JP6958214B2

JP6958214B2 - 鋼加工部品の製造方法

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Publication number: JP6958214B2
Application number: JP2017200351A
Authority: JP
Inventors: 力岡本; 武豊田; 林　宏太郎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-10-16
Also published as: JP2019073763A

Description

本発明は、鋼加工部品及びその製造方法に関する。

自動車の衝突安全性向上に対する社会的要求はいっそう高まっており、自動車の衝撃吸収部材は、高強度化により、走行時に衝突した場合のエネルギー吸収特性に優れた鋼材が使用される。一方で、一般に高強度化に伴い、鋼板の変形能は低下するため、成形時に部品に割れが発生する。

高強度鋼板の成形で発生する割れには、延性不足に起因する割れとブランク加工、穴打ち抜き加工のせん断面に発生する穴広げ起因の割れがある。これらの特性はいずれも強度の増加に伴い低下する。

鋼板の加工性を高めた高強度鋼材として、加工誘起変態型（ＴＲＩＰ型）鋼が知られている。ＴＲＩＰ鋼は、鋼材にオーステナイトを残留させ延性を向上させた鋼であり、衝突時に力が加わると、オーステナイトが硬いマルテンサイトに変わり、変形部分の強度が局部的に高まることで延性を高めることができる。

一方で、ＴＲＩＰ鋼はブランク加工、穴打ち抜き加工においてもマルテンサイト変態が生じるため、穴広げ加工においては、この硬いマルテンサイトと柔らかいフェライトの界面が割れの起点となり、穴広げ性は低い。同じく延性の高いＤＰ鋼は、もともとの組織にフェライト相とマルテンサイト相を含んでおり、同様の理由で穴広げ性が低い。

特許文献１には、鋼組織が残留オーステナイトを面積％で３％以上有する、延性、伸びフランジ性に優れた高張力冷延鋼板が開示されている。

特許文献２には、フェライト相とマルテンサイト相からなる、耐衝撃性が改善された２相鋼板が開示されている。

特許文献３は、所定の成分組成、組織を有する温間加工による伸び及び伸びフランジ性に優れた高強度鋼板、及び上記鋼板を１００〜４００℃、好ましくは１５０〜２５０℃で温間加工することにより得られる高強度部材又は高強度部品を開示している。

特開２０１５−１６１０２３号公報特開平１０−１４７８３８号公報特開２００４−１９００５０号公報

高強度鋼板においては、特許文献１のように、鋼板だけで延性、伸びフランジ性の両立を担保することは十分ではない。

特許文献２で開示された２相鋼板は、前述のとおり、延性は高いが、フェライト相とマルテンサイト相を含むので、穴拡げ性が低い。

部品のプレス成型性を形状の工夫により下げる方法も考えられるが、形状の変更により変形能の消費を抑える方法は、形状の自由度の観点から限界になりつつある。

また、特許文献３のように鋼板に温間加工を施す場合、温間では一般に、鋼板の成形性が高まるため、延性、穴広げ性（伸びフランジ性）とも高めることが可能であるが、温間での加工は金型の損傷が激しい点、スケールの噛み込みなどで、部品に疵が発生しやすい点に課題がある。

本発明は、上記の事情に鑑み、鋼板にせん断加工を施した後の穴広げ性を向上させ、後のプレス加工時の割れの発生を抑制できる鋼加工部品の製造方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、せん断加工を施した後プレス加工を施す鋼加工部品の製造方法において、せん断加工後の穴拡げ性（延性）を向上させ、プレス加工による割れを防止する方法について鋭意検討した。その結果、せん断加工後に適切な熱処理を施すことにより、せん断加工によって劣化した特性を回復し、穴拡げ性を向上させ、プレス加工による割れも防止できることを見出した。

本発明者らはさらに検討を重ね、本発明を完成した。その要旨は以下のとおりである。

（１）鋼板にせん断加工を施し、加工された鋼板に２００〜６００℃で５分以下の加熱処理を施し、加熱処理後の鋼板をプレス加工することを特徴とする鋼加工部品の製造方法。

（２）前記加熱処理がせん断加工された箇所を局所的に加熱する処理であることを特徴とする前記（１）の鋼加工部品の製造方法。

（３）前記局所的に加熱する処理は、加熱処理後のプレス加工において割れが生じやすい箇所を加熱することを特徴とする前記（２）の鋼加工部品の製造方法。

（４）前記加熱処理が炉加熱であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかの鋼加工部品の製造方法。

（５）前記局所的に加熱する処理は、レーザーによる加熱処理であることを特徴とする前記（２）又は（３）の鋼加工部品の製造方法。

（６）前記せん断加工が打ち抜き加工及び／又は穴抜き加工であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかの鋼加工部品の製造方法。

（７）前記鋼板の組織が、オーステナイトを面積率で５％以上含有することを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかの鋼加工部品の製造方法。

（８）前記鋼板の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．５０％、Ｓｉ：０．１０〜３．００％、Ｍｎ：１．００〜８．００％、Ｐ：０．１００％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．００５〜２．００％、Ｎ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０１０％以下、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｔｉ：０〜０．２０％、Ｃｒ：０〜０．５０％、及びＭｏ：０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれかの鋼加工部品の製造方法。

本発明の鋼加工部品の製造方法によれば、鋼板にせん断加工を施した後の穴広げ性を向上させ、後のプレス加工時の割れの発生を抑制することによって、難製造部品の加工が可能となる。

本実施形態の鋼加工部品の製造方法は、鋼板に打ち抜き加工、穴抜き加工等のせん断加工を施し、その後プレス加工により鋼加工部品を製造する方法において、せん断加工後に熱処理を施すことを特徴とする。熱処理は、具体的には、２００℃以上、６００℃以下、好ましくは４００℃超、６００℃以下の環境で、５分以下の時間で施す。

オーステナイトを含む鋼板にせん断加工を施すと、切断面近傍は強加工を受けることとなり、鋼板中のオーステナイトは加工誘起変態によりマルテンサイトに変態し、プレス加工時に割れ発生の起点となる。

本実施形態においては、上記の熱処理により、回復および、マルテンサイト相を焼戻し、あるいは、マルテンサイトをオーステナイトに逆変態させる。マルテンサイト相が焼き戻されると靭性が向上し、プレス加工による割れを抑制することができる。また、マルテンサイトをオーステナイトに逆変態させると、更に、伸びのよい結晶格子であるオーステナイト組織が鋼加工部品中に導入されるので穴拡げ性と延性が向上し、プレス加工による割れを抑制することができる。

本実施形態の熱処理においては、温度の低い範囲では、回復やマルテンサイト相の焼戻し、加工組織の回復による効果が中心であるが、温度が高くなると、マルテンサイトのオーステナイトへの逆変態による効果が中心となり、割れ改善効果はより顕著に表れる。前者の効果はＤＰ鋼などマルテンサイト相を含む鋼板においても効果を得ることができ、オーステナイト相を含む鋼においては、両者の効果を受けることができる。

熱処理の際の加熱速度は１℃／ｓ以上が好ましい。加熱速度が遅いとセメンタイトが生成し、マルテンサイトからオーステナイトへの逆変態が抑制される。加熱速度は、より好ましくは１０℃／ｓ以上である。加熱速度の上限は特に限定されないが、現実的には、５００℃／ｓ程度である。

本実施形態の熱処理は、せん断加工により強加工を受けた箇所の組織を制御することを目的としている。したがって、鋼板全体を加熱しても構わないが、強加工を受けた箇所のみを局所加熱してもよい。また、後のプレス加工で割れが生じやすい箇所があらかじめ分かっている場合は、その箇所のみを局所加熱してもよい。

一般に加工組織の回復、マルテンサイトの焼戻し、逆変態によるオーステナイトの再生成は強度が低下するため、鋼板全体に熱を入れると、部品強度の観点で劣位である。また、加熱箇所が広いと生産性を下げることにもつながるため、上記の観点からは局部加熱が望ましい。

加熱方法は、特に限定されるものではなく、レーザー加熱、炉加熱等、公知の方法を使用することができる。レーザー加熱により局所加熱をする場合は、加工後直ちに加熱を行えるようにレーザーを配置すれば、炉を設置することなく、また、鋼板を炉に移動することなく直ちに局所加熱を開始できるので、生産性の面から有利である。

加熱後の冷却速度、冷却方法は鋼加工部品の特性には影響しないので、特に問わない。

本実施形態の熱処理によれば、好ましくは、強加工を受けた箇所のオーステナイト面積率が、せん断加工前のオーステナイト面積率の６割以上に回復する。

本実施形態の熱処理による温度の低い範囲では、回復が発生するが、これは一般的な鋼でも起こり得るので、特に対象となる鋼材は限定されず、マルテンサイト相を含む鋼板においてはこれに加えて、マルテンサイトの焼戻しの効果が加算される。

温度の高い領域においては、前記に加え、逆変態が起こり得る。これについては、オーステナイト相を含む組織において、より起こりやすい現象であるが、一般的な鋼においても起こりうる現象であり、特に対象となる鋼材は限定されない。

低温、短時間で逆変態を起こすためには、冷間でのプレス加工前の鋼材にオーステナイトが存在することが好ましい。オーステナイトが存在することにより逆変態温度が下がるので、より効果的に、組織の逆変態を起こすことが可能となる。

プレス加工前の鋼材のオーステナイトは面積率で５％以上あれば好ましい。１０％以上であればより好ましく、１５％以上であればさらに好ましい。たとえば、残留オーステナイトを５％以上含有するＴＲＩＰ鋼は、本実施形態の鋼材として好適である。

ここで、残留オーステナイトの面積分率は、例えば、電子線後方散乱回折（electron backscatter diffraction：ＥＢＳＤ）法又はＸ線回折法により測定することができる。Ｘ線回折法により測定する場合は、Ｍｏ−Ｋα線を用いて、フェライトの（１１１）面の回折強度（α（１１１））、残留オーステナイトの（２００）面の回折強度（γ（２００））、フェライトの（２１１）面の回折強度（α（２１１））、及び残留オーステナイトの（３１１）面の回折強度（γ（３１１））を測定し、次の式から残留オーステナイトの面積分率（ｆＡ）を算出することができる。

ｆＡ＝（２／３）｛１００／（０．７×α（１１１）／γ（２００）＋１）｝
＋（１／３）｛１００／（０．７８×α（２１１）／γ（３１１）＋１）｝

本実施形態の組織の逆変態は、上述したとおり、一般的な鋼で起こりえるので、特に化学成分が限定されるものではない。以下、本実施形態において好適な鋼の成分組成の一例について説明する。

［Ｃ：０．０５０〜０．５００％］
Ｃは、フェライト、ベイナイト、マルテンサイト、オーステナイトの含有量を調整し、本実施形態において必要なオーステナイト量を確保する。Ｃの含有量は、０．０５０％〜０．５００％とすることが好ましく、０．１００〜０．４００％がより好ましい。

［Ｓｉ：０．１０〜３．００％］
Ｓｉは固溶強化による鋼の強度向上、延性向上、また、炭化物（セメンタイト）の生成を抑制して、オーステナイトを残留させる効果を有する。Ｓｉの含有量は、０．１〜３．００％とすることが好ましく、０．５０〜２．００％がより好ましい。

［Ｍｎ：１．００〜８．００％］
Ｍｎは変態挙動を制御し、変態相の量や硬さを制御する。動的強度も考慮して、Ｍｎ含有量は１．００〜８．００％が好ましく、１．５０〜３．００％がより好ましい。

［Ｐ：０．１００％以下］
Ｐは不純物として鋼中に含有され、粒界に偏析して鋼を脆化させる。Ｐの含有量は少ないほど好ましく、０．１００％以下が好ましい。より好ましくは０．０５０％以下である。

［Ｓ：０．０１０％以下］
Ｓは不純物として鋼中に含有され、硫化物系介在物を形成し、延性を低下させる。Ｓの含有量は少ないほど好ましく、０．０１０％以下が好ましい。より好ましくは、０．００５％以下である。

［Ａｌ：０．００５〜２．０００％］
Ａｌは溶鋼を脱酸するために用いる。また、Ｓｉと同様にセメンタイトの生成を抑制し、オーステナイトを残留させる効果を有する。Ａｌの含有量は、０．００５〜２．０００％が好ましく、０．０５０〜１．０００％がより好ましい。

［Ｎ：０．０１００％以下］
Ｎは不純物として鋼中に含有され、延性を劣化させる。Ｎの含有量は少ないほど好ましく、０．０１００％以下が好ましい。より好ましくは、０．００５０％以下である。

［Ｏ：０．０１００％以下］
Ｏは酸化物を形成し、伸びを劣化させる。Ｏの含有量は少ないほど好ましく、０．０１００％以下が好ましい。より好ましくは、０．００５０％以下である。

［Ｎｂ：０〜０．１００％］
Ｎｂは、析出物強化、フェライト結晶粒の成長抑制による細粒強化、及び再結晶の抑制を通じた転位強化により鋼板の強度上昇に寄与するので、必要に応じて含有させてもよい。Ｎｂは少しでも存在すれば強度の上昇に寄与する。より効果的に強度を上昇させるためには、０．００５％以上含有させるのが好ましい。含有量が多すぎると、炭窒化物の析出が多くなり成形性が劣化するので、０．１００％以下とするのが好ましく、０．０５０％以下がより好ましい。

［Ｔｉ：０〜０．２００％］
Ｔｉは、析出物強化、フェライト結晶粒の成長抑制による細粒強化、及び再結晶の抑制を通じた転位強化により鋼板の強度上昇に寄与するので、必要に応じて含有させてもよい。Ｔｉは少しでも存在すれば強度の上昇に寄与する。より効果的に強度を上昇させるためには、０．００５％以上含有させるのが好ましい。含有量が多すぎると、炭窒化物の析出が多くなり成形性が劣化するので、０．２００％以下とするのが好ましく、０．０５０％以下がより好ましい。

［Ｃｒ：０〜０．５００％］
Ｃｒは強化元素であり、焼入れ性を向上するので、必要に応じて含有させてもよい。Ｃｒが少しでも存在すれば、これらの効果は得られる。より効果的に含有の効果を得るためには、含有量を０．０５０％以上とするのが好ましい。含有量が多すぎると製造性に悪影響をおよぼすので、０．５００％以下とするのが好ましい。

［Ｍｏ：０〜０．５００％］
Ｍｏは強化元素であり、焼入れ性を向上するので、必要に応じて含有させてもよい。Moが少しでも存在すれば、これらの効果は得られる。より効果的に含有の効果を得るためには、含有量を０．０５０％以上とするのが好ましい。含有量が多すぎると製造性に悪影響をおよぼすので、０．５００％以下とするのが好ましい。

鋼の化学組成の残部はＦｅ及び不可避的不純物である。

表１に示す化学成分を有する鋼板Ａ〜Ｈを用いて、打ち抜き加工、又は穴抜き加工を施し、加工を施した鋼板を熱処理し、加工、熱処理後の鋼板について、ＪＩＳＺ２２５６に準拠した穴拡げ試験、及びプレス加工を施すことによるプレス割れの評価を行った。熱処理はレーザー加熱、炉加熱の２通りで試験を行った。

表２にせん断加工、及びプレス加工前の鋼板の材質を示す。表２中のγ量はオーステナイト面積率であり、鋼板の１／４厚さの面を観察面としてＸ線回析を行い、ｂｃｃとｆｃｃのピーク面積比から算出した。ＴＳは引張強度、λは穴拡げ率である。本実施例では、成分組成が同じスラブから、製造方法を変えることで、異なるオーステナイト量、機械特性を有する鋼板を製造し、加工に供した。

表３に、せん断加工後、レーザー加熱により、局所加熱、又は全体加熱を行った実験例を、表４に、せん断加工後、炉加熱により、局所加熱、又は全体加熱を行った実験例を示す。本発明の熱処理を施した実験例では、穴拡げ率λが増加し、プレス割れは生じないことが確認できた。

Claims

鋼板にせん断加工を施し、
加工された鋼板に２００〜６００℃で５分以下の加熱処理を施し、
加熱処理後の鋼板をプレス加工する鋼加工部品の製造方法であって、
せん断加工前の前記鋼板の組織が、オーステナイトを面積率で５％以上含有する
ことを特徴とする鋼加工部品の製造方法。
前記加熱処理がせん断加工された箇所を局所的に加熱する処理であることを特徴とする請求項１に記載の鋼加工部品の製造方法。
前記局所的に加熱する処理は、加熱処理後のプレス加工において割れが生じやすい箇所を加熱することを特徴とする請求項２に記載の鋼加工部品の製造方法。
前記加熱処理が炉加熱であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼加工部品の製造方法。
前記局所的に加熱する処理は、レーザーによる加熱処理であることを特徴とする請求項２又は３に記載の鋼加工部品の製造方法。
前記せん断加工が打ち抜き加工及び／又は穴抜き加工であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼加工部品の製造方法。
前記鋼板の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０５０〜０．５００％、
Ｓｉ：０．１０〜３．００％、
Ｍｎ：１．００〜８．００％、
Ｐ：０．１００％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ａｌ：０．００５〜２．０００％、
Ｎ：０．０１００％以下、
Ｏ：０．０１００％以下、
Ｎｂ：０〜０．１０％、
Ｔｉ：０〜０．２０％、
Ｃｒ：０〜０．５０％、及び
Ｍｏ：０〜０．５０％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の鋼加工部品の製造方法。