(57)【要約】【課題】鋼材の所定部分の靭性と強度とを向上する方法を提供する。【解決手段】鋼材を加熱し、続いて冷却することにより、鋼材の所定部分の強度を強くする焼入れ工程を伴う鋼材の成形焼入れ方法において、所定部分の構成が２相組織である。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材を加熱し、続いて冷却することにより、鋼材の所定部分の強度を強くする焼入れ工程を伴う鋼材の成形焼入れ方法において、前記所定部分の構成が２相組織であることを特徴とする鋼材の成形焼入れ方法。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼材の成形焼入れ方法において、前記鋼材の材料組成が、炭素０．１０〜０．１８重量％、ケイ素０．０３重量％以下、マンガン０．６０〜１．６０重量％、リン０．０２０重量％以下、硫黄０．０１３重量％以下、ホウ素０．００１〜０．００４重量％、残部鉄であることを特徴とする鋼材の成形焼入れ方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の鋼材の成形焼入れ方法において、前記加熱条件が、摂氏８００度以上８５０度以下であることを特徴とする鋼材の成形焼入れ方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の鋼材の成形焼入れ方法において、前記焼入れ工程と同時に成形を行うことを特徴とする鋼材の成形焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に使用する鋼材等の金属を強化、成形する鋼材の成形焼入れ方法に関し、特に鋼材の靭性および強度をともに高くする成形焼入れ方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車用構造部材に対しては、常に高強度の部材が必要とされているため、高強度の鋼材を用意して成形を行っていた。例えば、特開平８−２８１３６０号公報である。
【０００３】
また、従来より自動車用構造部材において、成形性と強度の両立を狙って、成形後の製品の必要部分を焼入れで強化する方法が、例えば特開平１０−１７９３３号公報に開示されている。また、特開平７−１２６８０７号公報には、レーザビーム等の高エネルギ密度ビームで部材を部分的に溶融させた後、急冷することにより成形後に部分的に強度を上昇させるものが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術には、次のような課題があった。
【０００５】
特開平８−２８１３６０号公報に記載された方法では、鋼材の強度が高いために、成形の自由度を多少犠牲にしなければならなかった。また、さらに強度を確保するために鋼材の形状をパイプ状にすることがあるが、この場合には自動車部品としての適用範囲が限られてしまっていた。
【０００６】
特開平１０−１７９３３号公報及び特開平７−１２６８０７号公報に記載された方法では、強度を上げた部分の靱性については考慮されておらず、焼入れされた部分の強度は上がるものの、焼入れされた部分の靱性は逆に低下してしまうという課題があった。ここで、靱性とは、衝撃的な荷重の作用で破壊しにくい性質のことをいう。
【０００７】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、鋼材の靱性および強度をともに高くする成形焼入れ方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段は、鋼材を加熱し、続いて冷却することにより、鋼材の所定部分の強度を強くする焼入れ工程を伴う鋼材の成形焼入れ方法において、前記所定部分の構成が２相組織であることを特徴とする鋼材の成形焼入れ方法である。
【０００９】
上記請求項１の発明によれば、焼入れを行った部分の構成が２相組織であることによって、鋼材に靭性を与えることができる。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段は、請求項１に記載の鋼材の成形焼入れ方法において、前記鋼材の材料組成が、炭素０．１０〜０．１８重量％、マンガン０．６０〜１．６０重量％、ホウ素０．００１〜０．００４重量％、ケイ素０．０３重量％以下、リン０．０２重量％以下、硫黄０．０１３重量％以下、残部鉄であることを特徴とする鋼材の成形焼入れ方法である。
【００１１】
上記請求項２の発明によれば、炭素は、焼入れ後の硬度を確保するために必要であり、０．１０重量％以上は必要である。ただし、含有量の増加に伴い成形性が悪くなったり、焼入れ後の歪みが増大するため、上限を０．１８重量％とする。また、マンガンは、鋼材材料の強度と焼入れ性を高めるために必要であり、０．６０重量％以上必要である。ただし、含有量の増加に伴い鋼材の延性が悪くなるため、上限を１．６０重量％とする。また、ホウ素は、焼入れ性を高めるために必要であり、０．００１重量％以上は必要である。ただし、含有量の増加に伴い製造上有害な欠陥が発生しやすくなるため、上限を０．００４重量％とする。
【００１２】
また、ケイ素、リン、硫黄はそれぞれ、鋼の製造過程において鋼に含まれてしまうものであるが、より少ないことが望ましい。そこで、ケイ素は０．０３重量％以下、リンは０．０２重量％以下、硫黄は０．０１３重量％以下とする。
【００１３】
また、上記課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段は、請求項１または請求項２に記載の鋼材の成形焼入れ方法において、前記加熱条件が、摂氏８００度以上８５０度以下であることを特徴とする鋼材の成形焼入れ方法である。
【００１４】
上記請求項３の発明によれば、焼入れ工程における加熱条件を摂氏８００度以上８５０度以下とすることにより、焼入れを行った部分の鋼の組織構成を２相組織とすることができ、鋼材に靭性および強度を与えることができる。
【００１５】
また、上記課題を解決するために、本発明の請求項４において講じた技術的手段は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の鋼材の成形焼入れ方法において、焼入れ工程と同時に成形を行うことを特徴とする固体成形焼入れ方法である。
【００１６】
上記請求項４の発明によれば、焼入れ工程と同時に成形を行うことにより、鋼材の成形が容易になるとともに、高強度、かつ高靭性で衝撃吸収性のある鋼材成形品を提供できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の鋼材の成形焼入れ方法について、詳細に説明する。ここで、焼入れの加熱方法としては、高周波焼入れを行った。加熱装置としては、誘導高周波加熱機、３５０ｋＨｚ、２４０Ｖ、９５Ａのものを使用した。また、図１に本発明の実施の形態に使用した鋼材の機械特性を示す。
【００１８】
次に、焼入れの加熱条件を得るための実験について説明する。始めに、材料の組成は同じにして加熱温度を変えて実験した。加熱条件は、加熱温度が摂氏７５０度、８００度、８１０度、８５０度、９００度の各々とした。その後、水溶性焼入れ冷却剤に浸けて急冷している。加熱温度は、高周波加熱機に流す電流の電圧値及び電流値を変化させ調整している。本実験では、室温から所定温度まで加熱し、水溶性焼入れ冷却剤により５秒間急冷して２００度以下まで低下させることにより焼入れが行われる。
【００１９】
ここで、焼入れする前の元の材料である鋼材の各種特性を以下に示す。４５ｋｇ級鋼材の特性は、引っ張り強度４９０ＭＰａ、耐力３６９ＭＰａ、伸び３２％である。１００ｋｇ級鋼材の特性は、引っ張り強度１０３２ＭＰａ、耐力８４０ＭＰａ、伸び１４％である。また実験に使用した鋼材の組成は、炭素０．１５重量％、ケイ素０．０２０重量％、マンガン１．５重量％、リン０．００９重量％、硫黄０．００３重量％、ホウ素０．００１６重量％、残部鉄および不可避不純物である。ここで、実験に使用する鋼材のＴ／Ｐサイズは、５０ｍｍ×２００ｍｍ×１．４ｍｍの板材である。
【００２０】
焼入れ時の鋼板の加熱温度と、焼入れ後の鋼のビッカース硬さ（Ｈｖ）および鋼の組織とを図２に示す。ビッカース硬さについては、加熱温度を大きくするほど数値が大きくなっていることがわかる。また、焼入れ後の鋼の組織構成については、加熱温度摂氏８００度以下のときフェライト６０％とパーライト４０％とからなる２相組織、加熱温度摂氏８１０度のときフェライト３０％とマルテンサイト７０％とからなる２相組織、加熱温度摂氏８５０度のときマルテンサイト９０％とフェライト１０％とからなる２相組織、加熱温度摂氏９００度のときマルテンサイトのみの組織となった。ここで、比較例の１００ｋｇ級鋼板と比較すると、４５ｋｇ級鋼板の硬さは加熱温度摂氏８１０度以上の場合に、１００ｋｇ級鋼板を上回っていることが分かる。
【００２１】
また、図２に示すように、加熱温度が摂氏８００度以下では、焼入れのための加熱が不十分であるため鋼組織中にマルテンサイトが生成されず、鋼の硬さが十分に得られていないことが分かる。そのため、鋼の硬さを向上するためには、加熱条件を摂氏８００度以上として鋼組織中にマルテンサイトが生成されることが必要となる。
【００２２】
次に、焼入れ後の鋼の衝撃評価として、シャルピー試験を行った。この試験で使用する試験片は、ＪＩＳ　Ｚ２２４２の試験片に準ずるが、テストピースには厚さ１．４ｍｍのものを４枚重ねたものを使用している。シャルピー試験は、材料の衝撃力に対する抵抗力、すなわち靱性を測定するためにおこなわれるものである。図３に、加熱条件を摂氏８１０度および９００度として、焼入れを行った部分の鋼の組織とシャルピー試験での衝撃値（単位Ｊ／ｃｍ２）との関係を示す。図３から分かるように加熱条件を摂氏９００度とした場合には、８１０度の場合と比較して衝撃値が低くなっている。これは鋼組織中のフェライト等がマルテンサイトになったことにより鋼の靭性が低下したものと考えられる。
【００２３】
したがって、以上により、焼入れの加熱条件を摂氏８００度以上９００度以下とすれば、焼入れ後の鋼の組織がフェライトとマルテンサイトとの２相組織となり、図２および３に示したように、４５ｋｇ級鋼板に１００ｋｇ級鋼板と同等の硬さと耐衝撃性を与えることができる。
【００２４】
また、本実施例による鋼の成形性評価として張出し試験を行った。この試験では、同心円状に底部直径３６ｍｍと開口部直径４３ｍｍとを備え、断面略台形状の凹部を形成された鋼材を試験片１として使用し、直径３６ｍｍの円柱ポンチ２による張り出し高さで評価した。張り出し試験の構造を示す断面図を図５に示す。図５に示すように、試験片１を直径４３ｍｍの孔を備えるダイス２にて固定し、この試験片凹部の底部を直径３６ｍｍの円柱ポンチ３によって、試験片の凹部の開口部側からプレスした。このときに、試験片が破断するまでの張り出し高さを計測した。この測定結果を図４に示す。尚、プレス機の能力は、１００トンメカプレス、３５ｓｐｍ、クッション圧１トンである。
【００２５】
図４から分かるように、張り出し高さは、８１０度の４５ｋｇ級の熱間成形が最も大きく、次いで、４５ｋｇ級の冷間成形、１００ｋｇ級の冷間成形の順となった。張り出し高さの値が大きいほど鋼板の成形性が良いので、４５ｋｇ級の熱間成形は１００ｋｇ級の冷間成形と比較して、より容易に成形することが可能であるとともに、より複雑な形状に成形することが可能である。即ち、熱間成形した後に、これを焼入れすることにより、高強度高靭性で、かつ複雑な形状を持つ成形品とすることができる。
【００２６】
以上説明したように、本発明の実施の形態の鋼材強化方法によれば、鋼材を加熱し、続いて冷却することにより、鋼材製品の所定領域について強度を強くする焼入れ工程を伴う鋼材の成形焼入れ方法であって、焼入れ部分の組織構成を２相組織としたことにより、鋼材製品の所定領域について、靱性と強度とを向上することができる。また、本発明の実施の形態の鋼材強化方法によれば、鋼材の材料組成が、炭素０．１０〜０．１８重量％、ケイ素０．０３重量％以下、マンガン０．６０〜１．６０重量％、リン０．０２重量％以下、硫黄０．０１３重量％以下、ホウ素０．００１〜０．００４重量％、残部鉄であるので、焼入れを行い鋼組織を２相組織とすることにより鋼材の強度を向上することができる。また、加熱条件を、摂氏８００度以上８５０度以下として焼入れを行うことにより、焼入れ後の鋼の粒子組織構成をフェライトとマルテンサイトとの２相組織とすることができ鋼材の強度と靭性とを向上できる。さらに、焼入れ工程と成形工程とを組み合わせ、前記加熱条件で加熱後に成形を行い、その後焼入れを行うことにより、鋼材の成形性が向上し、複雑な形状に成形することがより容易にできるようになるとともに、焼入れ部の鋼構成をフェライトとマルテンサイトからなる２相組織とすることにより、成形焼入れした鋼材の靭性と強度とを高くすることができる。
【００２７】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、本発明の実施の形態では、加熱方法として高周波加熱機を使用したが、他の加熱できる方法、例えばレーザ加熱でも同様である。また、鋼の組成成分についても、上記以外の元素を含有する等の変更をすることが可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の鋼材の成形焼入れ方法によれば、鋼材を加熱し、続いて冷却することにより、鋼材の所定領域の強度を強くする焼入れ工程を伴う鋼材の成形焼入れ方法であって、焼入れ部分の組織構成が２相組織となるので、鋼材の所定領域の靱性を上げるとともに、強度を強くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る鋼材の機械特性を示す表図である。
【図２】本発明の実施例に係る焼入れ時の鋼板の加熱温度と、焼入れ後のビッカース硬さと鋼の組織とを示す表図である。
【図３】本発明の実施例に係る鋼板のシャルピー試験の結果を示す表図である。
【図４】本発明の実施例に係る鋼板の張り出し試験の結果を示す表図である。
【図５】本発明の実施例に係る張り出し高さの計測方法を示す断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年8月20日(2002.8.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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