JP4280202B2 - 焼き入れ性と伸びフランジ性の優れた高炭素鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、焼き入れ性と伸びフランジ性の優れた高炭素鋼板に関する。

自動車部品（ギヤ、ミッション）等に使用される高炭素鋼板は、打ち抜き、成型加工後に焼き入れ・焼き戻し等の熱処理が施され、所定の強度に調整される。一般に、高炭素鋼板は打ち抜き加工や曲げ加工、軽い絞り加工、軽度の伸びフランジ加工が施されこともある。また、部品形状が複雑な場合は、いくつかの部品を溶接して製造される場合も多い。ところが、近年、部品の製造コストの低減するため、部品加工の工程省略、一体成型が進められている。このため、素材の高炭素鋼板にはより加工性の優れた特性を要求される。また、加工部分を更に異なる加工形態の二次加工を行う方法も試みられている。例えば、打ち抜き穴部を穴広げ加工後に、増肉加工等が施されることがある。これらの要求に応えるためには単に伸びフランジ性が良好なだけでは加工には耐えられない。

高炭素鋼板の伸びフランジ性を良好にしようとする技術は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５、特許文献１６の技術が開示されている。特許文献１〜１０は、鋼成分、熱延条件に特徴を有するが、基本の技術は焼鈍時にＡｃ1−５０℃〜Ａｃ1で保定後にＡｃ1〜Ａｃ1＋１００℃の温度で保定した後に冷却速度５〜３０℃／ｈｒで冷却途中のＡｃ1〜Ａｃ1−５０℃の温度範囲で再び保持する焼鈍サイクルに特徴がある。この方法は焼鈍に長時間を必要とする上に、この技術を開示した明細書に示されるＶノッチ伸びは良好であるが、実際の伸びフランジ性は必ずしも良好でない。特許文献１２、特許文献１３は共に焼鈍時にγ域に加熱後に５０℃／ｈｒ以下の冷却速度で冷却する熱サイクルを採用する技術で、基本的には先の技術と同じであり、十分な伸びフランジ性は得られない。

特許文献１１は熱延材のためフェライト＋パーライト組織であるため、十分な加工性が得られない。特許文献１４は炭化物粒径を０．１〜１．２μｍにし、炭化物を含まないフェライト粒体積率を１５％以下にする技術であるが、この技術も優れた伸びフランジを有する高炭素鋼板を安定して製造することが出来なく、厳しい伸びフランジ加工後の増肉加工時に割れが生じる等の問題点がある。特許文献１５、特許文献１６の技術は熱延後の冷却速度を１２０℃／Ｓ以上で冷却し、炭化物粒径を０．１〜１．２μｍにし、炭化物を含まないフェライト粒体積率を１５％以下にする鋼板を製造する技術であるが、熱延後に、１２０℃／Ｓ以上の冷却速度で冷却するため、安定した鋼板が得られない。また、厳しい伸びフランジ加工後には増肉加工で割れが生じる等の問題点がある。
特開平１１−８０８８４号公報 特開平１１−８０８８５号公報 特開平１１−１４０５４４号公報 特開平１１−２５６２７２号公報 特開平１１−２５６２６８号公報 特開平１１−２６９５５２号公報 特開平１１−２６９５５３号公報 特開２０００−１７８６７８号公報 特開２０００−１７８６７９号公報 特開２０００−２７３５３７号公報 特開２００１−６４７５１号公報 特開２００１−７３０３３号公報 特開２００１−２２０６４３号公報 特開２００１−２１４２３４号公報 特開２００３−１３１４４号公報 特開２００３−１３１４５号公報

組織が不均一な鋼板は、伸びフランジ加工の打ち抜き加工時に、打ち抜き端面にボイドが生じる。例え、平滑な面の場合に優れた局部延性を有していても、打ち抜き加工部に伸びフランジ加工が施されると、加工の初期にボイドが連結し、割れが生じるため、伸びフランジ加工性が不十分となる。一方、熱延後に急冷することで組織を均一にした鋼板は、打ち抜き加工ではボイドが生じ難いが、鋼板の延性が低いため、厳しい伸びフランジ加工には耐えられない。そこで、本発明においては、軟質で延性が優れかつ、打ち抜き加工時にボイドが生じにくく、かつ焼き入れ性の優れた鋼板を提供することにある。

伸びフランジ加工性は、打ち抜き加工時に打ち抜き面は剪断変形され、加工硬化し、伸びフランジ加工前に既にボイドが生じる。これを伸びフランジ加工するとボイドを起点に、大きな割れが生じ、これが伸びフランジ加工限界となる。一方、打ち抜き加工時にボイドが生じない場合は、伸びフランジ加工の歪をいかに均一に分担するかによって左右され、不均一な歪分布になると伸びフランジ性は劣化し、均一に分担すれば、伸びフランジ性は良好になる。しかし、歪を均一に分担しても、鋼板の延性が劣れば、厳しい伸びフランジ加工に耐えられない。したがって、打ち抜き加工時に、ボイドを生じ難く、伸びフランジ加工時に歪を均一に分担し、かつ、延性の優れた鋼板を必要とする。高炭素鋼板は、フェライトとパーライトの混合組織、あるいはフェライトとセメンタイトの混合組織である。パーライトはフェライトとセメンタイトが層状に積層した組織で、延性が乏しいため、加工性を必要とするときは球状化焼鈍し、フェライトと球状炭化物（セメンタイト）の混合組織として用いられる。この球状炭化物は硬質なため、変形能はほとんどなく、炭化物の周りは歪が不連続となり、炭化物の周りにボイドが生じ、このボイドが連結して割れが生じる。したがって、炭化物は少なければ少ないほど加工性が良好になる。しかし、炭化物量はＣ量に依存し、炭化物が少ないと焼き入れ後の硬さが得られなくなるので、ある程度以上の炭化物は必要である。

そこで、炭化物量が一定の場合の、伸びフランジ性におよぼす炭化物の存在形態の影響を検討した結果、（１）大きな炭化物の周りでは加工時にボイドが生じ易くなり、伸びフランジ性が劣化する。（２）炭化物が小さいとボイドが生じる歪は大きくなるが、ボイドが生じるとこれらが連結して、クラックが生じ易くなり、やはり伸びフランジ性が不十分である。（３）平均炭化物粒径が同一でも、炭化物粒径にバラツキが大きいと伸びフランジ性が劣り、炭化物の平均粒径だけを制御しても優れた伸びフランジ性を有する鋼板が得られなく、炭化物粒径とそのバラツキを小さくすると優れた伸びフランジ性鋼板が得られる。（４）炭化物のバラツキを少なくするには、偏析を小さくする凝固条件、熱延組織を均一にする熱延条件、大きな炭化物を生成させない焼鈍条件と共に、Ｃｒの適量添加で達成できることが分かつた。（５）Ｔｉ、Ｂを添加すれば、伸びフランジ性を劣化させることなく、低Ｃ量でも、通常の熱処理条件では、Ｃ量が高い鋼と同等の硬さが得られ、かつ優れた靭性を得られる。

以上の知見から、本発明を完成し、伸びフランジ性と焼き入れ性の優れた高炭素鋼板の提供を可能とした。その要旨は、質量％で、Ｃ：０．２２〜０．４５％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．０８％以下、Ｎ：０．００８０％以下、Ｃｒ：０．０１〜０．７０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、炭化物の平均粒径が０．１〜１．０μｍで、炭化物粒径の標準偏差／炭化物の平均粒径の比が０．５以上１．０以下であることを特徴とする焼き入れ性と伸びフランジ性の優れた高炭素鋼板にある。

以下、本発明の限定理由について説明する。
Ｃは、焼き入れ後の硬さに直接影響し、Ｃ量が０．２０質量％未満になると焼き入れ後、機械構造部品として十分な強度が得られない。Ｃ含有量が０．４５質量％を超えると、炭化物量が多くなり、加工時に炭化物の周りにボイドが生成し、このボイドが連結する機構で破断が進捗するため、伸びフランジ性が劣化する。このため、Ｃの上限を０．４５質量％に特定した。好ましい範囲は同様の理由から０．２２〜０．３５質量％である。
Ｃｒは、球状化炭化物の粒径のバラツキを少なくする働きをするため、０．７０質量％以内で添加する。０．７０％を超えてＣｒを添加すると、球状化のための焼鈍時間を長時間必要となり、製造コストを上昇させるだけでなく、鋼板が硬質となり、加工性を劣化させる。炭化物粒径のバラツキを小さくする手段は、凝固条件、熱延条件、焼鈍条件等、Ｃｒ添加以外に存在するため、Ｃｒ量の下限は、０．０１質量％である。
Ｂは、焼き入れ性を高める元素として、知られている。本発明でも、この目的で０．００５０質量％を上限で添加する。Ｂ量が０．００５０％を超えると連続鋳造スラブに欠陥が生じ、製品に表面疵が多くなり、歩留まりが低下する。一方、添加量が０．０００３質量％未満になると焼き入れ性を高める効果を不十分となる。このため、下限を０．０００３質量％に特定した。
Ｔｉは、Ｂの添加効果を顕現させるためと、焼き入れ後の靭性を高めるために添加する。添加量が０．０５質量％を超えると、逆に、製造条件により、靭性が劣化することがあるので、上限を０．０５質量％に特定した。一方、添加量が０．００５質量％未満では上記の効果が発揮できなくなるため、下限を０．００５質量％に特定した。

炭化物粒径は、加工性および穴広げ性においてボイドの生成に大きく影響する。炭化物が微細になると、ボイドが生じる歪は大きくなるが、ボイドの連結によるクラックが発生する歪が逆に小さくなり加工性を悪くする、このため、炭化物平均粒径の下限を０．１μｍに特定した。一方、炭化物粒径が１．０μｍ超になると炭化物の周りに出来たボイドを起点に破断が進行し、伸びフランジ性が悪くなる。このため、炭化物平均粒径の上限を１．０μｍに特定した。好ましい範囲は同様の理由から、炭化物平均粒径が０．３〜０．８μｍの範囲である。

炭化物粒径のバラツキは、炭化物粒径と同様に穴広げ加工時のボイドの生成に大きく影響する。炭化物のバラツキが大きくなると、例え、平均炭化物粒径が０．１〜１．０μｍの範囲内であっても、大きな炭化物や、小さな炭化物の比率が多くなり、伸びフランジ性を劣化させる。炭化物粒径の標準偏差が平均炭化物粒径の比で１．０を超えると、伸びフランジ性を悪くする効果が顕著となるので、炭化物粒径の標準偏差を平均炭化物粒径の比で１．０以下にする必要がある。これは、Ｃ：０．３０％、Ｓｉ：０．１２％、Ｍｎ：０．６７％、Ｃｒ：０．３０％、Ｔｉ：０．０１６％、Ｂ：０．００１５％（全て質量％）の鋼を連続鋳造でスラブを造り、１２５０℃に加熱後に、種々の条件で熱間圧延し、種々の焼鈍条件で球状化焼鈍した３．５ｍｍ厚みの鋼板から、１５０角の穴広げ試験片、および断面のミクロ組織観察用試験片を採取した。穴広げ試験片は板の中央部にクリアランス１２％で１０φの穴を打ち抜き、この穴に６０度の円錐ポンチで押し上げ、打ち抜き面、板厚を貫通するクラックが生じた時に試験を止め、そのときの穴径と初期穴径の差を初期穴径で割り、１００分率表示したものを穴広げ率とした。圧延方向に平行な断面の炭化物を走査型顕微鏡で観察し、炭化物の平均粒径および炭化物粒径の標準偏差を測定した。炭化物の観察個所は少なくとも、１０視野以上とした。測定した炭化物平均粒径が０．３〜０．４μｍ範囲と、炭化物平均粒径が０．７〜０．７５μｍのものについて、炭化物の標準偏差／平均炭化物粒径の比と穴広げ率の関係を図１に示した。平均炭化物粒径に係わらず、炭化物粒径の標準偏差が大きくなると穴広げ率が低下する。特に、標準偏差が平均炭化物粒径以上になると穴広げ率の低下傾向が顕著となる。この事実に基づき、炭化物粒径の標準偏差と平均炭化物粒径の比が１．０以下に特定した。

この発明は、伸びフランジ性の向上と焼き入れ性を両立するにあたり、単に炭化物の粒径を制御するだけでなく、鋼の成分を適正に調整し、炭化物のバラツキを制御することで、打ち抜き時の端面のボイド生成を抑制し、穴広げ加工におけるクラックの成長を遅らすことができる。この結果、極めて伸びフランジ性の優れた、しかも焼き入れ性が優れ、焼き入れ後の靭性が優れた高炭素鋼板の提供が可能となる。この高炭素鋼板を用いることにより、自動車の駆動系機械部品等の加工において加工度が高く取ることができ、製造工程を省略して低コストで部品等を製造することが可能となり、工業的に極めて有用な発明である。

この発明の鋼は、Ｃ：０．２２〜０．４５質量％、Ｃｒ：０．０５〜０．７０質量％、Ｔｉ：０．０１０〜０．０５０質量％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０質量％を含有する他は、炭化物の平均粒径とそのバラツキを前述の範囲に特定すればよい。その他の化学成分については、特に規定せず、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎなどの元素は通常範囲で含有させても、本発明の特徴を損なわない。但し、好ましくは次のようにすると良い。
Ｓｉは鋼板を硬質にし、加工性を損なうと同時に、鋼板の表面欠陥の原因となるので、１．０質量％以下とすることが好ましい。
Ｍｎは、過剰に添加すると延性の低下を引き起こすと同時に、炭化物の粒径のバラツキを大きくする傾向があるので、１．５質量％以下とすることが好ましい。
Ｐ、Ｓは、過剰に添加すると延性を低下させるので０．０３質量％以下にすることが好ましい。
Ａｌは、過剰に添加すると鋼板の表面欠陥の原因となりやすいので、０．０８質量％以下の範囲で添加することが好ましい。
Ｎは、多量に添加するとＡｌ、Ｔｉ、Ｂと窒化物をつくり、焼き入れ性を劣化させるので、０．００８０質量％以下の範囲で添加することが好ましい。さらに、目的に応じて、通常添加される範囲で、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃａ、Ｍｇ等の元素を添加してもよい。これらの元素は、本発明の特徴に特に影響を及ぼさない。また、製造過程で不可避的に混入する元素、不純物も本発明の特徴を損なわない。

上記のように成分調整された鋼は、連続鋳造、あるいは造塊−分塊圧延によりスラブとする。この際、鋼塊の成分偏析は炭化物粒径のバラツキを大きくするので、未凝固域圧下、電磁攪拌等の凝固偏析を少なくする方法を採用することが好ましい。このスラブを熱間圧延するが、その際、スラブ加熱温度は、スケール生成による表面状況の劣化を避けるため、１２８０℃以下とすることが好ましい。熱間圧延の仕上温度は、加工性の観点からＡｒ3点以上とすることが望ましい。巻取り温度については、炭化物のサイズおよびその分布の制御の観点から、５００〜６５０℃とすることが望ましい。なお、仕上圧延後の冷却は、炭化物のサイズ分布に大きく影響するので、パーライトが恒温変態するように注水冷却することが望ましい。このようにして製造された熱延鋼帯は脱スケール後に球状化焼鈍、あるいは、冷間圧延して、焼鈍、または球状化焼鈍後に冷間圧延し焼鈍して製品に供される。熱延鋼帯を酸洗後に焼鈍する場合、冷間圧延後に焼鈍する場合の、大きな粒径の炭化物を多くしないためにＡｃ1点温度以下の温度で行うことが望ましい。熱延鋼帯を酸洗後あるいは球状化焼鈍後に冷間圧延する場合の冷間圧延率は、炭化物を均一な大きさに制御するために、２０％以上にすることが好ましい。一方、冷間圧延率を高くとると、必然的に熱延鋼帯の厚みを厚くなるため、炭化物のバラツキが大きくなり易いので、７０％以下の冷間圧延率を採用することが好ましい。このようにして製造された鋼帯は必要に応じて、調質圧延して機械構造部品等の加工に供される。本発明の高炭素鋼板は、熱延鋼板でも冷延鋼板でもよく、いずれの場合も本発明の特徴の効果を得ることができる。

質量％で、Ｃ：０．２８％、Ｓｉ：０．１５％、Ｍｎ：０．５８％、Ｃｒ０．３０％、Ｓ：０．００２％、Ｔｉ：０．０１８％、Ｂ：０．００１５％、Ｎ：０．００３８％の組成の成分的には本発明範囲内の鋼を転炉で溶製し、連続鋳造でスラブを造った。連続鋳造時に、一部の鋳造時に、未凝固域で圧下、電磁攪拌、鋳造速度を通常のものより、１．５倍に速めて鋳造した。このスラブを１２４０℃に加熱し、熱間圧延を行った。熱延仕上温度は７９０〜８８０℃、巻取り温度は４５０〜６８０℃の範囲であった。この熱延鋼板を酸洗後、６１５〜７０５℃で１４〜９６時間の箱焼鈍を行なって、板厚４．０ｍｍの鋼板を製造した。これらの鋼板から、サンプルを採取し、炭化物の平均粒径および炭化物粒径の標準偏差、硬さを測定した。同時に、穴広げ試験と穴広げ試験後に据え込み試験を行った。炭化物粒径は鋼板の圧延方向に平行な断面を研磨し、ピクリン酸溶液で腐食し、走査型電子顕微鏡観察で個々の炭化物面積を測定し、これが真円と仮定してその径を求めた。炭化物の測定は炭化物個数が２０００個以上になるように測定視野数を調整した。測定した炭化物粒径の標準偏差を求めた。穴広げ試験は、１５０ｍｍ角の鋼板の中央部にクリアランス１２％にして、１０ｍｍφ（ｄ０）の穴を打ち抜いた後、その穴部に、６０度の円錐ポンチで押し上げる方法で行い、穴周囲に板厚を貫通する亀裂が発生した時点の穴径（ｄ）を測定し、次式で定義される穴広げ率λ（％）を求めた。
λ＝（ｄ−ｄ０）／ｄ０×１００
据え込み試験は１００角の中心部にクリアランス１２％にして、１５ｍｍφの穴を打ち抜き、径が２０ｍｍφの平底ポンチで穴径がポンチ径と同一になるまで押し上げた。これを圧縮試験機で穴広げの頭部を圧縮し、高さが５０％になった時点で頭部にクラックが生じるかどうかで評価した。クラックが観察されないものを○、クラックがわずかに観察されるものを△、クラックが存在するものを×の評点とした。これの測定結果を表１に記載した。

鋼Ｎｏ．１は、連続鋳造時に偏析が最少となる条件の電磁攪拌を採用し、熱延仕上げ温度：８２０℃、巻取り温度：６００℃、仕上げ圧延後の冷却は、パーライト変態温度が６００〜６１０℃間で終了するように注水した。なお、通常の熱延では、変態温度域は比較的に大きく、例えば、比較材の鋼４のパーライト変態は、５９０〜６５０℃間である。熱延後、酸洗し、６７０℃×１８時間の焼鈍して、特性調査に供した。炭化物平均粒径が０．７６μｍ、炭化物粒径の標準偏差が０．４５μｍ、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径が０．５９２と炭化物サイズ分布は本発明範囲内の実施例である。穴広げ率が６８％と優れた伸びフランジ性を有する。鋼Ｎｏ．２は連続鋳造時に電磁攪拌と鋳造速度を通常のものより、１．５倍の引き抜き速度を採用した。熱延仕上げ温度：８００℃、巻取り温度；６００℃、パーライト変態が１０℃以内に終了するように、変態発熱を考慮して注水した。この鋼の炭化物の平均粒径が０．５６μｍ、炭化物粒径の標準偏差が０．３２μｍ、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径が０．５７１と炭化物サイズ分布は本発明範囲内の実施例である。穴広げ率が７５％と優れた伸びフランジ性を有する。鋼Ｎｏ．３は、連続鋳造時に、未凝固域で５％の圧下を行い、鋳造してスラブを造り、熱延に供した。熱延仕上げ温度：８１５℃、巻取り温度：５８０℃、パーライト温度変態温度が５９０〜６００℃となるように注水冷却した。炭化物の平均粒径が０．４５μｍ、炭化物粒径の標準偏差が０．２８μｍ、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径が０．６２２と炭化物サイズ分布は本発明範囲内の実施例である。穴広げ率が７８％と優れた伸びフランジ性を有する。また、本発明範囲内の実施例である鋼Ｎｏ．１、２、３は穴広げ後の据え込み試験でクラックが観察されなく、いずれも優れた伸びフランジ性を有することがわかる。

鋼Ｎｏ．４は炭化物の平均粒径が０．８２μｍ、炭化物粒径の標準偏差が０．９０μｍ、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径が１．１０と炭化物平均粒径は本発明範囲内であるが、炭化物粒径のバラツキが大きく本発明範囲から外れた比較例である。この鋼は穴広げ率が３５％と本発明の実施例に比べて低く、穴広げ試験後の据え込み試験でもクラックが生じ、伸びフランジ性が劣ることが分かる。鋼Ｎｏ．５は炭化物平均粒径が０．５６μｍ、炭化物粒径の標準偏差が０．８０μｍ、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径が１．４２９と炭化物粒径の標準偏差が本発明範囲から外れた比較例である。穴広げ率が４１％と低く、穴広げ後の据え込み試験でクラックが観察された。鋼Ｎｏ．６は炭化物平均粒径が１．２５μｍ、炭化物粒径の標準偏差が０．８０μｍ、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径が０．６４で、炭化物平均粒径が本発明範囲から外れた比較例である。この鋼板の穴広げ率は４２％で、本発明範囲内の実施例に比較すると穴広げ率が劣ることが分かる。このように、鋼成分が同一であっても、炭化物平均粒径、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径のいずれかが本発明範囲から外れると優れた伸びフランジ性を有する鋼板を提供できないことが分かる。

質量％で、Ｃ：０．２８％、Ｓｉ：０．１５％、Ｍｎ：０．５８％、Ｃｒ０．３０％、Ｓ：０．００２％、Ｔｉ：０．１８％、Ｂ：０．００１５％、Ｎ：０．００３８％の組成の鋼を転炉で溶製し、連続鋳造でスラブを造った。連続鋳造時に、一部の鋳造時に未凝固域圧下、電磁攪拌、鋳造速度を通常のものより、１．５倍に速めて鋳造した。このスラブを１２４０℃に加熱し、熱間圧延を行った。熱延仕上温度は７９０〜８８０℃、巻取り温度は４５０〜６８０℃の範囲であった。この熱延鋼板を酸洗後に冷間圧延率が２５〜６５％の冷間圧延後に、６１５〜７０５℃で１４〜９６時間の箱焼鈍を行ない、板厚２．０ｍｍの鋼板を製造した。これらの鋼板から、サンプルを採取し、炭化物の平均粒径および炭化物粒径の標準偏差、硬さを測定した。同時に、穴広げ試験と穴広げ試験後に据え込み試験を行った。炭化物粒径は鋼板の庄延方向に平行な断面を研磨し、ピクリン酸溶液で腐食し、走査型電子顕微鏡観察で個々の炭化物面積を測定し、これが真円と仮定してその径を求めた。炭化物の測定は炭化物個数が２０００個以上になるように測定視野数を調整した。測定した炭化物粒径の標準偏差を求めた。穴広げ試験は、１５０ｍｍ角の鋼板の中央部にクリアランス１２％にして、１０ｍｍφ（ｄ０）の穴を打ち抜いた後、その穴部に、６０度の円錐ポンチで押し上げる方法で行い、穴周囲に板厚を貫通する亀裂が発生した時点の穴径（ｄ）を測定し、次式で定義される穴広げ率λ（％）を求めた。
λ＝（ｄ−ｄ０）／ｄ０×１００
据え込み試験は１００角の中心部にクリアランス１２％にして、１５ｍｍφの穴を打ち抜き、径が２０ｍｍφの平底ポンチで穴径がポンチ径と同一になるまで押し上げた。これを圧縮試験機で穴広げの頭部を圧縮し、高さが５０％になった時点で頭部にクラックが生じるかどうかで評価したクラックが観察されないものを○、クラックがわずかに観察されるものを△、クラックが存在するものを×の評点とした。これの測定結果を表２に記載した。

鋼Ｎｏ．７は、熱延仕上温度：８００℃で、パーライト変態を６００〜６１０℃となるように注水して冷却し、５９０℃で巻取り、酸洗後、冷延率：４０％の冷延、６６０℃×２４時間加熱保持の焼鈍で製造した。炭化物平均粒径が０．５６μｍ、炭化物粒径の標準偏差が０．４５μｍ、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径が０．８０４と炭化物サイズ分布ともに、本発明範囲内の実施例である。穴広げ率が８３％と優れた伸びフランジ性を有する。鋼Ｎｏ．８は、連続鋳造時に未凝固域圧下を施してスラブを造った。熱延は、仕上熱延域を潤滑圧延し、仕上温度：８１５℃で、パーライト変態を５６０〜５７０℃の範囲で進行するように熱延後の冷却を制御し、巻取り温度：５５０℃であった。焼鈍は６５０℃×２４時間で行った。炭化物の平均粒径が０．３５μｍ、炭化物粒径の標準偏差が０・２５μｍ、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径が０．７１４と炭化物サイズ分布ともに本発明範囲内の実施例である。穴広げ率が７９％と優れた値を有する。また、穴広げ後の据え込み試験でも、クラックが観察されなく、優れた伸びフランジ性を有することが分かる。鋼Ｎｏ．９は熱延後の冷却中のパーライト変態温度域を高め、６２０〜６３０℃に制御した熱延を行った。他の条件はＮｏ．８と同じである。炭化物の平均粒径が０．７８μｍ、炭化物粒径の標準偏差が０．４５μｍ、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径が０．５７７と炭化物サイズ分布ともに本発明範囲内の実施例である。穴広げ率が７７％と優れた値を有する。また、穴広げ後の据え込み試験でも、クラックが観察されなく、優れた伸びフランジ性を有することが分かる。

鋼Ｎｏ．１０は炭化物の平均粒径が０．７８μｍ、炭化物粒径の標準偏差が０．９１μｍ、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径が１．１６７と炭化物平均粒径は鋼Ｎｏ．９と同じであるが、炭化物のバラツキが大きい。この鋼板の穴広げ率は、５２％と同じ炭化物サイズの鋼Ｎｏ．９に比べて大きく劣化している。また、穴広げ後の据え込み試験でも、クラックが僅かに観察され、本発明範囲内の鋼に比較して伸びフランジ性が劣ることが分かる。鋼Ｎｏ．１１は炭化物平均粒径が１．３０μｍ、炭化物の標準偏差／炭化物平均粒径が０．７５４で、炭化物平均粒径が本発明範囲から外れた比較例である。この鋼板の硬さはＨＲＢ：７５と他の鋼より軟質であるにもかかわらず、穴広げ率は４３％と低く、穴広げ後の据え込み試験でもクラックが観察され、伸びフランジ性が本発明実施例に比較して劣る。鋼Ｎｏ．１２は、炭化物平均粒径が１．２０μｍ、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径が１．０８３と炭化物のサイズ、分布ともに本発明範囲から外れた比較例である。この鋼板の穴広げ率は３５％と本発明実施例に比べ、伸びフランジ性が劣る。冷延高炭素鋼板でも、炭化物の平均粒径とそのバラツキを共に、本発明範囲内に制御することで初めて優れた伸びフランジ性を有する鋼板が提供できることが分かる。

表３に記載の組成の鋼を転炉で溶製し、連続鋳造でスラブを造った。連続鋳造時に、一部の鋳造時に電磁攪拌、鋳造速度を通常のものより、１．５倍まで速めて鋳造した。このスラブを１２４０℃に加熱し、熱間圧延を行った。熱延仕上温度は７９０〜８８０℃、巻取り温度は４５０〜６８０℃の範囲であった。この熱延鋼板を酸洗後に６１５〜７１０℃で１４〜９６時間の箱焼鈍を施し、４．０ｍｍの鋼板を製造した。また酸洗した鋼板を冷間圧延率が５０％の冷間圧延後に、６１５〜７０５℃で１４〜９６時間の箱焼鈍を行った。板厚２．０ｍｍの鋼板を製造した。これらの鋼板から、サンプルを採取し、炭化物の平均粒径および炭化物粒径の標準偏差、硬さを測定した。同時に、穴広げ試験と穴広げ試験後に据え込み試験を行った。炭化物粒径は鋼板の圧延方向に平行な断面を研磨し、ピクリン酸溶液で腐食し、走査型電子顕微鏡観察で個々の炭化物面積を測定し、これが真円と仮定してその径を求めた。炭化物の測定は炭化物個数が２０００個以上になるように測定視野数を調整した。測定した炭化物粒径の標準偏差を求めた。穴広げ試験は、１５０ｍｍ角の鋼板の中央部にクリアランス１２％にして、１０ｍｍφ（ｄ０）の穴を打ち抜いた後、その穴部に、６０度の円錐ポンチで押し上げる方法で行い、穴周囲に板厚を貫通する亀裂が発生した時点の穴径（ｄ）を測定し、次式で定義される穴広げ率λ（％）を求めた。
λ＝（ｄ−ｄ０）／ｄ０×１００
また、これらの鋼板を８５０℃に加熱後、１０分保持後に６０℃の油中に焼き入れ、焼き入れビッカース硬さを測定し、焼き入れ硬さがＨｖ：４５０以上のものは焼き戻しにより、Ｈｖ：４５０に調整し、ＪＩＳ４号衝撃サブサイズ（４ｍｍ厚まま）の試験片を作成し、２０℃の衝撃値を測定した。酸洗板を焼鈍した鋼板の特性を表４に、冷延、焼鈍した鋼板の測定結果を表５に記載した。

熱延板を酸洗後に焼鈍した鋼板の特性について説明する。鋼Ａ−１は、成分的にも炭化物平均粒径、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径の比が共に本発明範囲内の実施例である。この鋼板は、連続鋳造時に偏析を少なくする条件の電磁攪拌を負荷してスラブを造り、熱延の仕上圧延スタンドの後段で圧下率を通常の圧延に比べ３０％増加させて、仕上温度：８００℃で行った。熱延後の冷却は、パーライト変態を６００〜６１０℃間で進行するように注水し、巻取り温度：５８０℃で行った。焼鈍は６７０℃×３６時間である。穴広げ率が７８％と高く、優れた伸びフランジ性を有する。また、焼き入れ硬さもＨｖ：６００と高く、焼き戻し後の衝撃値も高く、優れた伸びフランジ性を有するだけでなく、優れた焼き入れ性、靭性を有することがわかる。鋼Ｂ−１は、Ｂ量が本発明範囲から外れた比較例である。伸びフランジ性は良好であるが、焼き入れ硬さがＨｖ：３３０と不十分で、焼き入れ性と伸びフランジ性を両立できない。鋼Ｃ−１はＣ量が本発明範囲の下限から外れた実施例である。この鋼も焼き入れ硬さがＨｖ：４００と、焼き入れ性が不十分である。Ｄ−１はＴｉ量が本発明範囲から外れた比較例である。この鋼も焼き入れ硬さがＨｖ：３３０と低く、焼き入れ性が不十分である。鋼Ｅ−１はＣ量が０．５５％で本発明範囲から外れた比較例である。焼き入れ硬さは高く、焼き入れ性は十分であるが、焼き戻し後の靭性が本発明範囲の実施例に比較して劣り、伸びフランジ性も悪い。

表５に記載したＡ−２〜Ｅ−２は、冷延焼鈍した鋼板の特性を示す。Ａ−２は、Ａ−１を５０％の冷間圧延率で冷間圧延し、６５０℃×１８時間の焼鈍し、０．５％の調質圧延して製造した鋼板である。この鋼は、成分、炭化物粒径、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径共に本発明範囲の実施例で、優れた穴広げ率と焼き入れ硬さを有するが、成分的にＢ量が本発明範囲から外れたＢ−２、Ｃ量が外れたＣ−２、Ｔｉ量が外れたＤ−２は共に焼き入れ硬さが不十分で機械構造部品に適用できないことがわかる。一方、炭化物粒径、炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径が本発明範囲内でも、Ｃ量が多すぎるＥ−２は伸びフランジ性が不十分であることが分かる。

以上の実施例で詳述したように、鋼成分と炭化物の平均粒径だけでなく、そのバラツキをも制御することによりはじめて、伸びフランジ性が優れ、かつ、焼き入れ性と熱処理後の靭性が優れた高炭素鋼板の提供が可能となる。

この発明は、伸びフランジ性の向上と焼き入れ性を両立するにあたり、単に炭化物の粒径を制御するだけでなく、鋼の成分を適正に調整し、炭化物のバラツキを制御することで、打ち抜き時の端面のボイド生成を抑制し、穴広げ加工におけるクラックの成長を遅らすことができる。この結果、極めて伸びフランジ性の優れた、しかも焼き入れ性が優れ、焼き入れ後の靭性が優れた高炭素鋼板の提供が可能となる。この高炭素鋼板を用いることにより、自動車の駆動系機械部品等の加工において加工度が高く取ることができ、製造工程を省略して低コストで部品等を製造することが可能となり、工業的に極めて有用な発明である。

炭化物粒径の標準偏差／炭化物平均粒径と穴広げ率の関係を示す図。

Claims (1)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．２２〜０．４５％、
   Ｓｉ：１．０％以下、
   Ｍｎ：１．５％以下、
   Ｐ ：０．０３％以下、
   Ｓ ：０．０３％以下、
   Ａｌ：０．０８％以下、
   Ｎ ：０．００８０％以下、
   Ｃｒ：０．０１〜０．７０％、
   Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、
   Ｂ ：０．０００３〜０．００５０％、
   残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、
   炭化物の平均粒径が０．１〜１．０μｍで、
   炭化物粒径の標準偏差／炭化物の平均粒径の比が０．５以上１．０以下であることを特徴とする焼き入れ性と伸びフランジ性の優れた高炭素鋼板。

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