JP5630475B2 - 熱間成形鋼板部材およびその製造方法 - Google Patents
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そして、熱間プレスに供する鋼板の組織を微細化するとともに均一化するには、熱延鋼板の不均一な組織を解消するために、熱延鋼板を冷間圧延し、その鋼板を再結晶する温度で焼鈍することが必要であることをさらに見出した。
そして、斯かる鋼組織を得るには、熱間成形に供する鋼板としても、上述した化学組成を有するとともに微細かつ均一な鋼組織を有する鋼板を用いるとともに、熱間成形の際の熱処理条件を適正化することによって、達成されるという新知見を得た。
(1)質量%で、C:0.10%以上0.40%以下、Si:0.001%以上2.0%以下、Mn:1.0%以上3.0%以下、P:0.05%以下、S:0.01%以下、sol.Al:0.001%以上1.0%以下、Ti:0.070%以上0.40%以下およびN:0.01%以下を含有し、残部Feおよび不純物からなる化学組成を有し、
面積%で、未再結晶フェライト:2.0%以下、再結晶フェライト:10%以上90%以下およびマルテンサイト:10%以上90%以下、再結晶フェライトおよびマルテンサイトの合計面積率:90%以上であり、再結晶フェライトの平均粒径が5.0μm以下である鋼組織を有し、引張強度が900MPa以上である機械特性を有することを特徴とする、熱間成形鋼板部材。
はじめに、本発明に係る熱間成形鋼板部材の化学組成を上述のように規定した理由を説明する。以下の説明において、各合金元素の含有量を表す「%」は、特に断りがない限り「質量%」を意味する。
Cは、鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を主に決定する、非常に重要な元素である。C含有量が0.10%未満では焼入れ後の強度で900MPa以上の引張強度を確保することが困難となる。したがって、C含有量は0.10%以上とする。好ましくは、0.11%以上である。一方、C含有量が0.40%超では、衝撃特性の劣化が顕著となる。したがって、C含有量は0.40%以下とする。溶接性の観点からは、C含有量を0.28%以下とすることが好ましい。
Siは、延性を劣化させることなく、あるいは、延性を向上させて、焼入れ後の強度を高める作用を有する元素である。Si含有量が0.001%未満では上記作用を得ることが困難である。したがって、Si含有量は0.001%以上とする。なお、Si含有量を0.05%以上にすると、延性がさらに向上する。したがって、Si含有量は0.05%以上とすることが好ましい。一方、Si含有量が2.0%超では、上記作用による効果は飽和して経済的に不利となる上、表面性状の劣化が著しくなる。したがって、Si含有量は2.0%以下とする。好ましくは1.5%以下である。
Mnは、鋼の焼入れ性を高め、焼入れ後の強度を安定して確保するために、非常に効果のある元素である。しかし、Mn含有量が1.0%未満では、その効果が十分に得られず、焼入れ後の強度で900MPa以上の引張強度を確保することが非常に困難となる。したがって、Mn含有量は1.0%以上とする。なお、Mn含有量を1.6%以上にすると、焼入れ後の強度で980MPa以上の引張強度を確保することが可能となる。このため、Mn含有量は1.6%以上とすることが好ましい。一方、Mn含有量が3.0%超では、組織が不均一となり、衝撃特性の劣化が顕著となる。したがって、Mn含有量は3.0%以下とする。なお、熱間プレスに供する前の鋼板においては、その引張強度を低くすることが生産性の向上に寄与するので、Mn含有量を2.4%以下とすることが好ましい。
Pは、一般には鋼に不可避的に含有される不純物であるが、固溶強化により、強度を高める作用を有するので積極的に含有させてもよい。しかし、P含有量が0.05%超では溶接性の劣化が著しくなる。したがって、P含有量は0.05%以下とする。P含有量は好ましくは0.02%以下である。上記作用をより確実に得るには、P含有量を0.003%以上とすることが好ましい。
Sは、鋼に不可避的に含有される不純物であり、溶接性の観点からは低いほど好ましい。S含有量が0.01%超では溶接性の低下が著しくなる。したがって、S含有量は0.01%以下とする。好ましくは0.003%以下、さらに好ましくは0.0015%以下である。
Alは、鋼を脱酸して鋼材を健全化する作用を有する元素であり、また、Ti等の炭窒化物形成元素の歩留まりを向上させる作用を有する元素でもある。sol.Al含有量が0.001%未満では上記作用を得ることが困難となる。したがって、sol.Al含有量は0.001%以上とする。好ましくは0.015%以上である。一方、sol.Al含有量が1.0%超では、溶接性の低下が著しくなるとともに、酸化物系介在物が増加して表面性状の劣化が著しくなる。したがって、sol.Al含有量は1.0%以下とする。好ましくは0.080%以下である。
Tiは、本発明において重要な元素であり、鋼中に炭化物、窒化物、または炭窒化物である微細な析出物を形成し、焼入れ後の組織を微細化することが可能となり、延性を著しく向上させる。
Nは、鋼に不可避的に含有される不純物であり、溶接性の観点からは低いほど好ましい。N含有量が0.01%超では溶接性の低下が著しくなる。したがって、N含有量は0.01%以下とする。好ましくは0.006%以下である。
これらの元素は、いずれも鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を安定して確保する効果のある元素である。したがって、これらの元素の1種または2種以上を含有させてもよい。しかし、NbおよびVについては、それぞれ0.4%を超えて含有させると、熱間圧延および冷間圧延が困難になるだけでなく、焼入れ後の組織が不均一になりやすくなり、衝撃特性の劣化が顕著となる。また、Cr、Mo、CuおよびNiについては、1.0%を超えて含有させると、上記作用による効果は飽和して経済的に不利となるうえに、熱間圧延や冷間圧延が困難となる。なお、上記作用による効果をより確実に得るには、Nb:0.003%以上、V:0.003%以上、Cr:0.005%以上、Mo:0.005%以上、Cu:0.005%以上およびNi:0.005%以上の少なくとも一つを満足させることが好ましい。
これらの元素は、いずれも介在物制御、特に介在物の微細分散化に寄与し、低温靭性を高める作用を有する元素である。したがって、これらの元素の1種または2種以上を含有させてもよい。しかし、いずれも0.01%を超えて含有させると、表面性状の劣化が顕在化する場合がある。したがって、各元素の含有量はそれぞれ上記のとおりとする。なお、上記作用による効果をより確実に得るには、これらの元素の少なくとも一つの含有量を0.0003%以上とすることが好ましい。ここで、REMは、Sc、Yおよびランタノイドの合計17元素を指し、上記REMの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。ランタノイドの場合、工業的にはミッシュメタルの形で添加される。
Bは、低温靭性を高める作用を有する元素である。したがって、Bを含有させてもよい。しかし、0.01%を超えて含有させると、熱間加工性が劣化して、熱間圧延が困難になる。したがって、B含有量は0.01%以下とする。なお、上記作用による効果をより確実に得るには、B含有量を0.0003%以上とすることが好ましい。
Biは、組織を均一にし、衝撃特性を高める作用を有する元素である。したがって、Biを含有させてもよい。しかし、0.01%を超える量でBiを含有させると、熱間加工性が劣化して、熱間圧延が困難になる。したがって、Bi含有量は0.01%以下とする。なお、上記作用による効果をより確実に得るには、Bi含有量を0.0003%以上とすることが好ましい。
次に、本発明に係る熱間プレス鋼板部材の鋼組織について説明する。
フェライトの面積率が10%未満では、フェライトの殆どが孤立し、延性を向上させることができない。したがって、フェライトの面積率は10%以上とする。一方、フェライトの面積率が90%超では、マルテンサイトの面積率が10%未満となり、後述するように、焼入れ後の強度で900MPa以上の引張強度を確保することが困難となる。したがって、フェライトの面積率は90%以下とする。フェライトとマルテンサイトとの割合は上記範囲に入る限り、特に制限されないが、好ましくは、フェライト:25〜85%、マルテンサイト:15〜75%である。
未再結晶フェライトが残存することにより、焼入れ後の強度は高くなるが、鋼組織は極めて不均一となり、延性と衝撃特性は著しく劣化する。具体的には、未再結晶フェライトの面積率が2.0%超で、所望の延性と衝撃特性が得られなくなる。したがって、未再結晶の面積率は2.0%以下とする(0%の場合も含む)。
ここで、本発明において「未再結晶フェライト」とは、顕微鏡観察によって確認される圧延方向に伸長したフェライト相をいい、前記フェライトとは区別されるものである。
マルテンサイトを鋼中に形成させることにより、焼入れ後の強度を高めることができる。マルテンサイトの面積率が10%未満では、焼入れ後の強度で900MPa以上の引張強度を確保することが困難となる。したがって、マルテンサイトの面積率は10%以上とする。一方、マルテンサイトの面積率が90%超では、フェライトの面積率が10%未満となり、上述したように、延性を向上させることができない。したがって、マルテンサイトの面積率は90%以下とする。
本発明に係る熱間プレス鋼板部材は、フェライトおよびマルテンサイトからなる組織を有すること基本とするが、製造条件によっては、フェライトおよびマルテンサイト以外の相または組織として、ベイナイト、残留オーステナイト、セメンタイトおよびパーライトの1種または2種以上が混入する場合がある。この場合、フェライトおよびマルテンサイト以外の相または組織が10%を超えると、これらの相または組織の影響により、目的とする特性が得られない場合がある。したがって、フェライトおよびマルテンサイト以外の相または組織の混入は10%以下とする。すなわち、フェライトおよびマルテンサイトの合計面積率は90%以上とする。
焼入れ後の組織を微細化することにより、焼入れ後の強度、延性および衝撃特性を高めることができる。引張強度が900MPa以上で、良好な延性および衝撃特性を確保するために、フェライトの平均粒径は5.0μm以下とする。
次に、上記の特徴を有する本発明に係る熱間プレス鋼板部材の好ましい製造方法について説明する。
熱間プレスに供する熱間プレス用鋼板には、上記化学組成を有し、かつ、未再結晶フェライトが2.0面積%以下であり、フェライトの平均粒径が7.0μm以下である鋼組織を有する冷延鋼板または溶融亜鉛めっき冷延鋼板を用いることができる。
熱間プレスに供する鋼板の加熱は、720℃以上、かつ、下記実験式(i)により規定されるオーステナイト単相になるAc3点(℃)未満の温度域に1分間以上20分間以下保持することにより行う。
+104×V+31.5×Mo−30×Mn−11×Cr
−20×Cu+700×P+400×Al+50×Ti ・・・・(i)
ここで、上記式中における元素記号は、前記鋼板の化学組成における各元素の含有量(単位:質量%)を示す。
150℃以上600℃以下の温度域における冷却は拡散型変態が起きないように冷却する。上記温度域における平均冷却速度が20℃/秒未満では、ベイナイト変態が過度に進行してしまい、強化相であるマルテンサイトの面積率を確保できなくなり、焼入れ後の強度で900MPa以上の引張強度を確保することが困難となる。したがって、上記温度域における平均冷却速度は20℃/秒以上とする。一方、上記温度域における平均冷却速度を500℃/秒超とすることは通常の設備においては困難である。そこで、上記温度域における平均冷却速度は500℃/秒以下とする。したがって、上記温度域における平均冷却速度は500℃/秒以下とする。好ましくは200℃/秒以下である。
(2)水冷金型の場合、600℃到達直後に金型中の流水量を変化させて、冷却速度を変える;
(3)600℃到達直後に、金型と部材の間に水を流し、その水量を変化させることで、冷却速度を変える。
表1に示す化学組成、表2に示す鋼組織と引張強度の鋼板(板厚t:1.2mm)を熱間プレスに供する鋼板とした。
本例において作製した鋼板部材は、金型による熱間プレスが施されていないが、熱間プレス鋼板部材と同じ熱履歴を受けているので、鋼板の機械的性質は、同じ熱履歴を有する熱間プレス鋼板部材と実質的に同一である。
各鋼板から、圧延方向に対して直角方向が長手方向となるJIS5号引張試験片を採取し、TS(引張強度)およびEL(全伸び)を測定した。
1.2mm厚の鋼板を4枚積層してねじ止めした後、Vノッチ試験片を作製し、シャルピー衝撃試験に供した。衝撃特性は、0℃での衝撃値が20J/cm2以上となる場合を良好とした。それに達しない場合を不良とした。
各鋼板の圧延方向および圧延方向に対して直角方向から試験片を採取し、圧延方向断面、圧延方向に対して直角方向断面の組織を電子顕微鏡で観察し、8mm2の領域を写真撮影し、画像解析によりフェライト、未再結晶フェライトおよびマルテンサイトの面積率、フェライトの平均粒径を調査した。
これらの熱間プレスを模擬した試験の結果を表4に示す。
供試材No.8および21は、化学組成が本発明で規定する範囲を外れ、衝撃特性が悪かった。供試材No.9および14は、製造条件が本発明で規定する範囲を外れ、所望の組織が得られないため、目標とする引張強度が得られなかった。
Claims (7)
- 質量%で、C:0.10%以上0.40%以下、Si:0.001%以上2.0%以下、Mn:1.0%以上3.0%以下、P:0.05%以下、S:0.01%以下、sol.Al:0.001%以上1.0%以下、Ti:0.070%以上0.40%以下およびN:0.01%以下を含有し、残部Feおよび不純物からなる化学組成を有し、
面積%で、未再結晶フェライト:2.0%以下、再結晶フェライト:10%以上90%以下およびマルテンサイト:10%以上90%以下、再結晶フェライトおよびマルテンサイトの合計面積率:90%以上であり、再結晶フェライトの平均粒径が5.0μm以下である鋼組織を有し、引張強度が900MPa以上である機械特性を有することを特徴とする、熱間成形鋼板部材。 - 前記化学組成が、Feの一部に代えて、質量%で、Nb:0.4%以下、V:0.4%以下、Cr:1.0%以下、Mo:1.0%以下、Cu:1.0%以下およびNi:1.0%以下からなる群から選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の熱間成形鋼板部材。
- 前記化学組成が、Feの一部に代えて、質量%で、Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下、REM:0.01%以下およびZr:0.01%以下からなる群から選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の熱間成形鋼板部材。
- 前記化学組成が、Feの一部に代えて、質量%で、B:0.01%以下を含有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の熱間成形鋼板部材。
- 前記化学組成が、Feの一部に代えて、質量%で、Bi:0.01%以下を含有することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の熱間成形鋼板部材。
- 未再結晶フェライトが2.0面積%以下であり、再結晶フェライトの平均粒径が7.0μm以下である鋼組織を有する素材鋼板を、720℃以上Ac3点未満の温度域に1分間以上20分間以下保持し、このように加熱された素材鋼板に熱間成形を行い、次いで、600℃から150℃までを20℃/秒以上500℃/秒以下の平均冷却速度で冷却することを特徴とする、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の熱間成形鋼板部材の製造方法。
- 前記素材鋼板が、冷延鋼板、溶融亜鉛めっき鋼板、および合金化溶融亜鉛めっき鋼板からなる群から選ばれた1種である、請求項6記載の熱間成形鋼板部材の製造方法。
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