JP4867320B2

JP4867320B2 - 高強度鋼部材及びその製造方法

Info

Publication number: JP4867320B2
Application number: JP2005350788A
Authority: JP
Inventors: 敏伸西畑
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2025-12-05
Also published as: JP2007154258A

Description

本発明は、高強度鋼部材及びその製造方法に関する。特に、本発明は、曲げ変形時の吸収エネルギーに優れた高強度鋼部材及びその製造方法に関する。

近年、自動車の燃費向上あるいは衝突時の乗員の安全性向上を図るため、引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を、補強部材を中心に自動車部品へ適用することが積極的に検討されている。しかしながら、引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板には、成形性に乏しいために成形時の割れや形状不良が生じやすいとともに、素材コストが高いという問題がある。

そこで、近年では、４４０ＭＰａレベルの低強度の鋼板を用いて成形性を確保するとともに、高周波焼入れ等を行うことにより高強度化を図ることが行われている。例えば、非特許文献１には、センターピラーリンフォースメントやフロントクロスメンバー等にそれぞれ４４０ＭＰａ、３９０ＭＰａレベルの低強度の鋼板を用い、高周波焼入れを行うことにより所望の高強度を確保する発明が開示されている。

また、特許文献１には、オーステナイト域に加熱されて軟質化かつ高延性化する鋼板にプレス成形を行うことにより複雑な形状に寸法精度よく成形するとともに、金型内で急冷（焼入れ）することによりマルテンサイト変態を図って鋼板を高強度化する発明が開示されている。
特開２００２−１０２９８０号公報まてりあ、第３７巻、第６号（１９９８）５２５〜５２７頁

非特許文献１や特許文献１により開示される発明は、部材全体の高強度化により衝撃特性の向上、つまり曲げ変形時の吸収エネルギーの向上を図るものである。しかし、これらの発明は、単に部材全体の強度にのみ着目するため、衝撃特性の向上については未だ改善の余地がある。

本発明の課題は、曲げ変形時の吸収エネルギーに優れるとともに７８０ＭＰａ以上の引張強さを有する高強度鋼部材及びその製造方法を提供することである。

本発明者は、７８０ＭＰａ以上の引張強さを有する高強度鋼部材について、曲げ変形時の吸収エネルギーを向上させることについて鋭意検討を行った結果、化学組成、表面性状、表層部及び内層部の組織の適正化を図ること、換言すれば、製造時の素材の組成と熱処理条件の適正化を図ることにより、７８０ＭＰａ以上の引張強さを維持しながら曲げ変形時の吸収エネルギーを飛躍的に向上させることが可能となることを知見して、本発明を完成した。

本発明は、Ｃ：０．０８％以上０．４５％以下（本明細書においては特にことわりがない限り「％」は「質量％」を意味する。）、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ＋Ｃｒ：０．５％以上３．０％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：１％以下、Ｎ：０．０１％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなる鋼組成を有し、表面から深さ１５μｍまでの表層部におけるフェライトの組織分率が８０％以上であり、さらに、この表層部を除いた内層部が旧オーステナイト平均粒径２５μｍ以下のマルテンサイトからなり、かつこの表面の中心線平均粗さＲａと、表面粗さ曲線の中心線から０．３１７５μｍ以上の山と０．３１７５μｍ以上の谷との対の２５．４ｍｍ当りの数ＰＰＩとの積が２００以上であることを特徴とする、引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼部材である。

この本発明にかかる高強度鋼部材では、さらに、Ｎｉ：２％以下および／またはＣｕ：１％以下を含有することが望ましい。
これらの本発明にかかる高強度鋼部材では、さらに、Ｂ：０．０１％以下を含有することが望ましい。

これらの本発明にかかる高強度鋼部材では、さらに、Ｎｂ：１．０％以下、Ｔｉ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下およびＶ：１．０％以下からなる群から選ばれた１種または２種以上を含有することが望ましい。

別の観点からは、本発明は、上述した鋼組成を有する鋼材を、平均昇温速度１〜１００℃／ｓでＡｃ_３点以上（Ａｃ_３点＋２００℃）以下の温度域に加熱し、この温度域に５分間以下保持した後、上部臨界冷却速度以上の冷却速度で焼入れ処理を施すことを特徴とする、本発明にかかる高強度鋼部材の製造方法である。

この本発明にかかる高強度鋼部材の製造方法では、鋼材が、表面の中心線平均粗さＲａと、表面粗さ曲線の中心線から０．３１７５μｍ以上の山と０．３１７５μｍ以上の谷との対の２５．４ｍｍあたりの数ＰＰＩとの積が５０以上であることが望ましい。

本発明により、曲げ変形時の吸収エネルギーに優れるとともに７８０ＭＰａ以上の引張強さを有する高強度鋼部材及びその製造方法を提供できる。

本発明にかかる高強度鋼部材及びその製造方法を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施の形態の高強度鋼部材、およびその素材である鋼材の組成の限定理由を説明する。

Ｃ：０．０８％以上０．４５％以下
Ｃは、焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を決定する非常に重要な元素である。７８０ＭＰａ以上の引張強さを確保するために、少なくとも０．０８％以上含有させる。一方、Ｃ含有量が０．４５％を超えると強度が高くなり過ぎ、靱性劣化が著しくなり、曲げ変形時の吸収エネルギーが低下する。そこで、本実施の形態では、Ｃ含有量は０．０８％以上０．４５％以下と限定する。より望ましいＣ含有量の下限は０．１５％であり、上限は０．３３％である。

Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉは、焼入れ性を高めかつ焼入れ後の強度の安定確保に有効な元素である。しかし、Ｓｉ含有量が０．５％を超えてもこのような効果の向上は望めず、いたずらにコストの増加を招いてしまう。そこで、本実施の形態では、Ｓｉ含有量は０．５％以下と限定する。

Ｍｎ＋Ｃｒ：０．５％以上３．０％以下
ＭｎおよびＣｒは、いずれも、焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を安定して確保するために、非常に有効な元素である。ＭｎおよびＣｒの合計含有量（以下、「（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量」ともいう。）が０．５％未満ではこのような効果を十分得ることができず、一方、（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量が３．０％を超えるとその効果は飽和し、かえって安定した強度確保が困難になる。そこで、本実施の形態では、（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量は０．５％以上３．０％以下と限定する。より望ましい（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量の下限は０．８％であり、上限は２．０％である。

Ｐ：０．０５％以下
Ｐ含有量が０．０５％を超えると、鋼部材の靱性が大きく劣化する。そこで、本実施の形態では、Ｐ含有量は０．０５％以下と限定する。

Ｓ：０．０５％以下
Ｓ含有量が０．０５％を超えると、鋼部材の靱性が大きく劣化する。そこで、本実施の形態では、Ｓ含有量は０．０５％以下と限定する。

Ａｌ：１％以下
Ａｌは、焼入れ性を高めかつ焼入れ後の強度の安定確保に有効な元素である。しかし、Ａｌ含有量が１％を超えるとこのような効果は飽和し、いたずらにコストの増加を招くこととなる。そこで、本実施の形態では、Ａｌ含有量は１％以下と限定する。

Ｎ：０．０１％以下
Ｎは、焼入れ性を高めかつ焼入れ後の強度の安定確保に有効な元素である。しかし、Ｎ含有量が０．０１％を超えるとこのような効果は飽和し、いたずらにコストの増加を招くこととなる。そこで、本実施の形態では、Ｎ含有量は０．０１％以下と限定する。
さらに、本実施の形態では、以下の元素を任意添加元素として含有してもよいので、これらの任意添加元素についても説明する。

Ｎｉ：２％以下および／またはＣｕ：１％以下
Ｎｉ、Ｃｕは、本実施の形態では任意添加元素であり、焼入れ性を高めかつ焼入れ後の強度の安定確保に有効な元素であるので、必要に応じて１種または２種を含有させることができる。しかし、Ｎｉ：２％超、Ｃｕ：１％超含有させてもその効果は小さく、いたずらにコストの増加を招くこととなる。そこで、Ｎｉ、Ｃｕを含有させる場合には、その含有量は、Ｎｉ：２％以下および／またはＣｕ：１％以下とすることが望ましい。より望ましいＢ含有量の下限は、Ｎｉについては０．０１％であり、Ｃｕについては０．０１％である。

Ｂ：０．０１％以下
Ｂは、本実施の形態では任意添加元素であり、焼入れ性を高めかつ焼入れ後の強度の安定確保に有効な元素である。また、粒界に偏析して粒界強度を高め、靱性を改善し、曲げ変形時の吸収エネルギーを向上させる点でも重要な元素である。さらに、焼入れ前の昇温時におけるオーステナイト粒の成長を抑制する効果も高い。しかし、Ｂ含有量が０．０１％を超えるとこのような効果は飽和し、コストの増加を招くこととなる。そこで、Ｂを含有させる場合には、その含有量は０．０１％以下と限定することが望ましい。より望ましいＢ含有量の下限は０．００１％であり、上限は０．００３０％である。

Ｎｂ：１．０％以下、Ｔｉ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下およびＶ：１．０％以下からなる群から選ばれた１種または２種以上
Ｎｂ、Ｔｉ、ＭｏおよびＶは、いずれも、任意添加元素であり、Ａｃ_３点以上に加熱したときに、再結晶を抑制しかつ微細な炭化物を形成してオーステナイト粒を細粒にするため、靱性を大きく改善し、曲げ変形時の吸収エネルギーを向上させる効果を有するので、１種または２種以上を含有させる。しかし、各元素の含有量が１．０％を超えても、このような効果は飽和し、いたずらにコストの増加を招く。そこで、Ｎｂ、Ｔｉ、ＭｏまたはＶを含有させる場合には、その含有量はＮｂ：１．０％以下、Ｔｉ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下またはＶ：１．０％以下と限定することが望ましい。

望ましいＮｂ含有量の下限は０．０１％、上限は０．２％であり、さらに望ましいＮｂ含有量の下限は０．０２％、上限は０．１５％である。また、望ましいＴｉ含有量の下限は０．００５％、上限は０．２％であり、さらに望ましい下限は０．０１％であり、上限は０．１５％である。また、望ましいＭｏ含有量の下限は０．０１％であり、上限は０．２％であり、さらに望ましい下限は０．０２％であり、上限は０．１５％である。さらに、望ましいＶ含有量の下限は０．０１％であり、上限は０．２％であり、さらに望ましい下限は０．０２％であり、上限は０．１５％である。

上述した以外の組成は、Ｆｅおよび不純物である。
本実施の形態の高強度鋼部材、およびその素材である鋼材は、以上説明した鋼組成を有する。

次に、この本実施の形態の高強度鋼部材の製造法を説明する。
本実施の形態では、この実施の形態の高度鋼部材は、上述した鋼組成を有する鋼材を、平均昇温速度１〜１００℃／ｓでＡｃ_３点以上（Ａｃ_３点＋２００℃）以下の温度域に加熱し、この温度域に５分間以下保持した後、上部臨界冷却速度以上の冷却速度で焼入れ処理を施すことにより、製造される。

この本実施の形態の高度鋼部材は、上述した鋼組成を有する鋼材を素材として製造されるが、得られる鋼部材の（Ｒａ×ＰＰＩ）値をより高めて曲げ変形時の吸収エネルギーを向上させるためには、上述した鋼組成を有するとともに（Ｒａ×ＰＰＩ）値が５０以上である鋼材を素材として用いて焼入れ処理を行うことが望ましい。この鋼材の（Ｒａ×ＰＰＩ）値は、望ましくは１００以上であり、さらに望ましくは１５０以上である。

また、鋼部材の内層部のマルテンサイト化を図るために、鋼材をＡｃ_３点以上に加熱し、上部臨界冷却速度以上で冷却する必要がある。加熱温度については、（Ａｃ_３点＋２００℃）を超えて加熱するとスケール発生量が多くなりすぎたり、旧オーステナイト粒が粗大になり部材全体の靱性劣化が著しくなるため、（Ａｃ_３点＋２００℃）以下とする。より望ましい範囲は、Ａｃ_３点以上（Ａｃ_３点＋１５０℃）以下、さらに望ましい範囲はＡｃ_３点以上（Ａｃ_３点＋１００℃）以下である。

鋼材の平均昇温速度を１℃／ｓ以上１００℃／ｓ以下とすると、フェライト域での加熱時間が長くなるため、表層の脱炭反応が促進し、焼入れ冷却時に表層にフェライト層が形成されやすくなる。平均昇温速度が１℃／ｓ未満ではフェライト主体層の厚さが１５μｍ以上を超えてしまう。一方、平均昇温速度が１００℃／ｓをこえると、フェライト相の形成が十分ではなくなる。望ましい範囲は１℃／ｓ以上５０℃／ｓ以下、さらに望ましい範囲は１℃／ｓ以上２０℃／ｓ以下である。

内層部のマルテンサイトの旧オーステナイト粒細粒化を図るため、昇温後の保持時間は５分間以下とする。望ましくは３分間以下、より望ましくは１分間以下である。なお、ここでいう保持時間とは、Ａｃ_３点に達した時点からの経過時間を意味する。

冷却速度は、鋼部材の内層部のマルテンサイト化を図るために、上部臨界冷却速度以上の冷却速度とする。その手段としては、水冷、油冷、金型による冷却等のいずれの手段を用いてもよい。

次に、このようにして製造される本実施の形態の高強度鋼部材の表面性状、表層部及び内層部の組織について説明する。
表面から深さ１５μｍまでの表層部におけるフェライトの組織分率：８０％以上
鋼部材の表層部をフェライト主体の組織とすることにより、曲げ変形時の吸収エネルギーを向上することができる。フェライト組織分率が８０％未満であると、吸収エネルギーの向上効果が十分ではなくなるので、この表層部におけるフェライトの組織分率を８０％以上とする。望ましくは８５％以上、さらに望ましくは９０％以上である。なお、フェライト主体の組織とする表層部の厚さが１５μｍを超えると、鋼部材全体の強度が低下するので、表層部は表面から深さで１５μｍまでの範囲とする。

表層部を除いた内層部：旧オーステナイト平均粒径２５μｍ以下のマルテンサイト主体の組織
上述した表層部を除く鋼部材の内層部のマルテンサイトの旧オーステナイト平均粒径を小さくすることにより、曲げ変形時の吸収エネルギーを向上することができる。旧オーステナイト平均粒径が２５μｍを超えると、その効果は十分でないので、２５μｍ以下とする。望ましくは２０μｍ以下、さらに望ましくは１５μｍ以下である。なお、本発明におけるマルテンサイトに、残留オーステナイト及びベイナイトを併せて１０体積％未満含まれていても、実質的に特性には影響を及ぼさないので、許容される。

表面の中心線平均粗さＲａと、表面粗さ曲線の中心線から０．３１７５μｍ以上の山と０．３１７５μｍ以上の谷との対の２５．４ｍｍ当りの数ＰＰＩとの積（以降、Ｒａ×ＰＰＩ値と表記する）：２００以上
鋼部材の表面における（Ｒａ×ＰＰＩ）値を大きくすることにより、曲げ変形時の吸収エネルギーが向上する。しかし、（Ｒａ×ＰＰＩ）値が２００未満ではこのような効果が十分ではないので、２００以上とする。望ましくは２５０以上、さらに望ましくは３００以上である。

本実施の形態の高強度鋼部材の引張強さ：７８０ＭＰａ以上
本実施の形態の高強度鋼部材の引張強度は、７８０ＭＰａ以上である。このため、この高強度鋼部材は、センターピラーリンフォースメントやフロントクロスメンバー等の自動車用高強度部品用の素材として極めて望ましいものである。

さらに、本発明を実施例を参照しながらより具体的に説明する。
表１に示す化学組成、Ａｃ_３点および（Ｒａ×ＰＰＩ）値を有する、板厚は２．３ｍｍの鋼板を鋼部材の素材である鋼材とした。これらの鋼板は、実験室で溶製したスラブを、熱間圧延または熱間圧延後に酸洗を行い冷間圧延により製造した鋼板である。また、鋼板の表面の粗さ調整のため、スキンパス圧延を行った。

これらの鋼板から、厚さ２．３ｍｍ、幅７０ｍｍおよび長さ１６０ｍｍの寸法の試料を切断し、大気雰囲気の加熱炉内で、表２に示す条件（昇温速度、加熱温度、保持時間）にて加熱して、加熱炉より取り出し、その直後に水冷焼入れまたは平板の鋼製金型を用いてプレスし焼入れを行った。また鋼板に熱電対を貼付し、冷却速度測定も行った。焼入れ時の冷却速度を表２に併せて示す。

得られた鋼部材については、断面組織観察、切断法による旧オーステナイト粒径測定、引張試験（ＪＩＳ５号試験片）、静的３点曲げ試験に供した。
表層部のフェライト組織分率は、断面の光学顕微鏡観察画像または電子顕微鏡観察画像より、画像解析を行って算出した。

各鋼種のＡｃ_３点及び上部臨界冷却速度は、次記方法にて測定した。すなわち、熱延鋼板から、図１に示す、直径３．０ｍｍおよび長さ１０ｍｍの円柱試験片を切り出し、大気中で９００℃まで１０℃／ｓの昇温速度にて加熱し、その温度で５分間保持した後、種々の冷却速度で室温まで冷却した。そのときの加熱、冷却中の試験片の熱膨張変化を測定することにより、Ａｃ_３点、Ｍｓ点を測定した。また、得られた試験片のビッカース硬度測定（荷重４９Ｎ、測定数：３）及び組織観察を行い、それらの結果から上部臨界冷却速度を見積もった。

表面粗さに関するＲａ及びＰＰＩについては、ＪＩＳ−Ｂ０６０１及びＳＡＥＪ９１１に基づき測定した。
静的３点曲げ試験条件は、ポンチ径Ｒ６．５、ストローク速度１０ｍｍ／ｍｉｎ、スパン間隔１４０ｍｍとした。吸収エネルギーについては、最大荷重までの吸収エネルギーで評価した。

結果を表２にまとめて示す。表２に示すように、本発明例および比較例それぞれの同一引張強さを有する部材（鋼種Ｎｏ．１−６、２−７、３−８、４−９、５−１０）を比較すると、強度は略同じであっても吸収エネルギーに関して、本発明例が約１０％程度比較例よりも高くなっていることから、本発明の効果は明らかである。

また、本発明例の高強度鋼部材は、曲げ変形時の吸収エネルギーが、引張強さに対する曲げ変形時の吸収エネルギ比｛（吸収エネルギー）／（引張強さ）｝で０．２８（Ｊ／ＭＰａ）以上と、優れるとともに、７８０ＭＰａ以上の引張強さを有する。また、比較の典型例として、鋼種Ｎｏ．３及びＮｏ．８についての荷重−ストローク曲線を図２にグラフで示す。図２に示す結果から、吸収エネルギーに関して本発明例である鋼種Ｎｏ．３は比較例である鋼種Ｎｏ．８よりも良好であることが明らかである。

Ａ_Ｃ３点及び上部臨界冷却速度測定用試験片を示す説明図である。荷重−ストローク曲線である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０８〜０．４５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ＋Ｃｒ：０．５〜３．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：１％以下、Ｎ：０．０１％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなる鋼組成を有し、表面から深さ１５μｍまでの表層部におけるフェライトの組織分率が８０％以上であり、さらに、前記表層部を除いた内層部が旧オーステナイト平均粒径２５μｍ以下のマルテンサイトからなり、かつ該表面の中心線平均粗さＲａと、表面粗さ曲線の中心線から０．３１７５μｍ以上の山と０．３１７５μｍ以上の谷との対の２５．４ｍｍ当りの数ＰＰＩとの積が２００以上であることを特徴とする、引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼部材。
さらに、質量％で、Ｎｉ：２％以下および／またはＣｕ：１％以下を含有する請求項１に記載された高強度鋼部材。
さらに、質量％で、Ｂ：０．０１％以下を含有する請求項１または請求項２に記載された高強度鋼部材。
さらに、質量％で、Ｎｂ：１．０％以下、Ｔｉ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下およびＶ：１．０％以下からなる群から選ばれた１種または２種以上を含有する請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された高強度鋼部材。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された鋼組成を有する鋼材を、平均昇温速度１〜１００℃／ｓでＡｃ_３点以上（Ａｃ_３点＋２００℃）以下の温度域に加熱し、該温度域に５分間以下保持した後、上部臨界冷却速度以上の冷却速度で焼入れ処理を施すことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された高強度鋼部材の製造方法。
前記鋼材は、表面の中心線平均粗さＲａと、表面粗さ曲線の中心線から０．３１７５μｍ以上の山と０．３１７５μｍ以上の谷との対の２５．４ｍｍあたりの数ＰＰＩとの積が５０以上である請求項５に記載された高強度鋼部材の製造方法。