JP3153108B2 - 深絞り性に優れた窒化用鋼板およびそのプレス成形体 - Google Patents
深絞り性に優れた窒化用鋼板およびそのプレス成形体Info
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Description
部品、自動車の部品など、耐摩耗性、耐疲労強度、耐焼
付性を必要とされる部品に用いられる窒化用鋼板特に深
絞り性に優れた該鋼板およびその鋼板を用いたプレス成
形体に関するものである。
どは、耐摩耗性、耐疲労強度、耐焼付性を必要とされ
る。そのため窒化と呼ばれる、鋼中に窒素を侵入させ
て、表面硬度、内部硬度の高い部品(薄鋼板の成形品を
除く)を製造する処理法が用いられてきた。これらの部
品に使われる鋼(例えば、特開昭59−31850号公
報,特開昭59−50158号公報)は、窒化促進元素
を多量に入れるため、高強度、難加工性となり、棒鋼な
どを研削により形を成形し、かかる後、窒化を行い硬度
を高めている。そのため形を成形するのに、手間やコス
トがかかっていた。一方、安易で低コストな成形法とし
てプレス加工による成形法があり、低炭素鋼板、極低炭
素鋼板などの鋼板(例えば特公昭44−18066号公
報)を適用すれば深絞り成形体を製造することができ
る。しかし部品としての形は成形できるものの耐摩耗
性、耐疲労強度、耐焼付性に重要な表面の高硬度を得る
ことができなかった。このように従来から知られている
方法では成形しやすく、かつ所望の表面高硬度を兼ね備
えた深絞り成形体を作ることができず、その両立が課題
であった。
おいては形をつくるための研削に手間やコストがかか
る。快削鋼などの研削しやすい鋼を使用しても、棒鋼か
ら研削によって形をつくる成形法では、手間やコスト
は、非常にかかる。そこで深絞り成形や張出し成形など
のプレス加工法や曲げ加工法など、鋼板、特に薄鋼板で
よく使用される成形法が使用できれば、部品成形に関わ
るコストを大幅に削減でき、生産効率を大幅に上げるこ
とができる。ところが従来のプレス加工に適した深絞り
用鋼板では窒化処理によって十分な表面硬度、内部硬度
を得ることができなかった。このため、プレス加工、曲
げ加工などの安価な成形法で形を成形でき、かつ窒化
性、すなわち、窒化による硬度上昇に優れる鋼板が、強
く要望されていた。本発明は、上記問題点を解消するた
めのものであって、プレス加工や曲げ加工等の成形法が
使用できる深絞り性に優れた窒化用鋼板を提供すること
を目的としている。更にプレス成形体として、複雑な形
状を有し、耐摩耗性、耐疲労強度、耐焼付性に優れた成
形耐が望まれている。
ろは、 (1)重量比で C :0.0002〜0.0100%未満、 Si:0.005〜1.00%、 Mn:0.010〜3.00%、 P :0.001〜0.150%、 N :0.0002〜0.0100%、 Cr:0.80超〜5.00%、V :0.10超〜1.00%を含有し、 さらに窒化硬化元素群として、 Al:0.10超〜2.00%、 Ti:0.010〜1.00% の1種または2種以上を含有し、残部が鉄および不可避
的不純物からなる深絞り性に優れた窒化用鋼板。
た窒化用鋼板。 (3)(1)又は(2)に記載の鋼板に、さらに重量比
で、 B:0.0005〜0.0050%を含有し、 残部が鉄および不可避的不純物からなる深絞り性に優れ
た窒化用鋼板。 (4)(1)ないし(3)に記載の鋼板からなるプレス
成形体において、該成形体の少なくとも片面に硬質窒化
物層を有するプレス成形体。(5)鋼板が熱延鋼板または冷延鋼板である前記(4)
に記載のプレス成形体である。
以下に鋼の成分を限定する理由について述べる。Cは、
鋼の深絞り性に影響を及ぼす元素であり、含有量が多く
なると、深絞り性は劣化する。また含有量が多いと、他
の元素を加えたときの深絞り性劣化を促進する。従って
0.0100%未満とする。また、0.0002%未満
では鋼の高純化処理負荷の増大により、製造コストが飛
躍的に上がり経済的でないので、0.0002%を下限
とする。
り、0.80%以下では窒化による硬度上昇量が小さい
ので必ず0.80%を超えて含有するものとし、5.0
0%を超えると深絞り性が劣化してくるので、5.00
%を上限とする。AlとVとTiは所定のCrとともに
添加することにより窒化処理による硬度上昇が著しい。
Alは、通常、脱酸成分として添加し、ブローホール等
の欠陥の発生を防止するため、0.005%以上添加す
る必要がある。Alを、脱酸成分として用いる場合は、
0.005%を下限とする。一般に、Alは、0.10
%程度まで含まれているので、Alを窒化促進に使用し
ない場合においても、0.10%までは含有することが
できる。Alは、窒素との親和力が強く、窒化物層の表
層を非常に硬くする元素であり、窒化性を高めるために
添加する場合は、0.10%以下では窒化による硬度上
昇量が小さいので0.10%超を下限とし、2.00%
を超えると深絞り性が劣化してくるので、2.00%を
上限とする。
まで窒素を侵入させるため、鋼の表面に厚い窒化物層を
得ることができる。0.10%以下では窒化による硬度
上昇量が小さいので0.10%超を下限とし、1.00
%を超えると深絞り性が劣化してくるので、1.00%
を上限とする。Tiは、窒化物の核生成が起こりやすい
ので、窒化処理時間が短くても強力に窒化を促進させる
元素であり、短時間の処理で表面硬化層を得ることがで
きる。0.010%未満では窒化による硬度上昇量が小
さいので0.010%を下限とし、1.00%を越える
と深絞り性が劣化してくるので、1.00%を上限とす
る。またTiを深絞り性向上のために添加する場合は
0.005%以上が好ましい。以上が本発明の窒化処理
性向上のための基本的重要成分であるが、鋼板としての
深絞り性を確保するために以下の範囲で元素を含有する
ことができる。
トが飛躍的に上がり経済的でなくなるので、0.005
%を下限とし、1.00%を越えると高い深絞り性が得
られなくなるので、1.00%を上限とする。Mnは、
0.010%未満では、製造コストが飛躍的に上がり経
済的でなくなるので、0.010%を下限とし、3.0
0%を越えると高い深絞り性が得られなくなるので、
3.00%を上限とする。
れる元素であり、強度レベルに応じて添加するが、0.
001%未満にするには製造コストが飛躍的に上がり経
済的でなくなるので、0.001%を下限とし、0.1
50%を越えると二次加工脆性の問題が発生してくるの
で、0.150%を上限とする。Nは、深絞り性を確保
するためには少ない方が良いが、0.0002%未満で
は製造コストが飛躍的に上がり経済的でなくなるので、
0.0002%を下限とし、0.0100%を越えると
深絞り性が劣化してくるので、0.0100%を上限と
する。また、深絞り性向上元素として、本発明はNbを
0.005%以上0.060%の範囲で含有することが
できる。Nbは鋼中で微細な炭化物、窒化物及び炭窒化
物を生成し固溶C,Nの存在による深絞り性の劣化を防
ぐために、添加するものである。
出固定する効果が少ないため、0.005%を下限と
し、0.060%を超えると深絞り性が劣化してくるの
で0.060%を上限とする。また、二次加工脆性を防
ぐ元素としてBを0.0005%以上0.0050%以
下を含有してもかまわない。Bは低炭素のために弱くな
っている鋼の結晶粒界の強度を強め、二次加工脆性を防
ぐ目的で添加するものである。Bは、0.0005%未
満では二次加工脆性を防ぐ効果が少ないため、0.00
05%を下限とし、0.0050%を超えると深絞り性
が劣化してくるので0.0050%を上限とする。な
お、Bは窒化物との親和性が強いので窒化物形成元素を
本発明に用いる鋼材の成分範囲で含有する鋼において
も、その鋼の窒化処理性を妨げることはなく、さらに改
善することも可能である。
が厳しく要求される場合は、Cの含有量を0.0002
%以上0.0100%未満にするとともに、CとNを析
出固定するために、Ti量を{(48/12)×C
[%]+(48/14)×N[%]}以上、もしくはN
b量を{(93/12)×C[%]+(93/14)×
N[%]}の0.8倍以上、もしくはTiとNbを複合
添加する場合で、Ti量が{(48/12)×C[%]
+(48/14)×N[%]}よりも少ない時は、Nb
を0.8×(93/12)×C[%]×{1−(Ti
[%]−(48/14)×N[%]}以上添加すること
が望ましい。
限定されるものではなく、薄鋼板(熱延鋼板、冷延鋼
板)の通常の製造方法であればいずれでもかまわない。
また、加工性の向上や、加工後の外観のために調質圧延
を施した鋼板(ダル仕上げ鋼板、ブライト仕上げ鋼板、
表面に特定形状のパターンを転写された鋼板等)表面に
防錆油、潤滑油などの油膜層を有する鋼板など、通常の
薄鋼板であれば本発明の効果を十分に享受することがで
きる。
られた鋼材を用いて深絞り加工などのプレス加工を行
う。プレス加工を施すことで鋼材に適当な量の転位が加
えられる。深絞り等の塑性加工によって加えられた転位
により、窒素の拡散および窒化物の形成が促進され窒化
物硬化層を短時間で得ることができるので、耐摩耗性の
優れた成形体を得ることができる。また、この硬質層の
ために表面亀裂が入りにくくなり耐疲労強度、耐焼付性
も向上する。本発明の加工性とは、成形体の形状によっ
ては深絞り加工だけではなく、曲げ加工、しごき加工、
打ち抜き加工等を加えても何等差し支えないものを言
う。成形体を所定の形状に成形後窒化処理によって成形
体の鋼材表面に硬質窒化物層を形成する。硬質窒化物層
とは、表層の窒素化合物層および鋼材の内部に形成され
る硬質の窒素拡散層をいう。
化処理、塩浴軟窒化処理、イオン窒化処理、酸窒化処
理、浸硫窒化処理など各種の処理方法があるが、表層に
硬質窒化物層を形成する処理方法ならいずれでも構わな
い。また必要な窒化物層深さを得るために適宜に処理時
間を変えることができる。また研削などの手段により、
得られた表層窒化物層の厚みを減じ、層厚を調節した
り、表面の粗度を調整しても何等差し支えない。硬質窒
化物層の硬さとしては、マイクロビッカースで400程
度以上あれば望ましい。上限硬さは限定されるものでは
ないが、現在の窒化処理技術では、おおむね1500程
度である。また、該窒化物の濃化した硬質層の厚みとし
ては存在すれば良いので、1μm程度あれば十分である
が、さらに効果を安定的に発揮するには20μm以上あ
ることが望ましく、数百μmあれば窒化層の効果は飽和
する。
表1〜表3に示す成分の鋼を溶製し、常法に従い連続鋳
造でスラブとした。そして、加熱炉中で1200℃まで
加熱し、910℃以上の仕上げ温度で、熱間圧延を行
い、表1〜表3に示す巻取温度で巻取り、ついで、酸洗
を施し熱延鋼板とした。表1〜表3に示す圧下率で冷間
圧延を行った後、800℃×60秒の再結晶焼鈍を行
い、冷延鋼板となした。得られた熱延鋼板、冷延鋼板を
60Φの円盤(ブランク)に切り抜き、さまざまな径の
ポンチとダイスを組み合わせ、カップ部品を成形した。
ブランク径と成形中に破断を起こす限界のカップ底の内
径の比(限界絞り比、LDR)をもって深絞り性の評価
を行った。また別途試験片を作製し脱脂した後、NH3
ガスと吸熱ガスの混合雰囲気ガス中で570℃×4時間
窒化処理し、油冷した。そしてマイクロビッカース硬度
計を用い表面から30μmの位置の硬度(Hv)をもっ
て窒化性を評価した。以上の結果を表1〜表3に併記す
る。表1〜表3から明らかなように、同じ窒化硬度を持
つ比較例と本発明を比較すると、本発明の方が、限界絞
り比が大きく、深絞り性に優れていることが分かる。
ラブとした。そして、加熱炉中で1200℃まで加熱
し、910℃以上の仕上げ温度で、熱間圧延を行い、6
00℃で巻取り、ついで、酸洗を施し、80%の圧下率
で冷間圧延を行った後、800℃×60秒の再結晶焼鈍
を行い、冷延鋼板となした。この冷延鋼板を用いて、窒
化処理時間による表面硬化層のできやすさ(窒化の迅速
性)の試験を行った。試験片を作製後、NH3ガスと吸
熱ガスの混合雰囲気ガス中で570℃で時間を変えなが
ら窒化処理し、油冷した。そしてマイクロビッカース硬
度計を用い表面硬化層の硬度(Hv)を測定した。表面
硬化層の硬度がHv400を得るのに必要な窒化処理時
間をもとめ、Ti=0%の時との処理時間との比でもっ
て窒化の迅速性を評価した。以上の結果を表4にまとめ
る。表4から明らかなように、Tiを0.01%添加し
た鋼において、おなじ硬度の表面硬化層を得るのに短時
間の処理ですみ窒化の迅速性に優れていることが分か
る。
脆性の試験を行った。二次加工脆性の試験は、まず絞り
比1.9でカップ部品を成形し(一次加工)、次に、円
錐型ポンチを押し込んで、カップの周辺を押し広げる加
工を加えた(二次加工)。二次加工を加えると脆化傾向
の大きい材料は、縦に割れ目が入り、この割れの発生率
をもって評価した。以上の結果を表5にまとめる。表5
から明らかなように、二次加工脆化による縦割れは、B
を添加した鋼において、発生率が低くなり、高い耐二次
加工割れ性を有していることが判る。
造でスラブとした。そして、加熱炉中で1200℃まで
加熱し、910℃以上の仕上げ温度で、熱間圧延を行
い、650℃で巻取り、ついで、酸洗を施し、1.6m
m厚の熱延鋼板となした。 また別途、同じ成分のスラ
ブを加熱炉中で1200℃まで加熱し、910℃以上の
仕上げ温度で、熱間圧延を行い、650℃で巻取り、つ
いで、酸洗を施し、80%の圧下率で冷間圧延を行った
後、800℃×60秒の再結晶焼鈍を行い、1.0mm
厚の冷延鋼板となした。得られた熱延鋼板、冷延鋼板を
60Φの円盤(ブランク)に切り抜き、絞り比2.0、
2.1でカップ部品をプレス成形した。この部品をNH
3ガスと吸熱ガスの混合雰囲気ガス中で570℃×4時
間窒化処理し、油冷した。そしてマイクロビッカース硬
度計を用い表面から30μmの位置の硬度(Hv)をも
って窒化性を評価した。以上の結果を表6〜表8にまと
める。表6〜表8から明らかなように、比較例と本発明
を比較すると、本発明の深絞り成形体は成形性に優れ、
硬い表面窒化物層が得られ窒化性に優れていることが分
かる。
ラブとした。そして、加熱炉中で1200℃まで加熱
し、910℃以上の仕上げ温度で、熱間圧延を行い、7
00℃で巻取り、ついで、酸洗を施し、80%の圧下率
で冷間圧延を行った後、800℃×60秒の再結晶焼鈍
を行い、板厚1.2mmの冷延鋼板となした。得られた
冷延鋼板を60Φの円盤(ブランク)に切り抜き、絞り
比2.0でカップ状の深絞り成形体をプレス成形した。
一方、同じスラブから鋼片を切り出し、研削によって、
同型のカップ部品を成形し、比較成形体を作製した。こ
れらの成形体をNH3ガスと吸熱ガスの混合雰囲気ガス
中で570℃×4時間窒化処理し、油冷した。そしてマ
イクロビッカース硬度計を用い表面から30μmの位置
の硬度(Hv)をもって窒化性を評価した。以上の結果
を表9にまとめる。表9から明らかなように、比較例と
本発明を比較すると、本発明の深絞り成形体の方が、硬
い表面窒化物層が得られ窒化性に優れていることが分か
る。
スラブとした。そして、加熱炉中で1250℃まで加熱
し、910℃以上の仕上げ温度で、熱間圧延を行い、5
30℃で巻取り、ついで、酸洗を施し、75%の圧下率
で冷間圧延を行った後、780℃×40秒の再結晶焼鈍
を行い、板厚1.8mmの冷延鋼板となした。得られた
冷延鋼板を80Φの円盤(ブランク)に切り抜き、絞り
比2.0でカップ状の深絞り成形体をプレス成形した。
この部品をNH3ガスと吸熱ガスの混合雰囲気ガス中で
570℃×4時間窒化処理し、油冷した。そして底の部
分から10×10mmの試験片を切り出した。これによ
り、両面に硬質窒化物層が存在する試験片を用意した。
また、窒化処理時において一部のカップ状部品の口を密
閉し、内面をNH3ガスと吸熱ガスの混合雰囲気ガスに
さらさないで、カップ状部品の外面にのみ硬質窒化物層
を生成させた。これにより、片面のみ硬質窒化物層が存
在している試験片を用意した。これらの試験片に一定荷
重で回転式の研磨板を押しつけ、回転摩耗を加えた。試
験片の板厚が最大0.1mm減少するまでの研磨板の総
回転数で、耐摩耗性を評価した。以上の結果を表10に
まとめる。表10から明らかなように、比較例と本発明
を比較すると、本発明の硬質窒化物層を存在させたプレ
ス成形体の方が耐摩耗性に優れていることが分かる。
つ、深絞り性に優れた窒化用鋼板が得られ、更に経済
性、生産性にすぐれ、かつ耐摩耗性、耐疲労強度、耐焼
付性を兼ね備えた工具、機械構造用部品、自動車の部品
等に用いられるプレス成形体が得られる。
Claims (5)
- 【請求項1】 重量比で C :0.0002〜0.0100%未満、 Si:0.005〜1.00%、 Mn:0.010〜3.00%、 P :0.001〜0.150%、 N :0.0002〜0.0100%、 Cr:0.80超〜5.00%、V :0.10超〜1.00%を含有し、 さらに窒化硬化元素群として、 Al:0.10超〜2.00%、 Ti:0.010〜1.00% の1種または2種以上を含有し、残部が鉄および不可避
的不純物からなる深絞り性に優れた窒化用鋼板。 - 【請求項2】 請求項1に記載の鋼板に、重量比で、 Nb:0.005〜0.060%を有し、 残部が鉄および不可避的不純物からなる深絞り性に優れ
た窒化用鋼板。 - 【請求項3】 請求項1又は2に記載の鋼板に、さらに
重量比で、 B:0.0005〜0.0050%を含有し、 残部が鉄および不可避的不純物からなる深絞り性に優れ
た窒化用鋼板。 - 【請求項4】 請求項1又ないし3に記載の鋼板からな
るプレス成形体において、該成形体の少なくとも片面に
硬質窒化物層を有するプレス成形体。 - 【請求項5】 鋼板が熱延鋼板または冷延鋼板である請
求項4に記載のプレス成形体。
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