JP5637342B2 - ホットプレス加工を施した鋼板部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルテンサイトの微細組織を有するホットプレス加工を施した鋼板部材及びその製造方法に関する。

昨今、ホットプレス加工を施した鋼板部材が多用されている自動車では、燃費を向上させるために様々な軽量化が施されており、原料鋼板も高強度化することにより薄肉化して軽量化することが求められている。

ただし、自動車に用いる鋼板部材は、ドアインパクトビームやセンターピラーリンフォースなどのように、衝突時における乗員保護を目的とした鋼板部材に用いられることが多く、所定の強度を確実に維持できるものでなければならない。

特に、自動車に用いられる高強度な鋼板部材を、ホットスタンピング技術を用いて製造する場合、一般的なホットスタンピング技術では、原料鋼板を変態点以上に加熱してオーステナイト域において金型を用いてプレス成形するとともに、金型で抜熱されることによりマルテンサイト変態させている。

したがって、ホットスタンピング技術を用いて所定形状とされた鋼板部材は、焼入れ組
織のままとなっているために、靭性値が低くなっていることが知られている。

そこで、靭性値を向上させたい場合には、ホットスタンピング技術による加工後に、鋼板部材に焼き戻し処理を行うことがある。

また、鋼板の組成及び熱処理条件を適正化することによりマルテンサイト単相組織として、引張強度を880〜1170MPaとする高引張冷延鋼板や（例えば、特許文献１参照。）、占積率を80％以上としたマルテンサイト相の平均粒径を10μｍ以下とし、引張強度を780MPa以上とする高強度鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特許第３７２９１０８号公報 特開２００８−０３８２４７号公報

しかしながら、マルテンサイト単相組織とした高引張冷延鋼板や、占積率80％以上としたマルテンサイト相の平均粒径を10μｍ以下とした高強度鋼では、実施例に限界を見るように、平均粒径を５μｍ以下にすることは難しく、引張強度が1200MPaを超える鋼材で靭性を確保するのが難しかった。

本発明者らはこのような現状に鑑み、マルテンサイト相の平均粒径をより微細化することにより高強度、高靭性としたホットプレス加工を施した鋼板部材を提供すべく研究開発を行って、本発明を成すに至ったものである。

本発明のホットプレス加工を施した鋼板部材の化学的組成は、Ｃ含有量が0.15〜0.4質量％、Mn含有量またはCr,Mo,Cu,Niの少なくとも１種とMnとの合計の含有量が1.0〜5.0質量％、SiとAlの合計の含有量が0.02〜2.0質量％、残部がFe及び不可避的不純物からなり、鋼板部材の物理的性質はマルテンサイト相の平均粒径が５μｍ以下で、引張強度が1200MPa以上となるものである。

さらに、本発明のホットプレス加工を施した鋼板部材は、Ｂ,Ti,Nb,Zrの少なくとも一種を、0.1質量％以下の含有量で含有することにも特徴を有し、表面に厚さ0.1〜20μｍのめっき被膜を有することにも特徴を有するものである。

また、本発明のホットプレス加工を施した鋼板部材の製造方法では、Ｃ含有量が0.15〜0.4質量％、Mn含有量またはCr,Mo,Cu,Niの少なくとも１種とMnとの合計の含有量が1.0〜5.0質量％、SiとAlの合計の含有量が0.02〜2.0質量％、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学的成分組成の原料鋼板を用い、該原料鋼板をホットプレスにより物理的性質をマルテンサイト相の平均粒径が５μｍ以下で、引張強度が1200MPa以上にする鋼板部材の製造方法であって、ホットプレス加工が10℃／秒以上の昇温速度で675〜950℃の最高加熱温度Ｔ℃まで加熱する加熱工程と、（40−Ｔ／25）秒間以下で前記最高加熱温度Ｔ℃を保持する温度保持工程と、前記最高加熱温度Ｔ℃から1.0℃／秒以上の冷却速度でマルテンサイト相の生成温度であるMs点以下までプレスしながら冷却する冷却工程とを有するものである。

さらに、本発明のホットプレス加工を施した鋼板部材の製造方法では、原料鋼板がＢ,Ti,Nb,Zrの少なくとも一種を0.1質量％以下の含有量で含有していること、冷却工程中においてMs点に達するまでに原料鋼板を所定形状の鋼板部材に成形するプレス加工を１回以上行うこと、加熱工程の前に原料鋼板に圧延率30％以上の冷延加工を行っていることにも特徴を有するものである。

本発明によれば、マルテンサイト相における平均粒径を５μｍ以下とすることができるので、靭性を向上させながら引張強度を1200MPa以上とした高強度の鋼板部材を提供できる。

本発明のホットプレス加工を施した鋼板部材及びその製造方法では、鋼板部材における金属組織、特にマルテンサイト相の平均粒径を５μｍ以下とすることにより、靭性を向上させながら高強度としているものである。特に、本発明の鋼板部材では、引張強度が1200MPa以上となっているものである。

ここで、鋼板部材はマルテンサイト単相となっている場合に限定するものではなく、マルテンサイト相となっている領域で、そのマルテンサイト相の平均粒径が５μｍ以下となっていればよい。なお、マルテンサイト相の平均粒径とは、マルテンサイト相の結晶粒径の平均値である。

このような鋼板部材は、原料鋼板の化学的組成に由来するもので、Ｃ含有量が0.15〜0.4質量％、Mn含有量またはCr,Mo,Cu,Niの少なくとも１種とMnとの合計の含有量が1.0〜5.0質量％、SiとAlの合計の含有量が0.02〜2.0質量％、残部がFe及び不可避的不純物で構成している。

そして、この原料鋼板に、10℃／秒以上の昇温速度で675〜950℃の最高加熱温度Ｔ℃まで加熱して、（40−Ｔ／25）秒間以下で最高加熱温度Ｔ℃を保持した後、最高加熱温度のＴ℃から1.0℃／秒以上の冷却速度でマルテンサイト相の生成温度であるMs点以下まで冷却する一連のホットプレス加工を施すことによりマルテンサイト相を生じさせている。

しかも、マルテンサイト相の平均粒径は５μｍ以下とすることができ、引張強度が1200MPa以上の高強度で高靱性の鋼板部材とすることができる。さらに、原料鋼板の化学的組成には、Ｂ,Ti,Nb,Zrの少なくとも一種を0.1 質量％以下の含有量で含有させておくことにより、マルテンサイト相の平均粒径をより小さくすることができる。

以下において、実施例を示しながら詳説する。

まず、
Ｃ含有量：0.22質量％、
Mn含有量：3.0質量％、
Si含有量：0.05質量％、
Al含有量：0.05質量％、
Ti含有量：0.02質量％、
Ｂ含有量：0.002質量％
として、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を用い、厚さ1.4mmの板状の原料鋼板を作製した。この原料鋼板には、圧延率60％の冷延加工を行った。

この原料鋼板に対して、最高到達温度Ｔを650℃、700℃、775℃、850℃、950℃、1000℃として、それぞれ昇温速度200℃／秒で加熱し、各最高到達温度Ｔでそれぞれその温度を0.1秒間保持し、その後、10℃／秒の冷却速度でそれぞれマルテンサイト相の生成温度であるMs点以下まで冷却した。ただし、最高到達温度Ｔを1000℃とした場合には、最高到達温度Ｔの保持時間を４秒とした。原料鋼板の加熱は通電加熱によって行い、原料鋼板の冷却は自然冷却によって行った。

さらに、最高到達温度ＴからMs点以下まで冷却する途中、最高到達温度Ｔから100〜150℃低下した状態で、原料鋼板にはハット型のプレス成形を行い、さらに、50〜100℃低下した状態で、得られた鋼板部材には打ち抜き加工を行った。

鋼板部材が十分冷却した後、ハット型とした鋼板部材のうち頭頂部部分から試験片をそれぞれ切り出して、引張試験及びシャルピー衝撃試験を行った。なお、シャルピー衝撃試験の際には、３枚の試験片を重ねた状態で行った。

各最高到達温度Ｔでのマルテンサイト相の平均粒径と、引張強度と、遷移温度を表１に示す。なお、遷移温度は靭性の指標であって、靭性の小さいものほど高い値を示す。

表１に示すように、最高到達温度Ｔを650℃とした場合には、オーステナイト相への逆変態が十分に起きていないためにマルテンサイト相が十分に生成されておらず、組織の平均粒径が大きく、遷移温度も高くなっているものと考えられる。

一方、最高到達温度Ｔを1000℃とした場合には、組織が粗大化し、遷移温度が高くなっている。図１は、実験番号６の場合におけるマルテンサイト相を撮影したＳＥＭ写真画像である。

この実験結果から、最高到達温度Ｔは675〜950℃が望ましいと考える。なお、最高到達温度Ｔを775℃として昇温速度200℃／秒で加熱し、最高到達温度Ｔを1.0秒間保持した後、10℃／秒の冷却速度でそれぞれマルテンサイト相の生成温度であるMs点以下まで冷却した場合におけるマルテンサイト相を撮影したＳＥＭ写真画像を図２に示す。この場合では、マルテンサイト相の平均粒径は1.7μｍであり、引張強度は1532MPaであり、遷移温度は-70℃であった。

上記した実施例１の組成の原料鋼板を用い、最高到達温度Ｔを800℃として、昇温速度を、5℃／秒と、15℃／秒と、200℃／秒として実施例１と同様に試験片を作製した。なお、最高到達温度Ｔでそれぞれその温度を0.1秒間保持し、その後、10℃／秒の冷却速度で
それぞれマルテンサイト相の生成温度であるMs点以下まで冷却した。

各昇温速度でのマルテンサイト相の平均粒径と、引張強度と、遷移温度を表２に示す。

表２に示すように、昇温速度は５℃／秒の場合には、マルテンサイト相の組織が粗大化し、遷移温度が高くなっている。

この実験結果から、昇温速度は10℃／秒以上であればよい。一方、表１の実験番号５の結果から、昇温速度が200℃／秒で、最高到達温度が950℃の場合、マルテンサイト相の平均粒径が1.9μｍであるので、平均粒径を微細にするには、昇温速度は200℃／秒以上が望ましい。なお、昇温速度の上限は、鋼板部材を加熱する加熱装置の能力に依存するが、加熱装置が通電加熱装置の場合、高速加熱が容易なため、特に問題なく200℃／秒以上で加熱することができる。

上記した実施例１の組成の原料鋼板を用い、最高到達温度Ｔを800℃、昇温速度を200℃／秒とし、最高到達温度Ｔでの温度保持時間を0.1秒と、2.0秒と、12秒として実施例１と同様の鋼板部材の試験片を作製した。なお、この試験片は、10℃／秒の冷却速度でそれぞれマルテンサイト相の生成温度であるMs点以下まで冷却した。温度保持時間を0.1秒とした試験片は、上記した実施例２の実験番号９での試験片である。

各温度保持時間でのマルテンサイト相の平均粒径と、引張強度と、遷移温度を表３に示す。

表３に示すように、温度保持時間が12秒と長くなると、組織が粗大化し、遷移温度が高くなっている。すなわち、温度保持時間はできるだけ短い方が望ましい。

特に、温度保持時間は最高到達温度Ｔの温度が高ければ高いほど短い方がよく、（40−Ｔ／25）秒間以下であることが望ましいことを知見した。

すなわち、温度保持時間は、最高到達温度Ｔに対して（40−Ｔ／25）秒間以下であることが望ましく、装置の構成上、鋼板部材を加熱した後に直ちに冷却できない場合には、最高到達温度Ｔは675〜950℃のうちのできるだけ低い温度として、マージンを設けておくことが望ましい。

上記した実施例１の組成の原料鋼板を用い、最高到達温度Ｔを800℃、昇温速度を200℃／秒、最高到達温度Ｔでの温度保持時間を0.1秒とし、原料鋼板を、0.5℃／秒と、10℃／秒と、80℃／秒のそれぞれの冷却速度でMs点以下まで冷却して実施例１と同様の鋼板部材の試験片を作製した。なお、冷却速度を10℃／秒とした試験片は、上記した実施例２の実験番号９での試験片である。

各冷却速度でのマルテンサイト相の平均粒径と、引張強度と、遷移温度を表４に示す。

表４に示すように、冷却速度が0.5℃／秒と遅くなると、組織が粗大化し、遷移温度が高くなっている。すなわち、冷却速度はできるだけ速い方が望ましい。冷却速度を速くするために、鋼板部材を水などの冷却剤を用いて冷却してもよい。

ただし、冷却速度を速くしすぎると、Ms点に達するまでに原料鋼板を所定形状の鋼板部材に成形するプレス加工が終了しないおそれがあるので、1.0〜100℃／秒程度が望ましい。なお、可能であれば、冷却速度を100℃／秒以上としてもよい。

Ms点以下で原料鋼板にホットプレス加工を行った場合には、形状凍結性の劣化や耐遅れ破壊性の劣化を招きやすくなるので、プレス加工に要する時間を考慮して冷却速度を決定することが望ましい。

原料鋼板のホットプレス加工は、得られる鋼板部材の温度がMs点に達していなければ１段だけでなく複数段行ってもよく、Ms点よりも高い温度でプレス加工を行うことにより、優れた形状凍結性を得ることができる。

上記した実施例１の組成の原料鋼板では、圧延率60％の冷延加工を行い、厚さを1.4mmとしているが、冷延加工を行わない場合、すなわち圧延率０％であって、原料鋼板の厚み寸法を大きくした場合の鋼板部材の試験片を作製した。なお、この試験片の作製においては、最高到達温度Ｔを800℃、昇温速度を200℃／秒、最高到達温度Ｔでの温度保持時間を0.1秒とした。また、冷却速度は、圧延率０％で厚み1.4mmの試験片は３℃／秒とし、圧延率０％で厚み4.2mmの試験片は10℃／秒とした。

上記鋼板部材の試験片でのマルテンサイト相の平均粒径と、引張強度と、遷移温度を表５に示す。

このように、冷延加工を行わなくても鋼板部材ではマルテンサイト相が微細化し、高靭性化していることがわかる。

ただし、冷延加工を行わない場合には、マルテンサイト相の平均粒径が3.0μｍ程度であるが、実施例１〜４に示すように、圧延率60％で冷延加工をすることにより、平均粒径が2.0μｍ程度となるので、冷延加工により靭性を向上させることができる。

なお、マルテンサイト相の平均粒径が2.0μｍ程度となるには、圧延率30％程度で冷延加工を行っていればよく、高圧延率域では微細化効果が飽和状態となり、しかも冷延加工の加工コストが増大することから、圧延率は95％程度が上限となる。

また、原料鋼板の厚みは、50℃／秒以上の昇温速度による急速加熱をできるだけ均一に
行うために、5.0mm程度までの厚さとすることが望ましいが、均一加熱が可能であればさらに厚みの大きい原料鋼板を用いることもできる。

なお、原料鋼板は、0.1mmよりも薄くすると、50℃／秒以上の昇温速度による急速加熱
の際に変形が生じるおそれがあるので、0.1mmを下限とするか、加熱にともなう変形を防
止する補助治具などを用いることが望ましい。

下表の表６に示す成分表の鋼種を用いて、厚さ1.4mmの板状の原料鋼板を作製した。こ
の原料鋼板に対して、最高到達温度Ｔを800℃、昇温速度を200℃／秒、最高到達温度Ｔで
の温度保持時間を0.1秒とし、原料鋼板を所定の冷却速度でMs点以下まで冷却して、実施例１と同様の鋼板部材の試験片を作製した。

なお、成分表の単位は質量％であり、残部がFe及び不可避的不純物からなる。

各鋼種Ａ〜Ｌの試験片でのマルテンサイト相の平均粒径と、引張強度と、遷移温度を表７に示す。

表７に示すように、原料鋼板のＣが0.50質量％と多くなっている鋼種Ｅでは遷移温度が高くなっており、逆に、Ｃが0.10質量％と少なくなっている鋼種Ｇの原料鋼板では得られる鋼板部材の試験片のマルテンサイト粒の平均粒径が粗大化している。また、Mnが6.2質量％と多くなっている鋼種Ｈでは遷移温度が高くなっている。

このことから、ホットプレス加工を施した鋼板部材は、原料鋼板のＣ含有量が0.15〜0.4質量％、Mn含有量が1.0〜5.0質量％、SiとAlの合計の含有量が0.02〜2.0質量％、残部がFe及び不可避的不純物であることが望ましい。

なお、鋼種Ｉ〜Ｌに示すように、原料鋼板の化学的組成は、Mnの一部をCr,Mo,Cu,Niの少なくとも１種で代替することによりMnの使用量を抑制してもよく、Cr,Mo,Cu,Niの少なくとも１種とMnとの合計の含有量を1.0〜5.0質量％としてもよい。

また、SiとAlの合計の含有量は、0.02質量％以上添加することにより溶存酸素を低減して、鋼中のボイドの発生を抑制することができる一方、2.0質量％以上添加するとマルテンサイト相の平均粒径が粗大化するため、0.02〜2.0質量％であることが望ましい。

さらに、鋼板部材のマルテンサイト相を微細化させるためには、原料鋼板の化学的組成は、Ｂ,Ti,Nb,Zrの少なくとも一種を含有させていることが望ましく、特に、0.1質量％以上添加した場合には、微細化効果が飽和状態となるため、0.1質量％以下とすることが望ましい。

このような鋼板部材には、厚さ0.1〜20μｍのめっき被膜を設けることにより、このめっき被膜を保護膜として鋼板部材の表面にスケールが発生することを防止できる。

めっき被膜としては、Ni電気めっき被膜、Cr電気めっき被膜、溶融亜鉛めっき被膜、溶融アルミめっき被膜などを用いることができ、必要に応じて所要の膜厚としてよい。なお、めっき被膜は20μｍ以上としてもよいが、めっき被膜による保護効果が飽和状態となるため、20μｍ以下で十分である。

上述したように、鋼板部材は、原料鋼板の化学的組成をＣ含有量が0.15〜0.4質量％、Mn含有量またはCr,Mo,Cu,Niの少なくとも１種とMnとの合計の含有量が1.0〜5.0質量％、SiとAlの合計の含有量が0.02〜2.0質量％、残部がFe及び不可避的不純物とし、この原料鋼板を10℃／秒以上の昇温速度で675〜950℃の最高加熱温度Ｔ℃まで加熱して、（40−Ｔ／25）秒間以下で最高加熱温度Ｔ℃を保持した後、最高加熱温度Ｔ℃から1.0℃／秒以上の冷却速度でマルテンサイトの生成温度であるMs点以下まで冷却する一連のホットプレス加工をすることにより、マルテンサイト粒の平均粒径が５μｍ以下の微細組織を有する鋼板部材とすることができ、しかも、引張強度を1200MPa以上とすることができる。

さらに、鋼板部材は、原料鋼板をあらかじめ圧延率30％以上の冷延加工を行っておくことにより、マルテンサイト粒の平均粒径が２μｍ以下の微細組織を有する鋼板部材とすることができ、しかも、引張強度を1500MPa以上とすることができる。

しかも、プレスしながらの冷却工程では、冷却速度を1.0℃／秒以上と小さくできるので、Ms点に達するまでに原料鋼板をプレス加工によって所定形状の鋼板部材への成形加工を行うことができるので、生産性を損なうことなく、高強度・高靱性の鋼板部材あるいは鋼材を製造できる。

鋼板部材におけるマルテンサイト相を撮影したＳＥＭ写真画像である。 鋼板部材におけるマルテンサイト相を撮影したＳＥＭ写真画像である。

Claims (7)

1. 鋼板部材の化学的組成はＣ含有量が0.15〜0.4質量％、Mn含有量またはCr,Mo,Cu,Niの少なくとも１種とMnとの合計の含有量が1.0〜5.0質量％、SiとAlの合計の含有量が0.02〜2.0質量％、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
   鋼板部材の物理的性質はマルテンサイト相の平均粒径が５μｍ以下で、引張強度が1200MPa以上であるホットプレス加工を施した鋼板部材。
2. Ｂ,Ti,Nb,Zrの少なくとも一種を、0.1質量％以下の含有量で含有した請求項１記載のホットプレス加工を施した鋼板部材。
3. 表面に厚さ0.1〜20μｍのめっき被膜を有する請求項１または請求項２に記載のホットプレス加工を施した鋼板部材。
4. Ｃ含有量が0.15〜0.4質量％、Mn含有量またはCr,Mo,Cu,Niの少なくとも１種とMnとの合計の含有量が1.0〜5.0質量％、SiとAlの合計の含有量が0.02〜2.0質量％、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学的成分組成の原料鋼板を用い、該原料鋼板をホットプレスにより物理的性質をマルテンサイト相の平均粒径が５μｍ以下で、引張強度が1200MPa以上にする鋼板部材の製造方法であって、
   ホットプレス加工が10℃／秒以上の昇温速度で675〜950℃の最高加熱温度Ｔ℃まで加熱する加熱工程と、
   （40−Ｔ／25）秒間以下で前記最高加熱温度Ｔ℃を保持する温度保持工程と、
   前記最高加熱温度Ｔ℃から1.0℃／秒以上の冷却速度でマルテンサイト相の生成温度であるMs点以下までプレスしながら冷却する冷却工程と
   を有するホットプレス加工を施した鋼板部材の製造方法。
5. 前記原料鋼板が、Ｂ,Ti,Nb,Zrの少なくとも一種を、0.1質量％以下の含有量で含有している請求項４記載のホットプレス加工を施した鋼板部材の製造方法。
6. 前記冷却工程中において、前記Ms点に達するまでに前記原料鋼板を所定形状の鋼板部材に成形するプレス加工を１回以上行う請求項４または請求項５に記載のホットプレス加工を施した鋼板部材の製造方法。
7. 前記加熱工程の前に、前記原料鋼板に圧延率30％以上の冷延加工を行っている請求項４〜６のいずれか１項に記載のホットプレス加工を施した鋼板部材の製造方法。