JP4369545B2 - ひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板およびそれを用いた自動車 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は特に自動車の軽量化および衝突安全性向上を達成するのに適した鋼板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車からの炭酸ガスの排出量を抑えるために、高強度鋼板を使用して自動車車体の軽量化が進められている。また、搭乗者の安全性の確保のためにも、自動車車体には軟鋼板の他に高強度鋼板を使用する方向での検討が進められている。しかしながら、高強度鋼板は軟鋼と比べひずみ速度依存性が劣る。すなわち、高強度鋼板と軟鋼板の強度差が衝突相当の高速変形時には通常の引張試験のような静的変形時の差よりも小さくなるため、高強度化による軽量化の利得が静的強度の差から見積もられるよりも小さくなってしまうという問題点を抱えていた。高強度でかつ変形応力のひずみ速度依存性が優れた材料の開発は、衝突安全性と軽量化を両立させるために極めて重要であることはいうまでもない。
【０００３】
本発明者らは、劣化するひずみ速度依存性を補うために、実際の衝撃吸収部材がプレス成形、塗装、塗装焼き付けの工程を経ることに着目し、この工程を経てからの動的変形時に高い動的強度を示す鋼板を開発してきた（特開平９−２８７０５０号公報、特開平９−２９６２４７号公報）。
材料を高強度化しても変形応力のひずみ速度依存性が劣化しなければ衝撃吸収特性の飛躍的な向上が望める。しかしながら、従来そのような取り組みは限定的なものであった。
【０００４】
例えば、特開平６−３２２４７６号公報に、固溶Ｃ、固溶Ｎを減少させた耐衝撃性に優れた自動車用鋼板が開示されているが、降伏強度の静動比が向上する（同公報第３頁第３欄第３１〜３８行）だけで、高速変形時に引張強度を向上させることについては何も開示されていなかった。
なお、静的変形（強度）とは通常の引張試験時の歪速度１０-3／ｓｅｃ程度における変形（強度）を言い、高速変形または動的変形（強度）とは、歪速度１０3 ／ｓｅｃ程度における変形（強度）を言う。
【０００５】
また、ひずみ速度依存性とは、歪速度が１０3 ／ｓｅｃで変形したときの公称ひずみ５％から１０％の間の平均応力σｄと１０-3／ｓｅｃのひずみ速度で変形したときの平均応力σｓとの差（σｄ−σｓ）を言う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、Ｅ．Ｎａｋａｎｉｓｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｆａｉｌｕｒｅ，Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｕｒａｎｃｅ，ＩＶ（１９９２），４２３，Ｅｌｓｅｖｉｅｒに記載されたように、従来の自動車用鋼板は高強度化とともにひずみ速度依存性が劣化し、衝撃吸収能の向上が限られたものとなっていた。
【０００７】
本発明は、Ｃｏ、Ｃｒを固溶状態で含ませることにより、従来の鋼板を静的にも強化して、さらに動的な強度上昇量も低下させないフェライト系薄鋼板を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従来の知見によれば、高強度化により軟鋼に比べてひずみ速度依存性が劣化することは不可避とされ、車体用材料の高強度化の効果代を小さいものとしていた。しかし、衝突規制の強化や燃費改善への対応のためには根本的な解決策が必要である。
【０００９】
そこで本発明者らは、高強度化とひずみ速度依存性を両立させるために、基礎的な材料の変形理論に立ち返り、材料中の固溶元素とその作用効果を詳細に調査、研究した。その結果、従来、強度（静的）に及ぼす影響が小さい（＝固溶強化能が小さい）として注目されてこなかった固溶Ｃｏ、Ｃｒのフェライト相中での存在が高速変形では重要な働きを示し、ひずみ速度依存性が向上することを明らかにした。
【００１０】
本発明は前述の知見に基づいて構成されているものであり、その要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０００１％以上、０．０５％以下、Ｓｉ：０．０１％以上、１．０％以下、Ｍｎ：０．０１％以上、２．０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．０１％以上、０．１％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｏ：０．００７％以下、Ｔｉ：０．２０％以下を含有し、更に、Ｃｒを固溶状態で２．０２％以上、４．０％以下フェライト相中に含み、残部鉄および不可避的不純物からなることを特徴とするひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
【００１１】
（２）質量％で、Ｃ：０．０００１％以上、０．０５％以下、Ｓｉ：０．０１％以上、１．０％以下、Ｍｎ：０．０１％以上、２．０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．０１％以上、０．１％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｏ：０．００７％以下を含有し、更に、Ｃｏ、又は、ＣｏおよびＣｒを固溶状態で合計で０．０１％以上、４．０％以下フェライト相中に含み、残部鉄および不可避的不純物からなることを特徴とするひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
【００１２】
（３）さらに、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｎｂ：０．２０％以下およびＢ：０．００５％以下の１種または２種以上を含有する前記（２）記載のひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
（４）質量％で、Ｃ：０．０５％以上、０．２５％以下、Ｓｉ：０．０１％以上、２．５％以下、Ｍｎ：０．０１％以上、２．５％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．０１％以上、１．０％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｏ：０．００７％以下を含有し，更に、Ｃｏ、又は、ＣｏおよびＣｒを固溶状態で合計で０．０１％以上、４．０％以下フェライト相中に含み、残部鉄および不可避的不純物からなることを特徴とするひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
【００１３】
（５）さらに、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｎｂ：０．２０％以下、Ｖ：０．２０％以下およびＢ：０．００５％以下の１種または２種以上を含有する前記（４）記載のひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
（６）さらに、Ｍｏ：１．０％以下、Ｃｕ：２．０％以下およびＮｉ：１．０％以下の１種または２種以上を含有する前記（２）〜（５）の何れか１項に記載のひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
【００１４】
（７）前記（１）〜（６）の何れか１項に記載の鋼板にめっきをした、ひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
（８）クロスメンバー、フロントサイドメンバー、センターピラー、ロッカー、サイドルーフレールおよびリアサイドメンバーの１種または２種以上が前記（１）〜（７）の何れか１項に記載のフェライト系薄鋼板からなることを特徴とする自動車。
【００１５】
本発明において、フェライト系鋼板とは、オーステナイト系ステンレス鋼板およびフェライト系ステンレス鋼板を除く熱延鋼板および冷延鋼板と定義する。なお、本発明のＣｏおよびＣｒの固溶量は、フェライト相中に固溶状態で存在する値である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明の根幹は，固溶強化能の小さい元素、すなわち鉄との原子半径差が小さい元素を変形応力のひずみ速度依存性を支配するフェライト相中に固溶状態で存在させることにより、薄鋼板の変形応力のひずみ速度依存性が向上することにある。その理由を金属の高速での変形機構とともに以下に示す。
【００１７】
一般に金属材料の変形応力は、
τ= τｉ＋τｅ …… （１）
の形で表されることが知られている。ここに、τｉは内部応力と呼ばれ、温度やひずみ速度に依存しない応力であり、τｅは熱的応力（または有効応力）と呼ばれ、温度やひずみ速度に依存する応力である。衝撃吸収能に優れた材料であるためには高い変形応力を示すことが必要であるが、そのためには高強度化により内部応力と有効応力の両者が増加することが理想的である。しかし、前述のように、従来の材料では高強度化により内部応力は増加するものの、有効応力は低下してしまい（＝ひずみ速度依存性が劣化する）、衝撃吸収能の向上が限られたものとなっていた。その機構については従来不明確であったが、本発明者らの鋭意検討の結果、以下のようなものであることが分かった。
【００１８】
材料の変形は材料中の転位運動により支配されている。変形応力は転位が材料中の障害物から受ける抵抗力の総和と考えられる。変形応力がひずみ速度依存性を持つか否かは、転位の運動に対してその障害物が長範囲的であるのか短範囲的であるのかに依存している。
障害物が短範囲的であれば熱振動の助けを借りて転位はその障害を熱活性化過程として乗り越えることができるが、高速あるいは低温での変形では転位の乗り越えを助ける熱振動の助けを借りることが難しくなり、室温・低速での変形に比べて変形応力が増大する。これが有効応力の起源となる。
【００１９】
一方、障害物が長範囲的であれば、熱振動の助けを借りても転位がその障害を乗り越えることはほとんど不可能であるため、温度やひずみ速度が変化し、熱振動の転位に対する影響が変化しても、その変形応力はほとんど変化しない。これが内部応力の起源となる。代表的な高強度化の手法は、この長範囲的な障害物を導入することであり、具体的には置換型の固溶元素や析出物の導入を意味し、これらは内部応力の増加として通常引張試験時の静的な強度の増加に寄与する。
【００２０】
これに対して短範囲的な障害物の代表は結晶格子の周期性を反映するパイエルスポテンシャルであり、これが有効応力の大小（＝ひずみ速度依存性）を決定していると考えられている。ここで問題となるのは、材料の高強度化と有効応力の関係であるが、従来高強度化とともに有効応力が低下するという実験事実は知られていたものの、それをパイエルスポテンシャルとの関係にまで発展させて考察したものはなかった。
【００２１】
より具体的なパイエルスポテンシャルと転位運動の関係は以下のようになる。鉄のフェライト相のようなｂｃｃ金属中のパイエルスポテンシャルは非常に大きく転位運動が難しいことが知られている。そのため熱振動の寄与が小さくなる低温では転位はパイエルスポテンシャルの谷に位置し、そこからキンク対と呼ばれる一部分だけを山を越えて次の谷まで移動させ、その後キンクを横方向に移動させることにより結果として全体が移動するとされている（図１）。
【００２２】
このキンク対の形成と移動が難しくなればなるほど高い変形応力が必要となり、鉄のフェライト相の変形応力は大きな温度依存性を示す。転位運動に対する熱振動の寄与としては低温と高速は等価であることから、高速変形では低温時と同様にこのキンク対の形成とキンクの移動が変形応力を決める過程であり、その難易により変形応力のひずみ速度依存性が決定される。
【００２３】
本発明者らは、高強度化によるひずみ速度依存性の低下がフェライト相中に導入された固溶元素や析出物によるキンク対の形成・移動エネルギーの低下に起因するとの考えに至った。固溶元素や析出物自身は転位に対する障害物となり内部応力を増加させる（静的強度増加）。一方、それらの障害物の導入は同時に周囲の格子を歪ませることとなり、パイエルスポテンシャルを変化させ、キンク対の形成・移動が容易となり有効効力が低下し、従って変形応力のひずみ速度依存性は低下する。これが高強度化に伴うひずみ速度依存性低下の原因である。
【００２４】
本発明者らがＣｏ、Ｃｒに着目した理由は、まさにこれらの元素がＦｅとの原子半径差が小さいため、（１）周囲の格子に与える影響を最小限にとどめ、キンク対の形成・移動のエネルギーを低下させないこと、（２）これらの固溶元素の乗り越えが通常の固溶元素のような非熱的過程ではなく熱活性化過程として寄与すること、等によりひずみ速度依存性が軟鋼板以上に向上することを期待したためである。
【００２５】
後に実施例にて詳しく説明するとおり、本発明者らはフェライト相中に固溶状態で存在するＣｏ、Ｃｒがひずみ速度依存性を向上させることを見出した。また、さらに固溶状態でのＣｏ、Ｃｒの存在が他の強化機構の存在下でも有効であり、存在しないものに比べて付加的にひずみ速度依存性を向上させることを見出した。言い換えれば、薄鋼板の強度レベルの制約を越えたひずみ速度依存性に関する基本的機構であるということである。
【００２６】
薄鋼板であれば上記の考え方は普遍的に適用できるので、特に薄鋼板の強度や種類を限定することは基本的に必要のないことである。しかし、実用面からみて、この技術の適用例として薄鋼板の種類に言及しておくことにする。
薄鋼板の種類は軟鋼板から高強度鋼板にわたるものである。そして勿論のこととして、熱延鋼板や冷延鋼板の区別は問うものではない。ただし、固溶状態でＣｏ、Ｃｒを含むフェライト相は、できるだけ炭窒化物等を含まない、すなわちＣｏ、Ｃｒ以外の障害物により決まる転位の平均自由行程が長く、体積率が大で、その粒径が小の時に同じ静的強度を示す材料の中では最大のひずみ速度依存性を示すことに留意する必要がある。
【００２７】
固溶Ｃｒを単独で含有する場合に固溶Ｃｒの含有量が２．０２％未満であると、または、固溶Ｃｏを含有する場合に固溶Ｃｏ、Ｃｒの合計量が、０．０１％未満であると、ひずみ速度依存性の向上効果が十分ではなく、前者の場合の固溶Ｃｒの含有量または後者の場合の固溶Ｃｏ、Ｃｒの合計量が４．０％を超えると固溶状態で存在させるのが難しくなり、また製造コスト面でも不利となるので、この範囲に限定する。
固溶Ｃｏ、Ｃｒは、Ｃｏ、Ｃｒ添加前のＣ、Ｎ等の含有量と、加熱温度・冷却速度の制御を考慮し、溶解度積から求まる必要量以上を添加することにより得ることができる。
【００２８】
前記（１）から（６）までに記載した鋼板の成分系は、極低炭素鋼板、固溶炭素や窒素をＴｉやＮｂで固定した、いわゆるＩＦ（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｆｒｅｅ）鋼板、低炭素鋼板、固溶体強化した高強度鋼板、析出強化した高強度鋼板、マルテンサイトやベイナイトなどの変態組織によって強化した高強度鋼板、さらにこれらの強化機構を複合的に活用した高強度鋼板を含むものである。
【００２９】
前記（２）の成分系は、主として極低炭素鋼板、低炭素鋼板、固溶体強化高強度鋼板を対象としたものである。また、前記（１）、（３）は、ＩＦ鋼板、析出強化高強度鋼板を主として対象にしている。また、前記（４）は、主として固溶体強化高強度鋼板と変態組織強化高強度鋼板を対象にしたものである。さらに、前記（５）は、固溶体強化高強度鋼板と変態組織強化高強度鋼板に析出強化機構を複合的に活用した鋼板に関するものである。さらに、前記（７）は、上記の薄鋼板にめっき処理をした鋼板に関するものである。これらの材料に対し固溶状態でＣｏ、Ｃｒを含ませることは変形応力のひずみ速度依存性の向上に寄与する。
【００３０】
まず、前記（１）、（２）の成分の限定条件について述べる。
Ｃの下限を０．０００１％としたのは、実用鋼で得られる下限値を用いることにしたためである。上限は０．０５％超になると加工性が悪くなるのでこの値に設定する。
ＳｉとＭｎは脱酸のため、それぞれ０．０１％以上添加するが、上限をそれぞれ１．０％、２．０％にするのは、これを超えると加工性が劣化するためである。
【００３１】
ＰとＳは不純物であり、それぞれ０．１５％以下、０．０３％以下とするのも加工性の劣化を防ぐためである。
Ａｌは脱酸のために０．０１％以上添加するが、多すぎると加工性が低下するため、上限を０．１％とする。
ＮとＯは不純物であり、加工性を悪くさせないように、それぞれ０．０１％以下、０．００７％以下とする。
前記（１）のＴｉ、および、前記（３）のＴｉ、Ｎｂ、Ｂは、炭素、窒素の固定、析出強化、細粒強化などの機構を通じて材質を改善するので、それぞれ０．００５％、０．００１％、０．０００１％以上添加することが望ましく、過度の添加は加工性を劣化させるのでそれぞれに上限を設定した。
次に、前記（４）の成分の限定条件について述べる。
Ｃの下限を０．０５％としたのは、実用の高強度鋼板の下限値を用いることにしたためである。上限は、０．２５％超になると加工性や溶接性が悪くなるのでこの値に設定する。
【００３２】
ＳｉとＭｎは脱酸のため、それぞれ０．０１％以上添加するが、上限を２．５％としたのは、これを超えると加工性が劣化するためである。
ＰとＳは不純物であり、それぞれ０．１５％以下、０．０３％以下とするのも加工性の劣化を防ぐためである。
Ａｌは脱酸のためと材質制御のために０．０１％以上添加するが、多すぎると表面性状が劣化するため、上限を１．０％とする．
ＮとＯは不純物であり、加工性を悪くさせないように、それぞれ０．０１％以下、０．００７％以下とする。
【００３３】
前記（５）のＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂは、炭素、窒素の固定、析出強化、細粒強化などの機構を通じて材質を改善するので、それぞれ０．００５％、０．００１％、０．０１％、０．０００１％以上の添加が望ましく、過度の添加は加工性を劣化させるので、それぞれに上限を設定した。
前記（６）のＭｏ、Ｃｕ、Ｎｉは静的強度を確保するため、０．００１％、０．００１％、０．００１％以上の添加が望ましく、過度の添加は加工性を劣化させるので、上限をそれぞれ１．０％、２．０％、１．０％とする。
【００３４】
前記（７）のめっきの種類は特に限定するものではなく、電気めっき、溶融めっき、蒸着めっき等でも本発明の効果が得られる。
前記（８）のクロスメンバー、フロントサイドメンバー、センターピラー、ロッカー、サイドルーフレールおよびリアサイドメンバー（図３参照）の１種または２種以上が前記（１）〜（７）の何れか１項に記載のフェライト系薄鋼板であれば、高強度化とひずみ速度依存性が両立するので衝突安全性に優れた自動車を得ることができる。
【００３５】
なお、本発明に係る鋼板は自動車用にとどまらず、船舶やタンク等耐衝撃性を必要とする構造用材料としても適用できる。
【００３６】
【実施例】
本発明の実施例を挙げながら、本発明の技術的内容について説明する。
実施例としては、表１、表２（表１のつづき）に示したＡからＸまでの基本成分組成を有する鋼にＣｏおよびＣｒを固溶させた材料を用いて検討した結果について説明する。
【００３７】
これらの鋼は、スラブの加熱温度として９００℃から１２５０℃までの温度の間で加熱し、その後熱間圧延により、Ａ、Ｅ、Ｏ、Ｔ、Ｖは板厚２ｍｍの鋼板に仕上げた。Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｕ、Ｗ、Ｘは同様の加熱後、熱間圧延を施して板厚３ｍｍの鋼板に仕上げ、その後の冷間圧延によって１．２ｍｍにまで板厚を減少させ、その鋼板には引き続いて均熱温度が７００℃から８５０℃の温度の間で連続焼鈍法による焼鈍を施した。
【００３８】
衝突変形時の部材吸収エネルギーに最も影響を与えるのが比較的低ひずみ域の変形応力であることが分かっているので、変形応力として公称ひずみ５％から１０％の間の平均応力をとり、ひずみ速度が１０3 ／ｓｅｃで変形したときの平均応力σｄと１０-3／ｓｅｃのひずみ速度で変形したときの平均応力σｓとの差（σｄ−σｓ）をひずみ速度依存性の指標として用いた。
【００３９】
ＡからＸを基本成分とする鋼にＣｏおよび／またはＣｒを固溶させた材料に対する測定結果を表３、表４（表３のつづき−１）、表５（表３のつづき−２）、表６（表３のつづき−３）、表７（表３のつづき−４）に示す。また、素材のＴＳ（静的）に対して、ひずみ速度を１０-3／ｓｅｃから１０3 ／ｓｅｃに変化させたときの平均応力の上昇量を示したものを図２に示す。全体的な傾向としては素材ＴＳの増加とともに応力上昇量は低下するが、Ｃｏ、Ｃｒを固溶状態で含む材料は、添加前の材料に比べＴＳが上昇しているにも関わらず応力上昇量は低下せず、逆にひずみ速度依存性が向上していることが分かる。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
【表３】
【００４３】
【表４】
【００４４】
【表５】
【００４５】
【表６】
【００４６】
【表７】
【００４７】
【発明の効果】
従来材料の高強度化とひずみ速度依存性向上は背反する課題であり、両立は難しいとされてきた。本発明は、材料を高強度化し、かつひずみ速度依存性を向上させるもので，衝突変形時相当の高速変形時の変形強度の絶対値向上に対して有効な手段を与えるものである。本発明の鋼材は、衝撃吸収能向上、ひいては車体軽量化に大きく寄与する。従って、本発明は工業的に極めて高い価値のある発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】高速変形時の転位運動の進行の模式図である。
【図２】材料の静的強度と変形応力のひずみ速度依存性を示す図である。
【図３】自動車の構造部材の説明図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は特に自動車の軽量化および衝突安全性向上を達成するのに適した鋼板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車からの炭酸ガスの排出量を抑えるために、高強度鋼板を使用して自動車車体の軽量化が進められている。また、搭乗者の安全性の確保のためにも、自動車車体には軟鋼板の他に高強度鋼板を使用する方向での検討が進められている。しかしながら、高強度鋼板は軟鋼と比べひずみ速度依存性が劣る。すなわち、高強度鋼板と軟鋼板の強度差が衝突相当の高速変形時には通常の引張試験のような静的変形時の差よりも小さくなるため、高強度化による軽量化の利得が静的強度の差から見積もられるよりも小さくなってしまうという問題点を抱えていた。高強度でかつ変形応力のひずみ速度依存性が優れた材料の開発は、衝突安全性と軽量化を両立させるために極めて重要であることはいうまでもない。
【０００３】
本発明者らは、劣化するひずみ速度依存性を補うために、実際の衝撃吸収部材がプレス成形、塗装、塗装焼き付けの工程を経ることに着目し、この工程を経てからの動的変形時に高い動的強度を示す鋼板を開発してきた（特開平９−２８７０５０号公報、特開平９−２９６２４７号公報）。
材料を高強度化しても変形応力のひずみ速度依存性が劣化しなければ衝撃吸収特性の飛躍的な向上が望める。しかしながら、従来そのような取り組みは限定的なものであった。
【０００４】
例えば、特開平６−３２２４７６号公報に、固溶Ｃ、固溶Ｎを減少させた耐衝撃性に優れた自動車用鋼板が開示されているが、降伏強度の静動比が向上する（同公報第３頁第３欄第３１〜３８行）だけで、高速変形時に引張強度を向上させることについては何も開示されていなかった。
なお、静的変形（強度）とは通常の引張試験時の歪速度１０-3／ｓｅｃ程度における変形（強度）を言い、高速変形または動的変形（強度）とは、歪速度１０3 ／ｓｅｃ程度における変形（強度）を言う。
【０００５】
また、ひずみ速度依存性とは、歪速度が１０3 ／ｓｅｃで変形したときの公称ひずみ５％から１０％の間の平均応力σｄと１０-3／ｓｅｃのひずみ速度で変形したときの平均応力σｓとの差（σｄ−σｓ）を言う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、Ｅ．Ｎａｋａｎｉｓｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｆａｉｌｕｒｅ，Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｕｒａｎｃｅ，ＩＶ（１９９２），４２３，Ｅｌｓｅｖｉｅｒに記載されたように、従来の自動車用鋼板は高強度化とともにひずみ速度依存性が劣化し、衝撃吸収能の向上が限られたものとなっていた。
【０００７】
本発明は、Ｃｏ、Ｃｒを固溶状態で含ませることにより、従来の鋼板を静的にも強化して、さらに動的な強度上昇量も低下させないフェライト系薄鋼板を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従来の知見によれば、高強度化により軟鋼に比べてひずみ速度依存性が劣化することは不可避とされ、車体用材料の高強度化の効果代を小さいものとしていた。しかし、衝突規制の強化や燃費改善への対応のためには根本的な解決策が必要である。
【０００９】
そこで本発明者らは、高強度化とひずみ速度依存性を両立させるために、基礎的な材料の変形理論に立ち返り、材料中の固溶元素とその作用効果を詳細に調査、研究した。その結果、従来、強度（静的）に及ぼす影響が小さい（＝固溶強化能が小さい）として注目されてこなかった固溶Ｃｏ、Ｃｒのフェライト相中での存在が高速変形では重要な働きを示し、ひずみ速度依存性が向上することを明らかにした。
【００１０】
本発明は前述の知見に基づいて構成されているものであり、その要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０００１％以上、０．０５％以下、Ｓｉ：０．０１％以上、１．０％以下、Ｍｎ：０．０１％以上、２．０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．０１％以上、０．１％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｏ：０．００７％以下、Ｔｉ：０．２０％以下を含有し、更に、Ｃｒを固溶状態で２．０２％以上、４．０％以下フェライト相中に含み、残部鉄および不可避的不純物からなることを特徴とするひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
【００１１】
（２）質量％で、Ｃ：０．０００１％以上、０．０５％以下、Ｓｉ：０．０１％以上、１．０％以下、Ｍｎ：０．０１％以上、２．０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．０１％以上、０．１％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｏ：０．００７％以下を含有し、更に、Ｃｏ、又は、ＣｏおよびＣｒを固溶状態で合計で０．０１％以上、４．０％以下フェライト相中に含み、残部鉄および不可避的不純物からなることを特徴とするひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
【００１２】
（３）さらに、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｎｂ：０．２０％以下およびＢ：０．００５％以下の１種または２種以上を含有する前記（２）記載のひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
（４）質量％で、Ｃ：０．０５％以上、０．２５％以下、Ｓｉ：０．０１％以上、２．５％以下、Ｍｎ：０．０１％以上、２．５％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．０１％以上、１．０％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｏ：０．００７％以下を含有し，更に、Ｃｏ、又は、ＣｏおよびＣｒを固溶状態で合計で０．０１％以上、４．０％以下フェライト相中に含み、残部鉄および不可避的不純物からなることを特徴とするひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
【００１３】
（５）さらに、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｎｂ：０．２０％以下、Ｖ：０．２０％以下およびＢ：０．００５％以下の１種または２種以上を含有する前記（４）記載のひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
（６）さらに、Ｍｏ：１．０％以下、Ｃｕ：２．０％以下およびＮｉ：１．０％以下の１種または２種以上を含有する前記（２）〜（５）の何れか１項に記載のひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
【００１４】
（７）前記（１）〜（６）の何れか１項に記載の鋼板にめっきをした、ひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
（８）クロスメンバー、フロントサイドメンバー、センターピラー、ロッカー、サイドルーフレールおよびリアサイドメンバーの１種または２種以上が前記（１）〜（７）の何れか１項に記載のフェライト系薄鋼板からなることを特徴とする自動車。
【００１５】
本発明において、フェライト系鋼板とは、オーステナイト系ステンレス鋼板およびフェライト系ステンレス鋼板を除く熱延鋼板および冷延鋼板と定義する。なお、本発明のＣｏおよびＣｒの固溶量は、フェライト相中に固溶状態で存在する値である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明の根幹は，固溶強化能の小さい元素、すなわち鉄との原子半径差が小さい元素を変形応力のひずみ速度依存性を支配するフェライト相中に固溶状態で存在させることにより、薄鋼板の変形応力のひずみ速度依存性が向上することにある。その理由を金属の高速での変形機構とともに以下に示す。
【００１７】
一般に金属材料の変形応力は、
τ= τｉ＋τｅ …… （１）
の形で表されることが知られている。ここに、τｉは内部応力と呼ばれ、温度やひずみ速度に依存しない応力であり、τｅは熱的応力（または有効応力）と呼ばれ、温度やひずみ速度に依存する応力である。衝撃吸収能に優れた材料であるためには高い変形応力を示すことが必要であるが、そのためには高強度化により内部応力と有効応力の両者が増加することが理想的である。しかし、前述のように、従来の材料では高強度化により内部応力は増加するものの、有効応力は低下してしまい（＝ひずみ速度依存性が劣化する）、衝撃吸収能の向上が限られたものとなっていた。その機構については従来不明確であったが、本発明者らの鋭意検討の結果、以下のようなものであることが分かった。
【００１８】
材料の変形は材料中の転位運動により支配されている。変形応力は転位が材料中の障害物から受ける抵抗力の総和と考えられる。変形応力がひずみ速度依存性を持つか否かは、転位の運動に対してその障害物が長範囲的であるのか短範囲的であるのかに依存している。
障害物が短範囲的であれば熱振動の助けを借りて転位はその障害を熱活性化過程として乗り越えることができるが、高速あるいは低温での変形では転位の乗り越えを助ける熱振動の助けを借りることが難しくなり、室温・低速での変形に比べて変形応力が増大する。これが有効応力の起源となる。
【００１９】
一方、障害物が長範囲的であれば、熱振動の助けを借りても転位がその障害を乗り越えることはほとんど不可能であるため、温度やひずみ速度が変化し、熱振動の転位に対する影響が変化しても、その変形応力はほとんど変化しない。これが内部応力の起源となる。代表的な高強度化の手法は、この長範囲的な障害物を導入することであり、具体的には置換型の固溶元素や析出物の導入を意味し、これらは内部応力の増加として通常引張試験時の静的な強度の増加に寄与する。
【００２０】
これに対して短範囲的な障害物の代表は結晶格子の周期性を反映するパイエルスポテンシャルであり、これが有効応力の大小（＝ひずみ速度依存性）を決定していると考えられている。ここで問題となるのは、材料の高強度化と有効応力の関係であるが、従来高強度化とともに有効応力が低下するという実験事実は知られていたものの、それをパイエルスポテンシャルとの関係にまで発展させて考察したものはなかった。
【００２１】
より具体的なパイエルスポテンシャルと転位運動の関係は以下のようになる。鉄のフェライト相のようなｂｃｃ金属中のパイエルスポテンシャルは非常に大きく転位運動が難しいことが知られている。そのため熱振動の寄与が小さくなる低温では転位はパイエルスポテンシャルの谷に位置し、そこからキンク対と呼ばれる一部分だけを山を越えて次の谷まで移動させ、その後キンクを横方向に移動させることにより結果として全体が移動するとされている（図１）。
【００２２】
このキンク対の形成と移動が難しくなればなるほど高い変形応力が必要となり、鉄のフェライト相の変形応力は大きな温度依存性を示す。転位運動に対する熱振動の寄与としては低温と高速は等価であることから、高速変形では低温時と同様にこのキンク対の形成とキンクの移動が変形応力を決める過程であり、その難易により変形応力のひずみ速度依存性が決定される。
【００２３】
本発明者らは、高強度化によるひずみ速度依存性の低下がフェライト相中に導入された固溶元素や析出物によるキンク対の形成・移動エネルギーの低下に起因するとの考えに至った。固溶元素や析出物自身は転位に対する障害物となり内部応力を増加させる（静的強度増加）。一方、それらの障害物の導入は同時に周囲の格子を歪ませることとなり、パイエルスポテンシャルを変化させ、キンク対の形成・移動が容易となり有効効力が低下し、従って変形応力のひずみ速度依存性は低下する。これが高強度化に伴うひずみ速度依存性低下の原因である。
【００２４】
本発明者らがＣｏ、Ｃｒに着目した理由は、まさにこれらの元素がＦｅとの原子半径差が小さいため、（１）周囲の格子に与える影響を最小限にとどめ、キンク対の形成・移動のエネルギーを低下させないこと、（２）これらの固溶元素の乗り越えが通常の固溶元素のような非熱的過程ではなく熱活性化過程として寄与すること、等によりひずみ速度依存性が軟鋼板以上に向上することを期待したためである。
【００２５】
後に実施例にて詳しく説明するとおり、本発明者らはフェライト相中に固溶状態で存在するＣｏ、Ｃｒがひずみ速度依存性を向上させることを見出した。また、さらに固溶状態でのＣｏ、Ｃｒの存在が他の強化機構の存在下でも有効であり、存在しないものに比べて付加的にひずみ速度依存性を向上させることを見出した。言い換えれば、薄鋼板の強度レベルの制約を越えたひずみ速度依存性に関する基本的機構であるということである。
【００２６】
薄鋼板であれば上記の考え方は普遍的に適用できるので、特に薄鋼板の強度や種類を限定することは基本的に必要のないことである。しかし、実用面からみて、この技術の適用例として薄鋼板の種類に言及しておくことにする。
薄鋼板の種類は軟鋼板から高強度鋼板にわたるものである。そして勿論のこととして、熱延鋼板や冷延鋼板の区別は問うものではない。ただし、固溶状態でＣｏ、Ｃｒを含むフェライト相は、できるだけ炭窒化物等を含まない、すなわちＣｏ、Ｃｒ以外の障害物により決まる転位の平均自由行程が長く、体積率が大で、その粒径が小の時に同じ静的強度を示す材料の中では最大のひずみ速度依存性を示すことに留意する必要がある。
【００２７】
固溶Ｃｒを単独で含有する場合に固溶Ｃｒの含有量が２．０２％未満であると、または、固溶Ｃｏを含有する場合に固溶Ｃｏ、Ｃｒの合計量が、０．０１％未満であると、ひずみ速度依存性の向上効果が十分ではなく、前者の場合の固溶Ｃｒの含有量または後者の場合の固溶Ｃｏ、Ｃｒの合計量が４．０％を超えると固溶状態で存在させるのが難しくなり、また製造コスト面でも不利となるので、この範囲に限定する。
固溶Ｃｏ、Ｃｒは、Ｃｏ、Ｃｒ添加前のＣ、Ｎ等の含有量と、加熱温度・冷却速度の制御を考慮し、溶解度積から求まる必要量以上を添加することにより得ることができる。
【００２８】
前記（１）から（６）までに記載した鋼板の成分系は、極低炭素鋼板、固溶炭素や窒素をＴｉやＮｂで固定した、いわゆるＩＦ（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｆｒｅｅ）鋼板、低炭素鋼板、固溶体強化した高強度鋼板、析出強化した高強度鋼板、マルテンサイトやベイナイトなどの変態組織によって強化した高強度鋼板、さらにこれらの強化機構を複合的に活用した高強度鋼板を含むものである。
【００２９】
前記（２）の成分系は、主として極低炭素鋼板、低炭素鋼板、固溶体強化高強度鋼板を対象としたものである。また、前記（１）、（３）は、ＩＦ鋼板、析出強化高強度鋼板を主として対象にしている。また、前記（４）は、主として固溶体強化高強度鋼板と変態組織強化高強度鋼板を対象にしたものである。さらに、前記（５）は、固溶体強化高強度鋼板と変態組織強化高強度鋼板に析出強化機構を複合的に活用した鋼板に関するものである。さらに、前記（７）は、上記の薄鋼板にめっき処理をした鋼板に関するものである。これらの材料に対し固溶状態でＣｏ、Ｃｒを含ませることは変形応力のひずみ速度依存性の向上に寄与する。
【００３０】
まず、前記（１）、（２）の成分の限定条件について述べる。
Ｃの下限を０．０００１％としたのは、実用鋼で得られる下限値を用いることにしたためである。上限は０．０５％超になると加工性が悪くなるのでこの値に設定する。
ＳｉとＭｎは脱酸のため、それぞれ０．０１％以上添加するが、上限をそれぞれ１．０％、２．０％にするのは、これを超えると加工性が劣化するためである。
【００３１】
ＰとＳは不純物であり、それぞれ０．１５％以下、０．０３％以下とするのも加工性の劣化を防ぐためである。
Ａｌは脱酸のために０．０１％以上添加するが、多すぎると加工性が低下するため、上限を０．１％とする。
ＮとＯは不純物であり、加工性を悪くさせないように、それぞれ０．０１％以下、０．００７％以下とする。
前記（１）のＴｉ、および、前記（３）のＴｉ、Ｎｂ、Ｂは、炭素、窒素の固定、析出強化、細粒強化などの機構を通じて材質を改善するので、それぞれ０．００５％、０．００１％、０．０００１％以上添加することが望ましく、過度の添加は加工性を劣化させるのでそれぞれに上限を設定した。
次に、前記（４）の成分の限定条件について述べる。
Ｃの下限を０．０５％としたのは、実用の高強度鋼板の下限値を用いることにしたためである。上限は、０．２５％超になると加工性や溶接性が悪くなるのでこの値に設定する。
【００３２】
ＳｉとＭｎは脱酸のため、それぞれ０．０１％以上添加するが、上限を２．５％としたのは、これを超えると加工性が劣化するためである。
ＰとＳは不純物であり、それぞれ０．１５％以下、０．０３％以下とするのも加工性の劣化を防ぐためである。
Ａｌは脱酸のためと材質制御のために０．０１％以上添加するが、多すぎると表面性状が劣化するため、上限を１．０％とする．
ＮとＯは不純物であり、加工性を悪くさせないように、それぞれ０．０１％以下、０．００７％以下とする。
【００３３】
前記（５）のＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂは、炭素、窒素の固定、析出強化、細粒強化などの機構を通じて材質を改善するので、それぞれ０．００５％、０．００１％、０．０１％、０．０００１％以上の添加が望ましく、過度の添加は加工性を劣化させるので、それぞれに上限を設定した。
前記（６）のＭｏ、Ｃｕ、Ｎｉは静的強度を確保するため、０．００１％、０．００１％、０．００１％以上の添加が望ましく、過度の添加は加工性を劣化させるので、上限をそれぞれ１．０％、２．０％、１．０％とする。
【００３４】
前記（７）のめっきの種類は特に限定するものではなく、電気めっき、溶融めっき、蒸着めっき等でも本発明の効果が得られる。
前記（８）のクロスメンバー、フロントサイドメンバー、センターピラー、ロッカー、サイドルーフレールおよびリアサイドメンバー（図３参照）の１種または２種以上が前記（１）〜（７）の何れか１項に記載のフェライト系薄鋼板であれば、高強度化とひずみ速度依存性が両立するので衝突安全性に優れた自動車を得ることができる。
【００３５】
なお、本発明に係る鋼板は自動車用にとどまらず、船舶やタンク等耐衝撃性を必要とする構造用材料としても適用できる。
【００３６】
【実施例】
本発明の実施例を挙げながら、本発明の技術的内容について説明する。
実施例としては、表１、表２（表１のつづき）に示したＡからＸまでの基本成分組成を有する鋼にＣｏおよびＣｒを固溶させた材料を用いて検討した結果について説明する。
【００３７】
これらの鋼は、スラブの加熱温度として９００℃から１２５０℃までの温度の間で加熱し、その後熱間圧延により、Ａ、Ｅ、Ｏ、Ｔ、Ｖは板厚２ｍｍの鋼板に仕上げた。Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｕ、Ｗ、Ｘは同様の加熱後、熱間圧延を施して板厚３ｍｍの鋼板に仕上げ、その後の冷間圧延によって１．２ｍｍにまで板厚を減少させ、その鋼板には引き続いて均熱温度が７００℃から８５０℃の温度の間で連続焼鈍法による焼鈍を施した。
【００３８】
衝突変形時の部材吸収エネルギーに最も影響を与えるのが比較的低ひずみ域の変形応力であることが分かっているので、変形応力として公称ひずみ５％から１０％の間の平均応力をとり、ひずみ速度が１０3 ／ｓｅｃで変形したときの平均応力σｄと１０-3／ｓｅｃのひずみ速度で変形したときの平均応力σｓとの差（σｄ−σｓ）をひずみ速度依存性の指標として用いた。
【００３９】
ＡからＸを基本成分とする鋼にＣｏおよび／またはＣｒを固溶させた材料に対する測定結果を表３、表４（表３のつづき−１）、表５（表３のつづき−２）、表６（表３のつづき−３）、表７（表３のつづき−４）に示す。また、素材のＴＳ（静的）に対して、ひずみ速度を１０-3／ｓｅｃから１０3 ／ｓｅｃに変化させたときの平均応力の上昇量を示したものを図２に示す。全体的な傾向としては素材ＴＳの増加とともに応力上昇量は低下するが、Ｃｏ、Ｃｒを固溶状態で含む材料は、添加前の材料に比べＴＳが上昇しているにも関わらず応力上昇量は低下せず、逆にひずみ速度依存性が向上していることが分かる。
【００４０】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【発明の効果】
従来材料の高強度化とひずみ速度依存性向上は背反する課題であり、両立は難しいとされてきた。本発明は、材料を高強度化し、かつひずみ速度依存性を向上させるもので，衝突変形時相当の高速変形時の変形強度の絶対値向上に対して有効な手段を与えるものである。本発明の鋼材は、衝撃吸収能向上、ひいては車体軽量化に大きく寄与する。従って、本発明は工業的に極めて高い価値のある発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】高速変形時の転位運動の進行の模式図である。
【図２】材料の静的強度と変形応力のひずみ速度依存性を示す図である。
【図３】自動車の構造部材の説明図である。
Claims (8)
- 質量％で、
Ｃ：０．０００１％以上、０．０５％以下、
Ｓｉ：０．０１％以上、１．０％以下、
Ｍｎ：０．０１％以上、２．０％以下、
Ｐ：０．１５％以下、
Ｓ：０．０３％以下、
Ａｌ：０．０１％以上、０．１％以下、
Ｎ：０．０１％以下、
Ｏ：０．００７％以下
Ｔｉ：０．２０％以下、
を含有し、更に、Ｃｒを固溶状態で２．０２％以上、４．０％以下フェライト相中に含み、残部鉄および不可避的不純物からなることを特徴とするひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。 - 質量％で、
Ｃ：０．０００１％以上、０．０５％以下、
Ｓｉ：０．０１％以上、１．０％以下、
Ｍｎ：０．０１％以上、２．０％以下、
Ｐ：０．１５％以下、
Ｓ：０．０３％以下、
Ａｌ：０．０１％以上、０．１％以下、
Ｎ：０．０１％以下、
Ｏ：０．００７％以下
を含有し、更に、Ｃｏ、又は、ＣｏおよびＣｒを固溶状態で合計で０．０１％以上、４．０％以下フェライト相中に含み、残部鉄および不可避的不純物からなることを特徴とするひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。 - さらに、
Ｔｉ：０．２０％以下、
Ｎｂ：０．２０％以下および
Ｂ：０．００５％以下
の１種または２種以上を含有する請求項２記載のひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。 - 質量％で、
Ｃ：０．０５％以上、０．２５％以下、
Ｓｉ：０．０１％以上、２．５％以下、
Ｍｎ：０．０１％以上、２．５％以下、
Ｐ：０．１５％以下、
Ｓ：０．０３％以下、
Ａｌ：０．０１％以上、１．０％以下、
Ｎ：０．０１％以下、
Ｏ：０．００７％以下
を含有し，更に、Ｃｏ、又は、ＣｏおよびＣｒを固溶状態で合計で０．０１％以上、４．０％以下フェライト相中に含み、残部鉄および不可避的不純物からなることを特徴とするひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。 - さらに、
Ｔｉ：０．２０％以下、
Ｎｂ：０．２０％以下、
Ｖ：０．２０％以下および
Ｂ：０．００５％以下
の１種または２種以上を含有する請求項４記載のひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。 - さらに、
Ｍｏ：１％以下、
Ｃｕ：２％以下および
Ｎｉ：１％以下
の１種または２種以上を含有する請求項２〜５の何れか１項に記載のひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。 - 請求項１〜６の何れか１項に記載の鋼板にめっきをした、ひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板。
- クロスメンバー、フロントサイドメンバー、センターピラー、ロッカー、サイドルーフレールおよびリアサイドメンバーの１種または２種以上が請求項１〜７の何れか１項に記載のフェライト系薄鋼板からなることを特徴とする自動車。
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