JP6854271B2 - ホットスタンピングに使用される鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、ホットスタンピングに使用される新たな鋼板、ホットスタンピングプロセスおよびそこから作られる超高強度・靭性の成形コンポーネントに関し、より具体的には、車両用の安全構造コンポーネントおよび補強コンポーネントとして、および車両用のその他の高強度・靭性コンポーネントとして使用するためにホットスタンピングプロセスによって高強度・靭性コンポーネントを製造するホットスタンピングに使用される新たな鋼板に関する。

省エネルギー、安全性および環境保護は、世界的に現在の車両開発の主題であり、車両の軽量化は非常に重要な役割を果たす。高強度鋼の使用は、重量軽減および安全性のために必然的な傾向である。しかしながら、鋼材の強度の増大は、一般に、加工特性の低減に繋がる可能性があり、車両設計に必要な複雑な形状のコンポーネントを成形することを困難にすると同時に、高強度鋼を冷間成形する場合はスプリングバックが深刻な問題であるため、スタンピングされたコンポーネントのサイズおよび形状を正確に制御することが困難であり、金型が高強度鋼材の冷間スタンピングプロセス中に著しく摩耗し、スタンピングコストが増大する。

高強度鋼を冷間スタンピングする問題を解決するため、ホットスタンピングまたは熱間成形と呼ばれる、１０００ＭＰａ以上の強度を有する車両コンポーネントを製造するための成形方法が成功裏に開発され、大規模に商業利用されている。この方法のステップは、８５０℃から９５０℃のオーステナイト領域に鋼板を加熱することと、高温でのスタンピングによって成形されるように、冷却システムを備える金型に鋼板を入れるステップとを含む。この温度では、この材料は、たった２００ＭＰａまでの強度と、４０％を超過する伸び率、および良好な加工特性を有し、車両設計に必要な複雑なコンポーネントに成形されることができ、また、スプリングバック量が小さく、成形精度が高い。この鋼板は、フルマルテンサイト構造の高強度の成形コンポーネントを得るためにスタンピング時にプレスハードニングを受ける。

むき出しの鋼は、熱間成形の過程で酸化する可能性があり、鋼の表面品質および金型に影響を及ぼすことになる。しかしながら、従来の鋼板の亜鉛めっき技術は、ホットスタンピングプロセスの条件を満たすことができない。米国特許第６２９６８０５号明細書（特許文献１）は、ホットスタンピングに使用されるアルミニウムまたはアルミニウム‐ケイ素合金で被覆した鋼板を提供する。マトリクス材中の鉄が、ホットスタンピングおよび加熱処理中に、アルミニウム被膜に拡散し、鉄‐アルミニウム合金被膜を形成することができる。オーステナイト化加熱温度では、鉄‐アルミニウム被膜は酸化されず、ホットスタンピング処理の間中、鋼板を酸化から効果的に保護することができ、この被膜は、使用中の成形コンポーネントの耐腐食性において一定の向上をなすことができる。従って、この鋼板は、商業的目的で広く使用されている。しかしながら、従来の亜鉛めっき鋼板と比べて、このアルミニウム‐ケイ素被膜は、電気化学的腐食からは保護することができない。
欧州特許第１１４３０２９号明細書（特許文献２）は、亜鉛または亜鉛合金で熱間圧延鋼板を被覆することによって形成された亜鉛めっき鋼板を用いてホットスタンピングコンポーネントを製造するための方法を提供する。しかしながら、亜鉛めっき被膜は、約７８０℃という相対的に低い溶融点を有し、亜鉛が蒸発する可能性があり、亜鉛‐鉄被膜は、熱間成形プロセス中に溶融する可能性があり、結果的に、液体に起因する脆化が生じ、熱間成形鋼の強度が低下する可能性がある。

中国特許第１０３３９２０２２号明細書（特許文献３）は、焼入れおよび分配プロセスに基づいて提供されるホットスタンピング技術を提供し、より高い強度および伸びを実現することができるが、この技術は、通常、冷却温度が１００℃から３００℃の範囲内に制御されることを必要とし、部品に対する温度均一性を制御することが困難になりかつ生産プロセスが複雑になり、従って、ホットスタンピングコンポーネントの実際の生産には不利であり、オーステナイト化熱処理のための温度はかなり高く、亜鉛めっき板のホットスタンピングには好ましくなく、多くのエネルギーを消費する。

中国特許第１０１５４５０７１号明細書（特許文献４）は、新規のホットスタンピング鋼板を提供し、オーステナイト化加熱温度は、５０℃まで低減させることができ、ある程度は生産コストの低減につながる可能性がある。しかしながら、ホットスタンピング鋼の強度・靭性は、従来の２２ＭｎＢ５ホットスタンピング材と比べて大きくは向上しない。

中国特許第１０２１２７６７５号明細書（特許文献５）は、ホットスタンピング温度を低減させることができる合金設計およびスタンピング方法を提供している。この方法は、ホットスタンピング温度が低下した条件下で、７３０℃から７８０℃までの温度に材料を加熱し、この材料をスタンピングして、Ｍｓ点よりも３０℃から１５０℃低い温度に冷却し（すなわち、大抵の場合、１５０℃から２８０℃に冷却され）、次に、この材料を１５０℃から４５０℃までの温度にさらに過熱して、この温度を１分間から５分間維持し、マルテンサイトから残留オーステナイトに炭素を分配することによってこの材料を最終的な状態に安定化させることを含む。この方法を適用することにより、残留オーステナイトの変態誘起塑性（ＴＲＩＰ）効果に基づいて、ホットスタンピング材の延性を増大させることができるが、この材料の降伏強度は、伸び率が１０％を超過する時に、１１５０ＭＰａ未満に制限される。この方法では、このコンポーネントは、１５０℃から４５０℃までの温度に加熱されてその温度に維持される前に、１５０℃から２８０℃までの特定の温度に冷却されなければならず、従って、このコンポーネントの温度精度および均一性はほとんど制御することができず、またはその焼入れ温度を制御するために複雑な生産プロセスが必要になり、ホットスタンピングコンポーネントの実際の生産には不利である。

米国特許第６２９６８０５号明細書 欧州特許第１１４３０２９号明細書 中国特許第１０３３９２０２２号明細書 中国特許第１０１５４５０７１号明細書 中国特許第１０２１２７６７５号明細書

本発明の目的は、ホットスタンピングに使用される鋼板、ホットスタンピングプロセスおよびそこから作られる成形コンポーネントを提供することである。この鋼板のマルテンサイト変態開始温度は、コンポーネントの超高強度と靭性との間の調和を得るためにより低い温度での焼入れを確実にするために、比較的に低い。この材料のマルテンサイト変態開始温度点（Ｍｓ）は２８０℃以下になるように設計されているため、本発明のホットスタンピングプロセスでは、焼入れ温度は、大抵の場合、マルテンサイト変態開始温度点（Ｍｓ）よりも１５０から２６０℃低くなるように設定され、それによって、材料が、別に再加熱されてより高い温度に維持される前に、０から１００℃までの温度の媒体内で、例えば、空気内または冷水、温水または熱水内で好都合に冷却されることが可能になる。このようにして、温度制御は、コンポーネントに対する良好な温度均一性および精度で行うことが容易であり、均一かつ良好な構造特性を得ることができる。本発明では、スタンピングされたコンポーネントは、Ｍｓ点よりも１５０から２６０℃低い温度に直接冷却され（すなわち、大抵の場合、０から１００℃に冷却され）、次に、再加熱されてより高い温度で維持され、スタンピングされたコンポーネントの超高強度と靭性との間の調和を確実にする。その機械的特性は、１６００ＭＰａ以上の引張強度、１２００ＭＰａ以上の降伏強度と同時に１０％以上の伸び率に到達することができる。

本発明の一態様によれば、ホットスタンピングに使用される鋼板が提供される。この鋼板は、重量パーセントで０．１８〜０．４２％のＣ、４〜８．５％のＭｎおよび０．８〜３．０％のＳｉ＋Ａｌを含み、残りはＦｅおよび不可避の不純物であり、当該鋼板の前記合金元素は、ホットスタンピング後の当該鋼板のマルテンサイト変態開始温度の実測値を≦２８０℃にすることができる。より小さな分率の残留オーステナイトでは、コンポーネントの延性を向上することにつながらないが、過剰な体積分率の残留オーステナイトは、オーステナイト安定性の低下を引き起こし、引張変形または衝突変形の過程でそのより早いＴＲＩＰ効果につながり、コンポーネントの強度・靭性を向上するには良くない。合理的な安定性および合理的な体積分率の残留オーステナイトを得るためには、合理的なマルテンサイト変態開始温度および対応する焼入れ温度を設計することが必要である。例えば空気によってまたは０℃から１００℃の水によってコンポーネントを冷却するために、本発明は、成形コンポーネントの焼入れ温度を０℃から１００℃の範囲の特定の温度に設定する。合理的な安定性および合理的な体積分率の残留オーステナイトを含有する高強度・靭性コンポーネントを得るために、本発明は、鋼板の合金元素を、マルテンサイト変態開始温度が≦２８０℃であるという要件を満たすように設計する。

本発明の鋼板は、高Ｍｎ設計に基づいており、Ｍｎ含有量は４％と８．５％の間、好ましくは５％と７．５％の間である。マンガンは、マルテンサイト変態開始温度を下げることができる。本発明の鋼におけるマンガンと炭素の結合は、材料のマルテンサイト変態開始温度を２８０℃以下に下げるように設計され、ホットスタンピングコンポーネントの冷却条件により、例えば室温冷却または温水焼入れの場合に、当該コンポーネントが合理的な体積分率のオーステナイトを残留させることができることを確実にし、当該コンポーネントの機械的特性を向上する。マンガンは、ホットスタンピングに使用される鋼のオーステナイト化温度を下げることができるため、ホットスタンピングに使用される亜鉛めっき鋼のオーステナイト化加熱温度は、ホットスタンピングプロセスにおいて７８０℃未満であることができ、亜鉛の液化および激しい酸化を抑制し、液体亜鉛脆化を回避し、同時に、低下したオーステナイト化温度によるエネルギーを節約する。Ｍｎはオーステナイトからフェライトへの転移を抑制する優れた効果を有するため、高いＭｎ含有量により、鋼の焼入れ性を向上することができる。しかしながら、本出願人は、過度に高いＭｎ含有量、すなわち、８．５％を超えるＭｎ含有量は、結果的に、焼入れ後の材料が脆弱なξマルテンサイトを形成することになり、それにより、鋼板の延性を低下させることを発見した。
従って、マンガンの上限は高過ぎず、好ましくは８．５％であるべきである。本出願人は、４と８．５％の間のＭｎ含有量が、高い焼入れ性と高い強度・靭性の最適な組み合わせを実現することができることを発見した。

本発明の好適な一実施形態によれば、この鋼板は、次の成分、すなわち、５％以下のＣｒ、２．０％以下のＭｏ、２．０％以下のＷ、０．２％以下のＴｉ、０．２％以下のＮｂ、０．２％以下のＺｒ、０．２％以下のＶ、２．０％以下のＣｕおよび４．０％以下のＮｉ、および０．００５％以下のＢのうちの少なくとも一つをさらに含む。本出願人は、これらの成分のうちの少なくとも一つと上記基本成分の組み合わせが、鋼のオーステナイト化温度を低下させ、さらに、マルテンサイト変態開始温度点を２８０℃以下に低下させることを確実にし、または元のオーステナイト粒径を微細化し、それにより、スタンピングコンポーネントの機械的特性が、１６００ＭＰａ以上の引張強度と、１２００ＭＰａ以上の降伏強度と同時に１０％以上の伸び率に到達することができるように、スタンピングされたコンポーネントの超高強度と靭性との間の調和をさらに確実にすることを発見した。

本発明の好適な一実施形態によれば、この鋼板は、熱間圧延鋼板、冷間圧延鋼板、または被膜を備える鋼板を含む。この被膜を備える鋼板は、金属亜鉛皮膜が形成された熱間圧延鋼板または冷間圧延鋼板である亜鉛めっき鋼板でよい。この亜鉛めっき鋼板は、溶融亜鉛めっき（ＧＩ）鋼板、ガルバニール（ＧＡ）鋼板、亜鉛電気めっき鋼板または亜鉛鉄電気めっき（ＧＥ）鋼板からなる群から選択される一つを含む。この被膜を備える鋼板は、アルミニウム‐ケイ素被膜が形成された熱間圧延鋼板または冷間圧延鋼板、または有機被膜を備える鋼板、またはその他の合金被膜を備える鋼板でよい。

本発明の第二の態様によれば、ａ）上記第一の態様に記載のいずれかのコンポーネントの鋼板またはその予め成形されたコンポーネントを提供するステップ、ｂ）当該鋼板またはその予め成形されたコンポーネントを７００から８５０℃までの温度に加熱するステップ、ｃ）成形コンポーネントを得るために当該加熱された鋼板またはその予め成形されたコンポーネントをスタンピング用の金型に移すステップ、およびｄ）マルテンサイト変態開始温度点よりも１５０から２６０℃低い温度に当該成形コンポーネントを冷却するステップを含むホットスタンピングプロセスも提供される。当業者は、この成形コンポーネントの温度を、マルテンサイト変態開始温度点よりも１５０から２６０℃低い温度に低下させることができる限り、金型内での冷却、または空気内での冷却、または０から１００℃の水による冷却などの任意の冷却方法を使用することができる、すなわち、冷却方法には制限が課されないことを理解すべきである。この冷却温度は、好ましくは、室温、またはそれよりも低い温度でよい。本発明の鋼板の加熱温度は、亜鉛めっき板がホットスタンピングによって成形されることもできること、さらにはホットスタンピングによって間接的に成形されることができることを確実にするために、７００から８５０℃までの温度に維持される。さらに、この加熱温度は相対的に低く、エネルギーを大きく節約し、高温加熱用の様々な設備のコストを削減することができる。本発明のホットスタンピングプロセスによれば、最も安価で最も容易に制御可能な焼入れ媒体である水が、ホットスタンピングプロセスに利用され、均一な温度および容易な制御性という有利な効果を達成することができるように、焼入れ温度は、当技術分野における従来の温度（例えば、中国特許第１０２１２７６７５号では上記のように１５０から２８０℃）と比べて大きく下げられ、空気による冷却または０から１００℃の水による冷却（すなわち、熱水による焼入れ）など、冷却制御方法をより柔軟にすることができるように、１００℃を下回るように制御されることができる。さらに、このプロセスは、熱エネルギーを節約し、高温焼入れ用の様々な設備のコストを削減することもできる。さらに、焼戻し熱処理前のコンポーネントの初期のオーステナイト体積分率は、本発明のホットスタンピングプロセスによって２３％未満に制御されることができる。

本発明の好適な一実施形態によれば、前記ステップｄ）の後に、焼戻し熱処理ステップも行われることができ、すなわち、前記成形コンポーネントの構造および特性を最適化するように、当該成形コンポーネントを１６０から４５０℃までの温度に加熱し、次に、当該温度を１から１０００００秒間維持し、次に、任意の冷却方法によってかつ任意の冷却条件下で当該成形コンポーネントを室温に冷却することにより、≧１２００ＭＰａの降伏強度、≧１６００ＭＰａの引張強度および≧１０％の伸び率を有する成形コンポーネントを得るために、変態マルテンサイトがオーステナイトに再変態されて、オーステナイト分率を最大３２％に増加し、次に、オーステナイトを安定させるために、炭素がマルテンサイトからオーステナイトに分配されることを可能にする。

本発明の好適な一実施形態によれば、この焼戻し熱処理ステップは、焼入れされた成形コンポーネントが一定期間置かれた後に行われることができ、すなわち、この焼戻し熱処理ステップは、必ずしも焼入れステップの直後に行われなくてもよい。当業者は、先行技術におけるＱＰ（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ−ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ：焼入れ・分配）プロセスが、コンポーネントの温度を焼入れ温度以上に維持するために、焼入れ温度が１００℃よりも高い温度に制御されることを必要とするため、成形コンポーネントは、２５０℃以上の分配温度に直ちに加熱されなければならず、プロセスの実施および生産ラインレイアウトには有益ではないことを理解すべきである。対照的に、本発明における焼入れ温度は、１００℃以下に下げられることができ、例えば、室温以下に制御されることができるため、本発明の焼戻し熱処理ステップは、必ずしも焼入れ直後に行われなくてもよく、例えば、当該コンポーネントは、焼き戻し熱処理の前に任意の期間室温に置かれることができ、実際のホットスタンピング産業において、生産ラインレイアウト、プロセスおよび生産進度の調整に寄与する。加えて、ホットスタンピングコンポーネントは、任意の場所で、例えば、ホットスタンピング生産ラインから遠く離れた熱処理場で、またはコンポーネントの輸送プロセス中に、または車両の最終組立ラインにおいて、焼戻し熱処理を受けることができる。

本発明の第三の態様によれば、上記第二の態様のいずれかのホットスタンピングプロセスによって上記第一の態様のいずれかの成分を有する鋼板から製造された成形コンポーネントが提供され、ステップｄ）の後のこの成形コンポーネントの微細構造は、体積で、３％から２３％の残留オーステナイト、１０％以下のフェライトを含み、残りはマルテンサイトである、または２％以下の炭化物をさらに含有する。さらに、この成形コンポーネントは、ステップｄ）の後に焼戻し熱処理を受けてよく、このときの成形コンポーネントの微細構造は、≧１２００ＭＰａの降伏強度、≧１６００ＭＰａの引張強度および≧１０％の全伸び率を有する成形コンポーネントを得るために、体積で、７％から３２％の残留オーステナイト、１０％以下のフェライトを含み、残りはマルテンサイトである、または２％以下の炭化物をさらに含有する。

本発明の好適な一実施形態によれば、この成形コンポーネントは、車両の安全構造コンポーネント、補強構造コンポーネントおよび高強度・靭性の車両構造コンポーネントのうちの少なくとも一つとして使用されることができる。具体的には、この成形コンポーネントは、Ｂピラー補強部、バンパー、車両ドアビームおよびホイールスポークのうちの少なくとも一つとして使用されることができる。当然のことながら、この成形コンポーネントは、軽量化および高強度または高強度および高延性を必要とする陸上車両用のあらゆるその他のコンポーネントにおいて使用されることもできる。

本発明の第四の態様によれば、ホットスタンピングコンポーネントの強度・靭性を向上するための熱処理方法であって、上記の鋼板またはその予め成形されたコンポーネントのいずれかを７００から８５０℃までの温度に加熱し、次に、成形コンポーネントを得るために当該鋼板またはその予め成形されたコンポーネントをスタンピングし、当該鋼板またはその予め成形されたコンポーネントは、前記温度範囲に１から１００００秒間維持されること、当該成形コンポーネントを、マルテンサイト変態開始温度点よりも１５０から２６０℃低い温度に冷却し、冷却速度が０．１から１０００℃／秒で、金型内での冷却、空気による冷却、および０℃から１００℃の水による冷却を含むこと、当該冷却された成形コンポーネントを、焼戻し熱処理のために再びＡｃ１以下の温度範囲に加熱し、当該成形コンポーネントを当該温度範囲に１から１０００００秒間維持すること、および当該成形コンポーネントを、任意の冷却方法によってかつ任意の冷却条件下で室温にさらに冷却することを含む方法も提供される。本発明の熱処理方法を使用することにより、焼入れ温度は、１００℃を下回る（熱水焼入れによって実現することができる）温度に制御されることができ、均一な温度および容易な制御性という有益な効果が得られる。さらに、この方法は、熱エネルギーを節約し、高温焼入れ用の様々な設備のコストを削減することもできる。さらに、変態マルテンサイトの一部をオーステナイトへと再変態させて、オーステナイト分率を、通常、最大で３２％に上昇させることができ、次に、オーステナイトを安定させるために炭素分配が行われてよい。

本発明の技術的課題解決法によれば、少なくとも次の利点を得ることができる。

１．先行技術と比べて、本発明の鋼板は、低いオーステナイト化温度と、１００℃未満になる可能性がある低い焼入れ温度を有し、温度制御、温度均一性、コンポーネントの均一な構造特性およびエネルギー節約にはより良好である。

２．組成設計に基づき、焼戻し‐分配プロセス中に、オーステナイト量は、好ましい条件下で明らかに増加し、新たに生成されたオーステナイトは、鋼の強度・靭性を向上するのに明らかに良好になるだろう。

３．先行技術における直接焼入れプロセスと比べて、本発明の鋼は、１２００ＭＰａ以上のより高い降伏強度を得、この高い降伏強度は、車両の構造コンポーネントの性能を向上する重要な指標である。

４．ホットスタンピングに使用される従来の鋼板と比べて、本発明の鋼板は、高い焼入れ性を有し、そのホットスタンピングコンポーネントは、１２００ＭＰａ以上の降伏強度、１６００ＭＰａ以上の引張強度および１０％以上の伸びを有する極めて高い強度・伸びの製品を得る。

本発明の鋼の熱間圧延板における残留オーステナイト量の変化を示す。 本発明の鋼の熱間圧延板における残留オーステナイト量の変化を示す。 本発明の鋼の冷間圧延板における残留オーステナイト量の変化を示す。 本発明の鋼の冷間圧延板における残留オーステナイト量の変化を示す。 本発明の熱処理後の本発明の鋼の一実施形態の微細構造を示す。 本発明の熱処理後の本発明の鋼の典型的なラス分布微細構造を示す。

実施形態を参照して本発明を詳細に説明する。実施形態は、例示的な技術的解決法を説明することが意図されており、本発明はこれらの実施形態に限定されない。

本発明は、亜鉛めっきされて直接ホットスタンピング成形されることができる鋼板と、その鋼板の成形コンポーネントとを提供し、かつその成形コンポーネントを生産するための方法と、ホットスタンピングコンポーネントの強度・靭性を向上するための熱処理方法とを提供する。この成形コンポーネントは、１２００ＭＰａ以上の降伏強度、１６００ＭＰａ以上の引張強度および１０％以上の伸び率を有し得る。この成形コンポーネントを生産するための方法は、相対的に低い加熱温度でよく、エネルギーを大きく節約することができる。この亜鉛めっき鋼板は、ホットスタンピングに直接使用され、十分な強度を維持することができる。製造時、この成形コンポーネントは、マルテンサイト変態開始温度点よりも１５０℃から２６０℃低い温度まで焼入れされ、室温に空冷または温水焼入れによって冷却されてよく、均一な温度および容易な制御性を実現する。

次の理由により、本発明の鋼の化学成分（重量パーセント）を規定する。

Ｃ：０．１８％から０．４２％
炭素は、侵入型固溶体によって鋼の強度を大きく増加することができる最も安価な強化元素である。そして炭素含有量の増加により、Ａｃ３が大きく低下し、それにより、加熱温度が低下してエネルギーが節約されることになる。炭素はマルテンサイト変態開始温度を大きく下げることができるが、マルテンサイト変態開始温度が≦２８０℃であるという合金設計の要件および鋼の微細構造への要件を満たさなければならず、かつ炭素は最も重要な侵入型固溶体の強化元素であるため、炭素含有量の下限は０．１８％である。しかしながら、炭素含有量が高過ぎると、鋼の溶接性が不十分になり、板の強度の著しい増加および靭性の低下につながる可能性があるため、炭素の上限は０．４２％である。好適な値は、０．２２％と０．３８％の間である。

Ｍｎ：４％から８．５％、Ｃｒ：５％以下
Ｍｎは、本発明において重要な元素である。Ｍｎは、良好な脱酸剤であり脱硫剤である。Ｍｎは、オーステナイト領域を拡大しかつＡｃ３温度を下げることができるオーステナイト安定化元素である。Ｍｎは、オーステナイトのフェライトへの変態を抑制することおよび鋼の焼入れ性を向上することに効果がある。Ｃｒは、耐酸化性および耐腐食性を向上することができ、ステンレス鋼における重要な合金元素である。Ｃｒは、適度に強力な炭化物形成元素である。Ｃｒは、オーステナイトにおける拡散速度が遅く、炭素拡散を抑制することができるため、固溶強化によって鋼の強度および硬度を向上するだけでなく、オーステナイトの安定性を向上し、鋼の焼入れ性を増加することができる。Ｃｒ含有量の増加により、焼入れ後の残留オーステナイト量を大きく向上することができる。鋼におけるＭｎおよびＣｒの割合は、マルテンサイト変態開始温度への合金設計の要件および鋼における炭素含有量に従って決定される。二つの元素すなわちＭｎおよびＣｒの一方および両方を添加することができる。加熱処理中の加熱温度を下げるために、Ｍｎの下限は、マルテンサイト変態開始温度が≦２８０℃であることを確実にするために４％に設定され、同時に、材料の完全なオーステナイト化温度（Ａｃ３）は、亜鉛めっき板がホットスタンピングによって成形されることができることを確実にするために≦７３０℃であることが保証される。過剰なＭｎの添加は、結果的に、焼入れ後の材料が脆弱なξマルテンサイトを生成する可能性があるため、Ｍｎの上限は８．５％に設定される。ＭｎとともにＣｒを添加することにより、材料のマルテンサイト変態開始温度および完全オーステナイト化温度をさらに下げる可能性があるが、Ｃｒは、Ｍｎと比べて、マルテンサイト変態開始温度および完全オーステナイト化温度を下げる能力が相対的に弱く、Ｍｎよりもコストが高いため、その上限は５％に設定される。Ｍｎは、好ましくは４．５から７．５％の範囲であり、Ｃｒは、コストがより高いため、好ましくは添加されない。

Ｓｉ＋Ａｌ：０．８％から３．０％
ＳｉおよびＡｌは、両方とも、炭化物の形成を抑制することができる。鋼が室温への焼入れ後にＡｃ１温度を下回る温度範囲に維持されると、ＳｉおよびＡｌは、両方とも、マルテンサイトにおける炭化物の析出を抑制し、マルテンサイトから残留オーステナイトに炭素を分配することができ、オーステナイトの安定性を向上しかつ鋼の強度延性を向上する。ＳｉおよびＡｌの添加が少なすぎると、ホットスタンピングの過程で炭化物の析出を十分には抑制することができないため、Ｓｉ＋Ａｌの下限は０．８％である。工業的生産において、過剰なＡｌは、連続鋳造においてノズルを詰まらせ、連続鋳造における困難を増す可能性があり、かつ、Ａｌは、材料のマルテンサイト変態開始温度および完全オーステナイト化温度を上昇させる可能性があり、本発明の鋼の構造温度制御の要件を満たさないため、Ａｌの上限は１．５％に設定される。高いＳｉ含有量は、鋼におけるより多くの不純物につながることになるため、Ｓｉの上限は２．５％に設定され、かつＳｉ＋Ａｌの上限は３．０％に設定される。Ｓｉの好適な値は、０．８から２％であり、Ａｌの好適な値は０．５％未満である。

不可避の不純物であるＰ、ＳおよびＮ
一般に、Ｐは、鋼において有害な元素であり、鋼の低温脆性を増大させ、溶接性を悪化させ、塑性を低下させかつ冷間曲げ特性を悪化させる可能性がある。一般的に言えば、Ｓも有害な元素であり、鋼の高温脆性を生じ、鋼の延性および溶接性を低下させる可能性がある。Ｎは、鋼において不可避の元素である。Ｎは、強化効果に関しては炭素と類似であり、焼付硬化において有用である。

ＭｏおよびＷ：２．０％以下
ＭｏおよびＷは、鋼の焼入れ性を向上し、鋼の強度を効果的に増大することができる。
加えて、鋼板が、高温成形プロセス中の金型との不安定な接触により十分には冷却されなくても、この鋼は、ＭｏおよびＷに由来する増大した焼入れ性により、適切な強度を依然として有する可能性がある。ＭｏおよびＷが２％よりも多い場合、さらなる効果は得ることができず、代わりにコストが上昇することになる。本発明の鋼における高いＭｎ含有量の設計は高い焼入れ性を有するため、好ましくは、コスト低下のため、さらなるＭｏおよびＷを添加する必要はない。

Ｔｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＶ：０．２％以下
Ｔｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＶは、鋼の結晶粒を微細化し、鋼の強度を増大し、鋼に良好な熱処理特性を付与する。Ｔｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＶは濃度が低過ぎると機能しないが、それらが０．２％を上回れば、不要なコストを増加させることになる。本発明の鋼は、ＣおよびＭｎの合理的な設計により、１６００ＭＰａを上回る強度および良好な延性を得ることができるため、好ましくは、コスト削減のため、さらなるＴｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＶを添加する必要はない。

Ｃｕ：２．０％以下、Ｎｉ：４％以下
Ｃｕは、強度および靭性を増大することができ、特に耐大気腐食性を増大することができる。Ｃｕ含有量が２％を上回る場合、加工性が悪化する可能性があり、熱間圧延時に液相が形成される可能性があり、亀裂を生じる。また、高いＣｕ含有量は、不要なコストの増大を招く可能性がある。Ｎｉは、鋼の強度を増大することができ、鋼の良好な塑性および靭性を維持することができる。Ｎｉの濃度が４．０％を上回る場合、コストが増大することになる。本発明の鋼は、ＣおよびＭｎの合理的な設計により、１６００ＭＰａを上回る強度および良好な延性を得ることができるため、好ましくは、コスト削減のため、さらなるＣｕおよびＮｉを添加する必要はない。

Ｂ：０．００５％以下
オーステナイト結晶粒界におけるＢの偏析は、フェライトの核生成を妨げ、鋼の焼入れ性を大きく向上し、熱処理後の鋼の強度を著しく向上する可能性がある。０．００５％を上回るＢ含有量は、明らかに向上をなすことができない。本発明の鋼における高いＭｎの設計は高い焼入れ性を有するため、好ましくは、コスト削減のため、さらなるＢを添加する必要はない。

本発明の目的は、１２００ＭＰａ以上の降伏強度、１６００ＭＰａ以上の引張強度および１０％以上の伸び率を有する鋼板を生産することである。この鋼板は、熱間圧延鋼板、冷間圧延鋼板、および亜鉛めっき鋼板を含む。焼戻し前の鋼板の微細構造は、体積で、３％から２３％の残留オーステナイト、１０％以下（０％を含む）のフェライトを含み、残りはマルテンサイトである、または２％以下の炭化物をさらに含有する。この鋼板は、亜鉛めっきされ、ホットスタンピングによって直接成形されることができる。

この成形コンポーネントを製造するための方法を説明する。この鋼板は、スタンピングによって加工され、ホットスタンピング前に７００から８５０℃まで、好ましくは７３０から７８０℃までの温度に加熱される。この鋼板の予め成形されたコンポーネントに関しては、冷間スタンピング後に、７００から８５０℃まで、好ましくは７３０から７８０℃までの温度に加熱される。その後、スタンピングされた鋼板は、金型内で、または空気によって、またはその他の冷却方法によって、マルテンサイト変態開始温度よりも１５０から２６０℃低い温度に冷却され、好ましくは室温から１００℃までの温度に冷却される。
次に、この成形コンポーネントの微細構造は、体積で、３％から２３％の残留オーステナイト、１０％以下（０％を含む）のフェライトを含み、残りはマルテンサイトである、または２％以下の炭化物をさらに含有する。残留オーステナイトが多過ぎると、この成形コンポーネントの微細構造は不安定になるが、マルテンサイト含有量が高過ぎると、残留オーステナイト量が不十分になり、炭化物が多量に形成されると、伸び率に関する本発明の要件が満たされないほどに、オーステナイトにおける炭素含有量が下がり、この成形コンポーネントの微細構造が不安定になる。熱間成形プロセス中に、変形に起因するフェライトが発生する可能性があり、フェライト量は、所望の強度を達成するためには１０％を超えるべきではない。

次に、スタンピングされたコンポーネントは、そのスタンピングされたコンポーネントが１から１００００秒間１６０から４５０℃までの温度に維持される焼戻し処理後に室温に冷却される。このときの焼戻しされた成形コンポーネントの微細構造は、体積で、７％から３２％の残留オーステナイト、１０％以下（０％を含む）のフェライトを含み、残りはマルテンサイトである、または２％以下の炭化物をさらに含有する。焼戻し処理時は、最終的な使用状態におけるコンポーネントが高い強度・靭性を得るために鋼において合理的なオーステナイト体積分率と安定性とを有するように、オーステナイトを安定させるためにマルテンサイトからオーステナイトに炭素が分配される。尚、本発明の焼戻し熱処理プロセスによれば、鋼におけるオーステナイトの体積百分率は、焼戻し前と比べて２％以上増加させることができる。

本発明の鋼における合金成分に対する設計は、鋼のマルテンサイト変態開始温度の実測値が≦２８０℃であるという要件を満たすことになる。合金元素の添加により、鋼のオーステナイト化温度は明らかに低下することになる。この鋼板またはこの予め成形されたコンポーネントは、７００から８５０℃まで、好ましくは７３０から７８０℃までの温度に加熱された後にスタンピングすることによって成形され、この鋼板は、１から１００００秒間その温度に維持される。次に、この鋼板は、マルテンサイト変態開始温度点よりも１５０から２６０℃低い温度に冷却され、好ましくは、１００℃を下回り、室温またはさらにそれよりも低い温度に冷却される。冷却方法は、金型内での冷却、空気、温水または冷水による冷却、又はその他の冷却方法を含み、冷却速度は、０．１から１０００℃／秒である。スタンピングされて冷却されたコンポーネントは、焼戻し熱処理のためにＡｃ１以下の温度範囲に再加熱され、この鋼板は、１から１００００秒間その温度範囲に維持される。この鋼板は、次に、任意の冷却方法によって、かつ任意の冷却条件下で室温に冷却される。この維持時間が１秒未満の場合、炭素が残留オーステナイトに十分に拡散されない可能性があり、１００００秒を超える場合は、オーステナイトが柔らかくなり過ぎる可能性があり、鋼板の強度が、設計の要件を満たすことができない程度まで低下する可能性がある。

焼戻し熱処理中に、炭素は、オーステナイトを安定化するためにマルテンサイトからオーステナイトへ分配され、鋼の強度・靭性を向上することができる。好ましい場合では、低温の焼戻し処理の後、鋼における残留オーステナイトの体積百分率は、焼戻し前と比べて明らかに２％以上増加することになる。新たに生成されたオーステナイトは、明らかに鋼の塑性を増加し、亀裂の拡大を防止することにつながり、それにより、鋼の強度・伸びの製品を大幅に強化する。

本発明の鋼板に基づく実験を説明する。表１に定められた元素を有する鋼塊を、１２００℃で１０時間温度を維持することによって均質化し、次に、１０００から１２００℃の間の温度に１時間維持し、次に、熱間圧延して熱間圧延板にするものとする。この熱間圧延板または熱間圧延酸洗板は、６００から７００℃までの温度に５から３２時間維持し、熱間圧延板の強度を下げるために、疑似バッチ焼きなましが行われ、冷間圧延に有利である。次に、熱間圧延酸洗板または熱間圧延酸洗焼きなまし板が、１．５ｍｍに冷間圧延される。表１では、Ｎｏ．ＩＳ１からＩＳ１１までが本発明の鋼であり、Ｎｏ．ＣＳ１からＣＳ５までが先行技術に記録された成分を含有する対比的な鋼である。

次に、上記成分を含有する鋼板を、表２に示すプロセスパラメータを使用するホットスタンピングによって成形する。具体的には、本発明の鋼板またはその予め成形したコンポーネントを、炉内で７００から８５０℃（ＡＴ）までの温度に加熱し、１０分間その温度に維持し、次に、ホットスタンピング用の金型に変形し、その成形コンポーネントを、空気によってまたはその他の方法によって１００℃（ＱＴ）を下回る温度まで冷却する。一定期間の後、その加工された成形コンポーネントを、１８０から５００℃（ＴＴ）までの温度に加熱し、焼戻し処理のために一定期間その温度に維持し、次に、室温に冷却する。
さらに、対比的な鋼板を、表３に示す先行技術におけるホットスタンピングプロセスのパラメータに従って成形して熱処理する。尚、表２および３において、ＩＳは本発明の鋼であり、ＡＴはオーステナイト化温度であり、ＴＴは焼戻し温度であり、Ｍｓはマルテンサイト変態開始温度である。これらの表における平衡温度Ａｅ１およびＡｅ３は、熱力学ソフトウェアＴｈｅｒｍａｌ−ｃａｌによって鋼の成分に従って計算される。

上記の熱間成形および熱処理プロセスの後、異なる鋼の機械的特性および室温における対応する熱処理プロセスを分析し、その結果を表４に示す。表４におけるＩＳは、この場合も本発明の鋼を示し、ＣＳは対比的な鋼を示す。さらに、ＹＳは降伏強度を示し、ＴＳは引張強度を示し、ＴＥは全伸び率を示し、ＨＲは熱間圧延鋼であり、ＣＲは冷間圧延鋼である。さらに、表４における引張試料は、５０ｍｍゲージ長を有するＡＳＴＭ規格の試料であり、引張機械特性試験のひずみ速度は５×１０^−４である。

表４に示す機械的特性からは、本発明のホットスタンピングプロセスによって本発明の成分を有する鋼板から、強度と伸びの優れた組み合わせを有する成形コンポーネントが作られることができることが分かる。具体的には、この鋼板は、≧１２００ＭＰａの降伏強度、≧１６００ＭＰａの引張強度および≧１０％の全伸び率を有する成形コンポーネントを作ることができる。対照的に、先行技術におけるホットスタンピングプロセスによって先行技術における成分を有する鋼板から作られた成形コンポーネントは、総合的性能が低く、伸び率が１０％を上回る時のその降伏強度は１２００ＭＰａ未満である。降伏強度は、車両の安全構造コンポーネントの性能を評価する重要なパラメータであるため、本発明のホットスタンピングプロセスによって本発明の鋼板から作られた成形コンポーネントは、既存の技術よりもはるかに良好な総合的性能を達成する。

さらに、本発明の鋼の微細構造を分析することによって、焼戻し熱処理を受けない鋼の微細構造は、体積で、３％から２３％の残留オーステナイト、１０％以下のフェライトを含み、残りはマルテンサイトである、または２％以下の炭化物をさらに含有することが分かる。焼戻し熱処理を受けた後、成形コンポーネントの微細構造は、体積で、７％から３２％の残留オーステナイト、１０％以下のフェライトを含み、残りはマルテンサイトである、または２％以下の炭化物をさらに含有する。図１ａは、同一の温度、すなわち、２５０℃で異なる焼入れ時間によって変化する本発明の熱間圧延鋼板における残留オーステナイトの傾向を示す。図１ｂは、同一の温度、すなわち、３００℃で異なる焼入れ時間によって変化する本発明の熱間圧延鋼板における残留オーステナイトの傾向を示す。図２ａは、異なる熱処理プロセスの下での２５０℃での本発明の冷間圧延鋼板における残留オーステナイト量の変化を示す。図２ｂは、異なる熱処理プロセスの下での３００℃での本発明の冷間圧延鋼板における残留オーステナイト量の変化を示す。これらの図が示すように、異なる焼入れプロセスの下では、本発明の鋼板における残留オーステナイト量は、一般に、時間とともに増加する。

小さな分率の残留オーステナイトでは、コンポーネントの延性を向上するのに好ましくはないが、残留オーステナイトの体積分率が高いと、オーステナイトが粗大なブロックを形成することになり、引張変形または衝突変形時にＴＲＩＰ効果によって脆弱なブロック状のマルテンサイトに変態することになり、コンポーネントの延性を向上するには不都合である。従って、本発明は、合理的な体積分率のオーステナイトとラス（または膜）状形態とを保証するために、マルテンサイト変態開始温度点を２８０℃以下に制御し、焼入れ温度を、マルテンサイト変態開始温度点よりも１５０から２６０℃低くなるように制御する。図３は、オーステナイト化処理後に３００℃で５分間焼戻し処理を受けた後の微細構造を示す。そして図４は、典型的なラス分布微細構造を示す。

上記実施形態は、本発明の典型的な実施形態である。本明細書に開示した発明の概念から逸脱することなく、当業者は、上記実施形態に対する任意の修正を行うことができ、その修正は、依然として本発明の範囲内である。

Claims (5)

1. ホットスタンピングに使用される鋼板であって、重量パーセントで０．１８〜０．４２％のＣ、５．０９〜８．５％のＭｎ、および０．８〜３．０％のＳｉ＋Ａｌを含み、残りはＦｅおよび不可避の不純物であり、該鋼板の前記合金元素は、ホットスタンピング後の該鋼板のマルテンサイト変態開始温度の実測値を≦２４２℃にすることができ、
   前記ホットスタンピングが、前記鋼板またはその予め成形されたコンポーネントを７００から８５０℃までの温度に加熱するステップ、前記マルテンサイト変態開始温度よりも１５０から２６０℃低い温度に、前記鋼板から得られた成形コンポーネントを冷却するステップ、及び前記成形コンポーネントを１６０から４５０℃までの温度に加熱し、次に、前記温度を１から１０００００秒間維持し、次に、前記成形コンポーネントを室温に冷却するステップを含むことを特徴とする鋼板。
2. 次の成分、すなわち、
   ５％以下のＣｒ、
   ２．０％以下のＭｏ、
   ２．０％以下のＷ、
   ０．２％以下のＴｉ、
   ０．２％以下のＮｂ、
   ０．２％以下のＺｒ、
   ０．２％以下のＶ、
   ２．０％以下のＣｕ、
   ４．０％以下のＮｉ、および
   ０．００５％以下のＢのうちの少なくとも一つをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の鋼板。
3. 前記鋼板は、熱間圧延鋼板、冷間圧延鋼板、または被膜を備える鋼板を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の鋼板。
4. 前記鋼板は被膜を備える鋼板であり、前記被膜を備える鋼板は、金属亜鉛被膜が形成された熱間圧延鋼板または冷間圧延鋼板である亜鉛めっき鋼板であって、該亜鉛めっき鋼板は、溶融亜鉛めっき鋼板、ガルバニール鋼板、亜鉛電気めっき鋼板及び亜鉛鉄電気めっき鋼板からなる群から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３に記載の鋼板。
5. 前記鋼板は被膜を備える鋼板であり、前記被膜を備える鋼板が、アルミニウム‐ケイ素被膜が形成された熱間圧延鋼板または冷間圧延鋼板、または有機被膜を備える鋼板であることを特徴とする請求項３に記載の鋼板。

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