(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面から板厚の２０％未満の深さまでの表層部が、質量％で、
Ｃ ：０．００５％以下、
Ｎ ：０．００５〜０．１％、
Ｍｎ：０．０５〜１．５％、
Ｓｉ：０．０１〜１％、
Ｐ ：０．００１〜０．１％以下、
Ｓ ：０．０５％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．２％、
Ｔｉ：０．０２〜０．４％、
Ｃｒ：０．００５〜０．２％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、さらに、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎを主成分とする板状析出物が、該表層部に分散し、かつ、表面から板厚の２０％以上の深さより板厚中心までの中心部が、質量％で、
Ｃ ：０．００５％以下、
Ｎ ：０．０１％以下、
Ｍｎ：０．０５〜１．５％、
Ｓｉ：０．０１〜１％、
Ｐ ：０．００１〜０．１％以下、
Ｓ ：０．０５％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．２％を含有し、さらに、
Ｔｉ：０．４％以下、
Ｃｒ：０．２％以下のいずれか一方、または双方を、
｛Ｔｉ／４８＋Ｃｒ／５２−（Ｃ／１２＋Ｎ／１４＋Ｓ／３２）｝＞０なる条件を満足するように含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる耐デント性に優れた深絞り用冷延鋼板であって、
前記Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎを主成分とする板状析出物の長軸直径が２〜３０nmで、その厚みが長軸直径に対して０．１〜０．５倍であることを特徴とする耐デント性に優れた深絞り用冷延鋼板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐面歪み性を維持しながら、耐デント性に優れた深絞り用冷延鋼板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＴｉやＮｂを極低炭素鋼に添加し、固溶Ｃ，Ｎを炭窒化物の形で固定したＩＦ鋼板（Interstitial atom free steel sheet）は優れた深絞り性を有する冷延鋼板として広く使用されている。しかしこの鋼板の弱点は軟質のため、耐面歪み性には優れているが耐デント性が劣り、自動車用外板等に適用すると、成形後に外力を加えた場合に形状が容易に崩れやすいという欠点を持つ。一方、耐デント性を向上させるには降伏点を高めることが有効であることが知られているが、単純に強化するだけでは形状凍結性が悪くなり面歪みが生じやすくなる。即ち、耐面歪み性を維持しながら耐デント性を向上させなければならないのである。
【０００３】
耐デント性ならびに耐面歪み性を有する鋼板の製造方法としては、表層を硬化層とした複層鋼板による製造方法を開示した特開平４−１４３２２７号公報がある。しかし、複層鋼板による製造法は大幅なコスト増しとなり、製造工程上の負荷が避けられなかった。
一方、表面近傍層だけを硬化する方法として、浸炭処理あるいは窒化処理がよく知られており、例えば特開平３−２４３７５７号公報には、窒化処理により表面近傍での強度を高めた冷延鋼板ならびにその製造方法が開示されている。しかし、その発明では、表層を硬化することにより耐デント性が向上する可能性を述べているが、耐デント性の向上を示す実施例は示されておらず、表層の硬化あるいは窒素量の増加などが単に示されるにとどまっている。
【０００４】
そこでさらに、極低炭素鋼の表層部での炭化物や窒化物のサイズと分布を制御することにより、優れた耐デント性ならびに耐面歪み性を有する深絞り用鋼板および表面処理鋼板が得られることが、例えば、特開平７−９０４９１号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような現状に鑑み、低コストで製造工程上の負荷も小さな耐デント性に優れる深絞り用鋼板の提供をその課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、板厚の表層部での析出物の組成や形態をナノレベルで制御することにより、耐面歪み性を劣化させることなく、耐デント性を向上させることを見出し、析出物の大きさや析出物の分散が必要な表層部の範囲を特定するに至って完成したもので、その要旨とするところは、以下の通りである。
（１）表面から板厚の２０％未満の深さまでの表層部が、質量％で、Ｃ：０．００５％以下、Ｎ：０．００５〜０．１％、Ｍｎ：０．０５〜１．５％、Ｓｉ：０．０１〜１％、Ｐ：０．００１〜０．１％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．２％、Ｔｉ：０．０２〜０．４％、Ｃｒ：０．００５〜０．２％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、さらに、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎを主成分とする板状析出物が、該表層部に分散し、かつ、表面から板厚の２０％以上の深さより板厚中心までの中心部が、質量％で、Ｃ：０．００５％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｍｎ：０．０５〜１．５％、Ｓｉ：０．０１〜１％、Ｐ：０．００１〜０．１％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．２％を含有し、さらに、Ｔｉ：０．４％以下、Ｃｒ：０．２％以下のいずれか一方、または双方を、｛Ｔｉ／４８＋Ｃｒ／５２−（Ｃ／１２＋Ｎ／１４＋Ｓ／３２）｝＞０なる条件を満足するように含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる耐デント性に優れた深絞り用冷延鋼板であって、前記Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎを主成分とする板状析出物の長軸直径が２〜３０nmで、その厚みが長軸直径に対して０．１〜０．５倍であることを特徴とする耐デント性に優れた深絞り用冷延鋼板。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、耐デント性や耐面歪み性を高めるには単に表層を硬化させるだけでは不十分で、析出物の生成挙動そのものを制御し、析出物の組成や形態を最適化することが必要であることを見出した。この研究の背景にある学術的知見は、古くは、１９７５年にＪａｃｋらにより発表された置換原子−浸入型原子によるＧｕｉｎｉｅｒ−Ｐｒｅｓｔｏｎ  ゾーンの形成に基づく窒化強化機構原理にある（Ｋ．Ｈ．Ｊａｃｋ：Ｈｅａｔ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ’73、Ｌｏｎｄｏｎ，Ｔｈｅ  Ｍｅｔａｌｓ  Ｓｏｃ．  ｐ．３９）。これは過飽和に存在する窒素が、ＣｒやＡｌとの間でＧＰゾーンを形成し、そこに生じる大きな内部歪みにより硬化層を形成し得ると予想するものである。これらのＧＰゾーンは、まだ実用鋼では見つかっていないが、JIS規格のSCM４４０鋼やSKD６１鋼などのＣｒ系の実用窒化鋼において、窒化層の硬さと格子歪みとの間に良い相関が認められるとの報告がある（鈴木信一、内藤賢一郎：鉄と鋼、８１巻６号１９９５年、ｐ．４９）。
【０００８】
そこで優れた深絞り性が要求される極低炭素冷延鋼板に対して、これらの学術的知見を活かしながらナノレベルでの析出物制御の検討を行ない、実用鋼で適用可能なレベルでの鋼材組成や製造条件下においては、組成と形状の両者を併せて制御しなければいけないという、新しい技術的知見に達したのである。
以下、本発明について詳細に説明する。
【０００９】
まず、鋼板の組成は、以下のような理由で限定した。％は質量％を意味する。また、本発明の要件として、表面から板厚の２０％未満の深さまでの表層部と、表面から板厚の２０％以上の深さより板厚中心までの中心部とで特定元素の濃度に差を設けて濃度勾配をつけるため、それぞれの領域内でも濃度に勾配を生ずる可能性がある。そのため、以下で限定する濃度は、板厚方向の平均濃度とする。
【００１０】
Ｃは、表層部、中心部の両方において、深絞り性を向上させるためには極低炭素化が必須となる。０．００５％を超えると深絞り性が不十分となるので、０．００５％以下とする。
Ｎは、本発明においては表層部と中心部とで濃度差を設ける必要がある。表層部では、０．００５〜０．１％の添加とする。下限を０．００５％としたのは、これ未満の添加では板状析出物の形成が不十分で、耐デント性の向上が得られないためである。一方、上限を０．１％としたのは、これ以上のＮの添加はむしろ加工性の劣化を招くためである。
【００１１】
一方、中心部では、０．０１％以下の添加とする。上限を０．０１％としたのは、表層部以外では不必要な窒化物を形成させないためである。中心部にはＮは存在しなくても問題はないが、表層部に窒化物を形成させるために中心部にもある程度のＮが存在する場合があり、上限のみを規定した。
但し、Ｎの必要のない中心部においては、析出物として固定することにより、集合組織の形成や鋼板の時効特性に悪影響を及ぼすＣ、Ｎの固溶量をさらに減らして、安定した深絞り性を得ることができる。
【００１２】
Ｔｉ，Ｃｒはこの目的でも鋼板に添加している。固溶Ｃ、Ｎを中心部に残さないためには、少なくとも[Ｔｉ／４８＋Ｃｒ／５２−（Ｃ／１２＋Ｎ／１４＋Ｓ／３２）]＞０なる条件を満足させる必要がある。しかし、Ｔｉ：０．４％、Ｃｒ：０．２％を超えると、析出物が粗大化するため加工性が劣化し、深絞り性が得られなくなる。
【００１３】
一方、表層部においては、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎを主成分とする板状析出物を形成させることが重要であり、Ｔｉ，Ｃｒ量は、固溶Ｃを固定させる以上の量が必要となるため、Ｔｉ：０．０２％以上、Ｃｒ：０．００５％以上添加する。一方、Ｔｉ：０．４％、Ｃｒ：０．２％を超えて添加すると、多量のＴｉ、Ｃｒの存在が不必要に大きな炭化物、窒化物を形成させてしまうため、これらの値を上限として添加する必要がある。
【００１４】
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐは、強度向上に効果があるので、表層部、中心部とも同様に添加する。Ｓｉ：０．０１％、Ｍｎ：０．０５％、Ｐ：０．００１％以上で効果がある。一方、過度の添加は、加工性を劣化させるため、Ｓｉ：１％、Ｍｎ：１．５％、Ｐ：０．１％を上限値として添加する。
Ｓは、粗大な硫化物を形成し材質を劣化させるので、表層部、中心部とも同様に、不純物として０．０５％以下に制限する。
【００１５】
Ａｌは、基本的脱酸元素であるため、表層部、中心部とも同様に０．００５％以上添加する。一方、多量に添加すると、粗大な窒化物を生じ材質を劣化させる原因となるため０．２％を上限として添加する。
Ｂについては規定していないが、２次加工性を向上させる効果があることが判っているので、必要に応じて、０．０００２〜０．００２％の範囲で鋼材に添加することも好ましい。
【００１６】
さて、本発明のポイントは、本来耐デント性が小さい軟質鋼板を、限られた範囲の表面近傍層の強度を高めることにより、耐面歪み性を保持しながら耐デント性を確保することであり、このためにＴｉ，Ｃｒ，Ｎを主成分とする板状析出物の均一分散が最適であることを見出した点にある。
特開平７−９０４９１号公報に開示したように、１０ｎｍ以下の微細なＴｉＮが表層から１０％までの深さの所に分散していることにより、耐デント性並びに耐面歪み性が向上させる技術があるが、古典論に基づき強度計算を行なうと、これらの析出物は小さければ小さいほど効果が高いということになる（楠見、瀬沼、末広、杉山、松尾：鉄と鋼、Vol.86、No.10、２０００年、Ｐ．４２）。
【００１７】
しかし、実用鋼において、極微細な析出物の分布を制御することは難しく、ある程度、計測することが可能な範囲の大きさでの析出物制御が、鋼板の安定製造という観点からは必要であった。そこで、強度に影響を及ぼす転位が線欠陥であることを考慮すると、析出物の形状が板状という特殊形状であれば、比較的大きくても転位との相互作用が強くなり、大きな強化効果が期待できると考えた。
【００１８】
Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎを主成分とする板状析出物は、板状の形態であれば上記の効果が期待できるが、さらに、その形態を具体的に規定することにより、安定した強化効果を得ることができる。発明者らが板状析出物の形状について鋭意検討を行なった結果、板状析出物の最も長い所を長軸長径と定義して、その長軸長径が３０ｎｍ以下の時に優れた効果を発現することが判った。また、３次元的に大きな析出物では効果がなく、その厚みの上限は、長軸直径に対して０．５倍以下とすることが好ましい。一方、薄すぎることに関して、強化効果に対する問題はないが、析出物の状態を計測管理し鋼板の安定製造するという観点からは、その厚みの下限として長軸直径の０．１倍以上であることが好ましい。同様に、板状析出物の長軸直径の下限も、２ｎｍであることが好ましい。
【００１９】
また、板状析出物の組成については、ＴｉＮやＮｂＮが立体形状を示すのに対して、Ｃｒ添加により析出物の形態が板状形状となることを発明者らは見出したので、これに基づき析出物の主成分はＴｉ，Ｃｒ，Ｎとした。Ｃｒ添加により析出物の形態が板状形状となる理由は、析出物組成物の晶癖によるものであると予想している。
【００２０】
これらの板状析出物の形状、組成などを計測する技術も鋼板の安定製造という観点から重要であるが、その方法として、学会等においてもすでに信頼性ある技術として充分に認識されている計測法である、アトムプローブ電界イオン顕微鏡（ＡＰ−ＦＩＭ）を用いた３次元計測手法を用いることが、板状析出物の３次元形状を正確に捉える上で、最も推奨される。この手法を用いれば、板状析出物を構成する成分を一義的に決めることができ、またその空間的な形態も決めることができる。
【００２１】
本発明の鋼板の表層部のみから針状試料を作製し、3次元のAP-FIMで元素分布を測定したものを図１に模式的に示す。TiとNの元素分布を図１（ａ）に、TiとCrの元素分布を図１（ｂ）に示す。コラムの大きさは14nm×14nm×55nmである。コラムの厚さ中央部、幅の右側にTi,Cr,Nからなる棒状の析出物が見える。
この図１（ａ）のTiとNの分布図を90°回転させた方向からみたものが、図１（ｃ）であるが、図１（ａ）、図１（ｂ）で棒状にみえた析出物は、長径12nm、短径6nmほどの板状であったことが判る。図１（ｃ）より、板状析出物の厚みは3nm程度と見積もることができ、これは長径の０．２５倍である。これらより、表層部に断面が12nm×6nmで厚みが3nm程度の板状析出物の形成が確認できる。
【００２２】
この板状析出物は、その板面を見込む方向であれば、透過電子顕微鏡を用いても観察できる。図２は、透過電子顕微鏡による板状析出物の観察例を示したものである。入射電子線をＦｅ＜００１＞方向とした明視野像であるが、黒い長円状のものが板状析出物であり、長径１０ｎｍ程度である。
板状析出物の厚みは長径に比べ小さいため、透過型電子顕微鏡を用いる場合は、十分に分解能のある高分解能電子顕微鏡観察で、格子像による観察が必要である。図３は、格子像による板状析出物の厚み観察の一例を模式的に示したものである。これは、入射電子線をＦｅ＜１００＞方向とした格子像で、Ｆｅ（１００）格子面とＦｅ（１１０）格子面に対応する格子縞が全体に見えている。矢印で示した部分に板面がこの（１００）格子面に平行で10nmほどの長径を持つ板状析出物が横から観察されている。この析出物の厚みは、実測で約2nmであり、長径の0.2倍である。
【００２３】
次に、本発明における鋼板の組成勾配について述べるが、表面から板厚の２０％未満までの深さの表層部という限られた範囲内の窒素量を増やし、そこに板状の窒化物を形成させることで、表層近傍層の強度を高めることがポイントである。これにより、耐デント性並びに耐面歪み性に優れた鋼板を得ることができる。すなわち、本発明において、表層部の範囲を表面から板厚の２０％未満とするのは、表面から板厚の２０％以上とすると、表層部の強度が大きくなり耐デント性は改善されるものの、中心部との強度バランスが崩れ、面歪が生じやすくなるためである。なお、この表層部の範囲は、好ましくは表面から板厚の１５％未満である。
【００２４】
また、試料組成の分析方法は、通常の化学分析手法により可能である。上記の目的とする部位の鋼板を溶媒に溶かし、一般によく使われるＩＣＰ分析などにより、その成分分析を行なう。
本発明の鋼板の製造方法であるが、表層部に窒化物を形成させることができればどのような方法でも良いが、一般的には、まず、少くとも本発明で規定する中心部の組成の、但し、Ｔｉ，Ｃｒに関しては表層部、中心部の双方の規定を満す組成の鋼を溶解し、この鋼を連続鋳造法、または鋼塊とした後圧延する方法にてスラブとした後、これを熱間圧延して熱延鋼板とし、次いで冷間圧延により薄鋼板とする。次に、様々な窒化処理やイオン注入技術を鋼板製造技術と組み合わせることになる。Ｃｒを用いることでＴｉのみの場合に比べて短時間での窒化処理で済む傾向にあるが、経済性を考慮すると、アンモニア窒化法などが好ましい。具体的には、当該組成の鋼板に対して、連続処理ラインの後段でアンモニア窒化処理を行なう方法などがある。なお、薄鋼板コイルのままであると内部への拡散が難しいケースもあるので、バッチ焼鈍よりも連続処理ラインでの窒化方法の方が望ましい。表層硬化層の深さは、Ｔｉ量やＣｒ量に依存し、また窒化時間や処理温度、ＮＨ3流量等で変化させることができる。そして表層部から電顕用薄片試料、並びにＡＰ−ＦＩＭ用の針状試料を作製して内部組織を調べていくことにより、目的とする板状のＴｉ−Ｃｒ−Ｎ析出物を確認することができるので、この評価方法で、製造条件へとフィードバックさせることができる。
【００２５】
なお、本発明鋼を溶融めっき鋼板、電気めっき鋼板などの表面処理鋼板として使用することは、本発明の趣旨を何ら損なうものではない。表層部に板状析出物を分散させた後は固溶Ｃや固溶Ｎは残っていないので、表面処理時に受ける様々な熱処理工程後においても鋼板自体の特性が損なわれないし、また、実際の自動車用鋼板などとして使用される時は、ほとんどの場合、このような熱処理を伴なう表面処理を受けているが、鋼板特性上、何ら問題はない。
【００２６】
【実施例】
本発明を実施例と共に説明する。
表１に示した成分組成を有する材料を用いて、様々な機械的特性試験を行った結果を表２に示す。
【００２７】
【表１】
0004538682.tif 000002
【００２８】
【表２】
0004538682.tif 000003
【００２９】
ここでの材料は、いずれも連続鋳造スラブを１２００℃に加熱し、約９３０℃で仕上げ圧延をして４ｍｍ厚みの熱間圧延板とした後に、これを８０％冷間圧延して約０．８ｍｍ厚みの薄鋼板とした。
その後、この鋼板を、（２５％Ｎ２＋７５％Ｈ２）からなる不活性ガス雰囲気中にアンモニア（ＮＨ３濃度：約４％）を混合したガス雰囲気中で、７５０℃で数十秒間の窒化処理を行った。表層の窒化層の厚みは、板厚のおよそ１３％程度である。試料番号２と８では若干処理時間を長くし、表層からの窒化層の厚みをやや深くし、板厚の１９％程度とした。また、試料番号１０では、さらに窒化層の厚みを深くして板厚の２５％程度とした結果、耐面歪み性が劣りｒ値が悪くなり、本発明外となった。また試料番号１２では、窒化時間を極端に長くしたために、表層の窒化析出物が粗大化し、板状形状も維持できなくなり、本発明の目的である耐デント性向上に対する効果を失ったので、発明外である。なお、その他の試料に対して、透過電顕観察やアトムブローブ電界イオン顕微鏡で観察した結果、窒化析出物は、所定のサイズと形状を有していた。
【００３０】
試料番号６では、Ｔｉ／４８−（Ｃ／１２＋Ｎ／１４＋Ｓ／３２）＞０なる条件を満足する組成ではなかったため、試料中心部でも固溶炭素が残り、集合組織形成に影響を及ぼし、十分なｒ値が得られなかったので、本発明外である。その他の試料では、この組成に対する条件式は満足している。その他、試料番号４及び１１では、Ｃｒを添加しなかったため、目的とする板状の析出物を表層部に形成させることができずに、本発明の目的とする所の優れた耐デント性能を得ることができなかったので、発明外である。試料番号５では、炭素量を多くしたために板厚全域で析出物が多く生成し、耐面歪み性を満足することができず、十分なｒ値が得られなかったので、発明外である。なお、本発明の効果である耐デント性の指標は、上記の各鋼板より５０ｍｍ×５０ｍｍの試験片を採取し、これを図４に示すような実験装置で、支点間距離４０ｍｍの支持台に載置したのち、曲率半径が１０ｍｍのポンチを介して、試験片の上面から３０ｋｇの荷重を負荷し、除荷重後に残った窪み量により求めた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、今まで複層鋼板のような大幅なコスト増なしには不可能であった耐デント性を向上させた鋼板を、比較的安価に提供するもので、産業上の価値が極めて高い発明といえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における鋼板の板状析出物を、３次元の電界イオン顕微鏡像で観察した板状析出物の元素分布の一例を模式的に示す図であり、図１（ａ）は、ＴｉとＮの、図１（ｂ）はＴｉとＣｒの、それぞれ元素分布を示し、図１（ｃ）は図１（ａ）を９０°回転させた方向から見た元素分布を示した図である。
【図２】本発明における鋼板の板状析出物を透過型電子顕微鏡で観察した一例を示す図である。
【図３】本発明における鋼板の板状析出物の透過型電子顕微鏡による格子像の一例を模式的に示す図である。
【図４】本発明の実施例におけるデント性測定の実験方法を示した模式図である。
【図１】
0004538682.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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