(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
引張り試験で求められた真歪み３〜７％の間における応力歪み線図の傾きｄσ／ｄεが５０００ＭＰａ以上の高強度鋼板どうしを、摩擦撹拌接合によって互いに接合してなることを特徴とする車両用強度部材。
【請求項２】
前記高強度鋼板が、フェライト相と分散する硬質第２相からなる金属組織を呈し、該金属組織に占める硬質第２相の面積率が３０〜７０％であり、前記フェライト相中に占める結晶粒径が１．２μｍ以下のフェライトの面積率が１５〜９０％であり、前記フェライト相中において、結晶粒径が１．２μｍ以下のフェライトの平均粒径ｄｓと結晶粒径が１．２μｍを超えるフェライトの平均粒径ｄＬとが下記（１）式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の車両用強度部材。
ｄＬ／ｄｓ≧３…（１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高次元での高強度と衝撃エネルギー吸収能を兼ね備えた高強度鋼板からなる車両用強度部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の衝突安全性への要求が益々高まっている。例えば前面衝突に対する安全策としては、フロントフレームを変形させてエネルギーを吸収し、その代わりに乗員空間であるキャビンは変形抵抗を高めてなるべく変形を抑えて乗員空間を確保するという手法が有効とされている。この手法におけるフロントフレームでのエネルギー吸収量は、変形抵抗と変形ストロークの積に比例するが、より短い変形ストロークで同等のエネルギーを吸収することができれば、フロントオーバーハングの短縮による運動性能の向上や車体軽量化など、さまざまなメリットを享受することができる。したがって近年では、フロントフレームに使用される材料（一般的には鋼板）の強度が、より高いものになっている。
【０００３】
ここで、フロントフレーム用鋼板を高強度化するにあたっては、鋼板を高強度化すると必然的に降伏点が上昇するために、初期反力、すなわち車体が衝突する瞬間の反力も大きく上昇するという問題がある。したがって、初期反力を極力低く抑えながらも、変形時の吸収エネルギーを十分に確保することが必要である。
【０００４】
また、一般に鋼板を高強度化すると、フロントフレームのような部品が長手方向に圧縮する状況にあっては、座屈形状が不安定になり、安定した蛇腹状の座屈から折れ曲がりの状態に変形様式が変化するという問題もある。言うまでもなく、折れ曲がりになると衝撃エネルギーの吸収効率も低下するため、素材を高強度化したことによる吸収エネルギーの増加も見込めなくなる。なお、鋼板の高強度化により座屈が不安定になる理由としては、鋼板素材の高強度化による加工硬化能の低下が大きいと言われている。すなわち、部材が軸方向に１回だけ座屈した時に素材の加工硬化の度合いが大きければ、座屈部のみならずその周囲にも変形が伝播し、別の部位が次に座屈し、結果的に蛇腹状の座屈形態となるが、加工硬化の度合いが小さい場合は、１回目の座屈部のみに変形が集中してしまい、その場合には折れ曲がりの形態となる。一般的に鋼板を高強度化すると加工硬化能は低下するため、座屈の不安定化は避けられなかった。
【０００５】
このような問題を解決するためには、部品の形状を、安定座屈しやすくなるようなものとすることが効果的である。ところが、エンジンルーム内でのレイアウトやデザインの面で制約があり、部品の形状を所望通りに実現できるとは限らない。そこで、材料そのものの特性を最適化することで目的を達成することができれば、材料を高強度化しながらも問題なくエネルギーを吸収することができる。具体的には、高強度でありながら降伏強度が低く、かつ、加工硬化能が高い鋼板を用いれば、初期反力の増加が抑制され、また、座屈が安定化し、効率的に衝撃エネルギーを吸収することができる。
【０００６】
さて、衝突特性に優れた車体部品用の鋼板としては、加工誘起変態によりマルテンサイトを生成可能なオーステナイトを持つとともに、加工硬化指数が０．６以上の鋼板を用いて構成された鋼板が開示されている（特許文献１）。また、この他には、Ｃ：０．１〜０．４５％を含み、Ｓｉ：０．５％〜を含む鋼を所定の条件で熱延、冷延、焼鈍することで、引張り強度が８２〜１１３ｋｇｆ／ｍｍ２で、引張り強度×伸びが２５００ｋｇｆ／ｍｍ２・％以上を示す延性の良好な高強度鋼板の製造方法が開示されている（特許文献２）。さらには、Ｃ：０．１〜０．４ｗｔ％を含み、Ｓｉを制限した成分系でＭｎ量を高め、所定条件で２回焼鈍することで、引張り強度が８１１〜１２４０ＭＰａ、引張り強度×伸びが２８０００ＭＰａ％以上の高延性を示す高強度鋼板が開示されている（特許文献３）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１３０４４４号公報
【特許文献２】特開昭６２−１８２２２５号公報
【特許文献３】特開平７−１８８８３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１には、Ｃｒ：１９質量％、Ｎｉ：１２．２質量％の実施例ａと、Ｃｒ：１８．３質量％、Ｎｉ：８．８７質量％の実施例ｂの、いずれもオーステナイトステンレスが開示されている。本発明者がそのうちの実施例ｂとほぼ同じ成分を含有する市販のＳＵＳ３０４Ｌ（オーステナイトステンレス）を用いて、板材をハット状に折り曲げ加工した部材を用いた筒型部材（図６参照）を試験片として作製し、圧潰試験（後述の実施例参照）に供したところ、座屈は蛇腹形状に安定して生じたものの、初期反力と吸収エネルギーのバランスは、従来鋼に対して優位差がないという結果を得た。
【０００９】
また、特許文献１の請求項２には、使用される鋼板の加工硬化指数が０．２６以上と規定されているが、初期反力と吸収エネルギーのバランスを決定するのは、いわゆる加工硬化指数すなわち“ｎ値”だけではないことを本発明者は把握している。そもそもこのｎ値とは、応力σと歪みεの関係を、「σ＝Ｋεｎ」で表した場合の指数ｎであり、本発明者はこれに関して３つの問題点があると考えている。
【００１０】
第１に、ｎ値自体は、応力歪み線図の形を決定しているにすぎず、材料の加工硬化量すなわち変形応力の増分の絶対値を決めるものではないということである。例えば軟鋼板はｎ値が高いが、応力の増分の絶対値自体が大きいわけではない。また、必ずしも全ての材料の応力歪み線図に対してｎ値が精度良く合うものではない。後述するように本発明は、部材の衝突特性にとって重要な因子は、ｎ値ではなく、応力の増分すなわち応力歪み線図の勾配であるとの知見によっている。
【００１１】
さらには、ｎ値を測定するにあたり、測定に用いる歪み量の範囲によって得られるｎ値が変わってくることも問題である。例えば、「プレス成形難易ハンドブック第３版（２００７年  日刊工業新聞社  薄鋼板成形技術研究会編）、９９ページ」には、「通常の材料では変形中にｎ値が一定ではない」と記載されている。しかしながら、ｎ値の測定に用いる歪み量の範囲に明確な規定はない。前出の「プレス成形難易ハンドブック第３版  ９９ページ」には、歪み量は、「普通鋼板では５〜１５％、または１０〜２０％とすることが多い」と記載されているのみである。また、「ＪＩＳ  Ｚ  ２２５３  薄板金属材料の加工硬化指数試験方法  ７．ｎ値の算出（１）」には、「計算に用いる歪みの範囲は、それぞれの材料規格による。特に規定のない場合は、受渡当事者間の協定による」と記載されているものの、「ＪＩＳ  Ｇ  ３１４１  冷間圧延鋼板及び鋼帯」には、ｎ値の規定はなく、「日本鉄鋼連盟規格  ＪＦＳＡ−２００１  自動車用冷間圧延鋼板及び鋼帯」にもｎ値の規定はない。
【００１２】
以上を鑑みると、種々の方法で測定されたｎ値をそのまま比較することは正当な評価をしたことにならない。さらには、ｎ値の測定に関しては、弾性変形域の取り扱いも慎重になされるべきである。「ＪＩＳ  Ｚ  ２２５３  薄板金属材料の加工硬化指数試験方法」には、真歪みεの定義として伸び系の標点距離Ｌが用いられており、これに基づくならば、弾性変形域を含んだ標点距離の変位量を用いて真歪みが計算されるため、真歪みには弾性変形分が含まれることになる。しかしながら、加工硬化指数を計算するにあたって弾性変形域を含んだ歪みを用いることには、そもそも矛盾がある。もっとも、軟鋼板等、降伏点が比較的低いものの場合には、弾性変形域を含むか否かはさほど問題にならない。しかしながら本発明のような衝突部品に適用される高強度鋼板では、軟鋼板に比べて降伏点が高いため、弾性変形域を含む場合と含まない場合のｎ値の差異は、無視できなくなる。
【００１３】
以上のような状況に鑑み、本発明者は、部材の衝突特性に影響する材料因子として、ｎ値以外に、より簡便で、かつ、計算条件が明確な指標を検討してきた。その結果、弾性変形域を除外した塑性歪みを用いた真応力真歪み線図において、真歪み３〜７％の間の真応力の傾きｄσ／ｄεが、最も有効であるとの結論に達した。そのため本発明では、応力勾配ｄσ／ｄεを、材料特性を規定するための指標とする。その詳細な測定方法については後述する。
【００１４】
次に、特許文献２に開示されているフェライトと残留オーステナイトの複合組織鋼板は、優れた強度延性バランスを示すものの、一定以上のＳｉ添加が必要である。このため、表面性状が劣化することに加え、１０００ＭＰａ以上の高強度を得るためには０．３６％ものＣ量が必要であることから、スポット溶接強度が劣り、スポット溶接で組み立てられる車両用車体には適さないという欠点がある。また、特許文献３には、Ｓｉを低減しても良好な強度延性バランスを有する高強度鋼板の製造方法が開示されているが、２回の焼鈍が必要なため製造コストが高く、さらにＣ量が多いためにスポット溶接強度の問題が残る。
【００１５】
また、いずれの特許文献に記載の鋼板においても、初期反力を抑えて吸収エネルギーを確保するといった特性は有していない。以上のような状況から、衝突時の初期反力をできるだけ抑えて吸収エネルギーは確保することができる高強度鋼板を、Ｃ量を低く抑えながら達成する技術が求められていた。
【００１６】
よって本発明は、高強度と衝撃エネルギー吸収能とを高次元で兼ね備える車両用強度部材を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者は、車両用強度部材のうち特に軸方向に変形する部品において、初期反力を抑えながら吸収エネルギーを上昇させるために必要な材料の特性について研究を重ねた結果、初期反力は素材の３％変形時の応力に比例し、圧潰後の吸収エネルギーは素材の７％変形応力に比例しているとの知見を得た。その知見を元に、初期反力を抑えながら吸収エネルギーを上昇させるためには、素材の３％変形応力をできるたけ低くし、７％変形応力をできるだけ高くすることが必要であるとの結論に達した。すなわち、歪み３〜７％の間の応力上昇つまり応力歪み線図の傾きが大きい鋼板が、従来得られなかった低い初期反力と高い吸収エネルギーとのバランスを持つことができるとの結論に達した。また、本発明の車両用強度部材は、そのような鋼板を溶接してなるものであるが、Ｃ量が比較的高い場合には、通常のスポット溶接では十分な溶接強度を得にくい可能性がある。そこで本発明では、鋼板どうしを高い強度で接合するためには摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding）が有効であるという知見も得た。
【００１８】
本発明の車両用強度部材は上記知見に基づいてなされたものであり、引張り試験で求められた真歪み３〜７％の間における応力歪み線図の傾きｄσ／ｄεが５０００ＭＰａ以上の高強度鋼板どうしを、摩擦撹拌接合によって互いに接合してなることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の高強度鋼板においては、特に、フェライト相と分散する硬質第２相からなる金属組織を呈し、金属組織に占める硬質第２相の面積率が３０〜７０％であり、フェライト相中に占める結晶粒径が１．２μｍ以下のフェライトの面積率が１５〜９０％であり、フェライト相中において、結晶粒径が１．２μｍ以下のフェライトの平均粒径ｄｓと結晶粒径が１．２μｍを超えるフェライトの平均粒径ｄＬとが下記（１）式を満たすことを特徴としている。
ｄＬ／ｄｓ≧３…（１）
【００２０】
さて、上記のように、本発明に係る高強度鋼板は、高強度で、かつ、衝撃吸収エネルギーを高次元で発揮されるために、引張り試験で求められた真歪み３〜７％の間における応力歪み線図の傾きｄσ／ｄεが５０００ＭＰａ以上であることを必須としている。ここで、まず本発明に係る高強度鋼板の特性を示す応力歪み線図の傾きｄσ／ｄεの測定方法について詳述する。
【００２１】
素材から引張り試験片を作製して引張り試験に供するが、その際には伸び計の使用は任意である。伸び計を使用する場合には、引張り試験時に標点伸びと荷重を測定し、公称応力歪み線図を得る。次いで、公称応力歪み線図の歪みから弾性変形分を減じて塑性歪みに換算し、さらに真歪みと真応力の関係に変換する。そして、得られた塑性真歪み真応力の関係から、真歪み０．０３での真応力：σ３と、真歪み０．０７での真応力：σ７を得た後に、下記式によって応力歪み線図の傾きｄσ／ｄεを求める。
ｄσ／ｄε＝（σ７−σ３）／０．０４
これが、本発明で定義する応力歪み線図の傾きである。
【００２２】
また、試験片が小さい等の理由で伸び計を使用できない場合には、クロスヘッド変位と荷重を測定し、応力変位線図を得た後に、応力変位線図の立ち上がりにおける直線部を弾性変形分として、その弾性変形分を歪みから減じれば、公称塑性歪みとなる。以下は上記と同じ要領で求められる。
【００２３】
次に、本発明者は、上記の従来技術によらずに加工硬化能が大幅に向上した高強度鋼板を得るために、結晶粒の超微細化に着目した研究を行ってきた。その結果、超微細粒を所定の範囲の比率で含有するフェライトを母相とし、マルテンサイト、ベイナイト、残留オーステナイトのいずれか１種、またはそれ以上からなる第２相を一定の比率で含有する複合組織鋼板とすることで、高強度でありながら従来にない高い加工硬化能を付与できるとの結論に達した。
【００２４】
このようにして製造した鋼板は、真歪み３〜７％の間における応力歪み線図の傾きが５０００ＭＰａ以上であり、従来の高強度鋼板の製造技術では実現することができなかったものである。図１に、発明鋼板と比較鋼板（後述の実施例に記載の発明鋼板１３と比較鋼板２）の公称応力公称歪み線図を示すが、発明鋼板は、特に歪み１０％以下の領域で大きな加工硬化能を有している。
【００２５】
超微細粒のフェライト相と硬質第２相からなる組織が、従来にない大きな加工硬化能を有する理由は必ずしも明確ではないが、以下のように考えられる。図２は、発明鋼板（後述の実施例に記載の発明鋼板１３）から引張り方向と圧延方向が一致するように引張り試験片を作製し、引張り変形させた後に、試験片の平行部から、観察面が引張り方向すなわち圧延方向と平行な断面となるように薄膜を採取し、その薄膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて観察した明視野像である。図３は、その視野像の模式図である。これら図によると、右上と中央下の比較的暗い色をした粒が硬質第２相、比較的明るい部分が母相のフェライトであるが、母相のフェライトには非常に高い密度で転位が存在していることが判る。さらにその転位は、一般的に金属の変形組織に見られる転位セル組織を形成していない。
【００２６】
ここで転位セルとは、変形により導入された転位が互いに補足し合ったりからみ合ったりして集積することで、歪みエネルギーが下がるように配列したもので、セル壁と呼ばれる転位密度の高い部分と、比較的転位密度が低い部分とからなる。このように転位セルを形成することで、歪みエネルギーが下がって内部応力が緩和されているため、セルを形成しない場合よりも、変形に必要な外部応力は小さいと考えられる。鉄の場合の転位セルの例は、「改定金属物理学序論（幸田成康著  コロナ社  １９７３年）２６５ページの図９．４７」に記載されている。この例は、純鉄を１８％引張り変形させた場合であるが、セルが特定の方向に伸張しており、短い方のセル壁間隔は、約１μｍである。鋼を引張り変形した場合のセル間隔はこの程度と考えてよい。
【００２７】
さて、鋼を構成する結晶粒の大きさが、通常の転位セルの大きさと同等か、もしくは小さい場合には、もはや転位セル組織を形成することはできない。したがって、加工により導入された転位は高密度で粒内に存在することになり、転位どうしの相互作用も大きく、内部応力の増加をもたらすことになる。このため、それ以上に材料が変形するには、セルを形成する場合よりも大きな外部応力が必要になる。これが、大きな加工硬化をもたらす原因と考えられる。
【００２８】
次に、上記の転位に基づく機構が本発明に係る鋼板においてどのように作用しているかについて述べる。本発明に係る高強度鋼板の金属組織は、上記のように、フェライトの母相と硬質第２相からなる複合組織鋼板であり、金属組織に占める硬質第２相の面積率が３０〜７０％であり、母相のフェライト中に占める粒径１．２μｍ以下の超微細なフェライト粒の面積率が１５〜９０％であることを特徴としている。
【００２９】
その根拠は、まず、母相のフェライトに占める粒径１．２μｍ以下の超微細フェライト粒の割合が１５％よりも小さい場合は、材料の加工硬化はあまり向上しない。これは、金属組織の多くを占める粗大粒の部分が、通常のように転位セルを形成するためである。一方、粒径１．２μｍ以下の超微細フェライト粒の割合が９０％を越えると、フェライト相の変形能が低下して破断が容易に起こりやすくなる。粗大結晶粒フェライトをある程度含有することで、超微細フェライト粒への応力の集中が分散され、素材の延性が向上する。これらの要因から、超微細フェライト粒の適正な面積率は１５〜９０％である。また、上述した効果を十分に発揮するには、超微細フェライト粒の平均粒径に対する粒径１．２μｍを超えるフェライト粒の平均粒径を３倍以上とすることが適正である。
【００３０】
次に、硬質第２相の面積率の限定理由について述べる。硬質第２相が３０％より少ない場合は、母相の超微細粒率が所定の範囲であっても、大きな加工硬化は発現しない。そもそも硬質第２相の役割は、隣接した軟質なフェライトを優先的に変形させ、歪み、すなわち転位をフェライト相中に多く導入するためである。これにより母相のフェライトが加工硬化する。しかし第２相が少ない場合はこのような効果が不十分なため、フェライトの加工硬化が不十分となる。
【００３１】
一方、硬質第２相はまったく変形しないわけではなく、金属組織の連続性を満たすために、ある程度は変形するが、変形の主体はあくまでもフェライトである。しかしながら、硬質第２相が７０％よりも多い状態では、材料を変形させた場合に、もはや母相のフェライトだけでは素材の変形をまかなうことは困難であり、逆に素材の変形の多くの部分を、硬質第２相の変形によりまかなうようになる。ところが本発明の硬質第２相は、マルテンサイト、残留オーステナイトおよびベイナイトのうちのいずれかであり、硬質で変形能に乏しいため、材料の強度は高くなるものの延性は望めない。ここで、残留オーステナイトは、それ自体変形能に乏しいということはない。しかしながら、歪み誘起によってマルテンサイトに変態した後は、硬度が高くかつ延性に乏しい。そのような相が変形の主体である場合は、硬質第２相の内部もしくは硬質第２相とフェライトとの界面にボイドが容易に形成され、比較的早期に破断に至る。したがって本発明においては、硬質第２相の面積率の上限を７０％と定めた。
【００３２】
なお、一般的な複合組織鋼板においては、硬質第２相の面積率は最大３０％程度のようであって適正な第２相面積率の範囲が本発明とは異なる。従来技術で硬質第２相の面積率が最大３０％程度であることの理由は明確ではないが、超微細フェライト粒中の可動転位密度に関係していると想定される。第２相を含まない単相の超微細フェライト粒からなる鋼の研究例では、結晶粒内の転位密度が非常に小さいことが明らかになっている（例えば、Scripta Materiallia 第４７巻 ２００２年 ８９３ページ）。
【００３３】
鉄の降伏強度は、結晶中の可動転位密度に密接に関係し、いわゆるギルマン・ジョンストンの降伏理論で説明されるように、初期の可動転位密度が低いと、材料の降伏により大きな外部応力を必要とする。一旦材料が降伏し転位の増殖によって可動転位密度が大幅に上昇してしまうと、それほどの外部応力は必要としないため、変形応力が低下する。したがってこの場合は、降伏点が高く加工硬化が小さいという材料特性になる。この欠点を回避して降伏点を低下させ、かつ、加工硬化を高めるためには、初期可動転位密度を高める必要がある。そのような鋼板の典型的な例が、フェライトとマルテンサイトからなる複合組織鋼板である。複合組織鋼板においては、フェライト相とマルテンサイト相の格子定数が異なるために、格子のミスフィットが生じ、それ緩和するために、異相の界面付近に比較的高密度の転位が存在する。これらの転位は、材料に応力を付与した時に容易に動くため、材料の降伏にはそれほど大きな応力は必要としない。
【００３４】
本発明に係る鋼板は、複合組織の考え方をベースにしているものの、母相は一定の範囲で超微細粒を含有しているもので、この点において本発明は従来のものとまったく異なるものである。本発明の高強度鋼板においては、前述のように母相の初期可動転位密度は通常の粗大粒の鋼板に比べて低いと想定される。したがって、超微細粒組織を母相として複合組織とする場合には、第２相の含有率を、通常の粗大粒の鋼板よりも高くしておかなければ十分な初期可動転位密度を確保することができない。そのため、適正な第２相の含有率が通常の粗大粒を母相とした複合組織鋼よりも、高い方向へシフトしていると考えられる。
【００３５】
次に、本発明における高強度鋼板どうしの接合手段について述べる。上記のように、本発明の車両用強度部材は、高強度鋼板どうしを摩擦撹拌接合によって互いに接合してなるものである。
【００３６】
溶接性に影響する因子としては、前述のＣ量だけでなく、他の元素の影響も加味したＣ当量を用いるべきであり、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓを加味したＣ当量：Ｃｅｑ（Ｃ＋Ｍｎ／２０＋Ｓｉ／４０＋４Ｐ＋２Ｓ）が用いられる。この式によるＣｅｑは、「新日鉄技報３８５号（２００６年１０月）  ３８ページ」に記載されているように、スポット溶接ナゲットの破断形態に影響する因子であるとされているが、本質的には、溶融ナゲットの切欠感受性に影響して、ナゲット内の破断であるのか、母材の破断であるのかを決定する因子である。したがって、スポット溶接以外の、例えばレーザー溶接やアーク溶接継手等の溶融接合方法の破断形態の判定にも利用できる。
【００３７】
ところで、本発明に係る高強度鋼板のＣ当量が比較的高い場合には、通常のスポット溶接で本発明の高強度鋼板どうしを接合しても、十分な接合強度を得にくい可能性がある。そこで本発明では、高強度鋼板どうしを摩擦撹拌接合によって接合することにより、十分な接合強度を得ることに成功している。摩擦撹拌接合（以下、ＦＳＷと称する）は、スポット溶接やアーク溶接のように素材である鋼板を溶融させず、固相のままで接合することができる。このため、接合部の靱性が大幅に低下することがないといった利点がある。またこの他には、スポット溶接のような点接合ではなく連続的な接合が可能であることから、吸収エネルギーの向上が図られる。
【００３８】
本発明に係る高強度鋼板どうしをＦＳＷで接合して強度部材を製造するにあたっては、エネルギーの吸収特性に優れた強度部材を得るためのＦＳＷの条件が吟味される。ＦＳＷは、ツールと称される棒状の撹拌工具を接合部分に押し当てながら接合線に沿って移動することにより、鋼板の突き当て部分どうしを接合させるものである。このようなＦＳＷにおいては、ツールの回転速度と移動速度に応じて、ツールから鋼板への入熱量が変化し、その入熱量は、鋼板どうしを良好に接合する上で重要な要素となる。
【００３９】
入熱量が少ないと鋼板の流動が不十分となって接合も不十分なものとなる。一方、入熱量が多すぎると鋼板の温度がＡ３変態点を超えてしまい、その後の冷却により靱性に劣るマルテンサイト相が多く表れて強度的に不利になる。ちなみに、ツールの移動速度が遅いほど、また、回転速度が速いほど、入熱量は多くなる。また、ツールの移動速度は接合の安定性にも影響し、すなわちツールの移動速度が遅い場合には、接合は安定するものの、入熱量が多くなり、逆に移動速度が速いと鋼板がめくれるような変形が生じたり、撹拌部分に欠陥が生じたりする。これらの不都合が起こらないように、ツールの回転速度と移動速度は適正な範囲に制御されるべきである。その範囲としては、例えば、後述するツール形状で行う場合には、ツールの回転速度は１００〜６００ｒｐｍ程度、ツールの移動速度は６０〜７００ｍｍ／ｍｉｎ程度が好適とされる。また、ツールの材料も入熱量に影響し、本発明の場合には、ＷＣ（タングステン−カーバイト）系の超硬合金などが好適とされる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、引張り試験で求められた真歪み３〜７％の間における応力歪み線図の傾きｄσ／ｄεが５０００ＭＰａ以上の高強度鋼板を接合してなるものであるから、加工硬化能の大幅な向上に伴う安定した座屈形態での圧潰が可能であり、かつ、高次元での高強度と衝撃エネルギー吸収能を兼ね備えるといった、優れた耐衝撃性能を有する車両用強度部材の提供が可能である。そして、このような特性を有することから、薄肉化による大幅な軽量化、ならびにそれに伴う車両の燃費の大幅な向上が達成可能であり、ひいてはＣＯ２の排出削減に大きく寄与するといった効果が奏される。また、摩擦撹拌接合で高強度鋼板を接合することにより、高い接合強度が確保され、車両用強度部材として大いに有望である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
本発明の車両用強度部材を構成する高強度鋼板は、フェライトの母相と硬質第２相とからなる複合組織を有する鋼板であり、一般的なフェライト系低合金鋼の成分で実現が可能である。
【００４２】
所定の成分の鋼は、工業的には転炉もしくは電気炉で溶製することができ、また、実験室的には、真空溶解もしくは大気溶解炉で溶製することができる。鋼を鋳造する場合は、バッチのインゴット鋳造も可能であるが、より生産性の高い連続鋳造を適用することも勿論可能である。作製したスラブまたはインゴットは、薄板用の連続熱間圧延ミルで圧延され、熱延コイルとなる。その際に、圧延後の冷却パターンや巻取り温度を合金成分に応じて適切に制御することで、フェライトと硬質第２相の複合組織とすることができる。このようにして得られた熱延コイルは、酸洗によって表面の酸化スケールが取り除かれた後、冷間圧延される。この際の冷間圧延率は、熱延板における硬質第２相の間隔に応じて適切な範囲に制御される。その後、連続焼鈍、箱焼鈍等種々の方法で、焼鈍された後、必要に応じて形状矯正のためのスキンパス圧延が施され、製品化される。
【００４３】
上記のように、本発明の超微細粒複合組織を特徴とする高強度鋼板は、従来の薄鋼板の製造プロセスを変更することなく、中間素材の組織とプロセス条件の適正化のみによって製造可能であることが大きな特徴である。
【実施例】
【００４４】
次に、本発明の具体的な実施例を示す。当該実施例は実験室レベルで鋼板を製造したものであり、製造にあたっての真空溶解、圧延、焼鈍等の設備は、量産設備に比べて勿論小型のものであるが、この実施例の結果は、量産設備での製造に何ら制約を与えるものではない。
【００４５】
表１に示す組成を有するスラブ１〜１７を真空溶解して溶製し、作製した。表１で表示する元素以外の残部はＦｅである。
【００４６】
【表１】
0005190824.tif 000002
【００４７】
次に、スラブ１〜１７に対して、表２に示す諸条件で圧延および焼鈍の処理を施し、処理条件の違いによって本発明に係る発明鋼板１〜１３と、本発明から逸脱する比較鋼板１〜４を作製した。なお、焼鈍処理における加熱温度、加熱温度変更のタイミング、温度保持時間等の焼鈍パターンは、図４に示すパターン１，２の２種類とし、これら焼鈍パターンを各スラブに適宜に振り分けた。また、表１に示す化学組成を有する市販材１〜４の鋼板を、表２に示すように本発明から逸脱する比較鋼板５〜８とする。これら比較鋼板は市販材であるが故に製造条件に関しては確認できず、したがって表２において比較鋼板５〜８の製造条件は記載していない。また、表３に、発明鋼板１〜１３と比較鋼板１〜８の焼鈍組織などを示す。
【００４８】
【表２】
0005190824.tif 000003
【００４９】
【表３】
0005190824.tif 000004
【００５０】
表３に示した金属組織（フェライト、残留オーステナイト、マルテンサイト、ベイナイト、セメンタイトおよびパーライト）は、次のように判定した。すなわち、圧延後の鋼板から圧延方向に平行な断面を切り出し、この断面をナイタール等でエッチングした後に、走査型電子顕微鏡で倍率５０００倍で撮影した２次電子像（以下、ＳＥＭ写真と称する）を観察して判定した。
【００５１】
また、このＳＥＭ写真から、硬質第２相の平均面積率と、硬質第２相を除外したフェライト部のうちの、ナノ結晶粒（ナノフェライト）の面積率を測定した。さらに、ナノフェライトの平均粒径ｄｓと、ミクロンオーダーの結晶粒であるミクロフェライトの平均粒径ｄＬの比率「ｄＬ／ｄｓ」を求めた。ナノフェライトは粒径が１．２μｍ以下の結晶粒であり、ミクロフェライトは粒径が１．２μｍを超える結晶粒である。なお、ここでの平均粒径とは、ＳＥＭ写真において、画像解析により全てのフェライト粒の面積を測定し、それぞれの面積から求めた円相当径を意味する。具体的には、画像解析により求めたフェライト粒の面積をＳｉ（ｉ＝１，２，３…）とすると、円相当径Ｄｉ（ｉ＝１，２，３…）は、「Ｄｉ＝２（Ｓｉ／３．１４）１／２  」から求められる。これらの算出値を表３に示す。
【００５２】
次に、表２および表３に示す発明鋼板１〜１３および比較鋼板１〜８から、圧延方向と平行な方向が引張り軸となるように、図５に示すダンベル形状の引張り試験片を切り出して作製した。そして、引張り試験片を用いて引張り試験を行い、得られた応力歪み線図から、降伏点（ＹＰ）、引張り強度（ＴＳ）を求め、さらに、真歪み３％での真応力、真歪み７％での真応力、真歪み３〜７％の間における応力歪み線図の傾きｄσ／ｄε、真歪み３〜７％の間におけるｎ値、真歪み５〜１５％の間におけるｎ値、および全伸び（ｔ−Ｅｌ）を求めた。それらの値を表４に示す。
【００５３】
【表４】
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【００５４】
図１は、発明鋼板と比較鋼板の応力歪み曲線の代表例として、発明鋼板１３と比較鋼板２の公称応力公称歪み線図を示している。図１によると、発明鋼板おいては、特に歪み１０％以下の領域で大きな加工硬化能を有していることが判る。
【００５５】
図２は、前述したように、発明鋼板１３を引張り変形させた後に、試験片の平行部から、観察面が引張り方向すなわち圧延方向と平行な断面となるように薄膜を採取し、その薄膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて観察した明視野像であり、図３は、その視野像の模式図である。これら図によると、全体的に暗い部分の硬質第２相と、比較的明るい部分である母相のフェライトが混在している様子が判る。そして、母相のフェライトには非常に高い密度で転位が存在し、さらにその転位は、一般的に金属の変形組織に見られる転位セル組織を形成していない。
【００５６】
次に、表２および表３に示す発明鋼板１〜１３および比較鋼板１〜８の各鋼板から、図６に示す断面矩形状の筒型部材１（発明部材と比較部材）を試験片としてそれぞれ作製した。筒型部材１は、断面ハット状に折り曲げ加工して幅方向両端部にフランジ２ａを有するハット部２のフランジ２ａに、平板状の背板３を接合して筒状としたもので、自動車のフレーム（車両用強度部材）の一部に見立てたものである。ハット部２の４箇所の直角の屈曲部は、半径５ｍｍのポンチを用いて折り曲げ加工して形成した。
【００５７】
図６に示した筒型部材１は、フランジ２ａと背板３とを、連続的なＦＳＷで接合したものである。この場合のＦＳＷは、背板３のフランジ２ａに対応する表面に接合用のツールを押し当てながら移動させることにより、背板３とフランジ２ａとを接合する。詳しくは、ＦＳＷに用いたツールは、ショルダー直径が８〜１２ｍｍ、先端の突起の直径が４ｍｍで高さが１．４〜１．８ｍｍのＷＣ（タングステン−カーバイト）をベースとした系の超硬合金を用いた。そして、そのツールを、接合部分の表面に対する垂直方向から、接合方向（移動方向）に３°傾けた状態を保持しながら、ツールを所定速度で回転させながら、かつ、２〜３トンの加圧力で加圧しながら接合方向に移動させてＦＳＷを行った。
【００５８】
また、ＦＳＷ以外の接合方法として、図７に示すように、フランジ２ａと背板３との接合をスポット溶接（各３箇所）で行って比較部材を作製した。なお、図６，図７には、合わせて寸法も表示したが、ＦＳＷモデルとスポット溶接モデルとでは、寸法に若干の相違がある。
【００５９】
上記のように、発明鋼板１〜１３および比較鋼板１〜８を用いてＦＳＷモデルとスポット溶接モデルの筒型部材１をそれぞれを作製したら、次いで、これら筒型部材１の両端に、図８に示すように天板４と地板５とをＴＩＧ溶接によって接合して、圧潰試験体を作製した。天板４と地板５は正方形状の鋼板であり、地板４の方が天板３よりも面積が大きい。筒型部材１は、天板４および地板５の各中央部に配されている。
【００６０】
作製した各圧潰試験体につき、圧潰試験を行った。圧潰試験は、図９に示すような自由落下式の落錘試験機を用い、ロードセル１１で支持されたベースプレート１２に地板４の四隅をボルト１３で固定して筒型部材を立てて支持し、上方から落錘１４を落下させて筒型部材を上から押し潰す方法を採用した。圧潰試験の条件は、落錘１４の重さ約１００ｋｇ、落下高さ１１ｍ、衝突時の落錘速度は約５０ｋｍ毎時とし、筒型部材に生じた圧潰ストローク（筒型部材の圧潰前の全長から圧潰後の全長を引いた値）と、圧潰時に発生した荷重を測定した。また、各試験体につき、吸収エネルギーと初期反力を求めた。
【００６１】
表５に、圧潰ストロークが６０ｍｍにおける吸収エネルギーおよび初期反力の結果を、発明部材１〜３および比較部材１〜８について示す。これら発明部材および比較部材は、鋼板および接合方法の組み合わせが異なるものであるが、ＦＳＷで鋼板を接合したものが発明部材であり、スポット溶接で鋼板を接合したものが比較部材である。また、ＦＳＷで鋼板を接合した発明部材１〜３のＦＳＷにおける条件（ツールの回転速度と移動速度）を表６に示す。
【００６２】
【表５】
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【００６３】
【表６】
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【００６４】
図１０は、同じ鋼板で作製されたものの接合方法の異なる発明部材３と比較部材４の試験体につき、圧潰試験で求めた圧潰ストロークと圧潰荷重との関係を示しており、図１１は、これら試験体の圧潰ストロークと吸収エネルギーとの関係を示している。図１０では、圧潰ストロークが５ｍｍまでの間に荷重が突出して増す初期反力が現れ、その後の比較的低い荷重の増減により、蛇腹状に座屈している様子が表れている。
【００６５】
図１０で明らかなように、発明部材３の初期反力は比較部材４と同等であるが、圧潰ストロークが２０ｍｍを超えてからの発生荷重に関しては、発明部材３の方が平均して高い。両者の鋼板は同じもの（発明鋼板１２）であるが、接合方法の違いによって差が生じている。比較部材４では。圧潰時の初期段階でスポット溶接部に鋼板の剥離が生じて背板が筒型部から分離したため、座屈変形時に背板は耐荷重部材として寄与していない。一方、ＦＳＷで鋼板が接合された発明部材３においては、接合部の破断は皆無ではなかったが、背板は分離せず変形しており、座屈変形時に背板も耐荷重部材として寄与していることが確認された。したがって、圧潰中の発生荷重はＦＳＷの方がスポット溶接よりも高く生じ、結果として、図１１に示すように、吸収エネルギーは発明部材３の方が優れていることが判る。
【００６６】
次に、市販材をスポット溶接して試験体を作製した場合と、本発明のものとを比較する。図１２は、発明部材３と比較部材６，７の試験体につき、圧潰試験で求めた圧潰ストロークと圧潰荷重との関係を示しており、図１３は、これら試験体の圧潰ストロークと吸収エネルギーとの関係を示している。図１２で明らかなように、発明部材３と比較部材６の初期反力は同等であるが、圧潰ストロークが１５ｍｍ付近以降の荷重は発明部材３の方が概ね高い。これは、発明部材３の加工硬化が大きいため、圧潰することによって鋼板の応力が大きく上昇していることによる。また、初期反力に関しては比較部材６が発明部材３と同等で低いものの、この比較部材６は図１３に示されるように吸収エネルギーも低い。また、比較部材７は吸収エネルギーおよび初期反力のいずれも高い。したがって比較部材６，７は、低い初期反力と高い吸収エネルギーが良好とされる耐衝撃性能に関しては、いずれか一方の特性に偏っている。
【００６７】
この点、発明部材３は、初期反力が低く、かつ、吸収エネルギーは高いといった相反する特性を兼ね備えている。例えば、２ｋＪのエネルギーを吸収するために、比較部材６では５０ｍｍ程度の圧潰ストロークが必要であるが、発明部材３では４５ｍｍ程度の圧潰ストロークで十分であり、初期反力は両者同等であるため、発明部材３の方が衝撃吸収性に優れている。また、比較部材７では４５ｍｍの圧潰ストロークで発明部材３と同等の吸収エネルギーを得ることはできるものの初期反力が高いため、衝撃吸収性は発明部材３よりも比較部材７の方が低い。
【００６８】
また、比較部材７は蛇腹状の座屈が起こらず曲がりが生じており、座屈安定性に問題があった。したがって、車両用強度部材として用いた場合、衝突性能にも変動が生じやすく、またコンパクトな座屈形態ではないため、座屈させるためのスペースを部材周辺に設ける必要もあり、スペース効率が悪いと言える。
【００６９】
なお、表５の結果に関して説明を加えると、比較部材３は、発明部材３と同じく発明鋼板１２を用いていながらスポット溶接して作製した部材であるが、鋼板が市販材である比較部材６と比べると、初期反力が低く、かつ吸収エネルギーは高い。したがって、スポット溶接であっても発明鋼板を用いれば耐衝撃性能は向上する。そして、発明鋼板１２をＦＳＷで接合した発明部材３は、初期反力がさらに低く、かつ、吸収エネルギーがさらに高い。すなわち、本発明に係る発明鋼板は、それ自体で衝撃吸収性に優れており、しかもそのような鋼板をＦＳＷで接合することにより、性能が一層向上するということが判る。なお、比較鋼板１と２は同じ発明鋼板５を用いてのスポット溶接、また、比較鋼板３と４は同じ発明鋼板１２を用いてのスポット溶接と、条件が全く同じであるにもかかわらず、表４に示す吸収エネルギーおよび初期反力の数値が異なっている。これは、記載はしていないが、行ったスポット溶接の条件（溶接時の通電時間など）が異なっており、これに起因して接合強度等が異なっていたためである。
【００７０】
また、比較部材８は、素材の比較鋼板８である市販材４がオーステナイトステンレス（ＳＵＳ３０４Ｌ）である。比較鋼板８は、表４に示すように５〜１５％のｎ値が０．３３８と高いが、平均応力勾配は２０８４ＭＰａと低く、圧潰試験の結果からみると、初期反力と吸収エネルギーのバランスは従来鋼板と同等である。
【００７１】
図１４は、圧潰試験で測定された圧潰ストローク６０ｍｍまでの初期反力と吸収エネルギーとの関係を、発明部材１〜３および比較部材１〜８について示したものである。図１４によれば、発明部材１〜３は、吸収エネルギーが比較部材よりも高く、衝撃吸収性に優れている。また、特に発明部材２は、初期反力が比較部材よりも低い場合もあり、初期反力と吸収エネルギーのバランスが良好であることが判る。
【００７２】
以上から、本発明の強度部材は、従来の高強度鋼板を用いた部材では得られなかった優れた耐衝撃性能、すなわち初期反力を抑制しながら吸収エネルギーを増加させるという相反する特性をバランスよく有している。このため、車体のフロントフレーム等の車両用強度部材とすることにより、部材長さの短縮による車体の軽量化やフロントオーバーハングの短縮による運動性能の向上など、車両構成上の長所を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】実施例で求められた発明鋼板と比較鋼板の公称応力公称歪み線図である。
【図２】実施例の発明鋼板の引張り変形後の内部組織を示す顕微鏡写真である。
【図３】図２の模式図である。
【図４】実施例でスラブに施した焼鈍パターンを示す図である。
【図５】実施例の引張り試験に使用した試験片の形状を示す図である。
【図６】実施例で使用した圧潰試験用の筒型部材を示す斜視図である。
【図７】鋼板をスポット溶接で接合した筒型部材を示す斜視図である。
【図８】筒型部材を圧潰試験用に仕上げた試験体の斜視図である。
【図９】実施例において自由落下式の落錘試験機により試験体を圧潰試験に供している状態を示す側面図である。
【図１０】実施例で行った圧潰試験で測定した圧潰ストロークと圧潰荷重との関係を、発明部材と比較部材について示した線図である。
【図１１】実施例で行った圧潰試験で測定した圧潰ストロークと吸収エネルギーとの関係を、発明部材と比較部材について示した線図である。
【図１２】実施例で行った圧潰試験で測定した圧潰ストロークと圧潰荷重との関係を、発明部材と比較部材について示した線図である。
【図１３】実施例で行った圧潰試験で測定した圧潰ストロークと吸収エネルギーとの関係を、発明部材と比較部材について示した線図である。
【図１４】実施例での圧潰試験で測定した初期反力と吸収エネルギーとの関係を、発明部材と比較部材について示した図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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