JP6298439B2 - 容易に成形可能な平鋼製品の製造方法及び該平鋼製品から部品を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、容易に成形可能であり、かつ０．１〜０．４重量％のＣ含量を有する平鋼製品の製造方法であって、平鋼製品を連続炉内で焼きなまし処理に供する方法に関する。

本発明はさらに、それに応じて製造される平鋼製品から部品を製造する方法に関する。

この場合に問題のタイプの平鋼製品は、特に自動車用の車体及びシャーシ部品の製造に必要とされる。この場合、平鋼製品にはそれらの成形特性に関して極端に高い要求が置かれる。これは熱間成形性にも冷間成形性にも関係がある。

高強度又は極高強度の鋼部品を形成するための亜鉛めっき平鋼製品の熱間成形が特に問題である。このような鋼部品では、一般的に亜鉛又は亜鉛合金をベースとする保護コーティングが十分な陰極防食を与える。

しかし、金属防食コーティングが設けられている鋼板を、熱間成形及びその後又は熱間成形と共に行われことがある硬化操作のために保護コーティングの金属の融点より高い温度に加熱しなければならない場合、いわゆる「液体金属脆化」の危険がある。この鋼の脆化は、成形中にそれぞれの平鋼製品の表面に形成されるノッチにコーティングの溶融金属が入るときに起こる。液体金属は鋼基板に達すると、そこで粒界のため沈殿し、ひいては利用できる最大引張応力及び圧縮応力を減じる。

限られた延性のみを有し、結果としてそれらが形成されるときに表面近傍にクラックを形成する傾向がある、より高い強度の鋼及び高強度鋼による液体金属脆化の危険が特に重要であることが分かっている。

特許文献１から、脱炭処理を利用して鋼板の曲げ特性を改善できることが一般的に知られており、これを利用して、表面の近傍に、厚さが２０〜１００μｍであり、かつ鋼板のコア領域に比べてＣ含量が少ないエッジ層が生成される。しかし、この従来技術におけるこの手段は、金属保護コーティングが施されている鋼板とは無関係であり、Ｃ含量が少なくとも０．１重量％のより高い強度の鋼又は高強度鋼にも関係がない。

炭素含有鋼合金の脱炭の傾向は、放出される炭素の酸化挙動に起因する。格子内で放出される炭素は、その大きな可動性のため、熱処理中に噴散に向かう傾向を有する。脱炭は、同時スケーリングの有無にかかわらず、熱処理が行われる気相のＣ−ポテンシャルに応じて起こるので、鋼の製造及び加工における最も古い問題の一つである。

原則として、脱炭は、以下の反応プロセスに従うブードア平衡反応（Boudouard equilibrium reactions, Boudouard-Gleichgewichtstreaktionen（英、独訳））に従って遂行される。
［Ｃ］＋１／２Ｏ_２＜−＞ＣＯ
［Ｃ］＋Ｏ_２＜−＞ＣＯ_２
［Ｃ］＋ＣＯ_２＜−＞２ＣＯ
［Ｃ］＋Ｈ_２＜−＞ＣＨ_４
ここで、［Ｃ］＝放出される炭素

水素、窒素及び水蒸気を含む典型的な保護ガス雰囲気を有する商業的な焼きなまし設備では、以下の平衡反応が起こる。
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２＜−＞Ｈ_２Ｏ

水を含むガス雰囲気は、炭素に対して特に反応性であることが分かっている。従って、実際面で特に重要な下記のさらなる不均一系平衡反応が上記脱炭反応を補う。
［Ｃ］＋Ｈ_２Ｏ＜−＞ＣＯ＋Ｈ_２

選択的様式で使用すると、脱炭を利用して決定される鋼製品の特性を改善することができる。

この知識を実際面で有効に利用するため、特許文献２で「オープンコイル」法が提案されている。この方法では、硬磨（hard-rolled, walzhartes（英、独訳））冷間圧延ストリップを非常に緩く巻いてコイルを形成するので、コイルの個々の巻層間にいずれの場合も自由空間がもたらされる。フード型炉内では、その後の焼きなまし処理中に焼きなましガスがこの自由空間を通って流れ、ひいては均一様式で鋼の表面全体の上を流れるので、加工鋼ストリップの全長にわたって均一な脱炭という結果が得られる。しかしながら、この様式で行われる焼きなまし処理には、数時間かかる。

連続炉内で還元性焼きなまし雰囲気下にて鋼ストリップの脱炭焼きなましをより経済的に実施できる方法が特許文献３に記載されている。この公知方法によれば、連続炉から出るときに鋼ストリップ内の炭素含量が０．０１％未満になるまで十分に長い焼きなまし時間にわたって、７８０℃未満の焼きなまし温度でそれぞれの鋼ストリップを焼きなましする。引き続き、鋼ストリップにその耐食性を改善するため熱浸漬被覆（hot-dip coating, Schmelztauchbeschichtung（英、独訳））を施すことができる。このように製造された鋼板は特に良い成形性を有する。しかしながら、その強度値は、自動車の車体用部品を形成することを意図した平鋼製品に最近定期的に置かれている要求を満たさない。

特許文献４から認められる示唆も「オープンコイル」法に言及しており、これによれば、工具鋼を構成し、特に切削工具などの製造を目的とし、かつ少なくとも０．４重量％のＣ含量を有する鋼ストリップが高レベルの硬度と良い成形性を兼ね備えるためにエッジ層の脱炭が提案されている。脱炭されたエッジ層の領域内では、それに応じて加工された鋼ストリップの成形性が基材に比べて高まり、これによって、高い外部荷重による脆性破壊の危険が減少する。

特許文献４で考慮された用途とは対照的に、当業者は、高強度部品の製造を目的とする高強度鋼及び極高強度鋼では通常、焼きなましによって起こる脱炭又はエッジ脱炭をできれば回避しようとする。一般的に、脱炭は、これらの用途にとって重要な機械的材料特性に悪影響を及ぼすと考えられている。

この概念に従い、特許文献５では焼き入れ合金元素の選択的酸化を行うことによって、成形に有利な延性エッジ層を鋼板上で作り出す方法が提案されている。この場合、いずれの脱炭も選択的に打ち消される。

特開昭６０−１５９１２０号公報（ＪＰ ６０−１５９１２０ Ａ） 英国特許第１１８９４６４号明細書（ＧＢ １ １８９ ４６４） 独国特許第２１０５２１８号明細書（ＤＥ−ＯＳ ２ １０５ ２１８） 国際公開第２００９／０２４４７２（Ａ１）号（ＷＯ ２００９／０２４４７２ Ａ１） 独国特許出願公開第１０２００７０６１４８９（Ａ１）号明細書（ＤＥ １０２００７０６１４８９ Ａ１）

ＶＤＩ（Verein Deutscher Ingenieur：ドイツ技術者協会）辞典 材料技術［ＶＤＩレキシコンオブマテリアルズサイエンス（VDI Lexicon of Materials Science）］、フーベルト グレーフェン編、ＶＤＩ出版 有限会社、デュッセルドルフ １９９３年

上で説明した従来技術の背景に対して、本発明の目的は、容易に成形可能な高強度又は極高強度鋼製品を経済的な様式で製造できる方法を提示することであった。さらに、熱間成形又は冷間成形に特に適した平鋼製品から部品を製造する方法を提示することを目的とした。

製造方法に関して、上記目的は、請求項１に示す操作工程を平鋼製品の製造中に行うという点で本発明によって達成される。

部品の製造方法に関して、上記目的は、請求項１に示す方法により、本発明に従って最終的に達成される。

本発明の有利な構成は、独立請求項に従属する請求項に示され、これについては以下に説明する。

０．１〜０．４重量％、特に０．４重量％未満のＣ含量を有する容易に成形可能な平鋼製品を製造するための本発明の方法は、関連平鋼製品を連続炉内でエッジ層が脱炭される焼きなまし処理に供するという概念に基づいている。この目的を達成するため、本発明によれば、焼きなまし処理は、０．１〜２５体積％のＨ_２、Ｈ_２Ｏと、残余のＮ_２及び技術的に不可避の不純物とを含む焼きなまし雰囲気下で行われる。焼きなまし雰囲気の露点は、−２０℃〜＋６０℃の範囲である。同時に、焼きなまし雰囲気内では、最適の脱炭効果を達成するため、関係Ｈ_２Ｏ／Ｈ_２が最大０．９５７に調整されるように意図される。

焼きなまし処理の過程で、平鋼製品は本発明に従ってさらに６００〜１１００℃の保持温度に加熱され、この温度で１０〜３６０秒の保持時間、本発明に従って構成される雰囲気下で平鋼製品が保持される。

結果として、本発明の焼きなまし処理後に得られる平鋼製品は、１０〜２００μｍの厚さであり、かつその自由表面に隣接する延性エッジ層を有し、このエッジ層は、エッジ層で覆われている平鋼製品の内部コア層の延性より大きい延性を有する。従来技術に存する信念とは対照的に、本発明は、０．１〜０．４重量％の炭素、特に０．３８重量％までの炭素を含有する鋼板において、鋼材料のエッジ脱炭をもたらす焼きなまし処理を利用して、高強度と良い成形性を含む特性の所望の組合せを調整することに成功する。このエッジ脱炭が表面近傍の構造領域の延性化をもたらし、この延性化が、そうでなければ成形によって生じるクラックのせいで該材料が破壊するのに対抗する。

結果として、本発明は、冷間成形又は熱間成形用に提供される硬磨平鋼製品、すなわち、鋼ストリップ又は鋼板のエッジ脱炭を、焼きなまし処理後に得られる平鋼製品が、表面近傍の典型的にフェライトであり、かつ第１結晶粒層に固有の厚さを有する延性エッジ領域を有し、かつ低温状態の成形でも高温状態の成形でも鋼製品の成形特性を改善するような方法で行うという概念に基づいている。特に、その成形の場合に鋼製品の表面におけるクラック又はノッチの形成の危険が最小限に抑えられる。

表面近傍の構造のエッジ脱炭は、その後の防食層適用のための鋼表面の焼きなまし状態調節と同時に起こり得るが、それがデカップル（decoupled, entkoppelten（英、独訳））反応機構を有することは、本発明の方法にとって重要である。

例えば、表面近傍の構造領域のエッジ脱炭は以下の関係に従って起こる。
［Ｃ］＋Ｈ_２Ｏ＜−＞ＣＯ＋Ｈ_２
ここで、［Ｃ］＝放出される炭素
一方、表面の酸化／還元反応は次のように起こる。
ｘ［Ｍｅ］＋ｙＨ_２Ｏ＜−＞［Ｍｅ_ｘＯ_ｙ］＋ｙＨ_２
ここで、［Ｍｅ］＝それぞれの金属
ｘ、ｙ＝化学量論係数

驚くべきことに、本発明により提示される焼きなまし条件を適用すると、非常に短い状態調節時間で所望深さの脱炭を達成することもできる。例えば、本発明の方法は、連続炉を用いて特に経済的に実施できるという点で優れている。このため、例えば、鋼ストリップを連続的に移動させながら熱処理し、かつ防食コーティングで熱浸漬被覆する高温被覆導入（hot coating installation, Feuerbeschichtungsanlagen）（英、独訳））の場合のように、ハイバンドスピードを必要とする連続作動製造プロセスに本発明の方法を導入することができる。

従って、本発明の特に有利な構成は、焼きなまし処理後に金属保護層で被覆される平鋼製品を提供する。本発明の方法のこの変形では、本発明は、液体金属脆化を受けやすい温度範囲を平鋼製品の表面近傍の領域の選択的改変によって移すことができ、結果として該温度範囲が高温成形に典型的な温度範囲と重ならないという点で、液体金属脆化の危険を最小限にできるという認識を特に利用する。

本発明の製造方法がその後の熱浸漬被覆に先行する場合、本発明に従って行われる焼きなまし処理は、不均一の焼きなましガス／金属反応を利用して、表面近傍の炭素噴散を制御することによって、下流の表面改良のための表面状態調節と同時に行われる。

高温被覆導入に本発明の方法を使用するのが特に有利である。この場合、焼きなまし処理がエッジ脱炭、表面状態調節及び基材の再結晶化を含むことができ、かつ焼きなまし処理後にインラインで連続法順序で引き続き熱浸漬被覆を行えるからである。

本発明に従って製造される平鋼製品の表面改良の過程では、この改良は、好ましくは熱浸漬被覆によって行われ、コーティング系自体は既知であり、鋼基板に適用し得るＺｎ、Ａｌ、Ｚｎ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｍｇ、Ｚｎ−Ｎｉ、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｓｉ又はＺｎ−Ａｌ−Ｍｇをベースとする。

インラインで行われる熱浸漬改良の代わり又はそれに加えて、本発明の様式で連続焼きなまし系内に延性脱炭エッジ層が設けられた鋼ストリップは、例えば、Ｚｎ、Ｚｎ−Ｎｉ又はＺｎ−Ｆｅコーティングによる電解で、或いはＰＶＤ又はＣＶＤ沈着によって、或いは別の金属／有機又は金属／無機コーティング法によって被覆されるという点において、引き続き金属、金属／無機又は金属／有機コーティングを受けることができる。

結果として、実際面で特に重要な方法の変形によれば、本発明は、焼きなまし処理に続くように連続して行われる操作工程で熱浸漬被覆される平鋼製品を提供する。熱浸漬被覆は、高温被覆、特に高温亜鉛めっきとしてそれ自体既知のやり方で行える。被覆の鋼基板への最適な接着を確実にするため、高温被覆前に平鋼製品の表面の酸化を行ってよい。

機械的特性をさらに最適化するため、従来法で行われる過剰の時効硬化処理（ageing treatment, Ueberalterungsbehandlung（英、独訳））を本発明の焼きなまし処理後に行ってよい。

上記説明に従い、本発明の方法を利用して製造される平鋼製品は、０．１〜０．４重量％のＣ含量及び１０〜２００μｍ厚さの延性エッジ層を有し、かつこの層は平鋼製品のコア層に比べて大きい延性を有する。

この延性層の厚さは、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ３８８７に示されている手順に準拠して従来どおりに定められる。従って、全脱炭深さは、表面から、炭素含量が影響を受けないコア領域の炭素含量に相当する位置までの間隔である。そのため、表面近傍領域の脱炭エッジ層領域内では、硬度がコア領域の硬度の７５％以下、すなわち、Ｈｖ（脱炭領域）／Ｈｖ（コア領域）＝３／４以下に調整される。

本発明の平鋼製品の延性エッジ層は、典型的に、その自由表面に少なくとも近いフェライト構造により区別される。このことは、本発明により脱炭されたエッジ層の領域内で表面近傍のフェライト構造が調整される多相基材に当てはまり、本発明の脱炭が表面近傍のフェライトの延性化をもたらす単相の典型的にフェライト鋼にも同様に当てはまる。

本発明により製造される平鋼製品は、冷間成形及び熱間成形に等しく適しており、金属保護層、特に亜鉛めっき（zinc-coating, Verzinkung（英、独訳））が設けられる鋼板又は鋼ストリップの熱間成形で特にその特定の利点が明白になる。冷間成形用に本発明に従って提供される鋼は典型的に５００〜１５００ＭＰａの引張強度を有する。熱間成形のためには、本発明に従って熱間成形後に９００〜２００ＭＰａの引張強度を有する鋼を使用することができる。

本発明の平鋼製品を熱間成形により成形して部品を形成することを目的とする場合、本発明の平鋼製品をまず本発明に従ってそのＡｃ１温度より高い加熱温度に加熱し、引き続き熱間成形して部品を形成することができる。

例えば、硬化操作を熱間成形後に行う予定である場合、本発明の平鋼製品を平鋼製品のＡｃ３温度に少なくとも等しい加熱温度に容易に加熱することもできる。このような高い加熱温度でさえ、その融点が該加熱温度以下である金属被覆が平鋼製品に設けられていれば、本発明に従って製造される平鋼製品においては脆化の危険も最小限に抑えられる。本発明に従ってエッジ層脱炭によって得られるエッジ層の延性は、クラック形成を防止し、これによって確実に、被覆の溶融金属が鋼基板のコア領域に導入されないようにする。

結果として、本発明の方法は、特に高強度／極高強度平鋼製品の成形特性を改善し、平鋼製品は冷間成形でも熱間成形でも表面が改良され、金属保護コーティングで被覆された本発明の平鋼製品は特に有利な様式で熱間成形に適している。このことは、本発明により、エッジ脱炭（これによって延性の典型的にフェライトエッジ層が形成される）が連続炉内で選択的焼きなましガス／金属反応によって誘導されるという点で可能になる。これが、固体の脆性ベース鋼材を成形操作中に表面から広がるクラックの進行から保護する。

以下、実施形態を参照して本発明をさらに詳細に説明する。

本発明に従ってエッジ層で脱炭された鋼サンプルの基底縦断面図を示す。 比較用の従来の焼きなましサンプルの基底縦断面図を示す。 図１及び２に示したサンプルの炭素含量のＧＤＯＥＳ深さプロファイルを示す。 図１及び２に示したサンプルを用いた三点曲げ試験の結果を示す。

本発明の方法によって得られる効果を調べるため、熱間成形用に従来使用されている多相鋼「ＭＰ」及び鋼「ＷＵ」の硬磨冷間ストリップサンプルをそれぞれ作製した。鋼ＭＰ及びＷＵの組成を下表１に示す。

鋼ＭＰ及びＷＵから作製した２つのサンプルを、エッジ層脱炭のため連続炉内で本発明の焼きなまし処理に供した。使用した焼きなましパラメーターを下表２の列「本発明に従う」に示す。

比較のため、鋼ＭＰ及びＷＵから作製した２つの追加サンプルを、熱浸漬亜鉛めっきを施すために一般的に行われるように、連続炉内で従来の焼きなましに供した。

サンプルの機械的特性を最適化するため、過剰時効硬化処理をさらに行った。これは脱炭エッジ層の形成に影響を及ぼさないが、その代わり単にストリップの特性を改善するため任意に行われた。

過剰時効硬化処理で使用するパラメーターは両試験で同一であり、これらのパラメーターをも下表２に示す。

図１は、鋼ＭＰから作製し、本発明の焼きなましによって加工したサンプルの顕微鏡写真である。本発明の手順の結果として表面近傍に脱炭構造領域（エッジ層「Ｒ」）が調整されたことを明確に見ることができる。

しかしながら、やはり鋼ＭＰから作製したが、従来の焼きなまし処理に供したサンプルの顕微鏡写真は、いかなる脱炭領域をも示さない（図２）。

さらに、鋼ＭＰから作製し、従来の焼きなまし及び本発明の焼きなましにより加工したサンプルについて炭素含量のＧＤＯＥＳ測定を行った。ＧＤＯＥＳ測定法（「ＧＤＯＥＳ」＝グロー放電発光分析法）は、被覆の濃度プロファイルを迅速に検出するための標準的方法である。この方法は、例えば、非特許文献１に記載されている。

ＧＤＯＥＳ測定の結果を図３に示す。図３中、破線は従来の加工サンプルの炭素分布を示し、実線は本発明に従って加工したサンプルの炭素分布を示している。

図３は、本発明に従って加工したサンプルが顕著な脱炭エッジ層Ｒを有し、その厚さが約４０μｍであることをも明確に示している。しかし、従来の加工サンプルにはこのようなエッジ層が存在しない。

微小硬度測定を利用して、鋼ＭＰから作製し、本発明に従って熱加工したサンプルで脱炭されているエッジ領域Ｒは１６３ＨＶの微小硬度を有し、非脱炭コア領域Ｋは２５５ＨＶの硬度を有することを実証することができる。結果として、コア領域Ｋの硬度Ｈｖ_Ｋに対する脱炭エッジ領域Ｒの硬度Ｈｖ_Ｒを意味する関係Ｈｖ_Ｒ／Ｈｖ_Ｋ（％）は６４％であり、本発明に従ってこの関係について提示した７５％という値より明らかに小さかった。

焼きなまし後、亜鉛を電解によりサンプルに適用する、サンプルの表面改良を行った。

引き続き、圧力硬化の前後に被覆サンプルについて三点曲げ試験を行った。

鋼ＭＰから作製したサンプルについてこの試験の結果を図４に示す。図４では、本発明に従って作製したサンプルの曲げ角度Ｂｗを黒棒で示し、従来法で作製したサンプルの曲げ角度Ｂｗを白棒で示してある。この場合、本発明に従って作製かつ加工したサンプルは、従来法で加工したサンプルより大幅に良い成形特性及び曲げ特性を有することも明白である。

本発明の焼きなましによって加工したサンプルと従来法の焼きなましによって加工したサンプルの比較結果は、焼きなましにより加工され、かつ鋼ＷＵから作製された亜鉛めっきした成形サンプルについても実証することができる。

Claims (8)

1. 部品の形成方法であって、０．１〜０．４重量％のＣ含量を有する容易に成形可能な平鋼製品を製造する作業ステップａ）と、当該作業ステップａ）において得られた前記平鋼製品をそのＡｃ１温度より高い加熱温度に加熱し、引き続き熱間成形して前記部品を形成する作業ステップｂ）とを有し、
   前記作業ステップａ）においては、前記平鋼製品は連続炉内で焼きなまし処理に供され、前記焼きなまし処理を０．１〜２５体積％のＨ_２、Ｈ_２Ｏと、残余のＮ_２及び残りとして技術的に不可避の不純物とを含み、かつ−２０℃〜＋６０℃の露点を有する焼きなまし雰囲気下で行い、この焼きなまし雰囲気の関係Ｈ_２Ｏ／Ｈ_２が最大０．９５７であり、かつ前記焼きなまし処理の過程で、前記平鋼製品を６００〜１１００℃の保持温度に加熱し、この温度で１０〜３６０秒の保持時間、前記平鋼製品を保持し、その結果、前記焼きなまし処理後に得られる前記平鋼製品は、１０〜２００μｍの厚さであり、かつその自由表面に隣接する延性脱炭エッジ層を有し、前記焼きなまし処理における脱炭により得られる前記延性脱炭エッジ層（Ｒ）の硬度が、前記平鋼製品のコア領域（Ｋ）の硬度の最大７５％であることを特徴とする方法。
2. 前記焼きなまし処理後に前記平鋼製品を金属保護層で被覆することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記焼きなまし処理後に連続的に行われる操作順序で前記平鋼製品を熱浸漬被覆することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記焼きなまし処理後に前記平鋼製品を高温被覆することを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記高温被覆前に前記平鋼製品の表面の酸化を行うことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記平鋼製品を金属／有機コーティングで被覆することを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
7. 前記平鋼製品を金属／無機コーティングで被覆することを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
8. 前記平鋼製品のＣ含量が０．３８重量％未満であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。