、鋼板の加熱時に鋼板表層にSi系の酸化物が形成しやすくなる。このため、めっき処理後のめっき層の表面の十点平均粗さが大きくなる。この点でも、押込剥離強度が低下する。したがって、Si量は、1.5%以下であり、1.2%以下が好ましく、0.9%以下がより好ましく、0.7%以下がさらに好ましい。
一方、Si量の下限は特に規定されないが、極端な低Si化は製鋼コストの増加を招くため、Si量は、0.005%以上が好ましく、0.03%以上がより好ましく、0.1%以上がさらに好ましく、0.3%以上が特に好ましい。
Mnは、固溶強化または焼入れ性向上により鋼板の強度増加に寄与する元素であるとともに、オーステナイト安定化元素である。このため、熱間プレス後のマルテンサイトの確保に必要不可欠な元素である。このような効果を得るためには、Mn量は、1.1%以上であり、1.2%以上が好ましく、1.3%以上がより好ましく、1.4%以上がさらに好ましい。
一方、Mn量が多すぎると、プロジェクション溶接後のナットと鋼板との界面近傍の鋼板の硬度が増す。このため、靱性が低下して、押込剥離強度が低下する。したがって、Mn量は、2.4%以下であり、2.2%以下が好ましく、2.0%以下がより好ましく、1.8%以下がさらに好ましい。
Pは、固溶強化により鋼板の強度増加に寄与する元素である。しかし、P量が多すぎると、粒界への偏析が著しくなって粒界を脆化させる。このため、プロジェクション溶接後の押込剥離強度が低下する。したがって、P量は、0.05%以下であり、0.04%以下が好ましく、0.03%以下がより好ましく、0.02%以下がさらに好ましい。
一方、下限は特に限定されないが、P量は0.001%以上が好ましく、0.005%以上がより好ましく、0.01%以上がさらに好ましい。
Sは、粒界に偏析して熱間加工時に鋼を脆化させるとともに、MnSなどの硫化物として鋼中に存在する。S量が多すぎると、プロジェクション溶接後に硫化物が起点となって割れの発生を招き、押込剥離強度が低下する。このため、S量は、0.005%以下であり、0.004%以下が好ましく、0.003%以下がより好ましく、0.002%以下がさらに好ましい。
一方、下限は特に限定されないが、S量は0.0001%以上が好ましく、0.0005%以上がより好ましく、0.001%以上がさらに好ましい。
Alは、製鋼過程の脱酸に必要な元素である。この効果を得るためには、Al量は、0.01%以上であり、0.02%以上が好ましく、0.03%以上がより好ましく、0.04%以上がさらに好ましい。
一方、この効果は飽和することから、Al量は、0.50%以下であり、0.40%以下が好ましく、0.20%以下がより好ましく、0.10%以下がさらに好ましい。
Nは、窒化物として鋼中に存在する。N量が多すぎると、プロジェクション溶接後に窒化物が起点となって割れの発生を招き、押込剥離強度が低下する。このため、N量は、0.010%以下であり、0.008%以下が好ましく、0.006%以下がより好ましく、0.004%以下がさらに好ましい。
一方、下限は特に限定されないが、N量は、0.001%以上が好ましく、0.002%以上がより好ましい。
熱間プレス部材を得る工程においては、熱間プレス用鋼板の加熱から、熱間プレス後の冷却開始までに、鋼板に脱炭層が生じ得る。Sbは、この脱炭層の生成を抑制する。このため、鋼板表層部において、所望の体積率を有するマルテンサイトが得られる。このような効果を得るためには、Sb量は、0.001%以上であり、0.002%以上が好ましく、0.003%以上がより好ましく、0.004%以上がさらに好ましい。
一方、この効果は飽和することから、Sb量は、0.020%以下であり、0.018以下が好ましく、0.015%以下がより好ましく、0.012%以下がさらに好ましい。
Nbは、微細な炭化物や窒化物を形成するのみならず、結晶粒の粗大化を抑制し、熱間プレス後の旧オーステナイトの結晶粒径を微細化する。これにより、プロジェクション溶接後の押込剥離強度を向上させる。このような効果を得るためには、Nb量は、0.005%以上であり、0.010%以上が好ましく、0.015%以上がより好ましく、0.020%以上がさらに好ましい。
一方、この効果は飽和することから、Nb量は、0.15%以下であり、0.12%以下が好ましく、0.10%以下がより好ましく、0.08%以下がさらに好ましい。
Tiは、微細な炭化物や窒化物を形成するのみならず、結晶粒の粗大化を抑制し、熱間プレス後の旧オーステナイトの結晶粒径を微細化する。これにより、プロジェクション溶接後の押込剥離強度を向上させる。このような効果を得るためには、Ti量は、0.005%以上であり、0.010%以上が好ましく、0.015%以上がより好ましく、0.020%以上がさらに好ましい。
一方、この効果は飽和することから、Ti量は、0.15%以下であり、0.12%以下が好ましく、0.10%以下がより好ましく、0.08%以下がさらに好ましい。
Bは、焼入れ性を向上させ、熱間プレス後のマルテンサイトの確保に有効な元素である。また、Bは、粒界に偏析することで粒界強度を向上させるため、プロジェクション溶接後の押込剥離強度の向上に有効である。このような効果を得るためには、B量は、0.0002%以上が好ましく、0.0008%以上がより好ましく、0.0012%以上がさらに好ましい。
一方、B量が多すぎると、靱性が劣化し、プロジェクション溶接後の押込剥離強度を低下させる場合がある。このため、B量は、0.0050%以下が好ましく、0.0035%以下がより好ましく、0.0030%以下がさらに好ましい。
Moは、固溶強化により鋼板の強度増加に寄与するとともに、焼入れ性を向上させ、熱間プレス後のマルテンサイトの生成に有効な元素である。このような効果を得るためには、Mo量は、0.005%以上が好ましく、0.01%以上がより好ましく、0.05%以上がさらに好ましい。
一方、この効果は飽和することから、Mo量は、0.50%以下が好ましく、0.35%以下がより好ましく、0.25%以下がさらに好ましい。
Crは、固溶強化により鋼板の強度増加に寄与するとともに、焼入れ性を向上させ、熱間プレス後のマルテンサイトの生成に有効な元素である。このような効果を得るためには、Cr量は、0.005%以上が好ましく、0.01%以上がより好ましく、0.05%以上がさらに好ましい。
一方、Cr量が多すぎると、上記効果は飽和し、さらに表面酸化物が形成されてめっき性が劣化する場合がある。このため、Cr量は、0.50%以下が好ましく、0.35%以下がより好ましく、0.28%以下がさらに好ましい。
Ca、MgおよびREMは、いずれも、脱酸に用いる元素であるとともに、硫化物および酸化物の形状を制御し、粗大な介在物の生成を抑制する。このため、プロジェクション溶接後における靱性が向上し、押込剥離強度が向上する。したがって、Ca量、Mg量およびREM量は、それぞれ、0.0002%以上が好ましく、0.0004%以上がより好ましく、0.0006%以上がさらに好ましい。
一方、Ca量、Mg量およびREM量が多すぎると、介在物の増加を引き起こし、プロジェクション溶接後に介在物が起点となって割れが生じやすくなり、押込剥離強度が低下する場合がある。このため、Ca量、Mg量およびREM量は、それぞれ、0.005%以下が好ましく、0.004%以下がより好ましく、0.002%以下がさらに好ましい。
なお、REM(Rare earth Metal)は、Sc(スカンジウム)およびY(イットリウム)の2元素、ならびに、La(ランタン)からLu(ルテチウム)までの15元素(ランタノイド)の合計17元素の総称である。
Vは、微細な炭化物を形成することにより、強度上昇に寄与する元素である。このため、V量は、0.02%以上が好ましく、0.04%以上がより好ましく、0.06%以上がさらに好ましい。
一方、V量が多すぎると、プロジェクション溶接後における靱性が低下し、押込剥離強度が低下する場合がある。このため、V量は、0.15%以下が好ましく、0.12%以下がより好ましく、0.10%以下がさらに好ましい。
Cuは、固溶強化により高強度化に寄与する元素である。このため、Cu量は、0.02%以上が好ましく、0.04%以上がより好ましく、0.08%以上がさらに好ましい。
一方、この効果は飽和することから、Cu量は、0.50%以下が好ましく、0.40%以下がより好ましく、0.30%以下がさらに好ましい。
Niは、オーステナイト安定化元素である。このため、熱間プレスの加熱過程でオーステナイト変態が促進され、熱間プレス後に所望の体積率を有するマルテンサイトが得られやすい。したがって、Ni量は、0.02%以上が好ましく、0.04%以上がより好ましく、0.08%以上がさらに好ましい。
一方、Ni量が多すぎると、プロジェクション溶接後における靱性が低下し、押込剥離強度が低下する場合がある。このため、Ni量は、0.50%以下が好ましく、0.40%以下がより好ましく、0.30%以下がさらに好ましい。
熱間プレス部材を得る工程においては、熱間プレス用鋼板の加熱から、熱間プレス後の冷却開始までに、鋼板に脱炭層が生じ得る。Snは、この脱炭層の生成を抑制する。このため、鋼板表層部において、所望の体積率を有するマルテンサイトが得られやすい。このような効果を得るためには、Sn量は、0.001%以上が好ましく、0.03%以上がより好ましく、0.07%以上がさらに好ましい。
一方、この効果は飽和することから、Sn量は、0.50以下が好ましく、0.40%以下がより好ましく、0.30%以下がさらに好ましい。
Znは、熱間プレス時の焼入れ性を高めるので、熱間プレス後のマルテンサイトの形成による高強度化に寄与する元素である。このため、Zn量は、0.01%以上が好ましく、0.02%以上がより好ましく、0.03%以上がさらに好ましい。
一方、Zn量が多すぎると、プロジェクション溶接後における靱性が低下し、押込剥離強度が低下する場合がある。このため、Zn量は、0.10%以下が好ましく、0.08%以下がより好ましく、0.06%以下がさらに好ましい。
Taは、炭化物や窒化物を生成することにより高強度化に寄与する。このため、Ta量は、0.01%以上が好ましく、0.02%以上がより好ましく、0.03%以上がさらに好ましい。
一方、この効果は飽和することから、Ta量は、0.10%以下が好ましく、0.08%以下がより好ましく、0.06%以下がさらに好ましい。
鋼板の成分組成について、上述した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。
次に、めっき層を除いた鋼板の表面から板厚方向50μm以内のミクロ組織について説明する。
めっき層を除いた鋼板の表面から板厚方向50μm以内における旧オーステナイトの平均結晶粒径(以下、単に「旧オーステナイトの平均結晶粒径」ともいう)は、鋼板の靱性に影響を及ぼす。この結晶粒径が大きすぎると、靱性が劣化してプロジェクション溶接後の押込剥離強度が低下する。
このため、旧オーステナイトの平均結晶粒径は、7μmであり、6μm以下が好ましく、5.5μm以下がより好ましい。
下限は特に限定されないが、旧オーステナイトの平均結晶粒径は、0.5μm以上が好ましく、1μm以上がより好ましく、1.5μm以上がさらに好ましい。
めっき層を除いた鋼板の表面から板厚方向50μm以内におけるマルテンサイトの体積率(以下、単に「マルテンサイトの体積率」ともいう)は、90%以上である。これにより、1780MPa以上の引張強さが得られる。マルテンサイトの体積率は、93%以上が好ましく、95%以上がより好ましく、96%以上がさらに好ましい。上限は、例えば、100%である。
なお、残部組織としては、例えば、フェライト、ベイナイトおよびパーライト等が考えられる。これらの残部組織は、合計で、10%以下が好ましく、7%以下がより好ましく、5%以下がさらに好ましく、4%以下が特に好ましい。
本発明の熱間プレス部材は、上述した鋼板の表面に、めっき層を有する。これにより、本発明の熱間プレス部材は、耐食性等に優れる。めっき層の厚さは、特に限定されず、用途等に応じて適宜選択される。
めっき層としては、特に限定されないが、Zn系めっき層(Znを含有するめっき層)、Zn-Ni系めっき層(ZnおよびNiを含有するめっき層)、および、Al系めっき層(Alを含有するめっき層)が好適に挙げられる。
Zn系めっき層、Zn-Ni系めっき層およびAl系めっき層は、主成分であるZn、NiおよびAl以外に、さらに、Si、Mg、Ni、Fe、Sn、Pb、Be、B、P、S、Ti、V、W、Mo、Sb、Cd、Nb、Cr、Srなどの元素(1種単独で用いてもよく、2種以上併用してもよい)を含有するめっき層であってもよい。
なお、本発明の熱間プレス部材におけるめっき層は、後述する熱間プレス用鋼板が有するめっき層が後述する加熱および熱間プレスを経ることにより形成される。
例えば、本発明の熱間プレス部材がZn系めっき層を有する場合、このZn系めっき層は、熱間プレス用鋼板におけるZnを含有するめっき層が、加熱および熱間プレスされることにより形成される。
熱間プレス用鋼板が加熱される際に、めっき層の表面に酸化物層が形成される場合がある。すなわち、本発明の熱間プレス部材は、そのめっき層の表面に、酸化物層を有する場合がある。
めっき層の表面の酸化物層が厚くなりすぎると、プロジェクション溶接時の電気抵抗が上昇し、さらに、プロジェクション溶接後の押込剥離強度が不十分になる場合がある。
例えば、めっき層が、Zn系めっき層またはZn-Ni系めっき層である場合を考える。この場合、電気抵抗値が高いZnO層が、めっき層の表面に形成される。このZnO層が厚すぎると、プロジェクション部を有するナットを溶接する際に、通電経路の形成が阻害されて、溶接しにくい可能性がある。
したがって、プロジェクション溶接後の押込剥離強度がより優れるという理由から、めっき層の表面の酸化物層の厚さは、5μm以下が好ましく、4μm以下がより好ましく、3μm以下がさらに好ましい。
本発明の熱間プレス部材は、めっき層の表面の十点平均粗さRzjisが25μm以下である。
引張強さが1780MPa以上である鋼板(熱間プレス部材)に、プロジェクション部を有するナットを溶接する場合、ナットのプロジェクション部および鋼板の極表層のみが溶融し、溶融した極表層は鋼板から弾かれ、鋼板の新生面で溶接されると考えられる。このため、めっき層の表面形状を制御する。ナットのプロジェクション部とめっき層の表面とを十分に密着させて、優れた押込剥離強度を得るために、めっき層の表面の十点平均粗さRzjisを、25μm以下とする。
なお、本発明の熱間プレス部材において、めっき層の表面形状は、鋼板の表面形状を追従した形状である。
押込剥離強度がより優れるという理由から、めっき層の表面の十点平均粗さRzjisは、20.0μm以下が好ましく、15.0μm以下がより好ましい。
下限は特に限定されないが、1.0μm以下が好ましい。
本発明の熱間プレス部材は、1780MPa以上の引張強さを有する。
引張強さは、1800MPa以上が好ましく、1810MPa以上がより好ましい。上限は特に限定されないが、引張強さは、2500MPa以下が好ましい。
次に、本発明の熱間プレス用鋼板の製造方法を説明する。
本発明の熱間プレス用鋼板の製造方法は、上述した成分組成を有する鋼素材を、1100℃以上1250℃以下の温度で、30分以上120分以下加熱し、上記加熱した上記鋼素材に、860℃以上950℃以下の仕上げ圧延温度で熱間圧延を施すことにより、熱延鋼板を得て、上記熱延鋼板を、500℃以下の巻取温度で巻き取り、上記巻き取りした上記熱延鋼板を、20℃以上70℃以下の温度の酸液を用いて、10秒以上100秒以下酸洗し、上記酸洗した上記熱延鋼板に冷間圧延を施すことにより、冷延鋼板を得て、上記冷延鋼板に、第1の焼鈍および第2の焼鈍からなる焼鈍を施し、上記焼鈍を施した上記冷延鋼板にめっき処理を施すことにより、熱間プレス用鋼板を得る、熱間プレス用鋼板の製造方法である。
鋼素材であるスラブを、熱間圧延することにより、熱延鋼板を得る。以下、熱延鋼板を単に「鋼板」ともいう。
スラブを、熱間圧延する前に加熱する。このとき、スラブを、鋳造後、再加熱することなく1100℃以上の温度で30分以上保持してから熱間圧延を開始する、または、1100℃以上に再加熱した後、30分以上保持してから熱間圧延を開始する。
この加熱は、鋳造中に析出したTiおよびNbを再固溶させるのに重要である。
スラブ加熱温度が1100℃未満またはスラブ加熱時間が30分未満である場合、TiおよびNbが十分に再固溶されない。この場合、焼鈍後の鋼板に粗大なTiおよびNbの炭窒化物が生成し、プロジェクション溶接後の押込剥離強度が低下する。
一方、スラブ加熱温度が1250℃超またはスラブ加熱時間が120分超である場合、鋼板表層にSiを含む鉄酸化物が過剰に生成し、熱間圧延後のデスケーリングや酸洗で十分に除去されない。このため、熱間プレス後における熱間プレス部材の十点平均粗さが大きくなる。
したがって、スラブ加熱温度は1100℃以上1250℃以下であり、スラブ加熱時間は30分以上120分以下である。
スラブ加熱温度は、1110℃以上1240℃以下が好ましい。
スラブ加熱時間は、40分以上110分以下が好ましい。
熱間圧延は、鋼板内の組織を均一化したり、材質の異方性を低減したりする。これにより、焼鈍後の耐抵抗溶接割れ特性を向上させる。このため、熱間圧延は、オーステナイト単相域にて終了する必要がある。また、高温域で熱間圧延を施す間に、Sbを鋼板表層に濃化させる必要がある。したがって、熱間圧延の仕上げ圧延温度(仕上げ圧延終了温度)は、860℃以上である。仕上げ圧延温度が低すぎる場合、マルテンサイトの体積率が低下する。
一方、仕上げ圧延温度が高すぎると、熱延鋼板の組織が粗大になり、焼鈍後の結晶粒も粗大化する。また、Si系の鉄酸化物が過剰に生成し、熱間圧延後のデスケーリングや酸洗で十分に除去されない。このため、仕上げ圧延温度は、950℃以下であり、940℃以下が好ましい。
熱間圧延により得られた熱延鋼板を、冷却し、巻取温度で巻き取りする。
巻取温度が500℃を超えて高すぎると、熱延鋼板の鋼板の組織に、フェライトおよびパーライトが過剰に生成し、所定のマルテンサイトの体積率を確保することが困難となり、1780MPa以上の引張強さが得られない。したがって、巻取温度は、500℃以下であり、470℃以下が好ましい。
一方、下限は特に限定されないが、巻取温度が過度に低温になると、硬質なマルテンサイトが過剰に生成し、冷間圧延の負荷が増大しやすい。このため、巻取温度は、300℃以上が好ましく、350℃以上がより好ましい。
熱間圧延で生成するスケールは、SiO2やSi-Mn系複合酸化物などを含む。これらは、後述するめっき処理を施す場合に支障をきたすため、除去する必要がある。Si-Mn系複合酸化物は、酸に対して容易に溶解する。一方、SiO2は、Si-Mn系複合酸化物よりも酸に対して難溶性であるため、酸液の温度および酸洗時間が重要となる。
酸液の温度は、20℃以上である。これにより、酸に対して難溶性であるSiO2が溶解する。このため、熱間プレス後の熱間プレス部材において、所望の十点平均粗さが得られ、押込剥離強度に優れる。
一方、酸液の温度が高すぎると、酸化物のみならず鋼板(地鉄)まで除去される。このため、酸液の温度は、70℃以下であり、60℃以下が好ましい。
酸洗時間は、10秒以上である。これにより、酸に対して難溶性であるSiO2が溶解する。このため、熱間プレス後の熱間プレス部材において、所望の十点平均粗さが得られ、押込剥離強度に優れる。十点平均粗さの値がより小さくなり、押込剥離強度がより優れるという理由から、酸洗時間は、15秒以上が好ましく、20秒以上がより好ましい。
一方、酸洗時間が長すぎると、酸化物のみならず鋼板(地鉄)まで除去される。このため、酸洗時間は、100秒以下であり、95秒以下が好ましい。
次に、酸洗を経た熱延鋼板に、冷間圧延を施す。これにより、所定の板厚の冷延鋼板を得る。以下、冷延鋼板を単に「鋼板」ともいう。冷間圧延の方法は、特に限定されず、常法に従って実施できる。
第1の焼鈍は、冷間圧延後の再結晶を促進させるとともに、熱間プレス後の鋼板の組織を制御する。熱間圧延後に鋼板に固溶しているNbおよびTiを、オーステナイト単相域で焼鈍して急冷することにより、微細に析出させる。また、マルテンサイト単相とすることにより、第2の焼鈍において核生成サイトが増加するため、鋼板の組織が微細化する。
第1の焼鈍における均熱温度は、オーステナイト単相域である。この均熱温度が低すぎると、再結晶が十分に行なわれず、第2の焼鈍で生成する鋼板の組織が粗大化する。このため、熱間プレス後に、所望する旧オーステナイトの結晶粒径が得られない。したがって、均熱温度は、850℃以上であり、860℃以上が好ましい。
一方、均熱温度が高すぎる場合、結晶粒が粗大化する。このため、均熱温度は、950℃以下であり、940℃以下が好ましい。
上述した均熱温度にて鋼板を保持する。これにより、再結晶を十分に行ない、熱間プレス後に、所望する旧オーステナイトの結晶粒径を得る。このため、均熱温度での保持時間は、5秒以上が好ましく、50秒以上がより好ましく、100秒以上がさらに好ましい。
一方、保持時間が長すぎると旧オーステナイトの結晶粒径が粗大化するため、均熱温度での保持時間は、600秒以下であり、580秒以下が好ましい。
次に、均熱時間で保持した後の鋼板を、冷却停止温度まで冷却し、保持する。
冷却停止温度が低すぎると、マルテンサイトが過剰に生成する。このため、鋼板の組織の微細化への影響が小さくなる。したがって、冷却停止温度は、300℃以上であり、320℃以上が好ましく、340℃以上がより好ましい。
一方、冷却停止温度が高すぎると、熱間プレス後に、所望する旧オーステナイトの結晶粒径を確保することが困難となる。したがって、冷却停止温度は、450℃以下であり、440℃以下が好ましい。
冷却停止温度での保持時間が短すぎると、マルテンサイトが過剰に生成する。このため、鋼板の組織の微細化への影響が小さくなる。したがって、冷却停止温度での保持時間は、60秒以上であり、120秒以上が好ましく、180秒以上がより好ましい。
一方、冷却停止温度で長時間保持すると、組織の変態はほぼ完了する。このため、冷却停止温度での保持時間は、1800秒以下であり、1600秒以下が好ましい。
冷却停止温度で保持した鋼板は、室温まで冷却される。
第1の焼鈍を施した鋼板に対して、次いで、第2の焼鈍を施す。まず、冷却された鋼板を昇温させて、均熱温度で保持する。
第2の焼鈍における均熱温度は、フェライトおよびオーステナイトの2相域である。この均熱温度が低すぎると、フェライトが多くなる。このため、熱間プレス後に、所望するマルテンサイトの体積率が得られない。したがって、均熱温度は、720℃以上であり、740℃以上が好ましい。
一方、均熱温度が高すぎると、結晶粒が粗大化する。このため、熱間プレス後に、所望する旧オーステナイトの結晶粒径が得られない。したがって、均熱温度は、850℃以下であり、840℃以下が好ましい。
鋼板を上述した均熱温度にて保持する。均熱温度での保持時間が短すぎると、フェライトが多くなり、熱間圧延後に、所望するマルテンサイトの体積率が得られない。したがって、均熱温度での保持時間は、15秒以上であり、25秒以上が好ましく、40秒以上がより好ましい。
一方、上限は特に限定されないが、均熱温度での保持時間は、600秒以下が好ましく、500秒以下がより好ましく、400秒以下がより好ましい。
次に、均熱温度で保持した後の鋼板を、冷却停止温度まで冷却する。
このとき、平均冷却速度が遅すぎると、冷却中にフェライト変態が進行して、マルテンサイトの体積率が減少し、また、NbおよびTiの炭窒化物が粗大化する。さらに、プロジェクション溶接後の押込剥離強度が低下する。したがって、平均冷却速度は、5℃/s以上であり、8℃/s以上が好ましく、10℃/s以上がより好ましい。
一方、上限は特に限定されないが、設備上の観点およびコストの面から、平均冷却速度は、30℃/s以下が好ましく、25℃/s以下がより好ましい。
冷却停止温度が高すぎると、熱間プレス後に、所望する鋼板の組織が得られない。したがって、冷却停止温度は、600℃以下であり、580℃以下が好ましい。
一方、下限は特に限定されないが、冷却停止温度は、250℃以上が好ましく、300℃位上がより好ましく、350℃以上がさらに好ましい。
次いで、600℃以下まで冷却した鋼板に対して、めっき処理を施して、めっき層を形成する。これにより、熱間プレス用鋼板を得る。得られた熱間プレス用鋼板は、めっき層により、後述する熱間プレスによる酸化が防止され、また、耐食性にも優れる。
めっき処理の方法は、特に限定されず、公知の溶融めっき法、電気めっき法、蒸着めっき法など適用できる。めっき処理後に合金化処理を施してもよい。
上述したように、めっき処理で形成されるめっき層が、後述する加熱および熱間プレスを経ることにより、上述した本発明の熱間プレス部材が有するめっき層となる。このため、めっき処理で形成するめっき層の種類は、所望する本発明の熱間プレス部材のめっき層の種類に応じて、適宜選択する。
具体的には、例えば、めっき処理で形成されるめっき層としては、上述した本発明の熱間プレス部材が有するめっき層と同様に、Zn系めっき層、Zn-Ni系めっき層、Al系めっき層などが好適に挙げられる。耐食性をより向上させたり、熱間プレスの際の溶融Znに起因する液体金属脆化割れを防止したりする観点からは、Zn-Ni系めっき層が好ましい場合がある。
Zn系めっき層としては、例えば、溶融めっき法により形成される溶融Znめっき層、これを合金化した合金化溶融Znめっき層などが挙げられる。
Zn-Ni系めっき層としては、例えば、電気めっき法により形成される電気Zn-Ni合金めっき層などが挙げられる。
Al系めっき層としては、例えば、溶融めっき法により形成される溶融Alめっき層などが挙げられる。
熱間プレス用鋼板における鋼板(冷延鋼板)のミクロ組織について説明する。
めっき層を除いた鋼板の表面から板厚方向50μm以内のミクロ組織について、平均結晶粒径が7μm以下であるフェライトの体積率は、20%以上が好ましい。これにより、熱間プレス後に、所望する旧オーステナイトの平均粒径が得られやすい。
一方、このフェライトの体積率が高すぎると、フェライト以外の硬質相にCやMnが濃縮し、熱間プレス後に、所望する旧オーステナイトの結晶粒径が得られにくい。このため、このフェライトの体積率は、85%以下が好ましい。
本発明の熱間プレス部材の製造方法は、上述した本発明の熱間プレス用鋼板の製造方法によって得られた熱間プレス用鋼板を、Ac3変態点以上(Ac3+100)℃以下の温度に加熱し、上記加熱した上記熱間プレス用鋼板に、熱間プレスを施すことにより、熱間プレス部材を得る、熱間プレス部材の製造方法である。
まず、熱間プレス用鋼板を、後述する加熱温度に加熱する。
加熱開始温度からAc3変態点までの平均加熱速度は、めっき層の表面の酸化物層の厚さに寄与する。めっき層の表面の酸化物層が厚くなることを抑制し、所望の押込剥離強度を得やすいという理由から、加熱開始温度からAc3変態点までの平均加熱速度は、50℃/s以上が好ましく、55℃/s以上がより好ましく、60℃/s以上がさらに好ましい。一方、上限は特に限定されず、例えば、150℃/s以下であり、120℃/s以下が好ましい。
加熱開始温度は、特に限定されず、例えば、0℃以上60℃以下である。
加熱の方法は、公知の方法が適用でき、例えば、熱間プレス用鋼板を、電気炉、ガス炉、通電加熱炉、遠赤外線加熱炉などを用いて加熱する。
Ac3変態点(単位:℃)は、下記式によって求める。
Ac3変態点=881-206C+53Si-15Mn-20Ni-1Cr-27Cu+41Mo
ただし、上記式中の元素記号は、成分組成における各元素の含有量(単位:質量%)を表し、元素を含有しない場合は0として計算する。
加熱温度がAc3変態点未満である場合、鋼板の組織にフェライトが多量に残存する。このため、熱間プレス後の鋼板の組織において、所望するマルテンサイトの体積率を得ることが困難になる。
一方、加熱温度が(Ac3+100)℃を超えると、めっき層の酸化や合金化が過度に進行する。このため、めっき層の表面の十点平均粗さが大きくなる。また、めっき層が蒸発して、鋼板(地鉄)が露出する場合がある。したがって、加熱温度は、(Ac3+100)℃以下である。
次に、上述した加熱温度に加熱した熱間プレス用鋼板に、熱間プレスを施す。これにより、上述した本発明の熱間プレス部材が得られる。熱間プレスの方法は、特に限定されず、従来公知の方法は、適宜採用できる。
下記表1に示す成分組成を有する(残部はFeおよび不可避的不純物からなる)鋼を溶解し、連続鋳造してスラブ(鋼素材)を得た。
具体的には、一部の例では、連続溶融めっきラインにおいて、焼鈍を施した後、溶融Znめっき処理を施して、溶融Znめっき層を形成した(下記表2および表3では「Zn」と表記)。
別の一部の例では、連続焼鈍ラインにて焼鈍を施した後に、電気Znめっきラインにおいて、電気Zn-Ni合金めっき層を形成した(下記表2および表3では「Zn-Ni」と表記)。
さらに別の一部の例では、連続溶融めっきラインにおいて、焼鈍を施した後、溶融Alめっき処理を施して、溶融Alめっき層を形成した(下記表2および表3では「Al」と表記)。
得られた熱間プレス用鋼板を、雰囲気加熱炉を用いて、大気中で、下記表2および表3に示す平均加熱速度で加熱温度に加熱し、熱間プレスを施し、その後、冷却した。このようにして得られた、熱間プレスを施した熱間プレス用鋼板を、熱間プレス部材とした。
熱間プレスで使用した金型は、パンチ幅が70mm、パンチ肩Rが4mm、ダイ肩Rが4mmであった。成形深さは30mmであった。
熱間プレス後、冷却した。具体的には、パンチおよびダイの挟み込みによる冷却と、挟み込みから解放したダイ上での空冷とを組み合わせ、プレス温度から150℃まで冷却した。このとき、パンチを下死点にて保持する時間を1~60秒の範囲で変えることにより、冷却速度を調整した。
得られた熱間プレス部材における鋼板(冷延鋼板)のミクロ組織を観察し、マルテンサイトの体積率、および旧オーステナイトの平均結晶粒径を求めた。結果を下記表4および表5に示す。
具体的には、まず、めっき層を除いた鋼板の表面から板厚方向に50μm以内の断面(鋼板の圧延方向に平行な断面)が観察面となるように、熱間プレス部材を研磨した。研磨後、鋼板の観察面を、3体積%ナイタールを用いて腐食させてから、SEM(走査型電子顕微鏡)を用いて5000倍の倍率で観察し、SEM画像を得た。SEM画像の解析には、解析ソフトとして、Media Cybernetics社のImage-Proを用いた。得られたSEM画像におけるコントラストが白い相の面積率を測定し、その面積率を、マルテンサイトの体積率(単位:%)とした。
得られたSEM画像から、旧オーステナイトの結晶粒を識別し、その面積を求めた。求めた面積から、円相当直径の値を算出した。算出した値を平均して、旧オーステナイトの平均結晶粒径(単位:μm)とした。
得られた熱間プレス部材について、上述した方法と同様にして、SEMを用いて1000倍の倍率で観察し、めっき層のSEM画像を得た。得られたSEM画像から、めっき層の表層に形成された酸化物層の厚さを5点測定し、その平均値をめっき層の表面の酸化物層の厚さ(単位:μm)とした。結果を下記表4および表5に示す。
得られた熱間プレス部材のハット底部の位置から、JIS 5号引張試験片を採取した。採取した試験片を用いて、JIS Z 2241に準拠して引張試験を行ない、引張強さ(TS)を測定した。結果を下記表4および表5に示す。
得られた熱間プレス部材について、めっき層の表面の十点平均粗さRzjisを、JIS B 0601:2013に準拠して測定した。測定長さを4.0mm、カットオフ値を0.8mmとし、十点平均粗さRzjisを求めた。結果を下記表4および表5に示す。
得られた熱間プレス部材から、50mm×150mmの試験片を採取した。採取した試験片の中央に直径10mmの穴を開けた。4点のプロジェクション部を有するM6溶接用ナットを、試験片の穴の中心とナット穴の中心とが一致するように、交流溶接機にセットした。溶接ガンに取り付けられたサーボモータ加圧式で、単相交流(50Hz)の抵抗溶接を行ない、プロジェクション溶接部を有する試験片(以下、「溶接体」ともいう)を作製した。一対の電極チップ(平型30mmφの電極)を使用した。溶接条件は、加圧力は3000N、通電サイクルは7サイクル(50Hz)、溶接電流は12kA、ホールド時間は10サイクル(50Hz)とした。
得られた溶接体のナット穴にボルトを固定した。その後、JIS B 1196:2001に準拠した押込剥離試験によって、ナットが試験片から剥離するときの荷重を測定した。そのときの荷重が8.0kN以上の場合はプロジェクション溶接部の押込剥離強度が非常に良好(A)、8.0kN未満6.5kN以上の場合は押込剥離強度が良好(B)、6.5kN未満の場合は押込剥離強度が不十分(C)とした。結果を下記表4および表5に示す。
上記表2および表3中の「第2の焼鈍」の欄において、「平均冷却速度」は、「均熱温度」から「冷却停止温度」までの平均冷却速度を表す。
No.1~No.9、No.41およびNo.42の熱間プレス部材は、引張強さが1780MPa以上であって、かつ、押込剥離強度に優れていた。
酸洗時間以外は同じ条件であるNo.1とNo.2とを対比すると、酸洗時間が長いNo.1は、酸洗時間が短いNo.2よりも、十点平均粗さの値が小さく、押込剥離強度がより良好であった。
加熱開始温度からAc3変態点までの平均加熱速度以外は同じ条件であるNo.41とNo.42とを対比すると、平均加熱速度が速いNo.41は、平均加熱速度が遅いNo.42よりも、めっき層の表面の酸化物層が薄く、押込剥離強度がより良好であった。
No.11(Cが多い鋼種Jを使用)は、押込剥離強度が不十分であった。
No.12(Siが多い鋼種Kを使用)は、十点平均粗さの値が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
No.13(Mnが少ない鋼種Lを使用)は、マルテンサイトの体積率が小さく、引張強さが1780MPa未満であった。
No.14(Mnが多い鋼種Mを使用)は、押込剥離強度が不十分であった。
No.15(Pが多い鋼種Nを使用)は、押込剥離強度が不十分であった。
No.16(Sが多い鋼種Oを使用)は、押込剥離強度が不十分であった。
No.17(Nが多い鋼種Pを使用)は、押込剥離強度が不十分であった。
No.18(Sbが少ない鋼種Qを使用)は、マルテンサイトの体積率が小さく、引張強さが1780MPa未満であった。
No.19(Nbが少ない鋼種Rを使用)は、旧オーステナイトの平均結晶粒径が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
No.20(Tiが少ない鋼種Sを使用)は、旧オーステナイトの平均結晶粒径が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
No.22(スラブ加熱時間が長い)は、十点平均粗さの値が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
No.23(仕上げ圧延温度が低い)は、マルテンサイトの体積率が小さく、引張強さが1780MPa未満であった。
No.24(仕上げ圧延温度が高い)は、旧オーステナイトの平均結晶粒径が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
No.25(巻取温度が高い)は、マルテンサイトの体積率が小さく、引張強さが1780MPa未満であった。
No.26(酸液の温度が低い)は、十点平均粗さの値が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
No.27(酸洗時間が短い)は、十点平均粗さの値が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
No.29(第1の焼鈍の均熱温度が高い)は、旧オーステナイトの平均結晶粒径が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
No.30(第1の焼鈍の均熱温度での保持時間が長い)は、旧オーステナイトの平均結晶粒径が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
No.31(第1の焼鈍の冷却停止温度が低い)は、旧オーステナイトの平均結晶粒径が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
No.32(第1の焼鈍の冷却停止温度が高い)は、旧オーステナイトの平均結晶粒径が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
No.33(第1の焼鈍の冷却停止温度での保持時間が短い)は、旧オーステナイトの平均結晶粒径が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
No.35(第2の焼鈍の均熱温度が高い)は、旧オーステナイトの平均結晶粒径が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
No.36(第2の焼鈍の均熱温度での保持時間が短い)は、マルテンサイトの体積率が小さく、引張強さが1780MPa未満であった。
No.37(第2の焼鈍の平均冷却速度が遅い)は、マルテンサイトの体積率が小さく、引張強さが1780MPa未満であった。
No.38(第2の焼鈍の冷却停止温度が高い)は、マルテンサイトの体積率が小さく、引張強さが1780MPa未満であった。
No.40(熱間プレスでの加熱温度が高い)は、十点平均粗さの値が大きく、押込剥離強度が不十分であった。
Claims (5)
- 鋼板と、前記鋼板の表面にめっき層と、を有する熱間プレス部材であって、
前記熱間プレス部材の引張強さが、1780MPa以上であり、
前記めっき層の表面の十点平均粗さRzjisが、15.0μm以下であり、
前記鋼板は、
質量%で、C:0.25%以上0.50%未満、Si:1.5%以下、Mn:1.1%以上2.4%以下、P:0.05%以下、S:0.005%以下、Al:0.01%以上0.50%以下、N:0.010%以下、Sb:0.001%以上0.020%以下、Nb:0.005%以上0.15%以下、および、Ti:0.005%以上0.15%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成と、
前記めっき層を除いた前記鋼板の表面から板厚方向50μm以内において、旧オーステナイトの平均結晶粒径が7μm以下であり、かつ、マルテンサイトの体積率が90%以上であるミクロ組織と、
を有する、熱間プレス部材。 - 前記鋼板の成分組成が、さらに、質量%で、B:0.0050%以下、Mo:0.50%以下、Cr:0.50%以下、Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下、REM:0.005%以下、V:0.15%以下、Cu:0.50%以下、Ni:0.50%以下、Sn:0.50%以下、Zn:0.10%以下、および、Ta:0.10%以下からなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、請求項1に記載の熱間プレス部材。
- 前記めっき層が、Zn系めっき層、Zn-Ni系めっき層、または、Al系めっき層である、請求項1または2に記載の熱間プレス部材。
- 請求項1または2に記載の成分組成を有する鋼素材を、1100℃以上1250℃以下の温度で、30分以上120分以下加熱し、
前記加熱した前記鋼素材に、860℃以上950℃以下の仕上げ圧延温度で熱間圧延を施すことにより、熱延鋼板を得て、
前記熱延鋼板を、500℃以下の巻取温度で巻き取り、
前記巻き取りした前記熱延鋼板を、20℃以上70℃以下の温度の酸液を用いて、20秒以上100秒以下酸洗し、
前記酸洗した前記熱延鋼板に冷間圧延を施すことにより、冷延鋼板を得て、
前記冷延鋼板に、第1の焼鈍および第2の焼鈍からなる焼鈍を施し、
前記焼鈍を施した前記冷延鋼板にめっき処理を施すことにより、熱間プレス用鋼板を得て、
ただし、前記第1の焼鈍では、前記冷延鋼板を、850℃以上950℃以下の温度で600秒以下保持し、次いで、350℃以上450℃以下の冷却停止温度まで冷却し、前記冷却停止温度で60秒以上1800秒以下保持し、その後、室温まで冷却し、
前記第2の焼鈍では、前記第1の焼鈍が施された前記冷延鋼板を、720℃以上850℃以下の温度で15秒以上保持し、次いで、600℃以下の冷却停止温度まで5℃/s以上の平均冷却速度で冷却し、
得られた前記熱間プレス用鋼板を、Ac3変態点以上(Ac3+100)℃以下の加熱温度に加熱し、
前記加熱した前記熱間プレス用鋼板に、熱間プレスを施すことにより、請求項1~3のいずれか1項に記載の熱間プレス部材を得る、熱間プレス部材の製造方法。 - 前記熱間プレス用鋼板を前記加熱温度に加熱する際に、加熱開始温度からAc3変態点までの平均加熱速度が50℃/s以上である、請求項4に記載の熱間プレス部材の製造方法。
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