JP5942560B2 - 鋼板のプレス成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、複相組織を有する高強度鋼板を熱間プレス成形によって加工する鋼板のプレス成形方法に関する。

従来より、自動車の車体構造、例えばサイドシル、ピラー、ルーフメンバ等のように高い耐衝撃性が要求される強度部材には、車体重量の軽量化と衝突安全性確保の観点から、引張強度（ＴＳ）が５９０ＭＰａ以上である高強度鋼材（High Strength Steel）が多用されている。この高強度鋼材は、一般に降伏点が高く且つ弾性回復量が大きいため、スプリングバック現象による寸法不良を発生し易く、プレス成形時の加工性に課題が存在する。そのため、強度と加工性とを両立するための技術が種々提案されている。

特許文献１の温間プレス成形方法は、亜鉛を主体とする金属被膜（Ｚｎ−Ｎｉ合金めっき層）が形成された高強度鋼材の一種である析出強化型鋼板を６５０〜７００℃まで加熱した後、２００ｍｍ／ｓ以上の平均成形速度でプレス成形している。この温間プレス成形方法によれば、プレス成形時、加熱により成形性が向上するため、高強度鋼板を素材としたプレス成形品を生産効率を低下することなく製造することができる。

前記析出強化型鋼板は、Ｍｏ，Ｔｉ，Ｎｂ等の添加剤を所定重量％含有し、この添加剤が組成中の炭素（Ｃ）と結合して鋼板の組織内に炭化物を析出することによって鋼板強度を増加している。

高強度鋼板には、前述の析出強化型鋼板の他に、Ｍｎ，Ｐ，Ｓｉ等の添加剤を含有した固溶強化型鋼板や複相組織からなる変態強化型鋼板等が存在する。特に、変態強化型鋼板は、ＤＰ（Dual Phase: フェライト＋マルテンサイト）鋼に代表され、このＤＰ鋼は、軟質の主相であるフェライト相と硬質の第２相であるマルテンサイト相によって２相のミクロ組織を有している。
これにより、ＤＰ鋼は、同一強度の析出強化型や固溶強化型等の高強度鋼板に比べて低降伏比で且つ高い延性を備え、冷間プレス成形において加工性の厳しい用途に用いられている。

特開２０１１−２３０１８９号公報

一般に、鋼板のプレス成形は、大別して、深絞成形、張出成形、フランジ成形、曲げ成形等の加工形態に分類される。ＤＰ鋼は、延性に優れ、他の高強度鋼板に比べて冷間における加工性が優れているものの、組織中に硬質のマルテンサイト相を多量に含有するため、加工後の製品形状によっては冷間におけるプレス能力との関係から加工が難しい場合もあり、成形品が複雑な形状の場合、十分な加工性を確保できない虞がある。
特許文献１の温間プレス成形方法では、析出強化型鋼板を加熱して鋼板の強度を軟化することによってプレス加工性を向上している。そこで、特許文献１と同様の方法により、鋼板を加熱する温間プレスをＤＰ鋼に対して適用することが考えられる。尚、温間プレスは加熱温度が低い熱間プレスの一種と分類されているため、以下、温間プレスを含めて熱間プレスと表す。

特許文献１のような熱間プレスでは、鋼板組成に変化を生じるような高温まで加熱しているため、加熱によってプレス加工後における成形品の大荷重強度や衝撃強度が影響を受ける虞がある。
そこで、本発明者は、加熱によるプレス成形品の大荷重強度や衝撃性と相関のある引張強度特性に対する影響を解明するため、熱間プレス後の状態をモデル化し、ＤＰ鋼を複数の目標温度まで加熱した後、冷却後の鋼板の引張強度と成分組成を検証する検証実験を実施した。

以下、検証実験について説明する。
ＤＰ鋼の試験材料として、以下の成分組成を備えたＪＳＣ９８０Ｙ（ＪＦＳ：日本鉄鋼連盟規格）のブランクを準備し、ＪＩＳ５号の試験片ａ〜ｄを作成した。
この試験片を炉加熱し、空冷後、引張最大強度と各組成のミクロ組織の面積率を測定した。

次に、図７，図８に基づき検証実験の結果について説明する。
加熱しない（未加熱）試験片ａの場合、フェライト相が１１．８％、マルテンサイト相が８８．２％の面積率であり、引張最大強度は９６０ＭＰａであった。
特許文献１に開示された温度域に相当する７００℃まで加熱した試験片ｂの場合、フェライト相が５４．３％、パーライト相が４５．７％の面積率であり、引張最大強度は８０２ＭＰａであった。
８００℃まで加熱した試験片ｃの場合、フェライト相が８．７％、マルテンサイト相が９１．３％の面積率であり、引張最大強度は１０４２ＭＰａであった。
９００℃まで加熱した試験片ｄの場合、フェライト相が７４．７％、パーライト相が２５．３％の面積率であり、引張最大強度は８４８ＭＰａであった。

試験片ｂ，ｄは、組織中のマルテンサイト相が冷却後、フェライト相とパーライト相に相変化したため、引張強度が加熱前よりも低下したものと推測される。
試験片ｃは、組織中のマルテンサイト相が冷却後、再びマルテンサイト相に戻り、これに加えて、組織中のフェライト相がマルテンサイト相に相変化したため、引張強度が加熱前よりも増加したものと推測される。

以上の検証結果から、加工性を向上するため、フェライト相とマルテンサイト相からなる高強度鋼板（ＤＰ鋼）を熱間プレスする場合、加熱する目標温度によっては鋼板の組織が相変化を生じ、プレス成形品の引張強度が加熱（加工）前の鋼板の引張強度よりも低下することが知見された。即ち、高強度鋼板を素材としたプレス成形品であっても、成形後、強度部材として期待される大荷重強度や衝撃性を得ることができない虞がある。
また、鋼板用防錆処理の主流である亜鉛系金属被膜は、融点（約４１９℃）が低いため、加熱温度や加熱時間等の成形条件によっては被膜の溶融や気化を生じ、プレス成形品の塗装性不良を招く虞もある。

本発明の目的は、成形条件の調整によって、化成処理不良を招くことなく、複相組織を有する高強度鋼板の強度低下防止と加工性向上とを図ることができる鋼板のプレス成形方法を提供することである。

請求項１の鋼板のプレス成形方法は、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１７％、Ｓｉ：０．２〜１．３５％、Ｍｎ：１．２５〜３．１％、Ｐ：０．００９〜０．０２５％、Ｓ：０．００２〜０．０１２％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であって、ミクロ組織がフェライト相とマルテンサイト相の複相組織からなる鋼板を、Ａｃ１変態点以上Ａｃ３変態点未満の温度域まで加熱し且つこの温度域に予め設定された設定時間保持後、プレス成形を前記温度域で開始し、マルテンサイトが析出するような冷却速度にて冷却しながらプレス成形を行い且つマルテンサイト変態開始温度以下の温度域で型開きを行いプレス成形を終了し、前記プレス成形後の鋼板の組成が、面積率で５％以上のフェライト相と５０％以上のマルテンサイト相を有することを特徴としている。

この鋼板のプレス成形方法では、ミクロ組織がフェライト相とマルテンサイト相の複相組織からなる鋼板を、Ａｃ１変態点以上Ａｃ３変態点未満の温度域まで加熱し且つこの温度域に予め設定された設定時間保持するため、塗装性不良を招くことなく、硬質のマルテンサイト相をオーステナイト化（軟化）した状態でプレス成形を開始することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記プレス成形後の鋼板の組成が、面積率で８．７％のフェライト相と９１．３％のマルテンサイト相を有することを特徴としている。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記冷却速度が、６℃／ｓであることを特徴としている。
請求項４の発明は、請求項１〜３の何れか１項の発明において、前記プレス成形前の鋼板の引張強度が、５９０ＭＰａ以上であることを特徴としている。

請求項５の発明は、請求項１〜４の何れか１項の発明において、前記プレス成形前の鋼板が、その表面に亜鉛を主体とする金属被膜を有することを特徴としている。

請求項１の発明によれば、成形条件の調整によって、塗装性不良を招くことなく、硬質のマルテンサイト相をオーステナイト化した状態でプレス成形を開始することができるため、成形時の加工性を向上することができ、マルテンサイトが析出するような冷却速度にて冷却するため、成形後において組織中に５％以上のフェライト相と５０％以上のマルテンサイト相を形成することができる。
これにより、成形前に存在するマルテンサイト相を成形後においてフェライト相に相変化させないため、プレス成形品の強度低下を防止し、大荷重強度や衝撃性の確保を図ることができる。
また、プレス成形品の引張強度を増加でき、大荷重強度や衝撃性を一層向上することができる。

請求項２の発明によれば、引張強度、引張破断伸び及び成形性を向上できる。
請求項３の発明によれば、プレス成形後の加工性低下及び強度低下を抑制できる。
請求項４の発明によれば、引張強度が５９０ＭＰａ以上のプレス成形品を得ることができる。

請求項５の発明によれば、塗装性不良を生じることなく、亜鉛を主体とする金属被膜が施されたプレス成形品を得ることができる。

本発明のプレス加工方法に係る鋼板温度と成形時間との成形条件の一例を示すグラフである。 鋼板を熱間プレスするためのプレス機の概略図である。 未加熱鋼板（鋼板Ａ）の組織を示す図である。 ７００℃まで加熱した鋼板（鋼板Ｅ）の冷却後の組織を示す図である。 ８００℃まで加熱した鋼板（鋼板Ｆ）の冷却後の組織を示す図である。 ９００℃まで加熱した鋼板（鋼板Ｇ）の冷却後の組織を示す図である。 鋼板の加熱温度と引張最大強度との相関関係を示す検証結果のグラフである。 鋼板の加熱温度と組織の面積率との相関関係を示す検証結果のグラフである。

以下、本発明を具体的に説明する。
本発明の鋼板は、下記成分組成を含み、ミクロ組織がフェライト相とマルテンサイト相の２相組織によって構成された一般的なＤＰ（Dual Phase）鋼である。
まず、本発明において、鋼板の成分組成の限定範囲について説明する。尚、成分組成に関する％表示は、特に断りがない限り質量％を意味する。

Ｃ：０．０６〜０．１７％
Ｃは、オーステナイト化を安定させる元素であり、鋼板強度の向上に必要な元素である。Ｃ量が０．０６％未満では所望の強度確保が難しく、０．１７％を超えるとフェライト相が減少して加工性が低下する。これらの観点から、Ｃ量を０．０６〜０．１７％の範囲とする。
Ｓｉ：０．２〜１．３５％
Ｓｉは、Ｃと同様に、鋼板強度の向上に必要な元素であり、鋼板の延性確保に必要な元素である。Ｓｉ量が０．２％未満では強度と延性のバランス改善やフェライト相の硬度確保が難しく、１．３５％を超えると前記効果が飽和し、脆化や化成処理の阻害を引き起こす。これにより、Ｓｉ量を０．２〜１．３５％の範囲とする。

Ｍｎ：１．２５〜３．１％
Ｍｎは、鋼板強度の向上に有効な元素である。また、Ａｃ３変態点を低下させると共にオーステナイト化を安定させ、第２層の分率調整に必要な元素である。Ｍｎ量が１．２５％未満では鋼板の強度と延性の確保が難しく、３．１％を超えると焼入れ性が高まるため、マルテンサイト相が増加し延性が低下する。従って、Ｍｎ量を１．２５〜３．１％の範囲とする。
Ｐ：０．００９〜０．０２５％
Ｐは、鋼板の強化に有効な元素である。Ｐ量が０．０２５％を超えると、粒界偏析により脆化し、耐衝撃性を劣化させる。Ｐ量を０．００９％未満にするには、製造コストが増加する。従って、Ｐ量を０．００９〜０．０２５％の範囲とする。
Ｓ：０．００２〜０．０１２％
Ｓは、ＭｎＳを生成して、耐衝撃性を劣化させるため、Ｓ量を極力低減することが好ましい。Ｓ量は０．０１２％までは許容され、０．００２％未満にするには、製造コストが増加する。従って、Ｓ量を０．００２〜０．０１２％の範囲とする。

本発明の鋼板において、前記以外の成分は、Ｆｅ及び不可避的に混入する不純物である。
この鋼板表面には、亜鉛を主体とした溶融亜鉛めっき処理又は亜鉛めっきの合金化処理が施されている。
尚、本発明の効果を損なわない範囲内であれば、前記以外の成分の含有を拒むものではない。

次に、本発明のプレス成形方法について説明する。
図１，図２に示すように、本発明の熱間プレス成形の成形条件は、前記成分組成に調整されたＤＰ鋼板１を加熱装置、例えば加熱炉や通電加熱装置等を用いてＡｃ１変態点以上Ａｃ３変態点未満の温度域まで加熱し、この温度域において予め設定された設定時間保持後、プレス機２の固定金型３上に載置し、可動金型４を下降移動させて前記温度域の状態で型閉めを開始し、マルテンサイトが析出するような冷却速度にて冷却しながらプレス成形を行い、マルテンサイト変態開始温度（ＭＳ点）以下の温度域で可動金型４を上昇移動させて型開きを行なう。その後、プレス成形品５を固定金型３から取り出す。

加熱最高温度をＡｃ１変態点以上Ａｃ３変態点未満としたのは、加熱温度がＡｃ１変態点よりも低い場合、加熱前の組織中のマルテンサイト相がオーステナイト相に相変化しないため、プレス成形前の鋼板の軟化が十分ではなく加工性向上を図ることができない。また、加熱温度がＡｃ３変態点以上の場合、組織全体がオーステナイト単相に相変化されるものの、鋼板表面の金属被膜が溶融・気化することにより塗装性不良を生じ、加熱時間やコストの面で生産性が低下する。

前記Ａｃ１変態点以上Ａｃ３変態点未満の温度域において、鋼板を設定時間、例えば０．１〜６０００秒間保持している。
保持時間が０．１秒よりも短い場合、加熱前の組織中のマルテンサイト相やフェライト相がオーステナイト相に十分に相変化しないため、加工（プレス）時における鋼板の軟化が不足し加工性向上を図ることができない。また、保持時間が６０００秒よりも長い場合、鋼板表面の金属被膜が溶融・気化することによる塗装性不良を生じ、加熱時間やコストの面で生産性が低下する。加工性の観点から、５秒以上の保持時間が好ましい。

プレス加工中は、マルテンサイトを析出する冷却速度、例えば５〜２００℃／ｓｅｃの冷却速度で鋼板を冷却する。冷却速度を５〜２００℃／ｓｅｃとしたのは、冷却速度が５℃／ｓｅｃよりも遅い場合、加熱によってマルテンサイトから相変化したオーステナイト相が焼入れ（プレス成形）後、パーライト相に相変化し、成形品の強度が低下する。また、冷却速度が２００℃／ｓｅｃよりも速い場合、フェライト相が５％未満になり、後工程における加工性が低下し、冷却水制御等に関わるコストの面で生産性が低下する。尚、プレス成形中、ＤＰ鋼板１が成形金型３，４との接触により前記冷却速度の範囲内に維持される場合、自然放冷で良く、プレス機２が備えている冷却水制御機構（図示略）を用いてＤＰ鋼板１の冷却速度を前記温度範囲に適合するように温度制御しても良い。

Ａｃ１変態点以上Ａｃ３変態点未満の温度域（例えば８００℃近傍）でプレス成形を開始し、ＭＳ点以下の温度域（例えば３００℃近傍）でプレス成形を終了している。
これにより、硬質のマルテンサイト相が軟質のオーステナイト相に相変化している期間内においてプレス成形が開始され（型閉開始）、前記温度域の間型閉じ状態を維持し、オーステナイト相がマルテンサイト相へ相変化を開始する期間においてプレス成形を終えるため（型開開始）、成形前の鋼板の強度や成形後のプレス成形品の強度に拘わらず、スプリングバックの発生を抑えた高い加工性を確保でき、複相組織からなるＤＰ鋼であっても複雑な形状をプレス加工することができる。プレス成形終了後、例えば２００℃近傍でプレス成形品５を成形金型３，４から取り出している。

次に、実施例で本発明をより詳細に説明する。
表１に示すように、２種類の５９０ＭＰａ級以上（９８０ＭＰａ，７９２ＭＰａ）のＤＰ鋼（ＪＳＣ９８０Ｙ，ＪＡＣ７８０Ｙ−４５／４５（ＪＦＳ））を素材として鋼板Ａ〜鋼板Ｔを準備した。これら鋼板Ａ〜Ｔを、加熱炉又は通電加熱装置により夫々の目標加熱温度まで加熱し、熱間プレス成形状態を模擬的に再現するように、目標加熱温度からマルテンサイトを析出する冷却速度で冷却を開始（プレス成形開始に相当）し、ＭＳ点以下の温度域で冷却を終了（プレス成形終了に相当）した。これら冷却終了後の鋼板Ａ〜Ｔについて、引張試験と面積率評価と成形性評価とを行った。
尚、鋼板Ｎ〜Ｔの表面には、防錆用の合金化溶融亜鉛めっき処理を施している。

炉加熱は、炉内雰囲気温度が目標加熱温度よりも高い目標設定温度になったとき、鋼板Ａ〜Ｇ，鋼板Ｎ〜Ｔを投入して加熱速度１．５℃／ｓで加熱する。鋼板Ａ〜Ｇ，鋼板Ｎ〜Ｔが各目標加熱温度まで加熱された時点で炉から取り出し、冷却速度６℃／ｓで冷却する。
通電加熱は、鋼板Ｈ〜Ｍが加熱速度１５０℃／ｓで目標加熱温度になるように電流量と通電時間を調整し、鋼板Ｈ〜Ｍが各目標加熱温度まで加熱された時点で通電加熱装置から取り外し、冷却速度６℃／ｓで冷却する。

引張試験は、鋼板Ａ〜ＴによりＪＩＳ５号試験片を作成し、ＪＩＳ規格に準拠して行った。鋼板Ａ〜Ｔの引張強度（ＭＰａ）と引張破断伸び（％）を測定した。
面積率評価は、鋼板Ａ，Ｅ〜Ｇの３０００倍程度の断面組織の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を３視野以上撮影し、各視野中で観察されたフェライト相、マルテンサイト相、パーライト相の夫々の面積を画像解析により測定し、測定値の積算後、測定視野面積で除算した。
成形性の評価は、５９０ＭＰａ級高強度鋼板の冷間プレスにおける成形性と比較し、同等の成形性の場合、良好と判定した。

図５に示す鋼板Ｆ（発明例）は、フェライトＦ（８．７％）とマルテンサイトＭ（９１．３％）の２相組織であり、図３に示す鋼板Ａ（未加熱）のマルテンサイトＭ（８８．２％）の面積率と同等以上のマルテンサイトＭの面積率を有している。尚、図４，図６に示すように、鋼板Ｅ，Ｇは、何れもがフェライトＦとパーライトＰの２相組織に相変化しており、鋼板Ａ，Ｆに比べて引張強度が低下している。

表１から明らかなように、本発明の成形条件を満足する鋼板Ｆ，Ｌ，Ｓは、引張強度、引張破断伸び及び成形性の何れもが良好であった。
鋼板Ｓは、鋼板Ｎに比べて引張強度が若干劣るものの、引張破断伸び及び成形性が良好であり、プレス成形品としての大荷重強度や衝撃性は満足できるものであった。しかも、鋼板Ｓでは、鋼板Ｔに比べて溶融亜鉛めっきの溶融や気化の発生が見られなかった。

次に、実施例１に係る鋼板のプレス成形方法の作用・効果について説明する。
この鋼板のプレス成形方法によれば、成形条件の調整によって、塗装性不良を招くことなく、硬質のマルテンサイト相をオーステナイト化した状態でプレス加工することができるため、成形時の加工性を向上することができ、マルテンサイトが析出するような冷却速度にて冷却するため、成形後において組織中にマルテンサイト相を形成することができる。これにより、成形前に存在するマルテンサイト相を成形後においてフェライト相に相変化させないため、プレス成形品５の強度低下を防止し、大荷重強度や衝撃性の確保を図ることができる。

プレス成形後の鋼板の組成が、面積率で５％以上のフェライト相と５０％以上のマルテンサイト相を有しているため、プレス成形品５の引張強度を増加でき、大荷重強度や衝撃性を一層向上することができる。

プレス成形前の鋼板１の引張強度が、５９０ＭＰａ以上であるため、引張強度が５９０ＭＰａ以上のプレス成形品５を得ることができる。
プレス成形前の鋼板１が、その表面に亜鉛を主体とする金属被膜を有するため、化成処理不良を生じることなく、亜鉛を主体とする金属被膜が施されたプレス成形品５を得ることができる。

当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

本発明は、複相組織を有する高強度鋼板を熱間プレス成形によって加工する鋼板のプレス成形方法において、マルテンサイト相がオーステナイト相に相変化している期間にプレス成形を行い、オーステナイト相がマルテンサイト相へ相変化を開始する時点でプレス成形を終えることにより、成形条件の調整によって、塗装性不良を招くことなく、複相組織を有する高強度鋼板の強度低下防止と加工性向上とを図ることができる。

１ 鋼板
２ プレス機
５ プレス成形品

Claims (5)

1. 質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１７％、Ｓｉ：０．２〜１．３５％、Ｍｎ：１．２５〜３．１％、Ｐ：０．００９〜０．０２５％、Ｓ：０．００２〜０．０１２％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であって、ミクロ組織がフェライト相とマルテンサイト相の複相組織からなる鋼板を、
   Ａｃ１変態点以上Ａｃ３変態点未満の温度域まで加熱し且つこの温度域に予め設定された設定時間保持後、
   プレス成形を前記温度域で開始し、マルテンサイトが析出するような冷却速度にて冷却しながらプレス成形を行い且つマルテンサイト変態開始温度以下の温度域で型開きを行いプレス成形を終了し、
   前記プレス成形後の鋼板の組成が、面積率で５％以上のフェライト相と５０％以上のマルテンサイト相を有することを特徴とする鋼板のプレス成形方法。
2. 前記プレス成形後の鋼板の組成が、面積率で８．７％のフェライト相と９１．３％のマルテンサイト相を有することを特徴とする請求項１に記載の鋼板のプレス成形方法。
3. 前記冷却速度が、６℃／ｓであることを特徴とする請求項２に記載の鋼板のプレス成形方法。
4. 前記プレス成形前の鋼板の引張強度が、５９０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の鋼板のプレス成形方法。
5. 前記プレス成形前の鋼板が、その表面に亜鉛を主体とする金属被膜を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の鋼板のプレス成形方法。