JP4724406B2

JP4724406B2 - 残留応力の低いホットプレス高強度鋼製部材の製造方法

Info

Publication number: JP4724406B2
Application number: JP2004320297A
Authority: JP
Inventors: 寛哲佐藤; 聡赤松; 邦夫林; 武秀瀬沼
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2024-11-04
Also published as: JP2006130519A

Description

本発明は、鋼板を加熱してプレス加工を行なうホットプレス成形をした後、次工程でトリミング、ピアシング等の後加工を行なうことによって引張強さが９８０ＭＰａ以上の高強度鋼製部材を製造する方法に関するもので、例えば自動車の足回り、シャーシ、メンバー、衝突安全用補強部材等に用いられる高強度部材として有効に活用できる。

近年、地球環境保全に向けた自動車軽量化ニーズ、衝突安全性の向上ニーズ等に伴い、プレス成形によって製造される鋼製部材にも引張強度で９８０ＭＰａ以上の高強度化が強く望まれている。しかし、素材としての鋼板の高強度化はプレス成形性の低下を招き、複雑な形状の製作が困難となる。具体的には、延性低下による破断、スプリングバックによる寸法精度の劣化という問題等である。このため、高強度鋼板を用いてのプレス加工による複雑な形状の製作は容易ではない。

そこで、最近注目されつつある技術としてホットプレス（熱間プレス）がある。本技術は、例えば特開２００２−２８２９５１号公報（特許文献１）に開示されているように、鋼板を加熱してプレス加工する方法であり、鋼板が高温ゆえに、軟質、高延性となり、複雑な形状も寸法精度良く成形可能である。加えて、加熱時にオーステナイトが生成する温度域まで昇温しておけば、プレス加工後の冷却、あるいは、プレス加工時の金型内で冷却することにより、所望の材質を得ることが可能であり、すなわち、冷却速度を高めることにより、硬化相であるマルテンサイトを生成し、高強度部材を得ることが可能である。

しかし、このようなマルテンサイト組織を含む高強度部材は、水素を起因とする水素脆化が懸念され、特に、プレス成形後の次工程でトリミングやピアシング等の後加工を行なうと、非常に高い残留応力が発生し、特に４００ＭＰａを超える場合は、耐水素脆化特性を大きく劣化させてしまう。このような問題に対して、従来技術として、レーザートリムやレーザーピアスといったレーザー加工を利用する方法や、先にトリミングやピアシングを行ない、その後に加熱してプレスするといった先加工という方法がある。

しかしながら、レーザー加工は、装置が非常に高価で、かつ生産効率の観点から適用が難しく、また、先加工は、その後の加熱やプレスで、先加工部の寸法精度、形状精度が低下するという問題に加え、Ａｌめっき鋼板等のスケールガード鋼板を使用したとしても、先加工断面の表面にスケールが生成するという問題がある。

また、トリミングを伴う加工に関した技術として、特開平５−１３８４３１号公報（特許文献２）では、金属板のトリミングやスリッティングの際、切断機とその前または後のピンチロールとの間の金属板に直接通電し、金属板端部を加熱する方法が開示されている。この方法によると、せん断による加工硬化の低減、あるいは、せん断により発生した加工硬化の除去が可能であり、次工程での割れを減らすことが可能である。また、残留応力に関しては言及されていないが、金属端部の残留応力緩和にも寄与すると考えられる。しかしながら、この方法では、生産効率が低下するのみならず、加熱された部分の材質が変化してしまい、高強度部材としての要求特性を均一に満足することが不可能となる。

特開２００２−２８２９５１号公報特開平５−１３８４３１号公報

本発明は、ホットプレス後に、トリミングまたはピアシング等の後加工を施して製造する、９８０ＭＰａ以上の引張強度を有し、かつ、残留応力の低い高強度鋼製部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記のような課題を克服するために、ホットプレスで成形した部材を、種々の条件でトリミングやピアシングを行ない、残留応力の測定、加工部端面の性状調査を実施した。その結果、部材全域の高強度を確保しつつ、かつ、残留応力の上昇を抑制し、加えて、加工部端面のスケール生成を抑制するためには、従来のようにプレス時に下死点で保持して金型で焼き入れするのではなく、プレスはクランクプレス等を用いて短時間で行ない、部材がオーステナイト域中にある間にトリミングやピアシング等の後加工を実施し、その後冷却することが有効であることを見出した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）鋼板をＡｃ₃ 変態点以上１３００℃以下の温度に加熱した後、Ａｒ₃ 変態点＋２０℃以上の温度でホットプレスし、引き続きＡｒ₃ 変態点以上の温度で、部材をプレス下死点で保持して金型で焼き入れずに、部材がオーステナイト域中にある間に、トリミングまたはピアシングの後加工を施し、ホットプレス時のサイクルを、１０回／分以上とし、その後冷却するが、前記冷却の速度を１０℃／秒以上１０００℃／秒以下の速度で冷却し、９８０ＭＰａ以上の引張強度を有し、かつ、残留応力が４００ＭＰａ以下で、マルテンサイト組織の面積率が６０％以上である部材を得ることを特徴とする残留応力の低いホット
プレス高強度鋼製部材の製造方法。

（２）後加工部端面のスケール厚みが５０μｍ以下であることを特徴とする前記（１）記載の残留応力の低いホットプレス高強度鋼製部材の製造方法にある。

本発明により、９８０ＭＰａ以上の引張強度を有し、かつ、残留応力が４００ＭＰａ以下で、後加工部端面のスケール厚みが５０μｍ以下の高強度鋼製部材の製造が可能であり、自動車等の耐水素脆化特性に優れた部品として有効で工業的価値が高い。

以下に、本発明を更に詳細に説明する。
本発明の製造方法は、図１に示すように、大きく４工程に分けられる。第１工程は加熱工程、第２工程は高温域でのプレス工程、第３工程はトリミングやピアス等の後加工工程、第４工程は冷却工程である。

まず、第１工程の加熱についてであるが、６００℃程度の加熱でもプレス成形性は向上する。しかし、９８０ＭＰａ以上の高強度を得るためには、加熱時にオーステナイト組織とし、第４工程である冷却時にマルテンサイト組織を得る必要があるため、下限をＡｃ₃変態点以上の温度とした。Ａｃ₃変態点温度は、鋼板２を構成する化学成分によって異なるが、おおよそ８００℃程度である。一方、過度の加熱は、鋼板組織の粗粒化、スケールの増加、加熱コストの上昇を招くため、上限は１３００℃とした。なお、加熱方法には特段の限定はないが、例えば加熱炉１を用いて均一に速く効率良く加熱可能な装置を使用することが好ましい。また、目的とする部材強度によっては、加熱時にフェライト相が残存していても問題ない。

第２工程のプレスは、次工程でのトリミングやピアス等の後加工を部材組織がオーステナイト域中で実施する必要があることを考慮すると、加熱後なるべく短い時間でプレスを開始し、終了するが必要であるため、プレス成形のサイクルを１０回／分以上に限定した。尚、プレス成形のサイクルとは、プレス成形機に鋼板をセットしてから、成形が完了し、次の鋼板をセットするまでと定義する。また、プレス成形の開始温度は、第３工程での温度を確保するため、Ａｒ₃変態点＋２０℃以上とし、好ましくはＡｒ₃変態点＋５０℃以上とすることが好適である。

第３工程のトリミングやピアス等の後加工工程は、本発明において、制御すべき最も重要な工程であり、この工程をＡｒ₃変態点以上の温度域で実施することにより、部材の高強度を確保しつつ、残留応力の上昇を抑制することが可能である。ここで、温度の下限をＡｒ₃変態点に限定する理由は、Ａｒ₃変態点未満の温度域、すなわちフェライト組織が生成した後でトリミングやピアス等の後加工工程を行なった場合、残留応力の上昇は抑制可能であるが、マルテンサイト組織分率が低下し、ゆえに部材の強度が低下してしまうからである。また、Ａｒ₃変態点以上の温度域から先に冷却し、その後、トリミングやピアス等の後加工工程を行なうと、部材の高強度は確保できるが、残留応力は大きく上昇してしまうので、本発明の順序に限定する。なお、符号３はシャーを示す。

第４工程での冷却は、冷却後に得られる鋼組織中のマルテンサイト組織の分率を高くするために、冷却速度は高い方が好ましい。１０℃／秒未満の冷却速度では、マルテンサイト組織の分率が減り所望する強度を得られなくなるため、冷却速度は１０℃／秒以上と限定した。一方、１０００℃／秒超にすることは操業上困難なため、上限を１０００℃／秒とした。また、冷却による形状悪化を抑制するために、冷却媒体（金型、水槽等）４を用いる。例えば第２工程で使用した金型と同一形状の金型を利用して冷却することも有効である。

次に、ミクロ組織についてであるが、冷却後に得られる鋼の面積率最大の相をマルテンサイトとする理由は、９８０ＭＰａ以上、好ましくは、１２００ＭＰａ、更には１５００ＭＰａ以上の高い引張強度を得るためであり、そのためには硬質相であるマルテンサイト相を６０％以上、好ましくは８０％以上、更に好ましくは９５％以上１００％以下の量を素地とすることが好ましい。ただし、ここで言う面積率１００％とは、当然鋼中に不可避的不純物や介在物が存在し、厳密には１００％とはならないが、光学顕微鏡での観察ではこれらの不可避的不純物や介在物が認識できないレベルの大きさで存在するので１００％とした。

その他の残部組織として、フェライト、パーライト、ベイナイトの１種又は２種以上を面積率の合計で４０％以下含有しても良い。残留応力が４００ＭＰａを超える場合は、耐水素脆化特性を大きく劣化させてしまうので、４００ＭＰａ以下と規定する。なお、残留応力はトリミング等後加工部端面の測定値であり、Ｘ線残留応力測定装置を用いて測定した値と定義する。

また、加工部端面のスケール厚みを５０μｍ以下に限定した理由は、これより厚いスケールが生成した場合、部材の塗装や取り付け前に、スケール除去の工程を必要とするためである。なお、部材全体のスケール生成を抑制するためには、ＡｌめっきやＺｎめっき等のスケールガード鋼板を使用することが有効であるが、たとえこのようなスケールガード鋼板を使用しても、加工部端面はめっきがないため、スケールが生成してしまう。

加工部端面のスケール厚みを５０μｍ以下とするためには、加熱、ホットプレスの後に、加工する、すなわち後加工が有効であり、かつ、その後の室温までの冷却速度を１０℃／ｓｅｃ以上とすることが好ましい。ここで、加工部端面とは、トリミング等の後加工で得られる加工端部の垂直断面をいう。

次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
表１に、オーステナイト組織から冷却してマルテンサイト組織とすることで、引張強度９８０ＭＰａ以上が得られる３種類の鋼板、すなわち、鋼種Ａは０．２３％Ｃ−０．２３％Ｓｉ−１．３％Ｍｎ系、鋼種Ｂは０．１８％Ｃ−０．２１％Ｓｉ−１．２％Ｍｎ系、鋼種Ｃは０．１２％Ｃ−０．２２％Ｓｉ−１．３％Ｍｎ系を用いて、ホットプレス、端面トリミング試験を実施した。鋼種ＡのＡｃ₃変態点温度は８２５℃であり、Ａｒ₃変態点温度は５６０℃であり、鋼種ＢのＡｃ₃変態点温度は８３０℃であり、Ａｒ₃変態点温度は５６５℃であり、鋼種ＣのＡｃ₃変態点温度は８３５℃であり、Ａｒ₃変態点温度は５７０℃である。なお、板厚は全て１．６ｍｍで実施し、加熱にはボックス電気炉を、プレスにはハット形状金型を、トリミングにはシャーを、冷却には水をそれぞれ使用した。

このようにして得られた部材の引張強度、トリミング端面の残留応力、マルテンサイトの面積率、トリミング端面のスケール厚みを測定した結果を表２に示す。引張強度はＪＩＳ１３Ｂ号試験片で評価し、残留応力はＸ線残留応力測定装置を用いて測定した。また、マルテンサイトの面積率とトリミング端面のスケール厚みは光学顕微鏡を用いて測定した。

Ｎｏ．１、２、８、９、１４、１５は本発明の条件を満たしており、引張強度９８０ＭＰａ以上、トリミング端面の残留応力４００ＭＰａ以下、マルテンサイトの面積率６０％以上、トリミング端面のスケール厚み５０μｍ以下を満足している。
一方、Ｎｏ．３、４、６、１０、１２、１６、１８、２０は、残留応力は４００ＭＰａ以下、トリミング端面のスケール厚み５０μｍ以下は満足しているが、引張強度９８０ＭＰａ以上、マルテンサイトの面積率６０％以上は満足していない。

この理由は、Ｎｏ．３、４、１０、１６については、プレス速度が遅く時間を要し、トリミング温度がＡｒ₃変態点以下であったため、フェライト組織が生成して強度が低下し、所望の引張強度が得られなかったためである。Ｎｏ．６、１２、１８については、加熱温度がＡｃ₃変態点以下であったため、加熱時に十分オーステナイト組織とならず、冷却後のマルテンサイト組織面積率が低くなり、所望の引張強度が得られなかったためである。Ｎｏ．２０については、冷却速度が遅かったため、マルテンサイト組織面積率が低くなり、所望の引張強度が得られなかったためである。

また、Ｎｏ．５、１１、１７はトリミングを冷却後に室温で実施したために、マルテンサイト組織面積率、引張強度、トリミング端部表面のスケール厚みは満足するものの、残留応力が高くなり４００ＭＰａを超えた。Ｎｏ．７、１３、１９は、先にトリミングをした後、加熱、プレスを実施したため、トリミング端面のスケール厚みが５０μｍを超えた。また、トリミング部の形状精度も低下した。

以上の結果から、Ａｃ₃変態点以上１３００℃以下の温度に加熱した鋼板を、ホットプレスし、プレス部材温度がＡｒ₃変態点以上の温度でトリミングまたはピアシング等の後加工を施し、その後、冷却することで、９８０ＭＰａ以上の引張強度を有し、かつ、残留応力が４００ＭＰａ以下で、後加工部端面のスケール厚みが５０μｍ以下で、マルテンサイト組織の面積率が６０％以上である鋼製高強度部材の製造が可能である。

本発明の製造工程を示す図である。

１加熱炉
２鋼板
３シャー
４冷却媒体（金型、水槽等）

特許出願人新日本製鐵株式会社
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

鋼板をＡｃ₃ 変態点以上１３００℃以下の温度に加熱した後、Ａｒ₃変態点＋２０℃以上の温度でホットプレスし、引き続きＡｒ₃ 変態点以上の温度で、部材をプレス下死点で保持して金型で焼き入れずに、部材がオーステナイト域中にある間に、トリミングまたはピアシングの後加工を施し、ホットプレス時のサイクルを、１０回／分以上とし、その後冷却するが、前記冷却の速度を１０℃／秒以上１０００℃／秒以下の速度で冷却し、９８０ＭＰａ以上の引張強度を有し、かつ、残留応力が４００ＭＰａ以下で、マルテンサイト組織の面積率が６０％以上である部材を得ることを特徴とする残留応力の低いホットプレス高強度鋼製部材の製造方法。
後加工部端面のスケール厚みが５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の残留応力の低いホットプレス高強度鋼製部材の製造方法。