JPWO2007129676A1 - 熱間プレス成形鋼板部材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ところが、焼入れ後の成形品の引張強さが1.8GPa以上という高強度になると、従来の熱間プレス成形法(予成形プレスクエンチ法を含む)では、焼入れ後のプレス成形品の靱性が不十分で、実用レベルに達しないことが判明した。実際、熱間プレス成形のままで靱性が良好な、引張強さ1.8GPa以上の高強度プレス成形品を製造した例はこれまで知られていない。
本発明によれば、鋼板の化学組成を適切に選択し、かつ鋼板製造時の熱間圧延条件や場合によりその後の冷間圧延、焼鈍、合金化溶融亜鉛めっきなどの熱処理条件、さらには熱間プレス成形後の焼入れ条件を適切に制御することにより、上記目的を達成することができる。
3.42N+0.001≦Ti≦3.42N+0.5・・・(1)
式中のTi及びNは鋼中の該元素の含有量(質量%)を意味し、Nは鋼中に不純物として含まれる。
本発明はまた、上記化学組成を有する鋼板を、Ac3点以上、(Ac3点+100℃)以下の温度域に5分以下の時間保持した後、この鋼板に熱間プレス成形を施し、熱間プレス成形された高温の成形品をMs点までの冷却速度が上部臨界冷却速度以上、かつMs点から150℃までの平均冷却速度が10〜500℃/秒となるように冷却することを含む、熱間プレス成形された鋼板部材の製造方法も提供する。
(1)上記の巻き取られた鋼帯をアンコイルし、この鋼帯に脱スケール処理と冷間圧延とを施す;
(2)上記(1)で冷間圧延された鋼帯を、(Ac1点+10℃)以上、Ac3点以下の温度域に10秒間以上保持した後、1〜100℃/秒の平均冷却速度で300〜500℃の温度域まで冷却し、この鋼帯を次いで300〜500℃の温度域に30秒間〜10分間保持した後、1〜50℃/秒の平均冷却速度で室温まで冷却する;
(3)上記(1)で冷間圧延された鋼帯を、(Ac1点−100℃)以上、(Ac1点+30℃)以下の温度域に1〜24時間保持したのちに1〜100℃/時の平均冷却速度で室温まで冷却する;
(4)上記の巻き取られた鋼帯をアンコイルし、この鋼帯に脱スケール処理と溶融亜鉛めっきとを施し、次いでこの鋼帯に500℃以上、Ac1点以下の温度域で合金化熱処理を施す;
(5)上記(1)で冷間圧延された鋼帯を、700〜900℃の温度域で焼鈍を施したのちに1〜60℃/秒の平均冷却速度で500℃以下の温度域まで冷却し、この鋼帯に溶融亜鉛めっきと、その後に500℃〜Ac1点の温度域で合金化熱処理とを施す;又は
(6)上記(3)で室温まで冷却された鋼帯に、溶融亜鉛めっきと、その後に500℃〜Ac1点の温度域で合金化熱処理を施す。
本発明において鋼板の化学組成は次の通りである。
Cは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後強度(post−quenching strength)を主に決定する非常に重要な元素である。焼入れ後に引張強さ1.8GPa以上の高強度を達成するために、C含有量を少なくとも0.26%とする。一方、C含有量が0.45%を超えると、焼入れ後の鋼板の強度が高くなりすぎて、その靱性劣化が著しくなる。望ましいC含有量は0.28〜0.33%である。
Mn及びCrは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ高い焼入れ後の強度を安定して得るのに非常に効果のある元素である。Mn及びCrの合計含有量(以下、「(Mn+Cr)含有量」という)が0.5%未満ではその効果は十分ではない。一方、(Mn+Cr)含有量が3.0%を超えるとその効果は飽和し、逆に安定した強度確保が困難となる。望ましい(Mn+Cr)含有量は0.8〜2.0%である。
Nbは、鋼板をAc3点以上に加熱したときに、再結晶化を抑制し、かつ微細な炭化物を形成することによってオーステナイト粒を細粒にし、それにより焼入れ後の鋼板の靱性を大きく改善するという効果がある。この効果を確実に得るために、0.02%以上のNbを含有させる。しかし、Nb含有量が1.0%超になると、Nbの上記効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。望ましいNb含有量は0.03〜0.5%であり、より望ましくは0.04〜0.15%である。
Tiは、鋼板をAc3点以上に加熱したときに、再結晶化を抑制し、かつ微細な炭化物を形成することによって、オーステナイト粒を細粒にし、それにより焼入れ後の鋼板の靱性を大きく改善するという効果を有する。Tiのこの効果を確実に発揮させるために、Ti含有量(%)を(3.42N+0.001)以上とする。Nは鋼中に不純物として含有される。Nは実質的に0%であってもよい。一方、Ti含有量が(3.42N+0.5)を超えると、Tiの上記効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。望ましいTi含有量は、3.42N+0.02≦Ti≦3.42N+0.08を満たす量である。
これらの元素は任意添加元素であるが、いずれも鋼板の焼入れ性を高め、かつ高い焼入れ後強度を安定して達成するのに効果があるので、それらの1種又は2種以上を含有させることが好ましい。これらの元素のこの効果は、Si:0.01%以上、Ni:0.01%以上、Cu:0.01%以上、V:0.01%以上、Al:0.01%以上で顕著となる。しかし、各元素をその上限値以上に含有させても上記効果は小さく、かついたずらにコスト増を招くため、各元素の含有量は上述の範囲とする。これらの1種又は2種以上の元素を添加する場合の好ましい含有量は、Si:0.02〜0.4%、Ni:0.02〜1%、Cu:0.02〜0.8%、V:0.02〜0.5%、Al:0.01〜0.1%である。
Bは任意添加元素であり、鋼板の焼入れ性を高め、かつ高い焼入れ後強度を安定して得るのに有効である。また、Bは粒界に偏析して粒界強度を高め、焼入れ後の鋼板の靱性を向上させる効果があり、さらに加熱時のオーステナイト粒成長抑制効果も高い。これらの効果はB含有量が0.001%以上で顕著となる。しかし、B含有量が0.01%を超えるとこれらの効果は飽和し、かつコスト増を招く。Bを含有させる場合の望ましいB含有量は0.001〜0.01%であり、より望ましくは0.001〜0.0030%である。
Moは任意添加元素であり、鋼板をAc3点以上に加熱したときに、微細な炭化物を形成してオーステナイト粒を細粒にするため、焼入れ後の鋼板の靱性を大きく改善する効果を有する。これらの効果はMo含有量が0.01%以上で顕著となる。しかしMo含有量が1.0%超になると、その効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。Moを含有させる場合の望ましいMo含有量は0.01〜1.0%であり、さらに望ましくは0.04〜0.20%である。
Caは任意添加元素であり、鋼中の介在物を微細化し、焼入れ後の鋼板の靱性を向上させる効果を有する。これらの効果はCa含有量が0.001%以上で顕著となる。しかし、Ca含有量が0.005%を超えるとその効果は飽和する。したがって、Caを含有させる場合の望ましいCa含有量は0.001〜0.005%であり、より望ましくは0.002〜0.004%である。
Pは、焼入れ後の鋼板の靱性を大きく劣化させる元素であるため、0.005%以下とすることが好ましい。より望ましくは0.003%以下である。
Sは、焼入れ後の鋼板の靱性を大きく劣化させる元素であるため、0.005%以下とすることが好ましい。より望ましくは0.003%以下である。
Nは、鋼中にて介在物を形成し、焼入れ後の鋼板の靱性を劣化させる元素であるため、0.002%以下とすることが好ましい。より望ましくは0.001%以下である。
熱間プレス成形工程において焼入れにより目的とする強度と靱性を得るために、熱間プレス成形に供する鋼板をAc3点以上、(Ac3点+100℃)以下の温度域で5分間以下の時間保持する。保持温度をAc3点以上とするのは、鋼の組織を一旦オーステナイト単相として、焼入れにより目的とする強度を得るためである。保持温度の上限及び保持時間の上限は、焼入れ後の旧オーステナイト粒径を10μm以下に抑制し、鋼板の引張強さが1.8GPa以上の強度でも良好な靱性を達成するためである。保持温度を(Ac3点+100℃)超とするか、或いは保持時間を5分超とすると、旧オーステナイト粒径は10μm以上となって、焼入れ後に良好な靱性を得ることができないことがある。より望ましい保持温度は、Ac3点以上、(Ac3点+50℃)以下で、より望ましい保持時間は2分以下である。なお、旧オーステナイト粒径は細粒であればあるほど好ましいので、保持時間の下限は特に規定しない。
引張強さが1.8GPa以上の強度を得ると同時に靱性を少しでも改善するためには、熱間プレス成形により得られた鋼板部材の焼入れ後の微細組織を、実質的にマルテンサイトのみからなる完全マルテンサイト組織とするのではなく、自動焼戻しマルテンサイトを含む組織にすることが肝要である。
(1)Ms点到達直後に、熱容量の異なる金型又は室温状態の金型に移動させて、冷却速度を変える;
(2)水冷金型の場合、Ms点到達直後に金型の冷却水量を変化させて冷却速度を変える;
(3)Ms点到達直後に、金型と成形品との間に水を流し、その水量を変化させることで、冷却速度を変える。
熱間プレス成形された鋼板部材は、スケール除去の目的でショットブラストにより処理されるのが普通である。このショットブラスト処理には、表面に圧縮応力を導入する効果があるため、遅れ破壊が抑制され、かつ疲労強度が向上する、という利点がある。
上述した化学組成を有する鋼塊又は鋼片を、1050〜1300℃の温度としたのちに熱間圧延を施して鋼帯にする。熱間圧延は800〜950℃の温度で完了し、得られた鋼帯を500〜700℃の温度で巻取る。
上記のように熱間圧延された鋼帯に、冷間圧延を施して冷間圧延ままの鋼帯としてプレス成形に使用する場合には、予成形プレスクエンチ法による熱間プレス成形において良好な成形性を得るには、体積率で50%以上のフェライトを含有する組織とし、引張強さが1180MPa以下であることが好ましい。冷延鋼帯の強度は、成形性の観点からは低いほうが望ましいが、コスト面や強度調整のしやすさといった点より、780MPa以上であることが好ましい。冷延鋼帯の引張強さはより望ましくは780〜1100MPa、さらに望ましくは780〜1050MPaの範囲である。冷間圧延時の圧下率は30〜80%とするのが望ましく、より望ましくは40〜70%である。
上記のように冷間圧延された鋼帯の焼鈍は、アンコイル状態で行う連続焼鈍とコイル状に巻取って行う箱焼鈍のいずれでもよい。
こうして得られる冷間圧延後に焼鈍が施された冷間圧延鋼帯は、予成形プレスクエンチ法による熱間プレス成形において良好な成形性を得るために、体積率で50%以上のフェライトを含有する組織とし、鋼帯の引張強さは連続焼鈍の場合で780MPa以下、箱焼鈍の場合は590MPa以下であることが好ましい。鋼帯の引張強さは、低いほうが望ましいが、コスト面や強度調整のしやすさといった点より、いずれの焼鈍法の場合でも440MPa以上とするのが望ましい。
溶融亜鉛めっきは、熱延鋼帯、冷延鋼帯、冷間圧延後に焼鈍された鋼帯のいずれに施すこともできる。溶融亜鉛めっきは、製造コストの観点から連続溶融亜鉛めっきラインにて行うことが好ましい。通常の連続溶融亜鉛めっきラインは、加熱炉、冷却ゾーン、溶融亜鉛めっき浴、合金化炉が連続して配置されている。ここでは、鋼帯の微細組織に影響を及ぼす、各段階での好適な製造条件について述べる。
表1に示した化学組成を有する冷延鋼板(板厚:1.6mm)を素地鋼板とした。これらの鋼板は、実験室にて溶製したスラブを、熱間圧延及び冷間圧延により製造した鋼板である。
また、熱間プレス成形された鋼板部材から切り出した厚み1.6mmの鋼片を6枚積層してネジ止めした後、Vノッチ試験片を作製し、−120℃でのシャルピー衝撃試験に供した。靱性は、−120℃での衝撃値が30J/cm2以上となる場合を○(合格)、30J/cm2未満である場合を×(不合格)として、衝撃値とともに表示する。
熱延鋼板から直径3.0mm、長さ10mmの円柱試験片(図1)を切り出し、この試験片を大気中で900℃まで10℃/秒の昇温速度で加熱し、その温度に5分間保持したのち、種々の冷却速度で室温まで冷却した。そのときの加熱、冷却中の試験片の熱膨張変化を測定することにより、Ac3点、Ms点を測定した。また、得られた試験片のビッカース硬度測定(荷重49N、測定数:3)及び組織観察を行い、それらの結果からその鋼板の上部臨界冷却速度を見積もった。
Claims (17)
- 質量%で、C:0.26〜0.45%、Mn+Cr:0.5〜3.0%、Nb:0.02〜1.0%、下記式(1)を満たす量のTi、Si:0〜0.5%、Ni:0〜2%、Cu:0〜1%、V:0〜1%、Al:0〜1%、B:0〜0.01%、Mo:0〜1.0%、Ca:0〜0.005%、並びに残部:Fe及び不純物から本質的になる化学組成を有するとともに、旧オーステナイト平均粒径が10μm以下で自動焼戻しマルテンサイトを含む微細組織を有し、かつ引張強さが1.8GPa以上である、熱間プレス成形された鋼板部材:
3.42N+0.001≦Ti≦3.42N+0.5・・・(1)
式中のTi及びNは鋼中の該元素の含有量(質量%)を意味し、Nは鋼中に不純物として含まれる。 - 前記化学組成が、質量%で、Si:0.01〜0.5%、Ni:0.01〜2%、Cu:0.01〜1%、V:0.01〜1%、Al:0.01〜1%、B:0.001〜0.01%、Mo:0.01〜1.0%、及びCa:0.001〜0.005%から選ばれた1種又は2種以上を含有する、請求項1に記載の熱間プレス成形された鋼板部材。
- 前記化学組成に不純物として含まれるP、S及びNの1種又は2種以上の量が、質量%でP:0.005%以下、S:0.005%以下及びN:0.002%以下を満たす、請求項1又は2に記載の熱間プレス成形された鋼板部材。
- 質量%で、C:0.26〜0.45%、Mn+Cr:0.5〜3.0%、Nb:0.02〜1.0%、下記式(1)を満たす量のTi、Si:0〜0.5%、Ni:0〜2%、Cu:0〜1%、V:0〜1%、Al:0〜1%、B:0〜0.01%、Mo:0〜1.0%、Ca:0〜0.005%、並びに残部Fe及び不純物から本質的になる化学組成を有する、熱間プレス成形により引張強さが1.8GPa以上の熱間プレス成形された鋼板部材を製造することができる熱間プレス成形用鋼板:
3.42N+0.001≦Ti≦3.42N+0.5・・・(1)
式中のTi及びNは鋼中の該元素の含有量(質量%)を意味し、Nは鋼中に不純物として含まれる。 - 前記化学組成が、質量%で、Si:0.01〜0.5%、Ni:0.01〜2%、Cu:0.01〜1%、V:0.01〜1%、Al:0.01〜1%、B:0.001〜0.01%、Mo:0.01〜1.0%、及びCa:0.001〜0.005%から選ばれた1種又は2種以上を含有する、請求項4に記載の熱間プレス成形用鋼板。
- 前記化学組成に不純物として含まれるP、S及びNの1種又は2種以上の量が、質量%でP:0.005%以下、S:0.005%以下及びN:0.002%以下を満たす、請求項4又は5に記載の熱間プレス成形用鋼板。
- 質量%で、C:0.26〜0.45%、Mn+Cr:0.5〜3.0%、Nb:0.02〜1.0%、下記式(1)を満たす量のTi、Si:0〜0.5%、Ni:0〜2%、Cu:0〜1%、V:0〜1%、Al:0〜1%、B:0〜0.01%、Mo:0〜1.0%、Ca:0〜0.005%、並びに残部Fe及び不純物から本質的になる化学組成を有する鋼板を、Ac3点以上、(Ac3点+100℃)以下の温度域に5分間以下の時間保持した後、この鋼板に熱間プレス成形を施し、熱間プレス成形された高温の鋼板をMs点までの冷却速度が上部臨界冷却速度以上、かつMs点から150℃までの平均冷却速度が10〜500℃/秒となるように冷却することを含む、熱間プレス成形された鋼板部材の製造方法:
3.42N+0.001≦Ti≦3.42N+0.5・・・(1)
式中のTi及びNは鋼中の該元素の含有量(質量%)を意味し、Nは鋼中に不純物として含まれる。 - 質量%で、C:0.26〜0.45%、Mn+Cr:0.5〜3.0%、Nb:0.02〜1.0%、下記式(1)を満たす量のTi、Si:0〜0.5%、Ni:0〜2%、Cu:0〜1%、V:0〜1%、Al:0〜1%、B:0〜0.01%、Mo:0〜1.0%、Ca:0〜0.005%、並びに残部Fe及び不純物から本質的になる化学組成を有する鋼板を、Ac3点より低温で金型を用いてプレス成形し、プレス成形された鋼板を該金型に入れたまま、Ac3点以上、(Ac3点+100℃)以下の温度域に5分間以下の時間保持し、次いでMs点までの冷却速度が上部臨界冷却速度以上、かつMs点から150℃までの平均冷却速度が10〜500℃/秒となるように冷却することを含む、熱間プレス成形された鋼板部材の製造方法:
3.42N+0.001≦Ti≦3.42N+0.5・・・(1)
式中のTi及びNは鋼中の該元素の含有量(質量%)を意味し、Nは鋼中に不純物として含まれる。 - 質量%で、C:0.26〜0.45%、Mn+Cr:0.5〜3.0%、Nb:0.02〜1.0%、下記式(1)を満たす量のTi、Si:0〜0.5%、Ni:0〜2%、Cu:0〜1%、V:0〜1%、Al:0〜1%、B:0〜0.01%、Mo:0〜1.0%、Ca:0〜0.005%、並びに残部Fe及び不純物から本質的になる化学組成を有する鋼塊又は鋼片を、1050〜1300℃の温度で熱間圧延に供し、800〜950℃の温度で該熱間圧延を完了し、熱間圧延で得られた鋼帯を500〜700℃の温度で巻き取ることを含む、熱間プレス成形用鋼板の製造方法:
3.42N+0.001≦Ti≦3.42N+0.5・・・(1)
式中のTi及びNは鋼中の該元素の含有量(質量%)を意味し、Nは鋼中に不純物として含まれる。 - 巻き取られた鋼帯をアンコイルし、この鋼帯に脱スケール処理と冷間圧延とを施すことをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 冷間圧延された鋼帯を、(Ac1点+10℃)以上、Ac3点以下の温度域に10秒間以上保持した後、1〜100℃/秒の平均冷却速度で300〜500℃の温度域まで冷却し、この鋼帯を次いで300〜500℃の温度域に30秒間〜10分間保持した後、1〜50℃/秒の平均冷却速度で室温まで冷却することをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 冷間圧延された鋼帯を、(Ac1点−100℃)以上、(Ac1点+30℃)以下の温度域に1〜24時間保持した後、1〜100℃/時の平均冷却速度で室温まで冷却することをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 巻き取られた鋼帯をアンコイルし、この鋼帯に脱スケール処理と溶融亜鉛めっきとを施し、次いでこの鋼帯に500℃以上、Ac1点以下の温度域で合金化熱処理を施すことをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 冷間圧延された鋼帯を、700〜900℃の温度域で焼鈍を施したのちに1〜60℃/秒の平均冷却速度で500℃以下の温度域まで冷却し、この鋼帯に溶融亜鉛めっきと、その後に500℃以上、Ac1点以下の温度域で合金化熱処理とを施すことをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 室温まで冷却された鋼帯に溶融亜鉛めっきと、その後に500℃以上、Ac1点以下の温度域で合金化熱処理とを施すことを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記化学組成が、質量%で、Si:0.01〜0.5%、Ni:0.01〜2%、Cu:0.01〜1%、V:0.01〜1%、Al:0.01〜1%、B:0.001〜0.01%、Mo:0.01〜1.0%、及びCa:0.001〜0.005%から選ばれた1種又は2種以上を含有する、請求項7〜15のいずれかに記載の方法。
- 前記化学組成に不純物として含まれるP、S及びNの1種又は2種以上の量が、質量%でP:0.005%以下、S:0.005%以下及びN:0.002%以下を満たす、請求項7〜16のいずれかに記載の方法。
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