WO2012147863A1 - ホットスタンプ部材用鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2011年4月27日に、日本に出願された特願2011-100019号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
そこで、更に研究を進めたところ、成形直前の加熱工程における鋼板中の鉄炭化物の溶解挙動が不均一の発生を抑制する鍵を握っていることが明らかとなった。
特許文献1、2には、冷延鋼板をどのような条件で焼鈍したかについて全く開示されておらず、鋼板中の炭化物の制御について検討していない。
特許文献3には、冷延鋼板の焼鈍について、炭化物の状態を制御する上で最も重要である加熱履歴に関する記載はなく、炭化物の制御について検討していない。
また、所定の金属組織を得るために、極めて特殊な焼鈍を行うことが必須であり、一般的な連続焼鈍設備や連続溶融めっき設備での製造を前提としていないので、特許文献4では、焼鈍条件を工夫して炭化物の大きさの分布状態を制御していない。
特許文献5には、最高加熱温度までの加熱履歴について全く開示されておらず、炭化物の大きさの分布状態を制御していない。
また、所定の鋼板を得るために、熱延鋼板、および冷延鋼板に対して長時間焼鈍を複数回組み合わせて実施することが必須であり、一般的な連続焼鈍設備や連続溶融めっき設備での製造を前提としていないので、特許文献6では、焼鈍条件を工夫して炭化物の大きさの分布状態を制御していない。
特許文献7は、フェライトの平均粒径と炭化物の平均粒径を制御することで、打ち抜き性に優れた中・高炭素高強度鋼板を得るための技術であるが、この特許文献7には、炭化物の大きさの分布状態に関する記載はない。
また、冷延ままの冷延鋼板と、350~700℃に10~40時間保持する低温かつ長時間の焼鈍条件で焼鈍された冷延鋼板とが開示されていることに加え、一般的な連続焼鈍設備や連続溶融めっき設備での製造を前提としていないので、焼鈍条件を工夫して炭化物の大きさの分布状態を制御していない。
本発明者らの研究の結果、鉄炭化物の大きさの分布状態は、冷延鋼板の焼鈍時の、鋼板温度の上昇速度の変化と密接に関係していることも判明したが、以上のようにこうした視点に立ってホットスタンプ用の鋼板の製造方法について検討した例は見当たらない。
その要旨は、以下のとおりである。
-0.20≦d/dt(ΔT/Δt)<0 (式1)
ここで、Tは、℃の単位での前記鋼板温度、tは、sの単位での時間、ΔT/Δtは、℃/sの単位での前記再結晶焼鈍の加熱中の時間Δt秒間における前記鋼板温度の上昇速度を指す。
また、上記(3)~(5)の態様に係るホットスタンプ部材用鋼板では、ホットスタンプ後に、かじりや剥れ、割れ等の欠陥が少ないAlめっき層、Znめっき層、およびZn-Fe合金層を得ることができる。そのため、この場合には、ホットスタンプ部材用鋼板の耐食性及び表面品質をより高めることができる。
さらに、本発明の上記態様に係るホットスタンプ部材用鋼板の製造方法では、既設の製鉄設備を使用することができ、ホットスタンプ法により長尺の成形品を製造した場合であっても、反りを極めて低くすることができるホットスタンプ部材用鋼板を提供することができる。
加えて、上記(9)~(11)の態様に係るホットスタンプ部材用鋼板の製造方法では、ホットスタンプ部材用鋼板の耐食性及び表面品質をより高めることができる。
まず、鋼板の化学成分について説明する。以下では、各化学成分の「%」は、「質量%」を意味する。
Cは、ホットスタンプ法によって鋼板を高強度化する上で最も重要な元素である。ホットスタンプ後に少なくとも1200MPa程度の強度を得るには、鋼中にCを0.10%以上含有させる。その一方で、鋼中にCを0.35%を超えて含有させると、靭性の劣化が心配されるので、0.35%をC量の上限とする。靭性をより改善する場合には、C量が、0.32%以下であることが好ましく、0.30%以下であることがより好ましい。
Siは、固溶強化元素であり、0.01~1.0%のSiを固溶強化元素として有効に活用できる。しかしながら、1.0%を超えるSiを鋼中に含有させると、ホットスタンプ後に化成処理や塗装を行う際に不具合が生じることが懸念されるので、1.0%をSi量の上限とする。Si量の下限を特に限定することなく鉄炭化物を制御する効果を得ることができるが、必要以上にSi量を低減すると製鋼負荷が高まるため、Si量を0.01%以上とする。このSi量の下限は、脱酸に起因して鋼中に含有される目安量である。より安定した表面処理を行う場合には、Si量が、0.9%以下であることが好ましく、0.8%以下であることがより好ましい。
Mnは、Siと同様に固溶強化元素として機能する他に、鋼板の焼き入れ性を高める有用な元素である。このような強度及び焼入れ性向上の効果を明確に得るために、鋼中のMn量を0.3%以上とする。しかし、鋼中にMnを2.3%を超えて含有させてもその効果は飽和するので、2.3%をMn量の上限とする。より強度を高める場合には、Mn量が、0.5%以上であることが好ましく、1.0%以上であることがより好ましい。
両元素は、いずれも不純物であり、熱間加工性に影響を及ぼすため、P:0.03%以下、S:0.02%以下に制限する。
Alは、脱酸元素として好適であるので、鋼中にAlを0.01%以上含有させてよい。しかし、多量のAlを鋼中に含有させると、粗大な酸化物を形成して鋼板の機械的性質を損なう。そのため、Al量の上限を0.5%とする。
Nは、TiやBと容易に結合することからそれらの元素の目的とする効果を減じないようにN量を0.1%以下に制御する。靭性を高める場合には、N量は、少ない方がよいため、望ましくは0.01%以下である。必要以上にN量を低減すると製鋼工程に多大な負荷が掛かるので、0.0010%をN量の下限の目安としてもよい。
すなわち、必要に応じて、Cr、Ti、Nb、B、Mo、W、V、Cu、Niから選択される1種以上の選択元素を鋼中に含有させてもよい。合金コストの低減のためには、これら選択元素を意図的に鋼中に添加する必要はなく、Cr、Ti、Nb、B、Mo、W、V、Cu、Niの量の下限は、いずれも0%である。
Crは、焼き入れ性を高める効果を有する元素であるから適宜使用できる。その効果が明瞭となるのは、Cr量が0.01%以上である。一方で、Crを2.0%を超えて鋼中に添加してもその効果は飽和するので、2.0%をCr量の上限とする。
Tiは、窒化物の形成を通じて後述するBの効果を安定的に引き出す働きをするので有効に活用したい元素である。その働きを明確に得るためには、Ti量が0.001%以上であるとよい。一方で、鋼中にTiが過剰に添加されると、窒化物が過剰となり、靭性や剪断面性状が劣化するので、0.5%をTi量の上限とする。
Nbは、炭窒化物を形成し、鋼の強度を高めるので有効に活用したい元素である。このような強度向上の効果を明確に得るために、鋼中のNb量を0.001%以上としてもよい。しかしながら、鋼中にNbを0.5%を超えて含有させると、熱間圧延の制御性を損ねる恐れがあるので、0.5%をNb量の上限とする。
Bは焼入れ性を高める元素であり、鋼中に0.0005%以上のBを含むと、焼入れ性を高める効果が明瞭となる。一方、過剰なBの添加は熱間加工性の劣化と延性の低下につながるので、0.01%をB量の上限とする。
これらの元素は、いずれも焼き入れ性を高める効果を有する元素であるから適宜使用できる。その効果が明瞭となるのは、いずれの元素についても0.01%以上である。一方で、Mo、W、Vは、高価な元素であることから、効果が飽和する濃度を上限とすることが好ましい。Mo量の上限については1.0%、W量およびV量の上限については0.5%であるとよい。
Cuは、0.01%以上のCuを鋼中に添加することで鋼板の強度を高める効果を有する。一方で、過剰なCuの添加は熱間圧延鋼板の表面品位を損ねるので1.0%をCu量の上限とする。そのため、Cu量は、0.01~1.0%であってもよい。
Niは、焼入れ性を高める効果を有するので有効に活用したい元素であり、その効果は0.01%以上のNi量で明瞭となる。一方、Niは、高価な元素であるから、その効果が飽和する5.0%をNi量の上限とする。そのため、Ni量は、0.01~5.0%であってもよい。また、Niは、上記のCuによる熱間圧延鋼板の表面品位の低下を抑制する働きも有するので、Cuと同時に含有させることが望ましい。
鉄炭化物の大きさの分布状態は、本実施形態において最も重要な要件である。
成形体に発生する反りは、成形体の長さが1000mmよりも短くなったり、成形体の幅が170mmよりも長くなったりすると、小さくなるが、本実施形態の鋼板をこのような成形体に適用しても、成形体の反りdをさらに抑制する効果を得ることができる。
-0.2≦d/dt(ΔT/Δt)<0 ・・・ (式1)
ここで、Tは、鋼板温度(℃)を、tは、時間(s)を、ΔT/Δtは、再結晶焼鈍の加熱中の時間Δt(s)間における板温の温度変化(℃/s)を、d/dt(ΔT/Δt)は、300℃から最高温度Sまでの板温の上昇速度の変化(℃/s2)を指す。なお、tの0(零)の基準は、特に制限する必要はなく、例えば、再結晶焼鈍の加熱開始時間や再結晶焼鈍の加熱により300℃に達した時間であってもよい。
本発明に係るホットスタンプ部材用鋼板は、その板厚や、ホットスタンプ後の強度に関係なく本発明の効果を有するが、熱延、冷延、焼鈍、およびめっき付与(めっき層の形成)の各工程での高生産性確保の観点から、帯鋼として扱い得ることが望ましい。従って、対象とする鋼板の好ましい板厚は、概ね0.5~3.5mmであるとよい。また、部材の高強度化による軽量化をさらに進めるために、対象とする鋼板の好ましいホットスタンプ後の強度は、引張強さで、概ね1200~2000MPaであるとよい。
ここで、条件xでは、300℃から600℃まで一定の加熱速度10℃/sで加熱し、その後、800℃まで一定の加熱速度2℃/sで冷延鋼板を加熱した。この場合、300℃から600℃まで、および600℃から800℃までの両温度範囲について、鋼板温度の上昇速度の変化d/dt(ΔT/Δt)は各々0(零)であった。その他の条件では、300℃から温度Sまでの範囲において鋼板温度の上昇速度の変化d/dt(ΔT/Δt)が一定と見做せる加熱を行った。なお、このd/dt(ΔT/Δt)の求め方については実施例3にて詳しく述べる。
このホットスタンプ用鋼板から採取した試料の圧延方向と平行な断面を研磨し、ピクラール系腐食液でこの断面のミクロ組織を現出後、冷延鋼板(試料)の表面から厚さ方向に0.4mmの距離だけ離れた位置(板厚の1/4位置)までの領域を走査電子顕微鏡の倍率5000倍にて観察し、鉄炭化物の大きさを測定した。この観察を、鉄炭化物の測定数が600個以上となるまで行った。さらに、測定したデータを処理して標準偏差を求めた。
また、上記冷延鋼板から210×300mmのブランク32を作製し、図3に示す平板スタンプの上金型31aおよび下金型31bにてこのブランク32を形鋼12の成形条件(形状を除く)と同じ条件でホットスタンプし、引張強さの測定用素材を得た。これら素材からJIS5号引張試験片を2本採取した。採取のための加工を放電加工で行った。得られた試験片に対して引張試験を行い、引張強さσBを求めた(2本の平均値)。
一方、この標準偏差が8μm超の場合(No.9、12、14、26、および27、solid circleまたはsolid triangleで表示)にはdが8mm超となり、看過できないことが明らかとなった。
本発明の条件を満足する焼鈍条件i、およびixで再結晶焼鈍を行ったホットスタンプ用鋼板にあっては、Mo、W、V、Cu、およびNi等の化学成分を含有する鋼板であっても、鋼板の表面から板厚の1/4位置までの鉄炭化物の大きさの標準偏差が0.8μm以下であった。さらに、この場合には、ホットスタンプ前の加熱条件(900℃での保持時間)に依らず長尺部品(形鋼)の反りが5mm以下であり、優れたホットスタンプ部材が得られることが明らかとなった。
また、図7内に示すように、得られた近似式の決定係数(coefficient of determination)R2は、0.999であった。本発明で用いるd/dt(ΔT/Δt)は、この例のように、再結晶焼鈍時の加熱の温度履歴から10秒以下または5秒以下の時間間隔(但し、0秒超)で温度を読み取り、決定係数R2が0.99以上となるように近似曲線(次数2の多項式近似曲線)を決定した際のt2の係数(次数2の変数の係数)の2倍を用いるとよい。
得られた鋼板の、Alめっき層のうちの内側の層(AlとFeの反応層)と鋼板との境界から板厚方向に0.3mmの距離だけ離れた位置までの領域の鉄炭化物の大きさを測定し、鉄炭化物の大きさの標準偏差を求めた。鉄炭化物を測定するのに合わせて、Alめっき層(2層の合計)の厚さも測定した。更に、実施例1と同じ要領で形鋼及び平板へのホットスタンプを実行し、反りd及び引張強さσBの測定を行った。ただし、ホットスタンプ前の加熱条件は、900℃で1分間保持とした。
12 形鋼
21 定盤
31a 上金型
31b 下金型
32 ブランク(鋼板)
L 長さ
W 幅
d 反り
Claims (11)
- 質量%で、
C:0.10~0.35%、
Si:0.01~1.0%、
Mn:0.3~2.3%、および
Al:0.01~0.5%、
を含有し、
P:0.03%以下、
S:0.02%以下、および
N:0.1%以下
に制限し、
残部がFeおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、
表面から板厚の1/4の位置までに含まれる鉄炭化物の直径の標準偏差が0.8μm以下である
ことを特徴とするホットスタンプ部材用鋼板。 - 前記化学組成が、更に、質量%で、
Cr:0.01~2.0%、
Ti:0.001~0.5%、
Nb:0.001~0.5%、
B:0.0005~0.01%、
Mo:0.01~1.0%、
W:0.01~0.5%、
V:0.01~0.5%、
Cu:0.01~1.0%、および
Ni:0.01~5.0%
から選択される1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のホットスタンプ部材用鋼板。 - 前記表面にめっき厚が50μm以下のAlめっき層を有することを特徴とする請求項1または2に記載のホットスタンプ部材用鋼板。
- 前記表面にめっき厚が30μm以下のZnめっき層を有することを特徴とする請求項1または2に記載のホットスタンプ部材用鋼板。
- 前記表面にめっき厚が45μm以下のZn-Fe合金層を有することを特徴とする請求項1または2に記載のホットスタンプ部材用鋼板。
- 質量%で、
C:0.10~0.35%、
Si:0.01~1.0%、
Mn:0.3~2.3%、および
Al:0.01~0.5%、
を含有し、
P:0.03%以下、
S:0.02%以下、および
N:0.1%以下
に制限し、
残部がFeおよび不可避的不純物からなる化学組成を有する冷延鋼板を、℃/s2の単位での300℃から最高温度Sまでの鋼板温度の上昇速度の変化d/dt(ΔT/Δt)が下記式1を満たし、かつ、前記最高温度Sが720~820℃となるように加熱して再結晶焼鈍を行う
ことを特徴とするホットスタンプ部材用鋼板の製造方法。
-0.20≦d/dt(ΔT/Δt)<0 (式1)
ここで、Tは、℃の単位での前記鋼板温度、tは、sの単位での時間、ΔT/Δtは、℃/sの単位での前記再結晶焼鈍の加熱中の時間Δt秒間における前記鋼板温度の上昇速度を指す。 - 前記化学組成が、更に、質量%で、
Cr:0.01~2.0%、
Ti:0.001~0.5%、
Nb:0.001~0.5%、
B:0.0005~0.01%、
Mo:0.01~1.0%、
W:0.01~0.5%、
V:0.01~0.5%、
Cu:0.01~1.0%、および
Ni:0.01~5.0%
から選択される1種以上を含有することを特徴とする請求項6に記載のホットスタンプ部材用鋼板の製造方法。 - 前記d/dt(ΔT/Δt)は、前記再結晶焼鈍時の加熱の温度履歴から10秒以下の時間間隔で温度を読み取り、決定係数R2が0.99以上となるように次数2の多項式近似曲線を決定した際の次数2の変数の係数の2倍であることを特徴とする請求項6または7に記載のホットスタンプ部材用鋼板の製造方法。
- 前記再結晶焼鈍に引き続き、前記冷延鋼板をAl浴に浸漬し、前記冷延鋼板の表面にめっき厚が50μm以下のAlめっき層を形成することを特徴とする請求項6または7に記載のホットスタンプ部材用鋼板の製造方法。
- 前記再結晶焼鈍に引き続き、前記冷延鋼板をZn浴に浸漬し、前記冷延鋼板の表面にめっき厚が30μm以下のZnめっき層を形成することを特徴とする請求項6または7に記載のホットスタンプ部材用鋼板の製造方法。
- 前記再結晶焼鈍に引き続き、前記冷延鋼板をZn浴に浸漬して前記冷延鋼板の表面にZnめっき層を形成した後、前記冷延鋼板を600℃以下に加熱して前記冷延鋼板の表面にめっき厚が45μm以下のZn-Fe合金層を形成することを特徴とする請求項6または7に記載のホットスタンプ部材用鋼板の製造方法。
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