JP6424841B2 - 成形部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は耐遅れ破壊特性に優れた成形部材の製造方法に関する。本発明は、自動車骨格部材、補強部材等の製造に好適である。

近年、地球環境の保全の見地から、自動車の燃費向上が重要な課題となっている。このため、車体材料の薄肉化により車体そのものを軽量化しようとする動きが活発となってきている。一方、車両衝突時の乗員保護の観点からは、高強度化による自動車車体の安全性向上も要求されている。自動車車体の軽量化と強化を同時に満足させるためには、部品素材を高強度化かつ薄肉化することが有効であり、最近では引張強さ（ＴＳ）が１１８０ＭＰａ以上の高強度の薄鋼板（以下、薄鋼板を単に鋼板とも称する）が自動車骨格部材、補強部材等に使用され始めている。

しかしながら、非特許文献１に記載されているように、ＴＳが１１８０ＭＰａ以上の高強度鋼板は、低強度の鋼板に比べ、自動車の製造時や使用時に鋼板から成形した部材に侵入する水素に起因して遅れ破壊が生じる可能性が高くなる。このため、ＴＳが１１８０ＭＰａ以上の高強度鋼板の適用は限定的となっている。

特に、自動車部材の製造において、通常、冷間成形用の素材（ブランク板）となる鋼板は剪断加工により採取され、また、冷間成形を施した後、得られた部材に対してさらに剪断加工により所定の形状にトリムを行ったり、部分的に穴あけ加工を行って使用され場合も多い。遅れ破壊は上記の剪断加工により生じる剪断端面を起点として生じることが多く、このような剪断端面を起点とした遅れ破壊を抑制することが重要となっている。

耐遅れ破壊特性に優れる自動車部材用高強度薄鋼板の製造として、従来、特許文献１〜５に記載の技術がある。

特許文献１〜３では、ＣａやＭｇ、Ｍｏ、Ｖなどの元素を添加することで、耐遅れ破壊特性を向上させている。また、特許文献４、５では、鋼組織を限定することで耐遅れ破壊特性を向上させようとしている。

また、特許文献６では高強度機械構造用鋼にショットピーニング処理を行うことにより耐遅れ破壊特性を向上させる技術が開示されている。

特開２００３−１６６０３５号公報 特開２００４−３５９９７４号公報 特許第３４０６０９４号公報 特許第３４２４６１９号公報 特開２００５−２２０４４０号公報 特開平７−２９２４３４号公報

吉野、田路、高木、長谷川：鉄と鋼，Ｖｏｌ．９９，（２０１３），ｐ３０２．

しかしながら、上記特許文献１〜５で開示された技術では素材である鋼板表面や成形した部材の平坦面からの耐遅れ破壊特性は向上するものの、剪断端面を起点とした遅れ破壊の抑制に対しては十分ではない。また、特許文献１〜３はいずれも耐遅れ破壊特性を向上させるためにＣａやＭｇ、Ｍｏ、Ｖなどの特殊な元素の添加を必須としている。このため、鋼板製造コストが増大するという課題がある。特許文献４および５は、鋼組織を限定する必要があり、汎用的な耐遅れ破壊特性の改善には至っていない。また、特許文献１〜５に開示されるように、素材である鋼板の成分や組織を工夫するのではなく、他の着眼点に基づく耐遅れ破壊特性の向上手法が求められている。

さらに、特許文献６で開示された技術は鋼素材にショットピーニング処理を施すことにより水素の侵入を抑制し耐遅れ破壊特性を向上させる技術である。しかし、薄鋼板を用いた成形部材のように冷間成形や剪断加工が加えられる場合は素材鋼板にショットピーニング処理を施しても部材での耐遅れ破壊特性向上にはつながらない。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものである。冷間成形の素材となる高強度鋼板の成分や組織に厳しい制約をすることなく、冷間成形部材の剪断端面を起点とした遅れ破壊に対する耐遅れ破壊特性に優れる成形部材の製造方法を提供することを本発明の課題とする。

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた。その結果、冷間成形部材の剪断端面にショットピーニング処理を施し、端面の引張りの残留応力を低減することで冷間成形部材の剪断端面からの耐遅れ破壊が顕著に抑制されるという知見を得るに至った。この知見に基づきさらに検討を重ねて、本発明者らは本発明を完成するに至った。本発明の要旨は以下の通りである。

［１］引張り強度が１１８０ＭＰａ以上の鋼板を用いて冷間成形する工程と、冷間成形後の部材において剪断により生じた剪断端面の一部または全てにショットピーニング処理を施す工程と、を含む成形部材の製造方法。

［２］前記鋼板が剪断加工により採取したものである［１］に記載の成形部材の製造方法。

［３］冷間成形後の部材に剪断によりトリムおよび／または穴あけ加工を行った後に、加工後の成形部材の剪断端面の一部または全てにショットピーニング処理を施す［１］または［２］に記載の成形部材の製造方法。

［４］前記ショットピーニング処理において、投射材の投射速度が５０ｍ／ｓ以上、投射材の粒径が０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下で投射材の硬度がＨｖで４００以上である［１］〜［３］のいずれかに記載の成形部材の製造方法。

［５］前記ショットピーニング処理した領域におけるカバー率が３０％以上である［１］〜［４］のいずれかに記載の成形部材の製造方法。

［６］前記ショットピーニング処理の後において、剪断端面における厚み方向に対して垂直方向の残留応力が２００ＭＰａ以下である［１］〜［５］のいずれかに記載の成形部材の製造方法。

本発明では、残留応力について、引張の残留応力を「＋」、圧縮の残留応力を「−」で表現し、残留応力を連続的に表現する。

本発明によれば、ＴＳが１１８０ＭＰａ以上の鋼板を冷間成形によって目的の形状に成形し製造される成形部材について、該成形部材の剪断端面にショットピーニング処理を施すことで特殊な成分の添加や鋼組織の限定をすることなく剪断端面からの耐遅れ破壊特性に優れる高強度部材を提供することが可能となる。

図１は、冷間成形部材の製造工程を例示する模式図である。 図２は、実施例における遅れ破壊特性試験の模式図である。 図３は、剪断端面の残留応力と塩酸浸漬における破壊までの時間の関係を示す図面である。 図４は、実施例における冷間成形後の部材の模式図である。 図５は、実施例における、遅れ破壊評価サンプルの模式図である。 図６は、剪断端面の残留応力と塩酸浸漬における破壊までの時間の関係を示す図面である。

以下に、本発明の実施形態を説明する。

図１に、本発明実施形態の製造工程を模式的に示す。ＴＳ：１１８０ＭＰａ以上の鋼板から剪断加工（剪断加工部を太線で示してある）により採取したブランク板を用いて冷間成形を行い、その後、剪断端面にショットピーニング処理を施す（図１左側列）。または、剪断加工の他、機械加工やレーザー加工など種々の方法でＴＳ：１１８０ＭＰａ以上の鋼板から採取したブランク板を用いて冷間成形を行い、その後、剪断により外形トリムおよび／または穴あけ加工を行った後、剪断端面にショットピーニング処理を施す（図１右側列）。ブランク板を剪断加工により採取し、冷間成形し、さらに剪断により外形トリムおよび／または穴あけ加工を行い、その後、剪断端面にショットピーニング処理を施してもよい。

冷間成形はプレス成形の他、ロール成形や曲げ成形などで行ってもよい。

剪断加工は打抜きの金型を用いたり剪断機を用いるなど種々の方法で行うことができ、その際のクリアランスやレーキ角なども特に限定されない。抜き刃損傷抑制の観点から、クリアランスは鋼板板厚の５〜２０％程度とすることが望ましい。

冷間成形用の素材となる鋼板はＴＳが１１８０ＭＰａ以上である。これにより、部品素材の高強度化かつ薄肉化を実現する。ＴＳは素材である鋼板を用いた引張試験により求める。また、素材である鋼板の厚さは０．６〜５．０ｍｍが好ましい。

剪断端面へのショットピーニング処理は冷間成形後の成形部材に対して行う。成形部材の平坦面垂直方向や剪断端面垂直方向、その間の方向など、どの方向から行っても良い。剪断端面を起点とした遅れ破壊の抑制には剪断端面垂直方向からショットピーニング処理を行うのが好ましい。成形部材の平坦面垂直方向からショットピーニング処理を行う場合は、剪断端面から少なくとも１０ｍｍ程度までの領域にショットピーニング処理を行うことで本発明の効果が得られ、それ以外の領域にショットピーニング処理を施しても問題はない。本発明において、剪断端面にショットピーニング処理を施すとは、剪断端面垂直方向からショットピーニング処理を行う場合、剪断端面から少なくとも１０ｍｍ程度までの領域にショットピーニング処理を行う場合のいずれも含む。

ショットピーニング処理を行う装置は、遠心式や空気式などいずれの装置を用いても良い。

ショットピーニング処理における投射材の投射速度、投射時間、材質、硬度、径などは限定をするものではなく常法に従って行えばよい。

例えば、投射速度は５０ｍ／ｓ（時間をあらわすｓは秒を意味する）以上が好ましい。投射速度が５０ｍ／ｓ未満では剪断時に端面に導入される引張りの残留応力の低減が不十分となるおそれがある。

また、投射材の硬度はビッカース硬度Ｈｖで４００以上が好ましい。投射材の硬度がビッカース硬度で４００未満では成形部材の硬度に対して投射材の硬度が不十分となり剪断端面の引張り残留応力の低減が不十分となるおそれがある。なお、投射材のビッカース硬度はマイクロビッカース硬度試験により求める。

また、投射材の粒径は０．１〜２ｍｍが好ましい。投射材の粒径が０．１ｍｍ未満では運動エネルギーが小さすぎて十分な効果が得られないおそれがあり、２ｍｍを超えると表面荒れがひどくなったり成形部材の形状が悪化したりするおそれがある。

また、剪断端面においてショットピーニング処理をした領域におけるショットピーニングのカバー率は３０％以上が好ましく、７０％以上がより好ましい。ショットピーニング処理の時間については特に限定しないが、本発明の効果を得るためには、カバー率が３０％以上となるまで処理を行うことが好ましい。カバー率とはショットピーニング処理を施す領域の処理前の面積に対して、処理後により投射材が衝突して表面が変形した部分の面積の割合いである。

ショットピーニング処理後において、剪断端面における厚み方向に対して垂直方向の残留応力が圧縮応力であることが好ましい。

剪断端面における厚み方向に対して垂直方向の残留応力は、剪断時の加工により剪断ままでは通常引張り応力となる。遅れ破壊は引張り応力下で発生しやすく、剪断端面で遅れ破壊が生じやすいのはこのような引張りの残留応力に起因していると考えられる。剪断端面にショットピーニング処理を施すことにより耐遅れ破壊特性が向上するのは、このような剪断時の引張りの残留応力が低減するためで、剪断端面における厚み方向に対して垂直方向の引張りの残留応力が２００ＭＰａ以下となることが好ましい。いいかえれば、本発明においてショットピーニング処理を施す剪断端面は、少なくとも厚み方向に対して垂直方向の残留応力が２００ＭＰａを超える剪断端面であることが好ましい。さらに残留応力が圧縮応力になることでその効果が顕著となる。

本発明において、ショットピーニング処理後における、剪断端面における厚み方向に対して垂直方向の残留応力はＸ線回折法により求める。回折線はＣｒのＫα線（管電圧３０ｋＶ、管電流１０ｍＡ、ビーム径１ｍｍ）の（２１１）反射であり、傾斜法により残留応力を求める。回折角度の変化を残留応力に換算する際の応力定数としては−３１７．９１ＭＰａ／ｄｅｇを用いる。

冷間成形の素材となる鋼板については、引張り強さＴＳが１１８０ＭＰａ以上となるように製造されていればよい。引張強さＴＳは後述の実施例に記載の方法で測定する。鋼板は熱延鋼板、冷延鋼板のいずれでもよく、表面にＺｎやＡｌなどのめっきが施されていても構わない。下記に鋼板の成分組成例や鋼組織の例について記載するが、冷間成形の素材となる鋼板は下記の内容に限定されるものではない。以下の説明において、成分組成の質量％は単に％と記載する。

ＴＳを１１８０ＭＰａ以上とするためには、Ｃは０．１０％以上が好ましい。また、Ｃが０．５％を超えると靭性が低下する。このため、Ｃは０．１０％以上０．５％以下が好ましい。含有量の上限側についてより好ましくは０．３％以下である。

その他の元素の好ましい範囲は以下の通りである。
Ｓｉ：３．０％以下、Ｍｎ：０．５〜１０％、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１〜１．５％、Ｎ：０．０２％以下、Ｏ：０．０１％以下。

さらに必要に応じてその他の元素を下記のように含有することも可能である。
Ｔｉ：０．３％以下、Ｎｂ：０．２％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｃｒ：１％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｓｂ：０．０３％以下から選ばれる１種以上。

通常、上記以外の残部はＦｅおよび不可避的不純物とする。不可避的不純物としては、例えばＳｎ、Ｚｎ、Ｃｏ等があげられる。また、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｒ、ＲＥＭについても通常の鋼組成の範囲内で含有してもその効果は失われない。

鋼組織としては、ＴＳを１１８０ＭＰａ以上とするためには、高強度化に寄与するマルテンサイト（焼戻しマルテンサイトを含む）およびベイナイトを合計で５０％以上とすることが好ましい。マルテンサイトおよびベイナイト以外の相としては、フェライト、パーライト、残留オーステナイトなどがあり、必要とする鋼板の特性に応じてこれらを適宜含んでも構わない。特に、フェライトおよび残留オーステナイトは鋼板の延性向上に有効な相であり、プレス成形において延性が必要な場合は、これらの相をそれぞれ３〜５０％含有させることが好ましい。鋼組織は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた鋼板の断面組織観察により面積率で求める。

本発明により製造された成形部材は、自動車骨格部材、補強部材等に用いられることが好ましい。特に自動車の耐衝突特性向上への寄与が大きく成形部材の高強度化の必要性が高い、センターピラー、フロントピラー、サイドシル、ルーフレール、クロスメンバー、フロントサイドメンバー、リヤサイドメンバー、バンパー、ドアインパクトビームなどの部品への適用が有効となる。

以下、本発明を、実施例に基づいて具体的に説明する。本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されない。

（実施例１）
表１に示す成分組成（単位は質量％、残部はＦｅおよび不可避的不純物）の鋼スラブを連続鋳造により製造し、１２５０℃まで再加熱後、仕上げ圧延温度８５０℃、巻取り温度６００℃で、板厚２．８ｍｍまで熱間圧延を行った。さらに酸洗後、冷間圧延を施して板厚１．４ｍｍの冷延板とし、次いで８００〜９００℃に加熱しその温度域で３００〜９００秒間保持した後、
鋼種Ａ、Ｂについては、平均冷却速度１０℃／ｓで６００〜７５０℃の温度域まで徐冷した後、室温まで水冷し、その後、１５０〜２５０℃で１０分間焼戻し処理を施した。
また、鋼種ＣおよびＧについては、平均冷却速度２０℃／ｓで３５０〜４５０℃まで冷却した後、その温度域で１０分間保持し、その後室温まで冷却した。
さらに、鋼種Ｄ〜Ｆについては、平均冷却速度２０℃／ｓで１５０〜３００℃まで冷却した後、３５０〜４５０℃まで再加熱し、その温度域で１０分間保持し、その後室温まで冷却した。

得られた各鋼板に伸び率０．２％で調質圧延を施した。このように製造した冷延鋼板を用いて、引張り強度、遅れ破壊特性を調査した。各試験方法の詳細は以下の通りである。

（引張り試験）
引張方向が鋼板の圧延方向と直角方向となるようサンプル採取したＪＩＳ５号試験片を用いて、ＪＩＳＺ２２４１に準拠した引張試験を行ない、ＴＳ（引張強さ）を求めた。その結果を表２に示す。

（遅れ破壊特性の試験）
本実施例で行った遅れ破壊試験のサンプル作製方法について、図２に模式的に示す。上記冷延鋼板から、長手を圧延方向に垂直にして採取した１００ｍｍ×３０ｍｍの試験片を用いた。試験片は剪断加工により採取した（図２において、剪断端面は「端面」と表示してある）。剪断加工は板厚の１５％のクリアランスで、両方の長辺のバリが同じ向きになるように行った。

得られたサンプルを用いて、曲げ径１０ｍｍでバリが外側になるようにＵ曲げ加工を施した後、スプリングバック分をボルトで締め付けることによって応力負荷し、その後、剪断端面にショットピーニング処理を施した。比較としてショットピーニング処理を施していないサンプルも評価した。このような曲げ加工やボルト締め込みによる応力負荷は、実際の成形部材の製造における冷間成形や成形部材への残留応力の導入を模擬している。

投射材の投射方向は、試験片の板面に垂直方向、剪断端面に垂直方向の各条件で行った。投射時間は目視でカバー率が９０％以上となるまで行った。図２の模式図では分かりやすくするためショットピーニング処理を片側の剪断端面にのみ施すようになっているが、実際には両側の剪断端面にショットピーニング処理を施した。

その後、Ｘ線回折法により、剪断端面における板厚方向に対して垂直方向の残留応力を測定した。Ｘ線回折はＣｒを線源とし、板厚の８０〜１２０％のビーム径で行った。

得られたサンプルを０．１規定の塩酸中に浸漬し、破壊までの時間を測定した。破壊判定は目視で行い、９６時間浸漬し割れが発生しなかった場合を破壊なしとした。試験はサンプル数Ｎ＝３で行い、そのうちの最短の割れ発生時間を破壊時間とした。

各試験におけるショットピーニング処理の有無、ショットピーニング処理条件、剪断端面の残留応力、破壊の有無および破壊した条件では破壊までの時間を表２に示す。残留応力は、引張りの応力をプラス、圧縮の応力をマイナスで示している。

図３に本実施例における端面の残留応力と遅れ破壊試験の破壊までの時間との関係を示す。図中の矢印は９６時間浸漬しても破壊しなかったことを示す。ショットピーニング処理を施さない場合は剪断端面に高い引張りの応力が残留し、遅れ破壊試験において破壊が生じている。それに対して本発明例ではショットピーニング処理を施すことにより剪断端面の引張りの残留応力が低減し破壊は生じない。

（実施例２）
実施例１と同様の条件で製造した冷延鋼板を用いて２００ｍｍ×３００ｍｍのブランク板をクリアランス１５％の剪断加工により打抜き（剪断加工部を太線で示してある）、図４に示すハット形状部材に冷間プレス成形を行った。

図４に示すハット形状はプレスの下死点における形状で、プレス終了後、離型することでスプリングバックが生じる。そのスプリングバックした部材を用いて下死点での形状になるように締め込んだ状態で背板をスポット溶接して図５に示す形状のサンプルを作製した。背板には板厚１．４ｍｍのＴＳ：５９０ＭＰａ級鋼板を用い、スポット溶接の間隔は３０ｍｍとした。

得られたサンプルの剪断端面にショットピーニング処理を施して遅れ破壊評価サンプルとした。投射時間は目視でカバー率が９０％以上となるまで行った。比較としてショットピーニング処理を施さない遅れ破壊評価サンプルも用いた。

その後、Ｘ線回折法により、剪断端面における板厚方向に対して垂直方向の残留応力を測定した。Ｘ線回折はＣｒを線源とし、板厚の８０〜１２０％のビーム径で行った。

得られた遅れ破壊評価サンプルを０．１規定の塩酸中に浸漬し、破壊までの時間を測定した。破壊判定は目視で行い、最長で９６時間浸漬し割れが発生しなかった場合を破壊なしとした。試験はＮ＝３で行い、そのうちの最短の割れ発生時間を破壊時間とした。

各試験におけるショットピーニング処理の有無、ショットピーニング条件、剪断端面の残留応力、破壊の有無および破壊した条件では破壊までの時間を表３に示す。残留応力は、引張りの応力をプラス、圧縮の応力をマイナスで示している。

図６に本実施例における剪断端面の残留応力と遅れ破壊試験の破壊までの時間との関係を示す。図中の矢印は９６時間浸漬しても破壊しなかったことを示す。ショットピーニング処理を施さない場合は剪断端面に高い引張りの応力が残留し、遅れ破壊試験において破壊が生じている。それに対して本発明例ではショットピーニング処理を施すことにより剪断端面の引張りの残留応力が低減し破壊は生じない。

Claims (6)

1. 引張り強度が１１８０ＭＰａ以上の鋼板を用いて冷間成形する工程と、
   冷間成形後の成形部材において剪断により生じた剪断端面の一部または全てにショットピーニング処理を施す工程と、を含み、前記ショットピーニング処理の後において、剪断端面における厚み方向に対して垂直方向の残留応力が２００ＭＰａ以下である成形部材の製造方法。
2. 前記鋼板が剪断加工により採取したものである請求項１に記載の成形部材の製造方法。
3. 冷間成形後の部材に剪断によりトリムおよび／または穴あけ加工を行った後に、加工後の成形部材の剪断端面の一部または全てにショットピーニング処理を施す請求項１または２に記載の成形部材の製造方法。
4. 前記ショットピーニング処理において、投射材の投射速度が５０ｍ／ｓ以上、投射材の粒径が０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下で投射材の硬度がＨｖで４００以上である請求項１〜３のいずれかに記載の成形部材の製造方法。
5. 前記ショットピーニング処理した領域におけるカバー率が３０％以上である請求項１〜４のいずれかに記載の成形部材の製造方法。
6. 前記ショットピーニング処理の後において、前記ショットピーニング処理した剪断端面は、厚み方向に対して垂直方向の残留応力が２００ＭＰａ以下である請求項１〜５のいずれかに記載の成形部材の製造方法。

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