JP6048440B2 - 成形性および耐水素脆性に優れた高強度薄鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、一般的に、鋼板を高強度化すると、延性や曲げ性などの加工性(成形性)が低下する。そのため、高強度と優れた成形性とを兼備する高強度鋼板が強く要望されている。さらに、引張強さ:1180MPa以上とさらに高い強度領域では、使用環境から鋼板中に侵入する水素により鋼板が脆化する、いわゆる水素脆性や遅れ破壊と呼ばれる現象が生じるため、水素脆性や遅れ破壊を回避できる、耐水素脆性、あるいは耐遅れ破壊性に優れた高強度鋼板が要望されている。
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、引張強さTS:1180MPa以上の高強度を有し、成形性および耐水素脆性に優れた高強度薄鋼板およびその製造方法を提供することを目的とする。ここで「成形性に優れる」とは、強度−伸びバランスTS×Elが16000MPa%以上、好ましくは18000MPa%以上である場合をいう。
従来とは異なる製造プロセスとして、本発明者らは、コールドスプレー法に着目した。コールドスプレー法は、表面改質技術の一つであり、低温の高速作動ガスによって粒子を加速させて、基材表面に皮膜を形成するために利用されている(例えば、榊和彦:表面技術、vol.59、N0.8、2008、p.490〜494)。
(1)基板部と、該基板部の少なくとも一方の側に堆積層を有してなる薄鋼板であって、前記基板部が、質量%で、C:0.10%以上を含み、ビッカース硬さで350HV以上の硬さを有し、前記堆積層が、コールドスプレー製鉄基粒子堆積層で、厚さが片面当たり10μm以上500μm以下であり、質量%で、C:0.10%未満を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、気孔率が10面積%以下でかつ、組織全量に対する比率で50面積%以上のフェライト相を主相とする組織とを有する層であることを特徴とする、引張強さ:1180MPa以上で、成形性および耐水素脆性に優れた高強度薄鋼板。
(2)(1)において、前記組成に加えてさらに他の合金元素を、質量%で、次(1)式
Mneq=Mn+0.26×Si+1.3×Cr+3.5×P+2.68×Mo+180×B+0.37×Ni+0.46×Cu ‥‥(1)
(ここで、Mn、Si、Cr、P、Mo、B、Ni、Cu:各元素の含有量(質量%))
で定義されるMneqが2.5未満を満足するように含有することを特徴とする高強度薄鋼板。
(4)(1)ないし(3)のいずれかにおいて、前記基板部と前記堆積層との間に拡散層を有することを特徴とする高強度薄鋼板。
(5)基板の少なくとも一方の表面に堆積層を有する薄鋼板の製造方法であって、前記基板を、質量%で、C:0.10%以上を含み、ビッカース硬さで350HV以上の硬さを有する薄鋼板とし、該基板の少なくとも一方の表面に、質量%でC:0.10%未満を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の鉄基粒子を、加熱した作動ガスと混合したのち、スプレーノズルを用いて、スプレーするコールドスプレー法で、片面当たり厚さ:10μm以上500μm以下の堆積層を形成することを特徴とする、引張強さ:1180MPa以上で、成形性、耐水素脆性に優れた高強度薄鋼板の製造方法。
(6)(5)において、前記組成に加えてさらに他の合金元素を、質量%で、次(1)式
Mneq=Mn+0.26×Si+1.3×Cr+3.5×P+2.68×Mo+180×B+0.37×Ni+0.46×Cu ‥‥(1)
ここで、Mn、Si、Cr、P、Mo、B、Ni、Cu:各元素の含有量(質量%)
で定義されるMneqが2.5未満を満足するように含有することを特徴とする高強度薄鋼板の製造方法。
(8)(5)ないし(7)のいずれかにおいて、前記鉄基粒子が、粒子径:1〜100μmであることを特徴とする高強度薄鋼板の製造方法。
(9)(5)ないし(8)のいずれかにおいて、前記堆積層を形成したのち、前記薄鋼板に、さらに、焼鈍温度:700℃〜900℃の範囲の温度で焼鈍を行う焼鈍処理を施すことを特徴とする高強度薄鋼板の製造方法。
上記した強度を確保するために、本発明では、基板部は、質量%で、C:0.10%以上を含み、ビッカース硬さで350HV以上の硬さを有する基板を使用して形成することとする。
基板部は、最終製品(薄鋼板)の強度に大きく影響するため、基板部が十分な強度を保有する必要がある。そのため、基板部は、0.10%以上のCを含有することが好ましい。
さらに、基板部は、上記したCを含み、さらにビッカース硬さで350HV以上の硬さを有する。基板部が、ビッカース硬さで350HV未満では、最終製品(薄鋼板)で引張強さTS:1180MPa以上を確保することが困難になる。基板部のビッカース硬さが350HV未満である場合に、最終製品の所望の高強度(TS:1180MPa以上)を確保するためには、軟質である堆積層の厚さを低減する必要があり、その場合、充分な成形性向上の効果を得ることができなくなる。このため、基板部は、ビッカース硬さで350HV以上の硬さを有することとした。
本発明では、堆積層は、鉄基粒子を用いてコールドスプレー法により形成された層とする。
基板の表面(基板部の一方の側)に形成される堆積層は、最終製品の成形性に大きく影響するため、高い塑性変形能を有する必要がある。そのため、本発明では、堆積層のC含有量を、C:0.10%未満に限定する。
Mneq=Mn+0.26×Si+1.3×Cr+3.5×P+2.68×Mo+180×B+0.37×Ni+0.46×Cu ‥‥(1)
(ここで、Mn、Si、Cr、P、Mo、B、Ni、Cu:各元素の含有量(質量%))
で定義されるMneqが2.5未満を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することが好ましい。なお、(1)式でMneqを算出する場合には、(1)式に示された元素が含有されない場合には、零として算出するものとする。
C以外の合金元素は、例えば、Si、Mn、P、S、Al、N、Ti、Nb、V、Cr、Mo、Ni、Cu、B、Ca等、上記したMneqを満足する範囲内で、所望の特性(成形性)に応じて、適宜含有できる。
さらに、堆積層は、上記した組成と、組織全量に対する面積%で50%以上のフェライト相を主相とする組織を有する。ここでいう「主相」は、当該相が組織全量に対する面積%で50%以上を占有する場合をいう。
水素脆性は、材料が使用される環境で、腐食反応などで鋼中に侵入した水素が、格子欠陥、不純物、析出物や介在物、ボイドなどのトラップサイトに捕捉され、内部応力の高い場所などで亀裂を発生し、材料が脆化し破壊に至る現象である。したがって、外部から侵入する水素量を低減させることができれば、水素脆化を大きく改善することが可能となる。
なお、堆積層における主相以外の第二相は、面積率で20%以下のパーライト、ベイナイト相、マルテンサイト相等が例示できる。
まず、上記した組成の基板部となるような組成の基板を用意する。
基板は、最終製品の強度に大きく影響するため、最終製品の所望強度に対し十分な強度を保持する熱延薄鋼板、または冷延薄鋼板とする必要がある。なお、基板の板厚は、目的や用途に応じて適宜設定できる。基板とする薄鋼板の製造方法としては、公知の薄鋼板の製造方法がいずれも適用でき、とくに限定する必要はないが、例えば、熱延鋼板では、連続鋳造法、造塊法、薄スラブ鋳造法などにより製造されたスラブを、再加熱して粗圧延および仕上圧延を行う熱間圧延を施し、引続き、ランアウトテーブル上で所定の冷却を施し、巻き取る方法が、また、冷延鋼板では、熱延鋼板にさらに、酸洗によりスケールを除去したのち、冷間圧延を施す方法が、例示できる。
本発明で使用するコールドスプレー法は、鉄基粒子を、所定の温度に加熱した作動ガスと混合して、スプレーノズルから、基板に高速で衝突させて、堆積層を得る方法である。本発明で使用する装置はとくに限定する必要はなく、常用のコールドスプレー装置がいずれも適用できる。
Mneq=Mn+0.26×Si+1.3×Cr+3.5×P+2.68×Mo+180×B+0.37×Ni+0.46×Cu ‥‥(1)
(ここで、Mn、Si、Cr、P、Mo、B、Ni、Cu:各元素の含有量(質量%))
で定義されるMneqが2.5未満を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の鉄基粒子とする。なお、(1)式を計算するに際しては、表示された元素のうち、含有しない元素については零として計算するものとする。
使用する粒子の径が100μmを超えて大きい場合には、コールドスプレー法により形成される堆積層中に比較的に大きな空隙を有するようになり、基板部との密着性が低下する。このため、堆積層による塑性拘束作用が充分に得られない。粒子径が1μm未満と小さい場合には、スプレーによる直進性が損なわれたり、短時間あたりの堆積量が低下するなど、所望の堆積層が充分に形成されない。
つぎに、本発明で適用するコールドスプレー条件について説明する。
使用する作動ガスの温度は、500〜1000℃の範囲の温度とする。
作動ガスの温度が、500℃未満と低いと、粒子に充分な運動エネルギーが付与されず、充分な厚さの堆積層を形成できない。一方、作動ガスの温度が1000℃超と高い場合には、鉄基粒子が過度に軟質化したり、あるいは溶融するため、所望厚さの堆積層が形成できない。このため、作動ガスの温度は500〜1000℃の範囲の温度とする。なお、ここで言う「作動ガス温度」とは、スプレーノズル入口での温度である。
コールドスプレー法で形成する堆積層は、片面当たり10μm以上500μm以下の厚さとすることが好ましい。堆積層の厚さが10μm未満では、上記した水素の鋼中への侵入抑制効果や、水素脆性によるき裂の発生抑制効果が十分に得られない。一方、500μm超えでは、軟質な層が多くなりすぎて、所望の最終製品の強度を確保することが困難となる。
堆積層と基板部との密着性を向上するため、薄鋼板に焼鈍処理を施すことが好ましい。焼鈍処理を施すことにより、堆積層と基板部の界面近傍で、原子の相互拡散が行われ、拡散層を形成し、界面の密着性を効果的に高めることができる。焼鈍温度が700℃未満と低い場合には、十分に原子の拡散が行われず、さらに基板部が焼戻により強度が低下する場合がある。一方、焼鈍温度が900℃を超えて高い場合には、原子の拡散量が大き過ぎて、基板部と堆積層の間の組成差が認められなくなり、所望の塑性拘束効果を得ることができなくなる。このようなことから、焼鈍処理の温度は700〜900℃の範囲の温度に限定することが好ましい。なお、焼鈍処理では、基板の強度、延性を調整する目的で、温度、冷却条件を適宜選択することができる。
上記した構成の高強度薄鋼板は、引張強さTS:1180MPa以上で、強度−伸びバランスTS×Elが16000MPa%以上となる薄鋼板である。自動車構造部品などへの適用を考えた場合には、高い延性が必要であり、強度−延性バランスTS×Elで16000MPa%以上を有する必要がある。
なお、基板として用いる薄鋼板について、組織、引張特性、硬さを調査した。
なお、基板として用いる薄鋼板について、板厚方向中央部が観察面となるように、X線回折用試験片を採取し、バフ研磨後に化学研磨を行って、X線回折を行ない、残留オーステナイト(γ)相の含有量を測定した。得られた回析結果から、γ相の(200)面、(220)面、(311)面とα鉄の(220)面、(211)面のピークの積分強度を用いて、すべての組合せについて強度比を算出し、これらの平均値を残留γ量とした。
また、基板として用いる薄鋼板から、硬さ測定用試験片を採取し、ビッカース硬度計(試験力:10N)を用いて、JIS Z 2241に準拠して板厚1/4位置でビッカース硬さHVを、5点測定し、算術平均して当該鋼板の硬さとした。
試験方法はつぎのとおりとした。
(1)組織観察
得られた鋼板(薄鋼板)から、組織観察用試験片を採取し、圧延方向断面を研磨、腐食(腐食液:ナイタール液)して、光学顕微鏡(倍率:1000倍)または走査型電子顕微鏡(倍率:3000倍)を用いて、主として堆積層の組織を観察し、組織の同定および、画像処理を用いてフェライト相の組織分率を算出した。なお、基板部の組織は、高温での熱処理を施されたもの以外は、ほぼ堆積層形成前と同じであった。
また、堆積層形成後の板厚は、得られた鋼板の10箇所で代表し、マイクロメータで測定し、その算術平均を当該鋼板の板厚(総厚さ)とした。
また、得られた鋼板の堆積層の厚さは、得られた鋼板の10箇所で代表し、その断面を板厚方向に電子線マイクロアナライザーで元素分析し、堆積層の成分組成から基板部の成分組成に変化する遷移領域の中央位置を堆積層と基板部との境界と定義し、堆積層の厚さをそれぞれ測定し、その算術平均を当該鋼板の堆積層厚とした。
(2)引張試験
得られた鋼板(薄鋼板)から、圧延方向と直角方向にJIS5号引張試験片を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して、クロスヘッド速度:20mm/minで引張試験を実施し、引張特性(引張強さTS、全伸びEl)を測定した。
(3)硬さ試験
得られた鋼板(薄鋼板)から、硬さ測定用試験片を採取し、ビッカース硬度計(試験力:10N)を用いて、JIS Z 2241に準拠して測定した。なお、測定位置は、基板部では基板(堆積層形成前の状態)の板厚方向1/4位置相当箇所で、堆積部では堆積による板厚増加分の1/2に相当する箇所とした。各箇所でそれぞれ5点、ビッカース硬さHVを測定し、算術平均して当該箇所の硬さとした。
(4)遅れ破壊試験
得られた鋼板(薄鋼板)から、遅れ破壊試験片(大きさ:15mm×120mm)を採取し、4点曲げにより鋼板の降伏強さの0.9倍に相当する外力を付与した状態で、浸漬液(チオシアン酸アンモニウムをマッキルベイン緩衝液に混合した溶液)に浸漬した。なお、浸漬液は、pH:4、pH:6の2種類とし、負荷応力条件は、表面応力で材料の降伏強さの1.1倍(A条件)、0.9倍(B条件)の2条件とした。浸漬時間は120hまで行い、12h毎に破壊の有無を確認した。
また、焼鈍処理が好適範囲を低く外れた比較例(鋼板No.21)は、所望の高強度を確保できていない。コールドスプレーにおける作動ガスの温度が本発明の好適範囲より高い比較例(鋼板No.22)は、形成される堆積層の厚さが少なく、所望の強度−伸びバランスを確保できていないうえ、耐水素脆性が低下している。
Claims (9)
- 基板部と、該基板部の少なくとも一方の側に堆積層を有してなる薄鋼板であって、
前記基板部が、質量%で、C:0.10%以上を含み、ビッカース硬さで350HV以上の硬さを有し、
前記堆積層が、コールドスプレー製鉄基粒子堆積層で、厚さが片面あたり10μm以上500μm以下であり、質量%で、C:0.10%未満を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、気孔率が10面積%以下でかつ、組織全量に対する比率で50面積%以上のフェライト相を主相とする組織とを有する層であることを特徴とする、
引張強さ:1180MPa以上で、成形性および耐水素脆性に優れた高強度薄鋼板。 - 前記組成に加えてさらに他の合金元素を、質量%で、下記(1)式で定義されるMneqが2.5未満を満足するように含有することを特徴とする請求項1に記載の高強度薄鋼板。
記
Mneq=Mn+0.26×Si+1.3×Cr+3.5×P+2.68×Mo+180×B+0.37×Ni+0.46×Cu ‥‥(1)
ここで、Mn、Si、Cr、P、Mo、B、Ni、Cu:各元素の含有量(質量%) - 前記堆積層におけるフェライトの平均粒径が、5μm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の高強度薄鋼板。
- 前記基板部と前記堆積層との間に拡散層を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の高強度薄鋼板。
- 基板の少なくとも一方の表面に堆積層を有する薄鋼板の製造方法であって、
前記基板を、質量%で、C:0.10%以上を含み、ビッカース硬さで350HV以上の硬さを有する薄鋼板とし、
該基板の少なくとも一方の表面に、質量%でC:0.10%未満を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の鉄基粒子を、加熱した作動ガスと混合したのち、スプレーノズルを用いて、スプレーするコールドスプレー法で、片面当たり厚さ:10μm以上500μm以下の堆積層を形成することを特徴とする、引張強さ:1180MPa以上で、成形性、耐水素脆性に優れた高強度薄鋼板の製造方法。 - 前記組成に加えてさらに他の合金元素を、質量%で、下記(1)式で定義されるMneqが2.5未満を満足するように含有することを特徴とする請求項5に記載の高強度薄鋼板の製造方法。
記
Mneq=Mn+0.26×Si+1.3×Cr+3.5×P+2.68×Mo+180×B+0.37×Ni+0.46×Cu ‥‥(1)
ここで、Mn、Si、Cr、P、Mo、B、Ni、Cu:各元素の含有量(質量%) - 前記加熱した作動ガスの温度が、500〜1000℃の範囲の温度であることを特徴とする請求項5または6に記載の高強度薄鋼板の製造方法。
- 前記鉄基粒子が、粒子径:1〜100μmであることを特徴とする請求項5ないし7のいずれかに記載の高強度薄鋼板の製造方法。
- 前記堆積層を形成したのち、前記薄鋼板に、さらに、焼鈍温度:700℃〜900℃の範囲の温度で焼鈍を行う焼鈍処理を施すことを特徴とする請求項5ないし8のいずれかに記載の高強度薄鋼板の製造方法。
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