JP5014807B2

JP5014807B2 - 熱間プレス用鋼板

Info

Publication number: JP5014807B2
Application number: JP2007005691A
Authority: JP
Inventors: 寿雅友清; 眞一鈴木; 展弘藤田; 秀次相馬
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-01-15
Also published as: JP2008169452A

Description

本発明は、プレス成形と焼き入れによる部材の強度向上を同時に行う熱間プレス用鋼板、特に自動車ボデーの骨格部品、補強部品や足回り部品などの製造に使用される熱間プレス用鋼板に関する。

近年、地球環境の観点から自動車の軽量化が強く望まれている。ボデー等の鋼板が使用される部品では、高強度鋼板を採用し鋼板の板厚を薄くして軽量化が図られている。しかしながら、鋼板の高強度化は部品製造時の加工性、プレス成形性の低下を招き、特にスプリングバック等により製品精度の確保がより難しくなっている。

これらの課題解決のために、これまで加工性に優れた鋼板の開発や製品精度を高める加工方法が提案されているが、自動車に適用される鋼板の高強度化もさらに進み、特に引張り強度（ＴＳ：ＴｅｎｓｉｌｅＳｔｒｅｎｇｔｈ）が１１８０ＭＰａを越える高強度鋼板においては、上記の加工性、製品精度の観点から適用可能な部品に制限があるのが実情である。

近年、鋼板の高強度化と加工性、製品精度を同時に満足する手法として熱間プレス工法（プレスクエンチ工法）が実用技術として使用されるようになってきた。例えば特許文献１に開示されている。これは、鋼板を約８００℃以上のオーステナイト域まで加熱した後、プレス成形し、同時に成形後の冷却により焼き入れを行い高強度の材質を得るものである。この熱間プレス工法により成形時の割れ発生等の加工性が改善され、かつ、比較的良好な製品精度を有する部品の製造が可能となり、加えてプレス成形時に導入される残留応力も減少するため、引張り強度で１１８０ＭＰａを超える高強度鋼板で問題となる遅れ破壊の感受性も低下するが、以下の不具合が残った。

上述のように、熱間プレス工法（プレスクエンチ工法）では、鋼板を約８００℃以上まで加熱するため、鋼板表面が酸化し鉄酸化物、いわゆるスケールが生じることとなる。鋼板表面にこのようなスケールが存在した状態でプレス成形が実施された場合、成形によりスケールが剥離し金型部内に残存し、次サンプルのプレス成形時の押し込み傷の原因となるため、金型内を清掃する必要が生じ生産性を阻害する場合がある。このため、熱間プレス工法においては、加熱時に生成されるスケールはプレス成形時に導入される加工ひずみに対して、密着性を具備することが望まれている。また、スケールが残存した状態で、次工程で塗装する場合に塗膜との密着性が低いため、結果として耐食性の低下を招くため、プレス成形後、塗装前の工程としてショットブラストに代表されるスケール除去工程が必要となる。

このような課題に対して、鋼板にメッキによる表面処理を施すことで、スケール生成を抑制し、スケール除去工程を設定せずとも塗装性、耐食性を確保することが可能となることが特許文献２に記載あるが、メッキを施すことにより、コストアップは避けられないのが実情である。

また、自動車の製造における部品同士の接合は通常、スポット溶接が使用されているが、熱間プレスに使用されている鋼板は、焼入れ後の強度と焼き入れ性を確保するため添加成分が多いので、スポット溶接部は高硬度化され、スポット溶接部の接合の信頼性（破断形態）を低下させている。

すなわち、熱間プレス工法に使用される鋼板において、メッキの施されていない鋼板で熱間プレス・焼き入れ後の部品強度とスケール密着性、スポット溶接部の品質が考慮された鋼板は未だ無い状況である。

特開平１０−９６０３１号公報特開２００３−１４７４９９号公報

本発明者らは、上記のような課題を克服し、熱間プレス・焼き入れ後の部品強度、スケール密着性、スポット溶接部の品質を満足する熱間プレス用鋼板を提供することを目的とするものである。

本発明の要旨は以下の通りである。

（１）質量％にて、
Ｃ：０．１５〜０．３％、
Ｓｉ：０．０５〜０．５％、
Ｍｎ：０．５〜３．０％、
Ｐ：０．００５〜０．１％、
Ｓ：０．０２％以下
Ａｌ：０．０１〜３．０％、
Ｎ：０．０１％以下、
Ｃｒ：０．０５〜０．５％、
Ｂ：０．０００２〜０．０１％、
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼で、下記式（Ａ）、（Ｂ）を満足し、かつ、熱間圧延、酸洗、圧延率が２０〜６０％である冷間圧延を施された未焼鈍材であり、プレス焼入れ後の引張り強度が１１８０ＭＰａ以上となることを特徴とする熱間プレス用鋼板。
０．５≦ （Ｃｒ／Ｓｉ） ≦１．５・・・（Ａ）
０．３５≧ Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｒ／２０＋４×Ｂ＋２×Ｐ＋４×Ｓ
・・・（Ｂ）

（２）更に、質量％にて
Ｔｉ：０．００２〜０．５％、
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼であることを特徴とする前記（１）に記載の熱間プレス用鋼板。

本発明の熱間プレス用高強度鋼板は、熱間プレス・焼き入れ後の部品強度を確保すると同時にスケール密着性、スポット溶接品質に優れた鋼板を提供することができ、本発明の鋼板により製造された部材を使用すれば自動車製造における信頼性の向上、ひいては自動車の軽量化、安全性向上に大きく貢献できるものと考えられ、産業上の寄与は大きい。

本発明者らは、熱間プレス・焼き入れ後の部品強度およびスケール密着性、スポット溶接特性を満足するために様々な添加成分、添加量、また、添加成分相互の影響について調査を行った。

スケール密着性について調査したところ、鋼中のＣｒ、Ｓｉの添加量比率（Ｃｒ／Ｓｉ）が影響を及ぼし、この比率が特定の範囲内にあれば密着性が良好であることを見出した。

加えて、熱間圧延、酸洗後の鋼板に対して冷間圧延を行い、その後に連続焼鈍を施さない、すなわち未焼鈍材において密着性が良好であり、その圧延率が２０〜６０％の条件で、さらに密着性が向上することも判明した。次にスポット溶接性について調査したところ、熱間プレス・焼き入れした鋼板をスポット溶接した場合、溶接部の熱履歴によって、母材の強度に対して溶接部及び熱影響部の強度が変化するため、接合強度を評価した場合、スポット溶接部の破断形態は、溶接部（ナゲット）が残らない剥離破断やナゲットが残存するナゲット外破断を呈する場合があることが判明した。そして、鋼中にＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ、Ｃｒ、Ｂ、Ｔｉを含有する場合において、これらの中でＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｂ、Ｐ、Ｓが所定の関係式を満たした場合にスポット溶接部の破断形態がナゲット外破断を呈しやすくなることを見い出した。

以上の知見を元に鋼板の添加成分を最適化し、かつ相互の添加量比を所定の範囲にすることで、所望の特性を有する熱間プレス用鋼板が得られる。

以下に本発明を詳細に説明する。

まず、以下に鋼の各成分を、所定の範囲に限定する理由について述べる。

Ｃは、熱間プレス、焼き入れ後の部品強度に影響を及ぼす重要な元素であり、０．１５％未満では、十分な強度が確保できない。また、０．３％を超えるとスポット溶接時の破断形態を劣化させると同時に部品製造における打抜き時のクラック発生の起点となるセメンタイトを増加させ遅れ破壊を生じやすくするため、０．１５〜０．３％とした。

Ｓｉは、熱間プレス、焼き入れ性、スケール密着性に影響する元素であり、かつセメンタイト析出を抑制する元素であるが、０．０５％未満では十分な効果を得ることができない。また、０．５％を超えるとその効果は飽和し、コストがかかり経済的に不利となる。

Ｍｎは、熱間プレス、焼き入れ性に影響する元素であり、鋼板の強度上昇に有効である。しかし、０．５％未満ではこの効果が得られないので、下限値を０．５％とした。また、３．０％を超えるとＰ、Ｓとの共偏析を助長し、スポット溶接部の脆化を招くため３．０%を上限値とする。

Ｐは、粒界偏析による粒界破壊の助長をする元素であり、低い方が望ましいが、０．００５％未満にしようとすると、製造工程における製鋼でのコスト上昇を招くため好ましくない。また０．１％を超えると粒界破壊の助長、スポット溶接部の脆化を招くため、上限を０．１％とする。

Ｓは、ＭｎＳ等の非金属介在物を生成し打抜き性を劣化させたり、熱間脆性やスポット溶接部の脆化を助長する元素であり、低い方が望ましいが、極低化は製造コスト上好ましくないため０．０２％以下とする。

Ａｌは、脱酸のため０．０１％以上を添加するが、添加量が増加するとアルミナ等の介在物が増加し、打抜き面の粗大クラック発生の要因となるため上限を３．０％とした。

Ｎは、添加量が多くなると粗大化合物を生成するため、打抜き面の粗大クラックの発生を招いたり、後述のＢと結合してＢＮを生成し、Ｂ添加の効果を低下させるため、添加は少ない方が望ましい。特に０．０１％を越えるとその影響が顕著となるため、上限を０．０１％とした。また少ない方が望ましいが、０．０００５％未満にするには製造コスト上好ましくないため、下限値を０．０００５％とすることが好ましい。

Ｃｒは、鋼板の焼き入れ性、スケール性能に影響する元素であり、熱間プレス、焼き入れ後の強度やスケール密着性確保のために必要である。しかし、０．０５％未満ではこれらの効果が得られないため、下限値を０．０５％とした。また、多量の添加は焼き入れ性が飽和するだけでなく、スケール密着性を悪化させ、遅れ破壊感受性を高める恐れがあるため、０．５％を上限とする。

Ｂは、焼き入れ性を向上させるのに有効な元素である。このような効果を有効にするためには、０．０００２％以上の添加が必要ある。しかし、過多に添加してもその効果は飽和するので、０．０１％を上限とした。

Ｔｉは、強炭化物生成元素であり、析出物や介在物を生成させて熱間プレス、焼き入れした部材の強度を確保するとともにＮを固定することによりＢとの結合を防止し、Ｂの焼入れ性の効果を十分発揮させる。この効果を発揮させるには、０．００２％以上の添加が必要となる。しかし、過剰に添加すると、粗大析出または晶出物が生成するために、打抜き面の粗大クラックの発生の要因となるため、０．５％を上限とする。

さらに本発明においては、上記各成分の添加量が下記式（Ａ）、（Ｂ）を満足することが重要となる。
０．５≦ （Ｃｒ／Ｓｉ） ≦１．５・・・（Ａ）
０．３５≧ Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｒ／２０＋４×Ｂ＋２×Ｐ＋４×Ｓ
・・・（Ｂ）
式（Ａ）の値が０．５未満あるいは１．５を超えると熱間プレス、焼き入れ後のスケール密着性が低下する。好ましくは、０．９から１．２の範囲がさらに良好なスケール密着性が得られる。本発明者らは、実験室にて鋼中成分としてＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ、Ｃｒ、Ｂ、Ｔｉを含有する鋼板において、これらの中でＳｉ、Ｃｒの量を変化させた種々の成分組成を有する鋼板を用いて、熱間プレス、焼き入れを行い、スケールの挙動を調査した。加熱は、大気中にて９３０℃×３ｍｉｎとし、その後、平板金型により焼き入れした。その結果、鋼中のＣｒ、Ｓｉの添加量比率（Ｃｒ／Ｓｉ）が０．５以上、１．５以下の場合、スケール密着性は良好であった。このスケールの状態を調査したところ、スケールと鋼板の界面にＦｅＣｒ_２Ｏ_４、（Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ）_２ＳｉＯ_４が存在することがわかった。

これに対し、鋼中のＣｒ、Ｓｉの添加量比率（Ｃｒ／Ｓｉ）が０．５未満では、スケールと鋼板の界面にはＦｅ_２ＳｉＯ_４が存在した。また、鋼中のＣｒ、Ｓｉの添加量比率（Ｃｒ／Ｓｉ）が１．５を超えるとスケールと鋼板の界面にはＦｅＣｒ_２Ｏ_４が存在した。スケール密着性が向上する理由は明確ではないが、鋼中のＣｒ、Ｓｉの添加量比率（Ｃｒ／Ｓｉ）によってスケールと鋼板界面に生成される酸化物が異なることから、ＦｅＣｒ_２Ｏ_４、（Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ）_２ＳｉＯ_４の酸化物がスケールと鋼板界面に存在することにより、スケールと鋼板との間の整合性が向上したものと推察される。

次に式（Ｂ）の値が０．３５を超えるとスポット溶接部のピール試験（ＪＩＳＺ３１４４）にて破断形態を評価した場合、スポット溶接部の破断形態が、溶接部（ナゲット）が残らない剥離破断する場合が多くなるため（Ｂ）式の上限を０．３５とした。式（Ｂ）が成り立つ場合、すなわち、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｂ、Ｐ、Ｓの添加量が本発明に従う場合には、破断形態はナゲット外破断あるいは、一部ナゲット内破断であることが判明した。これは、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｂ、は、溶接部および熱影響部の強度を高めるため、またＰ、Ｓは、溶接時の入熱により粒界への偏析を生じやすくなるため、過剰に添加されると溶接部を脆化させ、剥離破断の傾向となるものと考えられる。剥離破断は溶接部の接合強度が母材の強度より低くなる場合もあるため、部品の性能の信頼性を損なう可能性もある。このため、部品性能の信頼性を確保するためには、上記式（Ｂ）を満足することが重要となる。式（Ｂ）を満足する場合、破断形態は一部ナゲット内破断もしくは、ナゲット外破断となり、溶接部（ナゲット）が一方の鋼板に残存する破断形態となる。さらに式（Ｂ）の値が０．３３以下にすればナゲット外破断となる確率が多くなり、溶接部品質の観点からもより好ましい。

本発明の高強度鋼板の製造方法は、その各種条件が、用途や必要特性に応じて、適宜選択され得るものである。

例えば、以下の方法に従って高強度鋼板を製造することができる。まず、転炉で上記成分組成の範囲で調整された鋼を溶製し、連続鋳造法によりスラブとなす。このスラブを高温状態のまま、あるいは、室温まで冷却した後、加熱炉に挿入し、１０００〜１２５０℃の温度範囲で仕上げ圧延を行い、７００℃以下の温度で巻き取って熱延鋼板とする。次いで、酸洗、冷間圧延を行い冷延鋼板となし、熱間プレス用鋼板となる。冷間圧延後に通常の連続焼鈍を実施せず未焼鈍のままで熱間プレス用鋼板とすることで、スケール密着性が向上する。この理由は定かではないが、圧延によるひずみの導入により、熱間プレス工法での加熱工程においてスケールが生成する際に、鋼板中のＦｅの拡散速度が変わることで酸化の速度が変化することが密着性向上に影響しているものと推定している。このため、連続焼鈍を施した場合、冷間圧延工程で導入されたひずみが焼鈍により除去されるため、密着性向上効果が無くなる。また、冷間圧延工程における圧延率は、２０〜６０％にすることでスケール密着性がさらに向上することが確認された。この効果は、圧延率２０％未満では認められず、また６０％を超えるとその効果は飽和し、かつ加工硬化により鋼板の強度が高くなり、切断等が困難になるため、６０％を上限とする。

次に実施例について述べる。

表１に示す成分組成の鋼を転炉で溶製し、常法に従い連続鋳造でスラブとした。これらのスラブを加熱炉中で１１４０℃〜１２５０℃の温度で加熱し、８１０℃〜８８０℃の仕上げ温度で熱間圧延を行い、６００℃〜６６０℃にて巻き取り、熱延鋼板（板厚：２．０ｍｍ）とした。そして、一部のものについては、酸洗後に冷間圧延の圧延率を変化させて冷延鋼板とし、さらに一部のものには冷間圧延後に連続焼鈍を施した。上記の鋼板を用い、加熱炉にて９３０℃×３ｍｉｎの条件にて加熱を行い、ハット形状品の熱間プレスを実施し、部材引張り強度１４７０ＭＰａクラスの部品を作成した。（ハット形状：幅１００ｍｍ、長さ：３００ｍｍ、高さ：６０ｍｍ）部品強度の評価は熱間プレス後の引張り強度が１４７０ＭＰａ以上を合格とした。スケール密着性の評価は、常温近くまで冷却後、金型より取り出し、スケールでの剥離状態を目視により評価、スケール剥離のないものを合格とした。さらに、このプレス品より、評価サンプルを切り出し、熱間プレス・焼き入れ後の引張り強度、スポット溶接品質を評価した。引張り試験は、ＪＩＳＺ２２０１に従って実施した。スポット溶接品質として破断形態評価は、ＪＩＳＺ３１４４に従うピール試験によって行った。溶接には、定置式スポット溶接機を使用し、加圧力：４．４ｋＮ、通電時間：０．３ｓ、保持時間：０．０８ｓとし、電流値は、各鋼種にてナゲット径が４√ｔ（ｔ：板厚ｍｍ）の大きさになるように設定した。スポット溶接品質の評価はその破断形態がＡ：剥離破断、Ｂ：ナゲット内破断、Ｃ：ナゲット外破断、で区分し、ナゲットが残るＢ、Ｃを合格とした。結果を表２に示した。

表２の結果から、本発明鋼の範囲では、焼き入れ後の引張り強度が約１４７０ＭＰａ程度以上となっており、所望の部品引張り強度を有することが確認された。これに対し、本発明の範囲から外れた場合には、引張り強度が低くなった。また、本発明鋼の範囲では、スケール密着性も良好となるが、本発明の範囲から外れた場合、スケール密着性は劣位であった。さらに、本発明鋼の範囲では、スポット溶接時の破断形態を満足するが、本発明の範囲から外れた場合には、剥離破断の傾向を呈し、本発明鋼が所望の特性を満足することがわかる。

Claims

質量％にて、
Ｃ：０．１５〜０．３％、
Ｓｉ：０．０５〜０．５％、
Ｍｎ：０．５〜３．０％、
Ｐ：０．００５〜０．１％、
Ｓ：０．０２％以下
Ａｌ：０．０１〜３．０％、
Ｎ：０．０１％以下、
Ｃｒ：０．０５〜０．５％、
Ｂ：０．０００２〜０．０１％、
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼で、下記式（Ａ）、（Ｂ）を満足し、かつ、熱間圧延、酸洗、圧延率が２０〜６０％である冷間圧延を施された未焼鈍材であり、プレス焼入れ後の引張り強度が１１８０ＭＰａ以上となることを特徴とする熱間プレス用鋼板。
０．５≦ （Ｃｒ／Ｓｉ） ≦１．５・・・（Ａ）
０．３５≧ Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｒ／２０＋４×Ｂ＋２×Ｐ＋４×Ｓ
・・・（Ｂ）
更に、質量％にて
Ｔｉ：０．００２〜０．５％、
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼であることを特徴とする請求項１に記載の熱間プレス用鋼板。