(57)【要約】【課題】高強度鋼板から、安定した強度と靱性を併せ持つ熱間プレス部材を作製する熱間プレス法を提供する。【解決手段】熱間プレス時の冷却過程において、Ｍｓ点までは臨界冷却速度以上で冷却し、Ｍｓ点から２００  ℃までの温度範囲の冷却速度を２５〜１５０  ℃／ｓとする。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｍｎ：０．５  〜３．０  ％、Ｃｒ：０．１  〜０．５  ％、Ｔｉ：０．０１〜０．１  ％、Ｂ：０．０００２〜０．００４  ％、Ｓｉ：０．５  ％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、かつＮｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｍｏ：１％以下、Ｖ：１％以下、およびＮｂ：１％以下の１種または２種以上
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼組成を有する鋼板を、Ａｃ３  点以上に加熱・保持後、最終製品形状への成形を行う方法であって、成形中または成形後の成形温度からの冷却に際して、成形部材のＭｓ点までの冷却速度が臨界冷却速度以上で、かつ、Ｍｓ点から２００  ℃までの平均冷却速度が２５〜１５０  ℃／ｓで冷却して焼入れ処理をする熱間成形法。
【請求項２】
前記成形をプレス成形用金型を用いて行う請求項１記載の熱間成形法。
【請求項３】
前記成形をプレス成形用金型を用いて成形後、金型間に水を注入して冷却することを特徴とする請求項１または２記載の熱間成形法。
【請求項４】
質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｍｎ：０．５  〜３．０  ％、Ｃｒ：０．１  〜０．５  ％、Ｔｉ：０．０１〜０．１  ％、Ｂ：０．０００２〜０．００４  ％、Ｓｉ：０．５  ％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、かつＮｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｍｏ：１％以下、Ｖ：１％以下、およびＮｂ：１％以下の１種または２種以上
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼組成を有する鋼板から構成され、熱間成形後の硬さが、ビッカース硬さで（最高焼入れ硬さ−１０）未満、かつ（最高焼入れ硬さ−１００）以上であることを特徴とする熱間成形部材。
【請求項５】
前記熱間成形が熱間プレス成形である請求項４記載の熱間成形部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のボデー構造部品、足回り部品等を初めとする機械構造部品等の熱間成形部材と、その製造に使用される熱間成形方法に関する。さらに詳述すれば、本発明は、熱間プレス部材とそのための熱間プレス方法に関する。
【０００２】
なお、以下において、熱間プレス成形を例にとって本発明を説明する。
【０００３】
【従来の技術】
近年、自動車の軽量化のため、例えば引張強さ５９０ＭＰａ以上というように鋼材の高強度化を図り、使用重量を減ずる努力が進んでいる。自動車に広く使用される薄鋼板においては、そのような傾向の下、鋼板強度の増加に伴って、プレス成形性が低下し、複雑な形状を製造することが困難になってきている。具体的には、強度増加に伴って延性が低下し、加工度が高い部位で破断が生じたり、スプリングバックや壁反りが大きくなり寸法精度が劣化するという問題が発生する。
【０００４】
従って、高強度、特に引張強さ７８０ＭＰａ級以上の鋼板の場合、冷間加工の１種としてプレス成形でもって部品を製造することは容易ではない。プレス成形ではなくロール成形によれば、高強度の鋼板の加工が可能であるが、長手方向に一様な断面を有する部品にしか適用できない。
【０００５】
一方、特許文献１で示されているように、加熱した鋼板をプレス成形する熱間プレスと呼ばれる方法では、鋼板を高温で加熱することから、鋼板の材質は軟質、高延性になっているため、加熱状態で複雑な形状を寸法精度よく成形することが可能である。さらに、鋼板をオーステナイト域に加熱しておき、金型内で急冷するという金型冷却により、マルテンサイト変態による鋼板の高強度化が同時に達成できるとしている。
【０００６】
しかしながら、熱間プレス法における金型冷却では、部材の焼入れ硬さ（０．２  ％Ｃ材）がＨｖ  ４００〜４９０  となっており、部材中の硬さのばらつきが非常に大きいという問題が残っている。
【０００７】
非特許文献１にはスェーデンのプランジャにより開発されたホットプレス技術の紹介があり、９８０  ℃からダイクエンチ  （金型内急冷）  するとある。金型温度は加熱との記載はないので、常温〜数十℃と推定される。
【０００８】
特許文献２にはＣ：０．１８〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０  ％、Ｍｎ：０．２  〜１．５  ％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０８％以下、Ｃｒ：０．１  〜０．５  ％、Ｂ：０．０００６〜０．００４０％、Ｎ：０．０１％以下を含み、Ｃｕ：０．５  ％以下、Ｎｉ：０．３  ％以下、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％の少なくとも１種を含み残部鉄からなる急速焼入れ用熱延鋼板が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】英国特許第１４９０５３５  号公報
【特許文献２】特開平８−２６９６１５号公報
【非特許文献１】ＡＤＶＡＮＣＥＤ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＆  ＰＲＯＣＥＳＳＥＳ  ｖｏｌ．１４６、Ｎｏ．６、１９９４年  １２  月
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、熱間成形法により高強度鋼板から製造でき、かつ安定した強度と靱性を併せ持つ熱間成形部材と、それを作製する熱間成形法を提供することである。
【００１１】
より具体的には、本発明の課題は、自動車のボデー構造部品、足回り部品等を初めとする機械構造部品等の熱間プレス部材と、その製造に使用される熱間プレス方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、熱間プレス法において、得られる熱間プレス部材が安定した強度および靱性を併せ持つよう、鋭意検討した結果、特に成形後の冷却時、例えば金型冷却時のＭｓ点以下での平均冷却速度を一定範囲内に収めることが有効であるとの知見を得、本発明を完成した。
【００１３】
ここに、本発明は、次の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｍｎ：０．５  〜３．０  ％、Ｃｒ：０．１  〜０．５  ％、Ｔｉ：０．０１〜０．１  ％、Ｂ：０．０００２〜０．００４  ％、Ｓｉ：０．５  ％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、かつＮｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｍｏ：１％以下、Ｖ：１％以下、およびＮｂ：１％以下の１種または２種以上
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼組成を有する鋼板を、Ａｃ３  点以上に加熱・保持後、最終製品形状への成形を行う方法であって、成形中または成形後の成形温度からの冷却に際して、成形部材のＭｓ点までの冷却速度が臨界冷却速度以上で、かつ、Ｍｓ点から２００  ℃までの平均冷却速度が２５〜１５０  ℃／ｓで冷却して焼入れ処理をする熱間成形法。
【００１４】
（２）質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｍｎ：０．５  〜３．０  ％、Ｃｒ：０．１  〜０．５  ％、Ｔｉ：０．０１〜０．１  ％、Ｂ：０．０００２〜０．００４  ％、Ｓｉ：０．５  ％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、かつＮｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｍｏ：１％以下、Ｖ：１％以下、およびＮｂ：１％以下の１種または２種以上
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼組成を有する鋼板から構成され、熱間成形後の硬さが、ビッカース硬さで（最高焼入れ硬さ−１０）未満、かつ（最高焼入れ硬さ−１００）以上であることを特徴とする熱間成形部材。
【００１５】
本発明の好適態様では上記成形はプレス成形用金型を用いて行う熱間プレス成形である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明において、鋼組成および成形条件を前述のように限定した理由について説明する。本明細書において鋼組成、つまり鋼の化学組成を示す「％」は「質量％」を表す。
【００１７】
１．素地鋼板成分について
鋼板の化学組成については、以下のように規定する。
Ｃ：０．１５〜０．４５％
Ｃは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後、強度を主に決定する非常に重要な元素である。さらにＡｃ３  点を下げ、焼入れ処理温度の低温化を促進する元素である。しかしＣ含有量が０．１５％未満では、その効果は十分ではなく、一方でＣ含有量が０．４５％を超えると焼入れ部の靱性劣化が著しくなる。より望ましいＣ含有量の下限は０．１６％、上限は０．３５％である。
【００１８】
Ｍｎ：０．５  〜３．０  ％
Ｍｎは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後、強度を安定して確保するために、非常に効果のある元素である。さらにＡｃ３  点を下げ、焼入れ処理温度の低温化を促進する元素である。しかしＭｎ含有量が０．５  ％未満ではその効果は十分ではなく、一方でＭｎ含有量が３．０  ％を超えるとその効果は飽和し、さらに焼入れ部の靱性劣化を招く。より望ましいＭｎ含有量は０．８  〜２．０  ％である。
【００１９】
Ｃｒ：０．１  〜０．５  ％
Ｃｒは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後、強度を安定して確保するために効果のある元素である。しかしＣｒ含有量が０．１  ％未満ではその効果は十分ではなく、一方でＣｒ含有量が０．５  ％をこえるとその効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。より望ましいＣｒ含有量は、０．１５〜０．３０％である。
【００２０】
Ｔｉ：０．０１〜０．１  ％
Ｔｉは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後、強度を安定して確保するために効果のある元素である。さらに焼入れ部の靱性も向上させる効果を有する。しかしＴｉ含有量が０．０１％未満ではその効果は十分ではなく、一方でＴｉ含有量が０．１  ％を超えるとその効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。より望ましいＴｉ含有量は０．０１５  〜０．０３％である。
【００２１】
Ｂ：０．０００２〜０．００４  ％
Ｂは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後、強度の安定確保効果をさらに高める重要な元素である。しかしＢ含有量が０．０００２％未満ではその効果は十分ではなく、一方でＢ含有量が０．００４  ％を超えるとその効果は飽和し、かつコスト増を招く。より望ましいＢ含有量は０．０００５〜０．００２５％である。
【００２２】
Ｓｉ：０．５  ％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：１％以下、Ｎ：０．０１％以下
これらの元素も鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度の安定化を高める効果を有する。
【００２３】
Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｍｏ：１％以下、Ｖ：１％以下、Ｎｂ：１％以下の１種または２種以上
これらの元素も、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後、強度の安定確保に効果の有る元素であり、１種または２種以上含有する。しかしそれぞれ上限値を越えて含有させてもその効果は小さく、かついたずらにコスト増を招くため、各合金元素の含有量は上述の範囲とする。
【００２４】
本発明で使用する鋼板については、成形に先立つ加熱の際にオーステナイト温度域に加熱し、オーステナイト変態をさせるため、加熱前の室温での機械的性質は重要ではなく、加熱前の金属組織については特に制限されない。つまり、素地鋼板として熱延鋼板、冷延鋼板、めっき鋼板のいずれを使用してもよく、その製造方法については特に限定はしない。例えばめっき鋼板には、アルミ系めっき鋼板や亜鉛系めっき鋼板等が挙げられる。
【００２５】
２．加熱条件および保持時間について
熱間プレス時の金型冷却において、成形部材、つまり熱間プレス部材に成形後焼入れ処理を行うためには、まず素地鋼板をオーステナイト温度域まで加熱し、素地鋼板を一度、オーステナイト相にする必要がある。そのためには、Ａｃ３  点以上に加熱し、その温度で通常の条件では１分以上保持する。保持時間の上限は特には設けないが、実際の生産上の効率を考えて、保持時間の上限を１０分程度にするのが望ましい。
【００２６】
３．熱間プレス時の冷却速度について
熱間プレス時または熱間プレス後の冷却速度は、熱間プレス部材において安定した強度および靱性を得るために、非常に重要な役割を果たすパラメーターである。
【００２７】
安定した強度および靱性を熱間プレス部材に付与するためには、熱間プレス後の組織を、完全マルテンサイト組織とするのではなく、自動焼き戻しマルテンサイト組織とすることが肝要である。この自動焼き戻しマルテンサイト組織にするためには、熱間プレス時または熱間プレス後の冷却段階でＭｓ点までは拡散変態が起きないように臨界冷却速度以上で冷却し、かつＭｓ点から２００  ℃までの温度範囲は平均冷却速度２５〜１５０  ℃／ｓという、遅い冷却速度で冷却する必要がある。このような冷却により、マルテンサイト変態が起こると同時に焼き戻しがされるため、強度のばらつきが少なく、かつ靱性に優れたマルテンサイト組織が得られる。Ｍｓ点から２００  ℃までのより望ましい平均冷却速度は３０〜１２０  ℃／ｓである。
【００２８】
４．熱間プレス法における成形方法について
熱間プレス法における成形の形態としては、曲げ加工、絞り成形、張出し成形、穴拡げ成形、フランジ成形等がある。また成形と同時またはその直後に鋼板を冷却する手段を備えていれば、プレス成形以外の成形法、例えばロール成形に本発明を適用してもよい。
【００２９】
５．熱間プレス部材について
前述の熱間プレス法にて作製された部材は、強度のばらつきが少なく、かつ靱性に優れた焼き戻しマルテンサイト組織を有する部材となる。また、得られる強度は、焼き戻しマルテンサト組織の強度であるため、硬さで言い換えると、（最高焼入れ硬さ−１０）よりも低く、また過度に焼き戻されていないので、Ｈｖで（最高焼入れ硬さ−１００）以上の硬さを有する。
【００３０】
ここに「最高焼入れ硬さ」とは、９００  ℃に加熱した塩浴中でその材料を１０分間保持後、水冷処理を施した時に得られる硬さである。
【００３１】
６．熱間プレス成形に際しての冷却方法について
通常、鋼製金型は常温または数十℃程度の温度に保持されているから、熱間プレス成形に際して、この鋼製金型によりプレス成形部材の冷却が達成される。従って、冷却速度を変化させるためには、金型寸法を変え熱容量を変化させればよいことが分かる。
【００３２】
また、金型材質を異種金属（例えば銅など）に変えることでも冷却速度を変化させることができる。金型寸法も、材質も変えられない場合、水冷型の金型を用いてそのときの冷却水量を変えることによっても、冷却速度を変えることができる。その場合でも、例えば、予め溝を数カ所切った金型を用いプレス中に水を溝に通すことによって冷却速度を変えたり、プレス成形途中でプレス機を上げ、その間に水を流すことでもプレス成形部材の冷却速度を変えることができる。
【００３３】
従って、ＭＳ点の前後で冷却速度を変える手段には次のような手段が考えられる。
▲１▼ＭＳ点到達直後に、熱容量の異なる金型または室温状態の金型に移動させて、冷却速度を変える。
【００３４】
▲２▼水冷金型の場合、ＭＳ点到達直後に、金型中を流れる水量を変化させて、冷却速度を変える。
▲３▼ＭＳ点到達直後に金型と部材の間に水を流し、その水量を変化させることで、冷却速度を変える。
【００３５】
【実施例】
本発明の作用効果を実施例によってさらに具体的に説明する。
本例では、表１および表２に示した組成を有する鋼板（板厚：１．０ｍｍ）を素地鋼板とした。これらの鋼板は、実験室にて溶製したスラブを、熱間圧延、冷間圧延により製造した鋼板である。さらに鋼種  Ｎｏ．２には、めっきシミュレーターを用いて溶融亜鉛めっき  （片面あたりのＺｎ付着量は６０ｇ／ｍ２）  を施し、その後、合金化処理  （めっき皮膜中のＦｅ含有量は１５質量％）  を行った。
【００３６】
これらの鋼板を、１．０ｔ×４０Ｗ  ×６０Ｌ  （ｍｍ）の寸法に切断し、大気雰囲気の加熱炉内で９００  ℃×５分加熱してから、加熱炉より取り出し、その直後に、平板の鋼製金型を用いて、熱間プレス成形を行った。
【００３７】
得られた熱間プレス部材について、ビッカース硬さ測定（荷重９．８  Ｎ測定数：５）を行った。また鋼板に熱電対を貼付しプレス成形後の冷却速度の測定も行った。冷却速度については、主に金型寸法を変えて冷却速度を変化させた。
【００３８】
なお、Ｎｏ．２については鋼板温度がＭｓ点に到達した直後に金型間に水を注入し冷却速度を調節した。
最高焼入れ硬さについては、９００  ℃に加熱した塩浴中でその材料を１０分間保持後、水冷処理を施した時に得られる硬さを最高焼入れ硬さとした。
【００３９】
得られた結果を同じく表１、表２にまとめて示す。
本発明例である鋼種Ｎｏ．１〜４では、Ｍｓ点から２００  ℃までの平均冷却速度が適正であるため、得られた硬さは（最高焼入れ硬さ−１０）よりも低く、また（最高焼入れ硬さ−１００）よりも高い。
【００４０】
比較例である鋼種Ｎｏ．５は、臨界冷却速度以上で冷却しているが、Ｍｓ点から２００  ℃までの平均冷却速度が遅いため、十分な硬さが得られていない。また鋼種Ｎｏ．６は、Ｍｓ点から２００  ℃までの平均冷却速度が速すぎるため、硬くなりすぎている。
【００４１】
ここに、「硬すぎる」との意味は、硬さの絶対値が高いということではなく、最高焼き入れ硬さに近いということである。
本発明例として、鋼種Ｎｏ．２の鋼板について、大気雰囲気の加熱炉内で９００  ℃×５分加熱して、加熱炉より取り出し、ハット型の熱間プレス成形（ブランクサイズ：１．０ｔ×８０Ｗ  ×３２０Ｌ  ｍｍ）を行った。
【００４２】
このときのハット成形法の模式図を図１に示す。このときの熱間プレス成形条件は、成形高さ７０ｍｍ、Ｒｄ（ダイス肩部Ｒ）８ｍｍ、Ｒｐ（パンチ肩部Ｒ）  ８ｍｍ、クリアランス１．０ｍｍ  、しわ押さえ力１２．７ｋＮとした。
【００４３】
また熱間プレス成形品のパンチ底部、側壁中央部、フランジ部について、ビッカース硬さ測定（荷重９．８Ｎ、測定数：５）を行った。また各部位に熱電対を貼付し、その部位の冷却速度も測定した。結果を表３にまとめて示す。
【００４４】
各部位でのＭｓ点から２００  ℃までの平均冷却速度が適正であるため、良好な硬さが得られている。また同じ部材中での硬さのばらつきも小さいことがわかる。
本例では、各鋼種のＡｃ３  点、Ｍｓ点および臨界冷却速度は、次記方法にて測定した。
【００４５】
すなわち、熱延鋼板から直径３．０ｍｍ  、長さ１０ｍｍの円柱試験片（図２）を切り出し、大気中で９５０  ℃まで１０℃／ｓの昇温速度にて加熱し、その温度で５分間保持したのち、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、Ａｃ３  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：５）  および組織観察を行い、それらの結果から臨界冷却速度を見積もった。
【００４６】
【表１】
2004353026.tif 000002
【００４７】
【表２】
2004353026.tif 000003
【００４８】
【表３】
2004353026.tif 000004
【００４９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明により、安定した強度と靱性を併せ持つ熱間プレス部材の作製が可能となり、高強度鋼板のプレス成形部材としての用途拡大に本発明は大きな寄与をする発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハット成形法の模式的説明図である。
【図２】臨界冷却速度の測定用試験片の形状を示す模式図である。
【図１】
2004353026.tif 000005
【図２】
2004353026.tif 000006