JPH0673443A

JPH0673443A - 高密度エネルギー源の照射による高強度化特性に優れた高加工性鋼板

Info

Publication number: JPH0673443A
Application number: JP23057792A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Nakajima; 裕樹中嶋; Yoshiro Tomioka; 良郎富岡; Yutaka Suzuki; 裕鈴木; Shinichiro Nakamura; 真一郎中村; Koichi Makii; 浩一槙井; Tetsuo Toyoda; 哲夫十代田
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1994-03-15

Abstract

(57)【要約】【目的】加工時には優れた加工性を示し、一方高密度
エネルギー源からの照射によって高強度化して使用する
ことができる様な素材、即ち加工時の加工性と使用時の
高強度特性を合わせ発揮することができる様な、高強度
化の可能な鋼板を提供する。【構成】高密度エネルギー源を鋼板表面に照射し板厚
を貫通した凝固域を形成することにより高強度化して使
用する、高強度化特性に優れた高加工性鋼板であって、Ｃ：０．０２〜０．３％Ｓｉ：１．５％以下Ｍｎ：０．３〜２．５％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、かつ
マルテンサイト、ベイナイト及びフェライトからなる組
織を有するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加工時には優れた加工
特性を有し、なおかつ高密度エネルギー源からの照射に
よって高強度化して使用することができるような鋼板に
関するものである。なお以下の説明においては、自動車
用部材のひとつであるメンバー類を代表的に取り上げて
説明するが、本発明鋼板の適用対象はこれによって制限
されるものではなく、上記両特性の要求される分野に対
しては広く利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】自動車用部材、特にメンバー類等は加工
性と強度の２つの相反する特性が要求されている。即ち
メンバー類を自動車ボディの滑らかな曲線に添わせるよ
うに配置するためには優れた加工性を有していることが
必要であり、一方いったん装着した後は、走行中の衝突
事故に対して優れた防護作用を発揮するという立場から
所定の部分が希望強度まで高強度化されておらなければ
ならない。そこで加工性に富んだ軟鋼板をプレス成形し
た後で高密度エネルギー源による照射を行い、該プレス
成形部品の所定部分を高強度化するという技術が提案さ
れている（特開昭６１−９９６２９）。しかしながら前
記特許公開公報に記載された照射条件によれば、高強度
エネルギー源から例えばレーザ照射を行うと、板厚方向
における熱影響の度合いが不均一となって形状に歪みを
生じ、レーザ処理後の形状修正が必要になること、並び
にレーザ処理の必要照射本数が非常に多くなり、全処理
時間が長くなってしまうという点で実用化が妨げられて
いた。

【０００３】このようなプレス成形及びその後のレーザ
硬化処理を基本構成とする本技術はプレスラインにおい
て部品をプレス加工した後に高密度エネルギー源による
照射を施す点に特徴があるが、これまで検討されてきた
範囲では、高密度エネルギー源による照射条件と対象鋼
組織との組み合わせをどのように工夫すれば、歪みを少
なくすることができ、しかも十分な強度の上昇を得るこ
とができるか等について、全く知見が得られていない。
そのため、高密度エネルギー源による処理条件と鋼組織
との好ましい組み合わせに関する知見を確立することが
切望されていた。換言すれば、プレス成形時には十分な
加工性を有し、加工後は高密度エネルギー源による処理
によって強度が大幅に上昇し得る様な素材鋼板の開発が
望まれていた。

【０００４】特開平４−７２０１０にも、プレス成形品
にレーザ照射を行い強度上昇をはかる技術が開示されて
いる。この特許公開公報においては炭素鋼板を用いてレ
ーザ処理を行ったものでは、強度上昇が得られる旨示さ
れている。しかしながらこの特許公開公報においては、
鋼板組成に関しては炭素量に言及しているのみで、炭素
以外の合金成分や鋼板の組織については全く言及してお
らず、したがって合金成分および組織とレーザ処理条件
についての関係、さらにはそれらと強度上昇量の関係に
ついては全く知見が得られていない。本発明者等の研究
によれば、レーザ処理時の強度上昇は、レーザ処理条件
だけではなく、合金成分や組織にも大きく依存している
ことが明らかになった。従ってレーザ処理によって大幅
な強度上昇を得るためには、この関係を明確にすること
が必要であった。

【０００５】なお、特開昭６１−２６１４６２には加工
性に優れたレーザ加工用鋼板に関する知見が示されてい
るが、ここではレーザ切断を行った後にプレス成形等の
加工を行う場合の加工性が問題とされている。これに対
し本発明はレーザ照射による硬化処理を目的とするもの
であり、同じレーザ照射とは言っても上記公開公報のよ
うな切断加工を目的とするものではない点で、技術分野
も技術内容も全く異なるものである。

【０００６】更に特開平１−２５９１１８には、プレス
用素材の強化必要部位に対して急速再溶融−急速再凝固
処理を行って結晶粒の微細化を図り高強度化する技術が
開示されている。しかしこの公開公報発明は、使用時に
裏面となる部位のみを溶融させるものであり、後に詳述
するような本発明の貫通溶融法とは異なって大きな残留
歪みが生じ、なおかつ十分な強度上昇効果が得られな
い。また上記公開公報発明は強化のメカニズムが結晶粒
の微細化にあり、焼入組織を得るものではない。この点
においても焼入組織の形成をメカニズムとする本発明と
は区別される。このように従来知られている方法は、本
発明で採用する様な後述の方法と比べて本質的に異なっ
た方法と言わなければならない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、高密度
エネルギー源による処理性におよぼす合金元素の種類や
組織の影響を鋭意研究した結果、ある一定の照射条件の
もとにおいては、鋼板の合金成分を特定の範囲とし、か
つ構成組織を規定することによって、従来の鋼板におい
ては得られなかった様な優れた処理特性が得られること
を見い出して本発明を完成するに至った。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によって提供され
る鋼板は、加工時には優れた加工性を示しながら、レー
ザ照射等の様な高密度エネルギー源からの照射を行って
板厚を貫通する様な凝固域を形成した場合には、十分な
高強度化を発揮し、そのことにより広範囲の用途に使用
することができるものであって、高強度化特性に優れた
高加工性鋼板である。

【０００９】本発明にかかる高加工性鋼板の合金組成
は、Ｃ：０．０２〜０．３％Ｓｉ：１．５％以下Ｍｎ：０．３〜２．５％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、かつ
マルテンサイト、ベイナイト、及びフェライトからなる
組織を有することを特徴とするものである。

【００１０】本発明における基本的合金組成は上記のと
おりであるが、特にＣ，Ｓｉ，Ｍｎの含有量によって下
記計算式で計算されるＫ₁ 値が０．１以上であるもの
は、レーザ処理前の高加工性とレーザ処理後の高強度化
においてより確実で優れた効果を発揮することが確かめ
られている。Ｋ₁ ＝（Ｍｎ％＋０．２５・Ｓｉ％）×Ｃ％

【００１１】また本発明の高加工性鋼板は、前記Ｃ，Ｓ
ｉ，Ｍｎの他、Ｃｒ：２．５％以下Ｍｏ：１．０％以下Ｂ：５０ppm 以下のいずれか１種以上を必須成分として含むものであって
もよい。但しこのような付加成分を含有する場合の前記
Ｋ₁ 値を求める計算式は、次の様に変更される。そして
下記計算式で与えられるＫ₂ 値も０．１以上であること
が望まれる。Ｋ₂ ＝（Ｍｎ％＋Ｃｒ％＋Ｍｏ％＋２５０・Ｂ％＋０．
２５・Ｓｉ％）×Ｃ％

【００１２】また本発明の高加工性鋼板は、前記Ｃ，Ｓ
ｉ，Ｍｎの他、Ｃｒ：２．５％以下Ｍｏ：１．０％以下Ｂ：５０ppm 以下のいずれか１種以上および／またはＣｕ：２．５％以下Ｎｉ：１．５％以下Ｐ：０．１５％以下Ｎｂ：０．２％以下Ｔｉ：０．２％以下Ｚｒ：０．１％以下Ｖ：０．１％以下Ｗ：０．１％以下のいずれか１種以上を含むものであってもよい。

【００１３】

【作用】まず、高強度エネルギー源による照射条件につ
いて述べる。ここでは高密度エネルギー源としてレーザ
を用いた例を示したが、プラズマ等を用いることもでき
る。図１には、Ｃ：０．１０％、Ｓｉ：０．０１％、Ｍ
ｎ：０．９０％、Ａｌ（脱酸剤としての添加に基づく不
純物元素）：０．０３２％、残部Ｆｅ及び不可避的不純
物からなる鋼材を試験片（板厚１．４mm）とし、レーザ
照射条件を種々変更して強度上昇量との関係を示した
が、エネルギー密度が１００J/mm² 以上となる様な照射
を行うと、大幅な強度上昇が得られることが分かる。こ
の範囲は板厚を貫通する溶融相を形成する条件であり、
このような条件にすることによって強度の大幅な上昇が
可能となるのである。またそのような条件にすることに
よって板厚方向に生じる歪が解放されるため、処理後の
残留歪を非常に小さく抑えることができる。

【００１４】次に組織と強度上昇量の関係について述べ
る。図２にはフェライト＋パーライト鋼の場合、並びに
マルテンサイト＋フェライト＋ベイナイト鋼の場合につ
いて、それぞれ加工性とレーザ処理による強度上昇量の
関係を示した。加工性としては降伏応力と強度の比（降
伏比）を用い、強度としては降伏応力を指標とした。プ
レス成形においては降伏応力の低い方が加工荷重の低減
を実現するので降伏応力の低い鋼板が望まれる。しかし
プレス後の製品としては外部からの力による変形を防ぐ
為の高い降伏応力が必要となる。その観点から図２を見
ると、マルテンサイト＋フェライト＋ベイナイト組織で
ある本発明鋼の方が、フェライト＋パーライト組織であ
る比較鋼に比べて加工性と強度上昇量のバランスが優れ
ている。この原因について鋭意検討を行った結果、マル
テンサイト＋フェライト＋ベイナイト組織であることと
特定の合金組成であることが、加工性と強度上昇のバラ
ンスにおいて重要な役割を示していることが分かった。
組織の意義について説明すると、マルテンサイト＋フェ
ライト＋ベイナイト組織の内マルテンサイト相はレーザ
加熱中に炭化物の析出があってもその大きさが非常に小
さいものであり、炭化物の溶け込みが容易であること、
ベイナイト組織中においても炭化物が非常に小さいもの
である為レーザ加熱中に十分溶け込めること等によって
硬化領域の面積が十分広いものになるのに対して、フェ
ライト＋パーライト組織においては、炭化物の溶け込み
に時間がかかり従ってレーザ処理中に十分な溶け込みが
期待できない為硬化領域の面積が小さくなってしまうも
のと考えられる。なお比較鋼としてフェライト＋パーラ
イト鋼を用いたのは、プレス用鋼板としてはフェライト
＋パーライト鋼が最も一般的な組織であり、且つ広く使
用されているからである。

【００１５】また図３の（ａ），（ｂ）、および図４に
は、マルテンサイト＋フェライト＋ベイナイト組織鋼に
おいて前記計算式で示したＫ₁ 値（図３）とＫ₂ 値（図
４）に対する降伏応力上昇量の関係を示した。なお図３
の（ｂ）は同図（ａ）の要部拡大図である。本発明鋼鈑
程度に求められる強度レベルから考えれば、レーザ熱処
理による硬度の上昇量としては少なくとも５０ＭＰａ以
上の値を示すことが望まれるが、５０ＭＰａ未満の上昇
量しか得られないのは、Ｃ：０．０１％，Ｍｎ：０．７
％のものと、Ｃ：０．０４％，Ｍｎ：０．２１％のもの
であり、Ｃを０．０２％以上、Ｍｎを０．３％以上にす
べきであることが分かった。またＫ₁ ，Ｋ₂ のいずれを
見ても０．１％以上とするのが好ましいことが分かる。
なおＣｒ，Ｍｏ，Ｂの添加効果は上記したＫ₂ 値の概念
で理解することができることが分かった。

【００１６】図５は本発明条件を満足する場合と満足し
ない場合の両方について、レーザ処理部分の断面を硬さ
分布で示したものである。比較鋼はフェライト＋パーラ
イト組織である為、硬化域の幅が狭くなっている。これ
は単に焼き入れ性のみで理解できるものではなく、合金
成分による変態点の違いと炭化物サイズの相違に基づく
溶け込み方の違い等が総合的に影響して硬化域の幅を狭
めたものと思われる。

【００１７】次に、本発明鋼板における合金成分の限定
理由について説明する。本発明鋼は、特にプレス成形等
の冷間加工用途に好適なものでなければならずこのため
にはＣはその添加量が少ないほど好ましい。しかし反面
ではレーザ照射等による強度上昇が重要課題であり、特
にマルテンサイト＋フェライト＋ベイナイトの複合組織
を得るという観点からは０．０２％以上の添加が必要で
ある。他方Ｃを過多に添加するときは鋼板の加工性、さ
らには溶接性を著しく劣化させるのでＣの上限は０．３
０％とする。

【００１８】Ｓｉもマルテンサイト＋フェライト＋ベイ
ナイトの複合組織を得る上で有用な元素であるが、１．
５％を超えると著しい表面肌荒れを起こすので、上限を
１．５％とした。Ｍｎはレーザ加工による強度上昇に必
須の元素であり、また前記複合組織を得る上でも有用な
元素であって、少なくとも０．３％の添加が必須であ
る。しかしあまり多量に添加すると鋼板の冷間成形性を
損なうので、添加量の上限は２．５％とする。

【００１９】本発明鋼における必須的含有元素は上記の
とおりであり、残部はＦｅ及び不可避的不純物である
が、所望によっては以下に示す様な元素を添加すること
もできる。

【００２０】Ｃｒはレーザ処理による強度上昇に有効で
あるが、必要以上の過剰添加は経済性を損なうので、上
限を２．５％とした。Ｍｏはレーザ処理による強度上昇
に有効であるが、多量の添加は経済性を損なうので上限
を１．０％とする。

【００２１】Ｂはレーザ加工による強度上昇に有効な元
素であるが、５０ppm 以上添加すると母材の延性を著し
く劣化させるので、上限を５０ppm とした。上記３元素
は添加効果の大きいものとして特に有意義なものであっ
て、前記したＫ₂ の値に重要な影響を与えるものである
が、これらの他更に次の様な元素を添加していくことも
できる。

【００２２】Ｃｕは時効析出によって素材強度を確保す
る機能を発揮するものであり、しかも母材の耐食性を向
上させることができるので、素材の特性向上元素として
有効である。しかしながら多量に添加する場合には鋼板
に表面疵を生じさせるので、Ｎｉとの複合添加によって
その改善をはかることが必要になる。従って本発明鋼に
おいてはＣｕとＮｉを複合添加するとともに、その添加
量はＣｕに対しては２．５％以下、Ｎｉに対しては経済
的な制約により１．５％以下とするのが望ましい。

【００２３】Ｐは含有量を少なくすることによって冷間
加工性を向上できるが、鋼の強化元素としても期待され
るので、必要に応じて添加することもある。しかし０．
１５％を超えて多量に添加すると、鋼の脆化が著しくな
るので添加量は０．１５％以下とする。

【００２４】Ｎｂ，Ｔｉの各元素は鋼の強度上昇に有効
であるが、経済的制約から上限は０．２％とする。また
Ｚｒ，Ｖ，Ｗの各元素は鋼の強度上昇に有効であるが、
経済的制約から上限は０．１％とする。

【００２５】またＲＥＭおよびＣａは鋼の介在物形態を
制御するために添加しても良いが、過多に添加すると介
在物量が増えて鋼板の冷間加工性および靭性を劣化させ
るので、上限をそれぞれ０．０２％とする。Ｍｇは水素
脆化防止効果があり、レーザ処理部の水素脆化防止効果
のために添加しても良い。但し経済的な理由から上限を
０．０１％とする。

【００２６】不可避的不純物元素としては、Ｎ，Ｏ等の
他脱酸性元素として添加することのあるＡｌを例示する
こともできる。特にアルミキルド鋼の場合は不可避的に
混入してくるが、０．１％を超えるとｃ系介在物を多く
生成して表面傷の原因となるので、その上限を０．１％
と定める。

【００２７】以上述べたように本発明鋼は、素材段階で
は優れた冷間加工性を示し、いったん加工した後は所望
部分がレーザ照射等によって高強度化されるので、使用
条件の下では大幅な強度上昇が可能である。

【００２８】本発明におけるレーザ照射等は、上記鋼板
の強度を高めるものであるから、必要な箇所を適切に選
択して照射部を選択すべきである。従って、（１）加工
必要部と強度上昇必要部が部位的に重なっている場合等
は、材料鋼板を予め所定の形状に加工し、しかる後強度
上昇の必要な部位を狙ってレーザ照射を行うことが推奨
されるが、（２）加工必要部と強度上昇必要部が部位的
に十分区別できる場合等は、材料鋼板に対して強度上昇
の必要な部位を狙ってレーザ照射を行い、しかる後に加
工を行うようにしても良い。

【００２９】後者の例としては図６に示す場合が挙げら
れる。図６において１は素材鋼板、２は山折れ線、３は
谷折れ線、４はレーザ照射部、５は成形品（前記メンバ
ー）を夫々示し、（ａ）は素材鋼板の平面図、（ｂ）は
加工部とレーザ照射部の位置分けを示す平面説明図、
（ｃ）は成形品外観を示す斜視説明図であり、まず
（ｂ）に示すように加工部である山折れ線２と谷折れ線
３を避けてレーザ照射を行い、しかる後（ｃ）に示すよ
うに所定形状に加工する。なお図示した形状の場合であ
っても、素材鋼板を先に所定形状に加工し、しかる後、
必要部位にレーザ照射を行う様にしてもよいことは言う
でもない。

【００３０】なお、本発明の鋼板は熱延ミル、冷延ミル
のいずれの方法によっても製造することができ、また本
発明の鋼板は各種の表面処理、例えば亜鉛めっき等のめ
っきを施したものとして提供することもできる。

【００３１】

【発明の効果】本発明鋼にレーザ照射を行い板厚を貫通
した凝固域を形成すると、ビード部のみならず、ビード
の隣接領域においても焼入硬化部が形成される。一方レ
ーザ照射のように急速加熱でしかも高温保持が行われな
い場合には、通常炭化物の溶け込みと合金成分の均一化
を達成する時間が不十分となる。そこで本発明において
は、素材である鋼の組織や合金組成を、溶け込みや均一
化に有効な成分および組織としたのである。特に上記レ
ーザ処理条件に対応した成分、組織としたことは非常に
重要な意味を有するのである。こうすることによって炭
素量や合金量を不必要に増やす必要がなくなり、素材の
加工性を合わせて確保することが可能になる。本発明鋼
の場合には上記効果が発揮されるため、硬化する領域を
広くでき、従って強度が大幅に上昇する。このため、例
えばプレス成形したメンバー等の部品に対し、その必要
な部分のみをレーザ処理することによって強度を維持し
つつメンバーに加工する時点では加工性の維持に必要な
変形能を併せ持つことができる。

【００３２】また成形品の種類によってはプレス成形に
影響を及ばさない部分のみをレーザ照射等によって高強
度化することもあり、そのような場合には、プレス成形
する前にレーザ等の照射を行う方が、平板状態での処理
が可能であるため照射処理性が良好であり、且つ処理材
の特性の信頼性の確保も容易であるから、プレス成形す
る前にレーザ等によって高強度化しても、製品の強度と
プレス成形時の加工性を合わせ持たせることが可能であ
る。

【００３３】

【実施例】表１に示した成分の材料を溶製し、圧延によ
って１．４mm厚さの板とし、組織調整を行った。特性の
評価はレーザ照射をしていないサンプルと、レーザ照射
をしたサンプルの２種類について行った。特に成形性の
評価は素材の成形性を問題としている為、レーザ照射前
のサンプルについて行った。レーザ照射は直線状に行
い、５mm間隔に３本の照射を行った。なおそのときのレ
ーザ出力は３ｋｗ、走査速度は３m/min とし、レーザの
焦点位置を板内として、溶融相が板厚を貫通する状態で
走査した。レーザ照射線が試験片の中央部に位置するよ
うにＪＩＳ５号引張試験片を加工して引張試験を行っ
た。

【００３４】表２は試験結果を示すものである。表２に
おいて照射前として示した値はレーザ照射を行わない試
験片における引張試験の結果であり、また加工性の指標
（ｒ値）はレーザ照射を行わない試験片における試験結
果を示すものである。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】鋼６はＣが少ない為、また鋼７はＭｎが少
ない為、いずれも組織的にはマルテンサイト＋フェライ
ト＋ベイナイトの条件を満足しているにもかかわらず、
レーザ処理による強度上層効果が少ない。鋼８〜１０は
組織がフェライト＋パーライトであるために強度向上に
対応した降伏比の値が得られていない。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ照射条件と強度上昇率の関係。

【図２】フェライト＋パーライト鋼の場合、並びにマル
テンサイト＋フェライト＋ベイナイト鋼の場合につい
て、それぞれ加工性とレーザ処理による降伏比と降伏応
力上昇量の関係を示した図。

【図３】Ｋ₁ 値と降伏応力の上昇量との関係を示す図。

【図４】Ｋ₂ 値と降伏応力の上昇量との関係を示す図。

【図５】レーザ照射部の硬さ（Ｈｖ）分布を示す図。

【図６】実施例における加工とレーザ処理を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木裕愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者中村真一郎愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者槙井浩一兵庫県加古川市金沢町１番地株式会社神戸製鋼所加古川製鉄所内 (72)発明者十代田哲夫兵庫県加古川市金沢町１番地株式会社神戸製鋼所加古川製鉄所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高密度エネルギー源を鋼板表面に照射し
板厚を貫通した凝固域を形成することにより高強度化し
て使用する、高強度化特性に優れた高加工性鋼板であっ
て、Ｃ：０．０２〜０．３％（重量％の意味、以下同じ）Ｓｉ：１．５％以下Ｍｎ：０．３〜２．５％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、かつ
マルテンサイト、ベイナイト及びフェライトからなる組
織を有することを特徴とする、高密度エネルギー源照射
処理により優れた高強度化特性を発揮することを特徴と
する高加工性鋼板。
【請求項２】Ｋ₁ ＝（Ｍｎ％＋０．２５・Ｓｉ％）×
Ｃ％の計算式で与えられるＫ₁ 値が０．１以上である請
求項１に記載の高加工性鋼板。
【請求項３】合金元素として、更に、Ｃｒ：２．５％以下Ｍｏ：１．０％以下Ｂ：５０ppm 以下のいずれか１種以上を含み、Ｋ₂ ＝（Ｍｎ％＋Ｃｒ％＋Ｍｏ％＋２５０・Ｂ％＋０．
２５・Ｓｉ％）×Ｃ％の計算式で与えられるＫ₂ 値が０．１以上である請求項
１または２に記載の高加工性鋼板。
【請求項４】合金元素として、更に、Ｃｕ：２．５％以下Ｎｉ：１．５％以下Ｐ：０．１５％以下Ｎｂ：０．２％以下Ｔｉ：０．２％以下Ｚｒ：０．１％以下Ｖ：０．１％以下Ｗ：０．１％以下のいずれか１種以上を含むものである請求項１〜３のい
ずれかに記載の高加工性鋼板。