JPH0813033A

JPH0813033A - 高強度熱延鋼板の製造方法

Info

Publication number: JPH0813033A
Application number: JP14734194A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Nomura; 茂樹野村
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-06-29
Filing date: 1994-06-29
Publication date: 1996-01-16

Abstract

(57)【要約】【目的】切欠き疲労特性と加工性に優れた熱延鋼板の製
造方法を提供する。【構成】Ｃ：0.05〜0.20％、Si：2.0 ％以下、Mn:0.4〜
1.5 ％、Ｐ： 0.005〜0.05％、sol.Al：0.01〜0.10％、
かつNb：０〜0.10％、Ti:0〜0.20％、Ｖ：０〜0.20％、
Cr：０〜1.0 ％の１種以上、更にCa：０〜0.01％、Zr：
０〜0.10％の１種以上を含み、Ｓは0.0100％以下である
鋼片を、鋳造後直送又は1100℃以上に再加熱後、最終パ
ス出側温度Ａr₃以上で熱延を終了し、その後下記式を
満たす冷却速度ＣＲ（℃／s ）で400 ℃以下まで冷却後
巻き取り、マルテンサイトの体積率を実質的に０％とす
る打抜部の切欠き疲労特性と加工性に優れた熱延鋼板の
製造方法。 log20≦ logＣＲ＜｛−1.73×(%Mn＋1.3%Cr) ＋3.95｝
・・・・【効果】伸びフランジ性が良好で、高い切欠き疲労強度
を有する熱延鋼板を製造することができる。この鋼板は
ホイールなど自動車足廻り部品用素材として好適であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、優れた伸びフランジ性
と打抜部の切欠き疲労強度を有し、自動車用ホイールの
ように繰り返し荷重を受ける機械構造部品用の素材鋼板
として好適な熱延鋼板の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱延鋼板を素材とする製品で疲労強度が
問題となるものは非常に多い。例えば、自動車用ホイー
ルが挙げられる。

【０００３】図４は自動車用ホイールの形状の一例を示
す図であり、図４(a) は正面図、図４(b) は線Ａ−Ａ部
の断面図である。自動車用ホイール４のホイールディス
クには平滑部であるハット部５およびセンター孔６、風
孔（飾り孔) ７、取付ボルト孔８および空気孔９の各孔
部があるが、疲労亀裂の発生する危険箇所は、ポンチに
よる打抜きによって設けられる風孔７である。風孔７は
その形状ゆえに応力集中部であるが、さらに打抜き破面
に発生しているクラックが主にバリ近傍に発生し、これ
がさらに応力集中部となり、一種の切欠きとして作用す
る。

【０００４】図５は、鋼板に打抜きで設けた自動車用ホ
イールの風孔の状態の例を示す縦断面図である。ポンチ
で風孔７を打抜くと、鋼板の下面の主にバリ１の近傍で
打抜き面のマクロ的なクラック２が生じ、これが一種の
切欠き部となって応力集中部となる。疲労亀裂の発生を
抑えるためには、応力集中部になる打抜き下面のクラッ
ク２の発生を抑制する必要がある。

【０００５】ホイールの耐久性を高めるには、(1) 風孔
の形状を変え、風孔に負荷される応力を軽減する、(2)
風孔打抜き後バリをつぶす、(3) 切欠き疲労強度が高い
材料を用いる、などの対策が必要である。

【０００６】風孔の形状は現状でも応力集中が最小にな
るように設計されており、改善の余地は小さい。また、
自動車用ホイールを最小限のコストと時間で製造しなけ
ればならないことを考えると、ホイールの製造段階にお
いてバリをつぶすような新たな工程を設けるのは経済的
ではない。したがって、ホイールの疲労強度を高めるに
は、高い切欠き疲労強度を持つ材料を用いることが最も
有効である。

【０００７】機械構造用熱延鋼板に要求される性質とし
ては、上に述べた切欠き疲労強度のほかに成形性と加工
性がある。一般に、疲労強度は材料の引張強度と対応し
ており、疲労強度を上げるには引張強度を上げればよ
い。しかし、引張強度を高くすると材料コストの上昇を
招くとともに、材料の成形性と加工性が低下する。

【０００８】逆に言えば、切欠き疲労強度の高い熱延鋼
板では、引張強度を高くする必要がないため、優れた延
性と優れた伸びフランジ性が両立する。そのため、機械
構造用熱延鋼板として切欠き疲労強度の高い熱延鋼板を
用いると、その効果は非常に大きい。

【０００９】高強度熱延鋼板の加工性の改善を試みたも
のとして、例えば特開昭60−145355号公報には、フェラ
イトとマルテンサイトの複合組織にする方法が開示され
ている。この方法では低降伏比で高延性が得られるが、
重要な加工性である伸びフランジ性が低いという問題が
ある。伸びフランジ性の改善を図ったものに、例えば特
開昭57−23025 号公報がある。この発明は、鋼板の組織
を実質的にフェライトと微細パーライトにすることで、
伸びフランジ性と相関の強い局部延性の改善を図るもの
であり、疲労強度の改善を目的としたものではない。

【００１０】フェライトとベイナイトからなる金属組織
とすることで、伸びフランジ性の改善を図ったものに、
特開昭60−181231号公報、特開昭61−19733 号公報およ
び特開昭61−96057 号公報がある。さらに上記特開昭61
−19733 号公報では、この方法による熱延鋼板はフラッ
シュバット溶接性と疲労特性にも優れるとしている。

【００１１】しかし、この鋼板で改善される疲労特性
は、ホイールディスクのハット部で発生するような平滑
疲労特性であり、切欠き疲労特性ではない。

【００１２】平滑疲労特性の改善を目的として、マルテ
ンサイトを含む組織とした高強度熱延鋼板を示すもの
に、特開平３−126813号公報、特開平４−27740 号公
報、特開平４−246127号公報および特開平４−329848号
公報がある。伸びフランジ性またはこれと延性を改善す
る目的で、マルテンサイトを５％以下または２％以下に
抑制した組織を有する高強度熱延鋼板を示すものに、特
開平４−88125 号公報および特開平４−176822号公報が
ある。

【００１３】しかし、上記の鋼板では、いずれも打抜部
の切欠き疲労特性の向上が考慮されていないために、ホ
イールディスクの風孔部で発生するような打抜部の切欠
き疲労特性を向上するには十分ではない。

【００１４】特開平５−179346号公報には、切欠き疲労
特性の優れた熱延鋼板の製造方法が示されているが、こ
の鋼板においても、最近のユーザーの厳しい要求を十分
に満足させるには至っていない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、現状
の製品の形状を変えることなく、またコストおよび手間
がかかる余計な工程を追加せずに、素材となる鋼板の性
質を変えることで製品の切欠き部の疲労強度を高めるこ
とである。本発明の目的は、この課題を解決するため
に、打抜部の切欠き疲労特性と加工性に優れた熱延鋼板
の製造方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、次の熱延鋼板
の製造方法をその要旨とする。

【００１７】重量％で、Ｃ：0.05〜0.20％、Si：2.0 ％
以下、Mn:0.4〜1.5 ％、Ｐ： 0.005〜0.05％、sol.Al：
0.01〜0.10％、Nb：０〜0.10％、Ti:0〜0.20％、Ｖ：０
〜0.20％およびCr：０〜1.0 ％の１種以上、Ca：０〜0.
01％およびZr：０〜0.10％の１種以上、残部：鉄および
不可避不純物（不純物中のＳは0.0100％以下）からなる
鋼片を、鋳造後直送または1100℃以上に再加熱した後、
熱間圧延を施し、最終パス出側温度をＡr₃以上として熱
間圧延を終了し、その後下記式を満たす冷却速度ＣＲ
（℃／s ）で400 ℃以下まで冷却して巻き取り、金属組
織においてマルテンサイトの体積率を実質的に０％とす
ることを特徴とする打抜部の切欠き疲労特性と加工性に
優れた熱延鋼板の製造方法。

【００１８】 log20≦ logＣＲ＜｛−1.73×(%Mn＋1.3%Cr) ＋3.95｝・・・・上記において、Nb：０〜0.10％、Ti:0〜0.20％、Ｖ：０
〜0.20％およびCr：０〜1.0 ％とは、これらの４種類の
成分が、いずれも無添加でもよいことを意味する。また
Ca：０〜0.01％およびZr：０〜0.10％とは、これらの２
種類の成分が、いずれも無添加でもよいことを意味す
る。そして、さらに上記６種類の成分が全て無添加であ
る場合も含む。

【００１９】これらを積極的に添加する場合は、Nb：0.
005 〜0.10％、Ti:0.005〜0.20％、Ｖ：0.005 〜0.20％
およびCr:0.1〜1.0 ％の１種以上、もしくは、さらに、
Ca：0.002 〜0.01％およびZr：0.01〜0.10％の１種以上
とするのが望ましい。

【００２０】マルテンサイトの体積率でいう「実質的に
０％」とは、５％未満であることを意味する。なお、上
記式において「log 」は常用対数記号である。

【００２１】本発明者らは、素材鋼片の化学組成、熱間
圧延終了から巻取りまでの条件、なかでも巻取温度が、
打抜き孔部の切欠き疲労強度に大きく影響することを見
いだした。

【００２２】

【作用】本発明方法の素材となる鋼片の化学組成を、前
記のように限定した理由を説明する。

【００２３】Ｃ：0.05〜0.20％Ｃは高張力鋼として必要な強度を確保するために必要で
ある。そのため、Ｃ含有量は0.05％以上とした。一方、
0.20％を超えるると、溶接性の劣化が大きくなる。よっ
て、Ｃ含有量の範囲は0.05〜0.20％とした。

【００２４】Si：2.0 ％以下 Siは固溶強化元素であり、加工性をあまり劣化させず強
度を高めるのに効果的な合金元素である。しかし、Si含
有量が2.0 ％を超えると溶接性と表面性状を損なうため
2.0％を上限とした。好ましいのは、0.1 ％以上1.5 ％
以下の範囲である。

【００２５】Mn： 0.4〜1.5 ％ Mnは強度を確保するのに必要な元素である。そのために
は、Mnは0.4 ％以上の含有量が必要である。しかし、1.
5 ％を超えると熱間圧延後400 ℃以下まで冷却した場合
にマルテンサイトが生成し、重要な加工性である伸びフ
ランジ性が著しく低下する。よって、Mn含有量の範囲は
0.4〜1.5 ％とした。好ましいのは 0.4〜1.0 ％の範囲
である。

【００２６】Ｐ： 0.005〜0.05％Ｐは固溶強化により、鋼板を強化するのに有効な元素で
あるが、0.005 ％未満ではその効果がない。一方、0.05
％を超えると加工性、靱性が劣化してしまう。

【００２７】したがって、Ｐ含有量の範囲は 0.005〜0.
05％とした。

【００２８】sol.Al：0.01〜0.10％ Alは脱酸材として添加されるが、sol.Alとしての含有量
が0.01％未満ではその効果がない。一方、0.10％を超え
る過度の添加は非金属介在物を形成して加工性を劣化さ
せる。したがって、sol.Al含有量で0.01〜0.10％とし
た。

【００２９】Ｓ：0.0100％以下ＳはMnと結合して非金属介在物を形成し、加工性を劣化
させる不純物である。

【００３０】したがって、Ｓ含有量はできるだけ少ない
方がよい。0.0100％は許容上限値である。

【００３１】Nb、Ti、Ｖ、Cr：Nb、Ti、Ｖ、Crは、鋼板
の強度向上のために必要に応じて１種以上選んで添加す
る元素である。その効果を得るために積極的に添加する
場合は、Nb、Ti、Ｖでそれぞれ 0.005％以上、Crで0.1
％以上の含有量とするのが望ましい。しかし、過度に添
加してもその効果が飽和したり靱性が劣化したりするた
め、その上限はNbで0.10％、Tiで0.20％、Ｖで0.20％、
Crで1.0 ％とした。

【００３２】ただし、Nb、Ｖ、Tiは熱間圧延時の再結晶
を強く抑制し、バンド組織を生成しやすくする。そのた
め打抜き時に切欠き耐久比を低下させる長いクラックが
生成しやすくなるので、強化元素として用いる場合はCr
を選択するのが好ましい。

【００３３】Ca、Zr：これらの元素は、何れも介在物の
形状を調整して冷間加工性を改善する作用を有するの
で、必要に応じて１種以上選んで添加する。それらの効
果を得るために積極的に添加する場合は、Caで0.0002％
以上、Zrで0.01％以上の含有量とするのが望ましい。一
方、Caが0.01％、Zr：0.10％をそれぞれ超えると、逆に
鋼中の介在物が多くなりすぎて冷間加工性が劣化する。

【００３４】次に本発明方法における製造条件の限定理
由を説明する。

【００３５】熱間圧延を行う際、鋳造後の鋼片を熱間で
直送するか、あるいは鋳造後いったん冷却された鋼片を
1100℃以上に再加熱する。この再加熱を施すのは、不純
物を完全に固溶させ、不純物が偏析するのを防ぐためで
ある。

【００３６】熱間圧延では、最終パス出側温度、すなわ
ち仕上温度をＡr₃点以上として終了させる。最終パス出
側温度がＡr₃点未満になると、結晶組織が変態して生成
したフェライトに加工が加わり、重要な加工性である延
性が著しく低下する。このため、最終パス出側温度はＡ
r₃点以上とした。

【００３７】熱間圧延の仕上温度は、後述する巻取温度
の影響ほどではないが、切欠き疲労強度に影響する。つ
まり、打抜き時のクラックがフェライトと硬質第２相
（パーライト、ベイナイトおよびマルテンサイト）の界
面に沿って伝播するため、硬質第２相のバンド化により
打抜き孔部の切欠き疲労強度が低下する。熱間圧延の仕
上温度が880 ℃未満に低くなると、展伸した未再結晶オ
ーステナイト粒が多くなりすぎて硬質第２相のバンド化
が顕著となるため、仕上温度は880 ℃以上とするのが好
ましい。

【００３８】上記の熱間圧延後、引き続いて、下記式
を満たす冷却速度ＣＲ（℃／s ）で400 ℃以下まで冷却
して巻き取り、鋼板の金属組織をフェライト＋ベイナイ
トまたはフェライト＋パーライトもしくはフェライト＋
ベイナイト＋パーライトとし、マルテンサイトを体積率
で実質的に０％とする。

【００３９】 log20≦ logＣＲ＜｛−1.73×(%Mn＋1.3%Cr) ＋3.95｝・・・・マルテンサイトが過度に生成すると、重要な加工性であ
る伸びフランジ性が劣化する。この劣化を防止するため
の鋼板組織中のマルテンサイトの許容上限が、体積率で
５％未満である。

【００４０】20℃/s以上の冷却速度ＣＲ（℃／s ）で40
0 ℃以下まで急冷するのは、打抜き時のクラック発生の
原因となる不純物の粒界偏析や炭化物の粒界析出を抑制
するためである。冷却速度の望ましい下限は40℃/sであ
る。

【００４１】しかし、 logＣＲ（℃／s ）で表した冷却
速度が｛−1.73×(%Mn＋1.3%Cr) ＋3.95｝（℃/s）以上
になると、上記の効果が飽和するとともに、マルテンサ
イトの体積率が５％を超え、望ましい組織が得られな
い。

【００４２】なお、鋼板組織中のフェライト分率を適正
化して加工性を向上させるため、上記冷却途中の 600〜
700 ℃の温度範囲内で、１〜10秒間の短時間空冷を行う
のは構わない。

【００４３】上記の冷却を施した後、巻き取る。熱間圧
延終了後、上記条件で急冷し巻取温度を400 ℃以下にす
ると、打抜き部の切欠き疲労強度が著しく上昇する。そ
の原因は必ずしも明らかではないが、巻取温度を400 ℃
以下に下げることによって不純物元素の粒界偏析や炭化
物の粒界析出が減少し、打抜き時のクラックの発生、伝
播が抑制される結果、疲労亀裂発生の起点となるクラッ
クが大幅に減少するためであると考えられる。好ましい
巻取温度は350 ℃以下、更により好ましいのは300 ℃以
下である。

【００４４】

【実施例】

（試験１）熱間圧延を終了した後の巻取温度が、打抜き
孔部の切欠き疲労強度に及ぼす影響を調査した。

【００４５】表１に示す鋼種Ａ、ＢおよびＣの組成を有
する鋼片を転炉溶製後、1200℃に加熱してから、最終パ
ス出側温度 (仕上温度)880℃で熱間圧延を終了し、次い
で40℃/sで冷却を行い、表２に示す条件で巻取温度を変
えて厚さ2.6mm の熱延鋼板を製造し、鋼板の組織を調査
した。

【００４６】

【表１】

【００４７】

【表２】

【００４８】得られた鋼板から圧延方向に JIS５号引張
試験片を採取し、機械的性質を調べた。10％クリアラン
スで打ち抜いた直径10mmφ穴に60°円錐ポンチを用いて
穴拡げ試験を施し、孔拡げ率で伸びフランジ性を評価し
た。切欠き疲労強度は、クリアランス10％で直径10mmφ
の打抜き孔をあけて、４点片振り平面曲げ法を用いる疲
労試験により、 1.0×10⁷回で疲労破壊しない応力振幅
で求めた。

【００４９】図１は切欠き疲労試験片の形状、図２は疲
労試験法を示す図である。図１において、符号１は打抜
きにより発生したバリ、符号３は平面曲げによる応力を
測定するための歪みゲージである。

【００５０】さらに、上記試験結果から切欠き耐久比を
下記 (1)式で求めた。

【００５１】切欠き耐久比＝切欠き疲労強度／引張強度・・・(1) 表２に、金属組織、引張特性、穴拡げ率、切欠き疲労強
度および切欠き耐久比を併せて示す。

【００５２】表２に示すように、本発明方法により製造
された鋼板では、伸びフランジ性が優れている。切欠き
耐久比には金属組織によってわずかに差があり、巻取温
度が400 ℃以下の場合には、フェライトとパーライトか
らなる鋼が、フェライトとベイナイトからなる鋼よりも
良好であった。この理由は必ずしも明らかではないが、
パーライトを含む組織では打抜き性が向上し、クラック
が発生しても比較的長いものへ成長しないためと思われ
る。

【００５３】図３に、熱延鋼板の切欠き耐久比に及ぼす
巻取温度の影響を示す。図３に示すように、切欠き耐久
比は巻取温度が400 ℃以下で良好となる。巻取温度は好
ましくは350 ℃以下、さらにより好ましくは300 ℃以下
であることがわかる。

【００５４】（試験２）表１に示す鋼種Ａ〜Ｃでは転炉
溶製スラブから厚さ60mmのスラブを切り出し、鋼種Ｄ〜
Ｍでは50kg真空溶解炉で溶製後、熱間鍛造により厚さ60
mmのスラブを製造し、表３に示す条件で熱間圧延および
冷却を実施した後、速やかに巻取って厚さ2.6mm の熱延
鋼板とした。したがって、冷却停止温度は巻取温度とみ
なしてよい。

【００５５】

【表３】

【００５６】上記の鍛造材から採取した直径３mmφの微
小試験片を1000℃に加熱後、３℃/sで冷却し、熱膨張率
の変化からＡr₃点を求めた。その結果を表３に併せて示
す。

【００５７】得られた鋼板を用いて試験１と同様の調査
を実施した。これらの試験結果を表４に示す。

【００５８】

【表４】

【００５９】表４から明らかなように、本発明方法で製
造した試験番号１〜18では、いずれもマルテンサイトを
含まない金属組織が得られ、高い伸びフランジ性および
切欠き耐久比0.55以上の高い切欠き疲労強度を示した。

【００６０】熱延仕上温度がＡr₃点を下回る試験番号19
と23では、フェライトに歪が加わっており、伸びが20％
以下と低い。冷却速度が遅い試験番号20と24、および巻
取温度（冷却停止温度）が高い試験番号21と25では、打
抜き時のクラックの発生原因となる粒界の炭化物の析出
や不純物の偏析の抑制が不十分と推定され、切欠き耐久
比が低い。冷却速度または化学組成が適正ではないため
に、体積率で５％以上のマルテンサイトが生成した試験
番号22、26、27、28では、伸びフランジ性が低下してい
る。

【００６１】

【発明の効果】本発明方法により、伸びフランジ性が良
好で、高い切欠き耐久比と切欠き疲労強度を有する熱延
鋼板を製造することができる。この鋼板は、ホイールな
どの自動車足廻り部品用素材として好適なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】４点平面曲げ切欠き疲労試験片の形状を示す図
である。

【図２】４点平面曲げ切欠き疲労試験の方法を示す図で
ある。

【図３】熱延鋼板の切欠き耐久比に及ぼす巻取温度の影
響を示す図である。

【図４】自動車用ホイールの形状の一例を示す図であ
り、(a) は正面図、(b) は線Ａ−Ａ部の断面図である。

【図５】鋼板に打抜きで設けた自動車用ホイールの風孔
の状態の例を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１：打抜きにより発生したバリ、２：打抜きにより
発生したクラック、３：平面曲げによる応力を測定用の
歪ゲージ、４：自動車用ホイール、５：ホイールディス
クのハット部、６：センター孔、７：風孔（飾り孔) 、
８：取付ボルト孔、９：空気孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.05〜0.20％、Si：2.0 ％
以下、Mn:0.4〜1.5 ％、Ｐ： 0.005〜0.05％およびsol.
Al：0.01〜0.10％を含有し、かつ、Nb：０〜0.10％、T
i:0〜0.20％、Ｖ：０〜0.20％およびCr：０〜1.0 ％の
１種以上を含み、さらに、Ca：０〜0.01％およびZr：０
〜0.10％の１種以上を含み、残部が鉄および不可避不純
物からなり、不純物中のＳは0.0100％以下である鋼片
を、鋳造後直送または1100℃以上に再加熱した後、熱間
圧延を施し、最終パス出側温度をＡr₃以上として熱間圧
延を終了し、その後下記式を満たす冷却速度ＣＲ（℃
／s ）で400 ℃以下まで冷却した後、巻き取り、金属組
織においてマルテンサイトの体積率を実質的に０％とす
ることを特徴とする打抜部の切欠き疲労特性と加工性に
優れた熱延鋼板の製造方法。 log20≦ logＣＲ＜｛−1.73×(%Mn＋1.3%Cr) ＋3.95｝・・・・