JP7464495B2 - 局所的に軟化された部分を有する鋼部品の製造方法 - Google Patents
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Description
C :0.05~0.40質量%、
Si:0~2.0質量%、
Mn:1.0~3.0質量%、
Al:0.010~1.0質量%、
P:0質量%超0.100質量%以下、
S:0質量%超0.010質量%以下、
N:0質量%超0.010質量%以下、
B :0.0005~0.010質量%、および
残部:鉄および不可避不純物
からなる化学組成の鋼板を用意する工程と、
前記鋼板をAc1点(℃)以上Ac3点(℃)+10℃未満の温度に加熱する工程と、
前記加熱する工程後、675℃以上Ac3点(℃)+10℃未満の加工温度で、ひずみを0.5%以上加える加工工程と、
前記加工工程後、前記加工温度で1秒以上120秒以下保持するか、または0℃/秒超15℃/秒以下の平均冷却速度で1秒以上120秒以下徐冷する工程と、
前記保持または徐冷する工程後、Ms点(℃)-50℃まで冷却する工程と、を含み、
前記加熱する工程の前記温度から、Ms点(℃)-50℃までの平均冷却速度を10℃/秒以上に制御する、鋼部品の製造方法である。
C :0.05~0.40質量%、
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残部:鉄および不可避不純物
からなる化学組成の鋼板を用意する工程と、
前記鋼板をAc3点(℃)+10℃以上1100℃以下の温度に加熱する工程と、
前記加熱する工程後、Ms点(℃)+50℃以上Ac3点(℃)+10℃未満の加工温度でひずみを10%以上加える加工工程と、
前記加工工程後、前記加工温度で1秒以上120秒以下保持するか、または0℃/秒超15℃/秒以下の平均冷却速度で1秒以上120秒以下徐冷する工程と、
前記保持または徐冷する工程後、Ms点(℃)-50℃まで冷却する工程と、を含み、
前記加熱する工程における前記温度から、Ms点(℃)-50℃までの平均冷却速度を10℃/秒以上に制御する、鋼部品の製造方法である。
Cu:0質量%超0.50質量%以下、および
Ni:0質量%超0.50質量%以下
よりなる群から選択される一種以上を更に含有する態様1または2に記載の製造方法である。
Ti:0質量%超0.10質量%以下、
Cr:0質量%超3.0質量%以下、および
Nb:0質量%超0.10質量%以下
よりなる群から選択される一種以上を更に含有する態様1~3のいずれか1つに記載の製造方法である。
なお、本明細書において、「鋼部品」とは、本発明の実施形態1および2の加工する工程により所定形状に加工された鋼板のことをいう。
本発明の実施形態1に係る製造方法は、
(a)鋼板を用意する工程と、
(b)工程(a)の後、加熱する工程と、
(c)工程(b)の後、加工する工程と、
(d)工程(c)の後、保持または徐冷する工程と、
(e)工程(d)の後、冷却する工程と、
を含む。
以下、各工程について説明する。
本発明の実施形態1に係る鋼板の化学組成は、C:0.05~0.40質量%、Si:0~2.0質量%、Mn:1.0~3.0質量%、Al:0.010~1.0質量%、P:0質量%超0.100質量%以下、S:0質量%超0.010質量%以下、N:0質量%超0.010質量%以下、B:0.0005~0.010質量%、および残部:鉄および不可避不純物からなる。
以下、各元素について詳述する。
C含有量は、鋼部品の強度を決定する。鋼部品の十分な強度を得るために、C含有量は0.05質量%以上であり、好ましくは0.10質量%以上であり、より好ましくは、0.20質量%以上である。
Siは任意で鋼板に含まれる元素である。Siは焼戻し軟化抵抗を高めることにより、鋼板の硬度安定性に寄与する。そのため、Siは鋼板に0質量%超で含まれていることが好ましい。
Mnは、鋼板の焼入れ性を高めることにより鋼部品の高強度化に寄与する。この効果を発揮させるために、Mn含有量は、1.0質量%以上とし、好ましくは1.2質量%以上であり、より好ましくは1.4質量%以上である。
Alは、脱酸剤として作用する元素である。こうした効果を発揮させるために、Al量は、0.010質量%以上とする。Al量は、好ましくは0.020質量%以上、より好ましくは0.025質量%以上である。しかしながら、Alを過剰に含有させることは、製造上のコストアップに繋がると共に、Ac3点を著しく高め、素材加熱温度の高温化による表面品質の悪化(脱炭や減肉)を引き起こす。そのため、Al量は1.0質量%以下とする。Al量は、好ましくは0.80質量%以下であり、より好ましくは0.70質量%以下である。
Pは、不可避的に含有する元素であり、鋼板の溶接性を劣化させる元素であるが、フェライト相の固溶強化に寄与する効果を有する元素でもある。このような効果を発揮させつつ鋼板の溶接性を劣化させないためには、P量は0.100質量%以下とする。P量は、好ましくは0.050質量%以下であり、より好ましくは0.020質量%以下である。なお、Pは鋼中に不可避的に混入してくる不純物であり、その量を0質量%にすることは工業生産上不可能であり、通常0質量%超、さらには0.00050質量%以上で含有し得る。
Sは、不可避的に含有する元素であり、鋼板の溶接性を劣化させる。したがって、S量は0.010質量%以下とする。S量は、好ましくは0.0080質量%以下であり、より好ましくは0.0050質量%以下である。S量は、できるだけ少ない方が良いため、下限は特に限定されないが、その量を0質量%にすることは工業生産上不可能であり、通常0質量%超、さらには0.00010質量%以上で含有し得る。
Nは、不可避的に含有する元素であり、過剰に含まれるとAlNを生成させ、Alによる脱酸効果を低減させる。したがって、N量は0.010質量%以下とする。N量は、好ましくは0.0080質量%以下であり、より好ましくは0.0050質量%以下である。N量は、できるだけ少ない方が良いため、下限は特に限定されないが、その量を0質量%にすることは工業生産上不可能であり、通常0質量%超、さらには0.00010質量%以上で含有し得る。
Bは、鋼板の焼入れ性を高めることにより鋼部品の高強度化に寄与する。この効果を発揮させるために、B含有量は、0.0005質量%以上とし、好ましくは0.0010質量%以上であり、より好ましくは0.0015質量%以上である。
好ましい1つの実施形態では、残部は鉄および不可避不純物である。不可避不純物は、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素である。
なお、例えば、P、SおよびNのように、通常、含有量が少ないほど好ましく、従って不可避不純物であるが、その組成範囲について上記のように別途規定している元素がある。このため、本明細書において、残部を構成する「不可避不純物」という場合は、別途その組成範囲が規定されている元素を除いた概念である。
Cuを含むことにより、鋼板自体の耐食性が向上するため、鋼板の腐食による水素発生を抑制し、耐遅れ破壊性を改善することができる。またCuは、大気中で生成する錆の中でも熱力学的に安定で保護性があるといわれている酸化鉄:α-FeOOHの生成を促進する効果も有している。当該錆の生成促進を図ることで、発生した水素の鋼板への侵入を抑制でき、過酷な腐食環境下において水素による助長割れを抑制することができる。そのため、Cu含有量は0質量%超とすることが好ましく、より好ましくは0.05質量%以上であり、さらに好ましくは0.10質量%以上である。一方、Cu含有量が過剰になると、鋼板製造時のめっき工程でのめっき性およびホットスタンプ後の化成処理性が劣化する。そのため、Cu含有量は0.50質量%以下とすることが好ましい。
NiもCuと同様の効果があることが知られている。そのため、Ni含有量も0質量%超とすることが好ましく、より好ましくは0.05質量%以上であり、さらに好ましくは0.10質量%以上である。一方、Ni含有量は0.50質量%以下とすることが好ましい。
Tiは、TiNを生成することにより鋼板中におけるBNの生成量を少なくする。これにより、鋼板中における固溶Bの量が増加し、Bによる焼入れ性向上の効果を高めることができる。この効果を発揮させるために、Ti含有量は、0質量%超とすることが好ましく、より好ましくは0.0050質量%以上であり、さらに好ましくは0.0250質量%以上、0.050質量%以上である。
一方、鋼板中にTiが過剰に含まれると、結晶粒界に炭化物が析出し、鋼板の焼入れ性が劣化する。このため、Ti含有量は、0.10質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.080質量%以下であり、さらに好ましくは0.070質量%以下である。
一方、鋼板中にCrが過剰に含まれると、鋼板の割れ等を引き起こすおそれがあり、Cr含有量は、3.0質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは2.5質量%以下であり、さらに好ましくは2.0質量%以下である。
一方、鋼板の組織が微細化することで、熱処理時の逆変態は促進されるものの、冷却中にフェライト生成を促進し、鋼部品の強度低下を招き得る。このような効果は、その含有量が増加するにつれて大きくなる。また、冷間圧延性が悪化するという不都合も生じる。こうした観点から、Nbは0.10質量%以下で含有させることが好ましい。好ましくは、0.070質量%以下であり、より好ましくは0.050質量%以下である。
本発明の実施形態1では、上記鋼板をAc1点(℃)以上Ac3点(℃)+10℃未満に加熱する。
Ac1点未満では、オーステナイト変態が起きず、後述する(e)冷却する工程後に高強度鋼部品とすることが困難となる。一方、Ac3点+10℃未満にしておくことで、後述する(c)加工する工程において、軟質組織であるフェライトおよび/またはパーライトの核生成を促進しやすくなる。
上記の(b)加熱する工程後、675℃以上Ac3点+10℃未満の温度でひずみを0.5%以上加える加工を行う。
上記のような温度では、鋼板中に、軟質組織であるフェライトおよび/またはパーライトの核生成サイトである結晶粒界が多く存在し得る。このような不安定な状態で、若干の(すなわち0.5%以上の)ひずみを加えることで、当該ひずみを加えた部分に、軟質組織であるフェライトおよび/またはパーライトの核生成を顕著に促進することができる。より好ましくは、5.0%以上のひずみを加えることであり、さらに好ましくは9.0%以上のひずみを加えることである。
なお、ひずみは下記式(1)により計算され得る。
ひずみ(%)=|(d0-d1)/d0×100| ・・・(1)
d0は加工前の鋼板の板厚または加工後の鋼板における非加工部分の板厚であり、d1は加工後の鋼板のうち加工部分の板厚である。いずれも単位はmmである。
なお、ひずみは、例えばFEM解析により求めた相当塑性ひずみとしてもよい。すなわち、FEM解析で求めた相当塑性ひずみが0.5%以上であれば、同様に軟化させることができる。
上記(b)加熱する工程の加熱温度をAc1点(℃)以上Ac3点(℃)+10℃未満とした上で、加工温度をAc3点+10℃以上とすると、軟質組織の核生成サイトである結晶粒界が少なくなり、若干のひずみを加えるだけでは、軟質組織の核生成を促進することができなくなる。
上記の(c)加工する工程後、0~15℃/秒の平均冷却速度で1秒以上120秒以下保持または徐冷する。すなわち、上記加工温度で1秒以上120秒以下保持するか、0℃/秒超15℃/秒以下の平均冷却速度で1秒以上120秒以下徐冷する。これにより、上記の(c)加工する工程で核生成された、軟質組織であるフェライトおよび/またはパーライトを成長させることができる。
一方、保持または徐冷する時間が120秒超だと、非加工部分においても軟質組織であるフェライトおよび/またはパーライトが析出および成長してしまい、高強度鋼部品を得ることができない。好ましくは12秒以下である。
上記の(d)保持または徐冷する工程後、Ms点(℃)-50℃まで冷却する。この際、上記(b)加熱する工程の加熱温度(すなわち、Ac1点(℃)以上Ac3点(℃)+10℃以下)から、Ms点(℃)-50℃までの平均冷却速度を10℃/秒以上に制御する。これにより、少なくとも非加工部分において、マルテンサイト変態を起こすことができ、非加工部分の強度を十分に確保できる。平均冷却速度10℃/秒以上の冷却をMs点(℃)-50℃超で終了させてしまうと、非加工部分において十分にマルテンサイト変態を起こすことができない。また、平均冷却速度が10℃/秒未満であっても、非加工部分において十分にマルテンサイト変態を起こすことができない。
本発明の実施形態2に係る製造方法は、本発明の実施形態1に係る製造方法と比較して、(b)加熱する工程および(c)加工する工程の条件が異なる。以下、本発明の実施形態1とは異なるそれらの工程を、(b’)加熱する工程および(c’)加工する工程として以下に説明する。
本発明の実施形態2では、前記鋼板をAc3点(℃)+10℃以上1100℃以下に加熱する。本発明の実施形態1とは異なり、加熱する工程においてAc3点+10℃以上に加熱しても、後述する(c’)加工する工程で比較的大きなひずみを加えれば、本発明の実施形態1と同様に、軟質組織であるフェライトおよび/またはパーライトの核生成を顕著に促進できる。一方、1100℃超だと鋼表面の脱炭が顕著になり狙いの強度が確保できなくなる。また、酸化が進み減肉する可能性もある。めっき材であれば、酸化や合金化が進み、めっきの硬度が高くなりすぎて後の加工工程で剥離してしまう(鋼板の酸化、押しキズ)などの問題が生じる。
上記の(b’)加熱する工程後、Ms点(℃)+50℃以上Ac3点(℃)+10℃未満の温度でひずみを10%以上加える加工を行う。Ms点(℃)+50℃以上Ac3点(℃)+10℃未満では、オーステナイトが比較的不安定な状態となるため、比較的大きな(10%以上の)ひずみを加えることで、当該ひずみを加えた部分に、軟質組織であるフェライトおよび/またはパーライトの核生成を顕著に促進することができる。より好ましくは、15%以上のひずみを加えることであり、さらに好ましくは40%以上のひずみを加えることである。なお、ひずみは上記式(1)により計算され得る。また、ひずみは、例えばFEM解析により求めた相当塑性ひずみとしてもよい。すなわち、FEM解析で求めた相当塑性ひずみが10%以上であれば、同様に軟化させることができる。
上記(c)および(c’)の加工する工程におけるひずみを、複数回の加工により加える場合、複数回の加工によるひずみは、下記式(2)のように計算され得る。
なお、上記Ac1点、Ac3点およびMs点は、フォーマスタ試験により求めた。フォーマスタ試験は、以下の条件で行った。
フォーマスタ試験機:富士電波工機製FTM-10
試験片サイズ:板厚2.0mm×幅3.0mm×長さ10mm(ただし、熱電対を挿入するため、Φ0.7mm×深さ2.0mmの穴2箇所あり)
試験回数:7回(冷却速度のみ変更し、他は一定条件)
加熱速度:10℃/s(室温~加熱温度)
加熱温度:950℃
加熱温度での保持時間:180秒
冷却速度:2、5、10、15、20、30、および40℃/s(加熱温度~室温)
また、表1において、鋼種No.AのCu含有量は、不可避不純物レベル(0.01質量%未満)であったため、「-」と記載した。
張出成形部Aの板厚は、鋼部品の中央部、中央部から縦方向に3.75mm離れた位置(中間部と称する)、中央部から縦方向に7.5mm離れた位置(裾部と称する)においてそれぞれ求めた。そして、上記式(1)を用いて、鋼部品の中央部、中間部および裾部の板厚を加工部分の板厚d1とし、非加工部Bの板厚を加工前の鋼板の板厚d0として、鋼部品の中央部、中間部および裾部のひずみを求めた。
非加工部Bの硬度測定位置については図示していないが、非加工部Bの縦および横方向における略中央、且つ板厚方向における鋼部品表面からd/4の位置を3点測定した。
なお、表2において、下線を付した数値は本発明の実施形態1の範囲から外れていることを示す。
なお、「局所的に軟化された」鋼部品として、より好ましい製造例は、中央部、中間部および裾部の少なくとも1つが、非加工部のビッカース硬度と比較して、40HV以上ビッカース硬度が低下したものであり、さらに好ましい製造例は、100HV以上ビッカース硬度が低下したものである。
また、「高強度鋼部品」として、より好ましい製造例は、非加工部のビッカース硬度が、400HV以上であり、さらに好ましい製造例は、500HV以上である。
後述する実施例2および3においても同様に判断している。
一方、表2の製造例1-5~1-8は、本発明の実施形態1で規定する要件を満たしていない例であり、加工により所定以上のひずみ(本発明の実施形態1では0.5%以上)を加えた部分において、局所的に軟化された高強度鋼部品を製造することができなかった。
なお、表4および表5において、下線を付した数値は本発明の実施形態2の範囲から外れていることを示す。
2 中央部における硬度測定1箇所目
3 中央部における硬度測定2箇所目
4 中央部における硬度測定3箇所目
5 中間部における硬度測定1箇所目
6 中間部における硬度測定2箇所目
7 中間部における硬度測定3箇所目
8 裾部における硬度測定1箇所目
9 裾部における硬度測定2箇所目
10 裾部における硬度測定3箇所目
A 張出成形部
B 非加工部
Claims (10)
- C :0.05~0.40質量%、
Si:0~2.0質量%、
Mn:1.0~3.0質量%、
Al:0.010~1.0質量%、
P:0質量%超0.100質量%以下、
S:0質量%超0.010質量%以下、
N:0質量%超0.010質量%以下、
B :0.0005~0.010質量%、および
残部:鉄および不可避不純物
からなる化学組成の鋼板を用意する工程と、
前記鋼板をAc1点(℃)以上Ac3点(℃)+10℃未満の温度に加熱する工程と、
前記加熱する工程後、675℃以上Ac3点(℃)+10℃未満の加工温度でひずみを0.5%以上加える加工工程と、
前記加工工程後、前記加工温度で1秒以上120秒以下保持するか、または0℃/秒超15℃/秒以下の平均冷却速度で1秒以上120秒以下徐冷する工程と、
前記保持または徐冷する工程後、Ms点(℃)-50℃まで冷却する工程とを含み、
前記加熱する工程の前記温度から、Ms点(℃)-50℃までの平均冷却速度を10℃/秒以上に制御する、鋼部品の製造方法。 - C :0.05~0.40質量%、
Si:0~2.0質量%、
Mn:1.0~3.0質量%、
Al:0.010~1.0質量%、
P :0質量%超0.100質量%以下、
S :0質量%超0.010質量%以下、
N :0質量%超0.010質量%以下、
B :0.0005~0.010質量%、および
残部:鉄および不可避不純物
からなる化学組成の鋼板を用意する工程と、
前記鋼板をAc3点(℃)+10℃以上1100℃以下の温度に加熱する工程と、
前記加熱する工程後、Ms点(℃)+50℃以上Ac3点(℃)+10℃未満の加工温度で前記鋼板の一部にひずみを10%以上加える加工工程と、
前記加工工程後、前記加工温度で1秒以上120秒以下保持するか、または0℃/秒超15℃/秒以下の平均冷却速度で1秒以上120秒以下徐冷する工程と、
前記保持または徐冷する工程後、Ms点(℃)-50℃まで冷却する工程とを含み、
前記加熱する工程の前記温度から、Ms点(℃)-50℃までの平均冷却速度を10℃/秒以上に制御する、鋼部品の製造方法。 - 前記鋼板は、
Cu:0質量%超0.50質量%以下、および
Ni:0質量%超0.50質量%以下
よりなる群から選択される一種以上を更に含有する請求項1または2に記載の製造方法。 - 前記鋼板は、
Ti:0質量%超0.10質量%以下、
Cr:0質量%超3.0質量%以下、および
Nb:0質量%超0.10質量%以下
よりなる群から選択される一種以上を更に含有する請求項1~3のいずれか一項に記載の製造方法。 - 張り出し成形により前記ひずみを加えることを含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の製造方法。
- 鍛造により前記ひずみを加えることを含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の製造方法。
- ドロー成形時の曲げ戻しにより前記ひずみを加えることを含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の製造方法。
- せん断加工により前記ひずみを加えることを含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の製造方法。
- 複数回の加工により前記ひずみを加えることを含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記複数回の加工は、変形を加える加工と、前記変形を戻すように行う加工とを含む請求項9に記載の製造方法。
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