(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学成分が、mass%で、C：0.05〜0.09%、Si：1%以下、Mn：1.6〜2.4%、P：0.02%以下、S：0.02%以下、sol.Al：0.01〜0.1%、N：0.005%以下、B：0.0003〜0.003%、およびTiを下記の不等式を満たす範囲内で含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、低温変態相を含まず、鉄炭化物の平均粒径が2μm以下であることを特徴とする熱処理用鋼板。
(48/32)S+(48/14)N≦Ti≦2｛(48/32)S+(48/14)N｝
ここで、式中の元素記号は各元素のmass%を表す。
【請求項２】
化学成分が、請求項１記載の化学成分に加えてさらに、Cr：0.1〜2%、Mo：0.1〜2%の内1種以上を含有することを特徴とする熱処理用鋼板。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の化学成分を有する鋼のスラブに、熱間圧延、圧延率を６０％以上とする冷間圧延、および再結晶焼鈍を行い、前記再結晶焼鈍において、箱焼鈍を実施する場合は670〜720℃、連続焼鈍を実施する場合は690〜730℃あるいは800〜850℃にて焼鈍した後、焼鈍温度から400℃までの平均冷却速度を30℃/sec以下で冷却することを特徴とする熱処理用鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレス成形等により成形加工した後に熱処理を施すための高強度、高靭性、および耐遅れ破壊特性を有する鋼板およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の製造においては、燃費向上のための軽量化と、事故等からの乗員保護のための補強という相反する特性を、満足する必要がある。そのため自動車車体構造部材、補強部材、その他種々の機械構造部品等の自動車部品は、高強度化することが要求されている。そのために、材料面では高強度鋼板が開発されているが、高強度化に伴い成形加工性が低下し、複雑な形状の部品の製造は困難となる。
【０００３】
そこで、成形性と強度のニーズに対応するため、一般には、冷延鋼板又は熱延鋼板をプレス成形等により成形加工した後、高周波加熱又は雰囲気加熱の後、水冷却、油冷却、プレスクエンチ等の焼入れを行う熱処理により強化し、高強度部品を製造している。また、この方法に適した鋼板がいくつか開発されている。
【０００４】
例えば、特公平3-2942号公報には、複合成形加工性および短時間急速加熱焼入れ性に優れた精密打抜き用鋼板が提案されている。その鋼板は、C:0.10〜0.19%、Mn:0.7〜1.5%を含有するCr-B添加鋼である。
【０００５】
特許2713382号公報には、耐遅れ破壊性に優れた高強度部材の製造方法が提案されている。この技術は、C:0.2〜0.5%、Mn: 0.5〜1.6% 、Cr:0.5〜1.5%Crを含有する鋼を、潤滑皮膜形成剤で処理した後、成形加工並びに焼入れ・焼もどし処理することを特徴とするものである。
【０００６】
特公平7-103420号公報には、ボロン鋼板を素材とする部材の製造方法が提案されている。この部材は、C:0.15〜0.40%、Mn:0.60〜1.50% を含有するB添加鋼を、プレスにて冷間加工し、次いで焼入温度850℃以上950℃未満で加熱し、焼入強烈度0.35cm-1以上1.50cm-1未満で水焼入することを特徴としている。
【０００７】
特開平5-98356号公報および特開平5-98357号公報には、成形性と靱性に優れた焼き戻し省略型Ti-B系高炭素薄鋼板の製造方法が提案されている。この薄鋼板は、C:0.15〜0.40%C、Mn:0.6〜1.50%を含有する(Ti)-B添加鋼からなり、セメンタイトの析出を抑え、B添加によって焼入性を確保し、さらにオーステナイト粒の異常成長を抑制すべくAlN、(TiN)の析出を利用するというものである。
【０００８】
特開平6-116679号公報には、プレスクェンチ法により自動車の衝突時安全部品を製造するのに適した薄鋼板およびその部品の製造方法が提案されている。この薄鋼板は、C:0.20〜0.40、Mn:0.20〜0.40%を含有するTi-Nb-B添加鋼を、熱間圧延後Ac1〜Ac1+30℃にて 1〜20h加熱し、次いでAc1-30℃を下回る温度にまで、20℃/h以下の冷却速度で冷却する焼鈍をおこなうことを特徴としている。さらに、薄鋼板を所定形状に成形加工後、850℃以上の温度に加熱し、金型にて拘束しながら 500〜450℃の温度範囲まで80〜150℃/sの冷却速度で冷却後、20〜100℃/sの冷却速度で100℃以下の常温まで冷却するプレスクエンチ法により熱処理することにより、1150N/mm2以上の引張り強度を有する自動車の衝突時安全用部品を製造するというものである。
【０００９】
特開平8-269615号公報には、伸びフランジ性を保持しながら、成形加工後は、その部材の所要箇所に高周波焼入れのような急速加熱焼入れを施すことによって、割れを生ぜず簡単に表面硬化を施し耐摩耗性を付与することができる熱延鋼板が提案されている。この鋼板は、重量%にて、C:0.18〜0.30、Si:0.01〜1.0、Mn:0.2〜1.5、Cr:0.1〜0.5、B:0.0006〜0.0040を含み、以下いずれも、P:0.03、S:0.02、sol Al:0.08、N:0.01以下を含み、残部鉄及び不可避的不純物よりなり、フェライトとベイナイトとからなる混合組織を有するというものである。
【００１０】
特開平10-96031号公報には、焼入れ前には延性に優れ、かつ焼入れ後には所定の硬さと靭性が得られる高炭素熱延鋼板および高炭素冷延鋼板を効率的に製造する方法が提案されている。この鋼板は、C:0.25〜0.65%、Mn:0.20〜0.40%を含有するCr-Ti-B添加鋼の熱延板に、650℃〜Ac1未満で10〜30時間均熱する焼鈍を施すか、Ac1〜Ac1+30℃にて 1〜20h均熱した後、Ac1-30℃までは３〜20℃／時で徐冷するか、Ac1-20℃までは３〜10℃／時で徐冷する焼鈍を施し、さらに必要に応じて、30〜70％の圧下率で冷間圧延し、650℃〜Ａc1未満の範囲で20秒以上均熱する焼鈍を行うというものである。
【００１１】
特開平10-147816号公報には、加工性にすぐれ、成形後の熱処理にて、十分な強度の得られる高炭素薄鋼板の製造方法が提案されている。この鋼板は、C:0.25〜0.45%、Mn:0.2〜0.5%を含有するCr-Ti-B添加鋼を、熱間圧延し、550〜600℃の温度範囲にて巻き取り、酸洗後、水素雰囲気中でAc1〜Ac1+30℃の温度範囲にて1〜10時間均熱した後、3〜20℃/hの冷却速度で（Ar1-50℃）を下回る温度まで徐冷する焼鈍をおこなうか、または上記にて得られた鋼板をさらに冷間圧延し、Ac1-10℃までの温度にて焼鈍するというものである。
【００１２】
特開平10-251757号公報には、加工性にすぐれ、成形後の熱処理にて、十分な強度の得られる高炭素薄鋼板の製造方法が提案されている。この薄鋼板は、C:0.25〜0.45%、Mn:0.2〜0.5%を含有するCr-Ti-B添加鋼を、仕上げ温度をAr3+20℃〜Ar3+50℃で熱間圧延し、550〜600℃にて巻き取り、酸洗後、水素を95容積％以上含む雰囲気中でAc1〜Ac1+30℃の温度範囲にて1〜10時間均熱した後、3〜20℃/hの冷却速度でAr1-50℃を下回る温度まで徐冷する焼鈍をおこなうというものである。
【００１３】
特開平10-60522号公報には、加工時には優れた加工性を示しながら、レーザ照射等の様な高密度エネルギーの照射により溶融および急速凝固させ、十分な高強度化をはかるという高強度化特性に優れた高加工性鋼板が提案されている。この鋼板は、C:0.04〜0.3%、Mn:3%以下を含有する鋼を、高密度エネルギーの照射間時間が所定の式を満足し、且つ高密度エネルギー照射によるビード間隔が1mmを超えるものであることを特徴としている。
【００１４】
特開2000-144319号公報には、車体構造用部品などの成形加工に適用できる十分な成形性を有し、かつ成形後の焼入れによって高強度を容易に得ることのできる薄鋼板とその製造方法が提案されている。その薄鋼板は、C:0.05〜0.20%、Mn:0.8〜2.0%を含有するTi-B添加鋼であり、Tiを3.4×N(%)以下の範囲で含有する薄鋼板、および上記組成からなる鋼スラブを熱間圧延し、巻取り温度600℃以上で熱延コイルとするか、または、巻取り温度480℃以上として熱延コイルとした後、冷間圧延し、焼鈍する上記薄鋼板の製造方法というものである。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術には次のような問題がある。
【００１６】
特公平3-2942号公報記載の技術は、C含有量が高いため焼入後の耐遅れ破壊特性が低く、一方、Mn含有量は0.7〜1.5%と低いため焼入後の強度が安定して得られないという問題がある。
【００１７】
特許2713382号公報記載の技術は、やはりC含有量が高いため焼入後の耐遅れ破壊特性が低く、一方、Mn含有量は0.5〜1.6%と低いため焼入後の強度が安定して得られない。また、焼もどし処理を必須とするため、部品の製造コスト（熱処理コスト）が高くなるという問題がある。
【００１８】
特公平7-103420号公報、特開平5-98356号公報、特開平6-116679号公報、特開平8-269615号公報、特開平10-96031号公報、特開平10-147816号公報、特開平10-251757号公報記載の技術についても、いずれもC含有量が高いため焼入後の耐遅れ破壊特性が低く、一方、Mn含有量は低いため焼入後の強度が安定して得られない。
【００１９】
特開平10-60522記載の技術は、レーザーなどの照射により焼入れされる鋼板である。レーザー照射などの高密度エネルギー照射による焼入れは、線状の狭い範囲に限定して加熱されるため、加熱された領域が周囲への抜熱によって急速に冷却されるため焼入れ部の高い強度を得やすい。一方、強化範囲が限定されるため、部品全体としての強度は不十分である。しかもその線状加熱部分のビード間隔が1mmを超えるようにする必要があり、全面を一様に焼入れすることができない。ここで、熱処理範囲を広くすると、入熱量が多くなるため冷却速度が遅くなり、鋼板はより高い焼入れ強化能が要求される。しかしながら、この従来技術による鋼板では、広範囲な熱処理では十分な焼入れ後強度が得られなかった。
【００２０】
特開2000-144319号公報記載の技術も、CとMnの範囲は広くとっているが、良好な加工性と焼入れ後の十分な強度を、より容易に両立させるために好ましいのは、0.10〜0.15％とする旨記載されており、実施例ではC:0.12%の例のみ開示されている。Mnについては、焼入れ性と加工性の観点から、好ましいのは0.8〜1.5％である旨記載されている。結局、同公報記載の技術も、焼入後の強度の安定性、耐遅れ破壊特性が考慮されておらず、これらの特性に優れた鋼板は得られない。
【００２１】
本発明はこのような問題を解決し、プレス成形等による成形加工後の熱処理により高強度化する熱処理用鋼板において、熱処理条件に対する強度の安定性、および耐遅れ破壊特性に優れた熱処理用鋼板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、次の発明により解決される。その発明は、化学成分が、mass%で、C：0.05〜0.09%、Si：1%以下、 Mn：1.6〜2.4%、P：0.02%以下、S：0.02%以下、sol.Al：0.01〜0.1%、N：0.005%以下、B：0.0003〜0.003%、およびTiを下記の不等式を満たす範囲内で含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、低温変態相を含まず、鉄炭化物の平均粒径が2μm以下であることを特徴とする熱処理用鋼板である。
【００２３】
(48/32)S+(48/14)N≦ Ti≦2｛(48/32)S+(48/14)N｝
ここで、式中の元素記号は各元素のmass%を表す。
【００２４】
また、この発明の化学成分に加えてさらに、Cr:0.1〜2%、Mo:0.1〜2%の内1種以上を含有することを特徴とする熱処理用鋼板とすることもできる。
【００２５】
この発明は、前述の課題に対して鋭意研究を重ねた結果、低炭素であっても化学成分と金属組織を制御することにより、極めて優れた熱処理用鋼板が得られることを見いだし、それに基づきなされたものである。
【００２６】
まず、化学成分の限定理由について説明する。
【００２７】
C：0.05〜0.09%
Cは、熱処理により強度を上昇させるために重要な元素であり、十分高強度化させるためには、0.05%以上添加する必要がある。一方、C量が0.09%を超えると熱処理後の耐遅れ破壊特性が劣化する。従って、C量を0.05〜0.09%の範囲内とする。
【００２８】
Si：1%以下
Siは、適宜添加してよいが、1%を超えて添加すると化成処理性が劣化するばかりでなく、製造コストも上昇する。従って、Si量を1%以下とする。
【００２９】
Mn：1.6〜2.4%
Mnは、熱処理における保持温度、保持時間、あるいは冷却速度等の熱処理条件によらず、熱処理後の部品が安定した強度を得るために必須の元素である。Mn量が1.6%未満では焼入性等の安定化の効果が十分ではなく、一方、2.4%を超えると素材鋼板の強度が高くなりすぎ、プレス成形性が劣化する。従って、Mn量を1.6〜2.4%の範囲内とする。
【００３０】
P： 0.02%以下
Pは、粗鋼中に含まれる不純物であり、素材鋼板の成形性および溶接性を劣化させるので、可能な限り製鋼工程で除去、低減することが望ましい。しかしながら、実質的に無害となるP量は0.02%以下であり、Pを必要以上に低減すると精錬コストが上昇する。従って、P量を0.02%以下とする。
【００３１】
S：0.02%以下
Sは、粗鋼中に含まれる不純物であり、素材鋼板の成形性および溶接性を劣化させるので、可能な限り製鋼工程で除去、低減することが望ましい。しかしながら、実質的に無害となるS量は0.02%以下であり、Sを必要以上に低減すると精錬コストが上昇する。従って、S量を0.02%以下とする。
【００３２】
sol.Al：0.01〜0.1%
Alは、脱酸剤として、またNをAlNとして析出させるため添加される。この効果は、sol.Alが0.01 %未満では十分でなく、一方、0.1%を超えると、添加の効果が飽和し不経済となる。従って、sol.Al量を0.01〜0.1%の範囲内とする。
【００３３】
N：0.005%以下
Nは、粗鋼中に含まれる不純物であり、素材鋼板の成形性を劣化させるので、可能な限り製鋼工程で除去、低減することが望ましい。しかしながら、実質的に無害となるN量は0.005%以下であり、Nを必要以上に低減すると精錬コストが上昇する。従って、N量を0.005%以下とする。
【００３４】
Ti：(48/14)N+(48/32)S〜2｛(48/14)N+(48/32)S｝
Tiは、鋼中の固溶NをTiNとして析出させ、BがBNとして析出するのを防ぎB添加の効果を発現させるために、添加する。そのためには、TiによりNを完全にTiNとして析出させておく必要がある。Tiは、スラブ加熱後の冷却中に、窒化物生成より高温で硫化物を生成するので、Nを完全に析出させるには、TiをNとSの原子当量以上、即ち(48/14)N+(48/32)S以上添加する必要がある。一方、この下限の2倍を超えて過剰にTiを添加するとTiCを生成するため、素材鋼板の成形性が劣化する。従って、Ti量を(48/14)N+(48/32)S〜2｛(48/14)N+(48/32)S｝の範囲内とする。
【００３５】
B：0.0003〜0.003%
Bは、鋼中に固溶Bとして存在することにより、熱処理における保持温度、保持時間、あるいは冷却速度等の処理条件によらず、熱処理後の部品が安定した強度を得るため必須の元素である。B量が0.0003%未満では焼入性等の安定化の効果が十分ではなく、一方、0.003%を超えるとB添加の効果が飽和するばかりか、鋼板製造工程における生産性を低下させる。従って、B量を0.0003〜0.003%の範囲内とする。
【００３６】
Cr、Mo:添加する場合0.1〜2%を1種以上
Cr、Moは、熱処理における保持温度、保持時間、あるいは冷却速度等の処理条件によらず、熱処理後の部品が安定した強度を得るために有効な元素である。Cr量又はMo量が0.1%未満では焼入性等の安定化の効果が十分ではなく、一方、2%を超えると素材鋼板の強度が高くなりすぎ、プレス成形性が劣化する。従って、Cr又はMoを添加する場合は、1種以上をそれぞれ0.1〜2%の範囲内とする。
【００３８】
次に本発明の金属組織の限定理由について説明する。
【００３９】
鉄炭化物の平均粒径：2μm以下
鉄炭化物の平均粒径は、熱処理における鉄炭化物の溶体化に影響を及ぼし、2μm以下とすることにより、成形後の熱処理において、極めて短時間で鉄炭化物がオーステナイト中に溶体化し、焼入後に高い強度が得られる。従って、鉄炭化物の平均粒径を2μm以下とする。
【００４５】
上記の熱処理用鋼板を製造するための製造方法の発明は、上記の化学成分を有する鋼のスラブに、熱間圧延、圧延率を６０％以上とする冷間圧延、および再結晶焼鈍を行い、前記再結晶焼鈍において、箱焼鈍を実施する場合は670〜720℃、連続焼鈍を実施する場合は690〜730℃あるいは800〜850℃にて焼鈍した後、焼鈍温度から400℃までの平均冷却速度を30℃/sec以下で冷却することを特徴とする熱処理用鋼板の製造方法である。
【００４６】
この発明は、冷間圧延後の再結晶焼鈍の際、焼鈍後の冷却過程の平均冷却速度を制御することにより、成形性を向上させるものである。
【００４７】
焼鈍温度から400℃までの平均冷却速度が30℃/secを超えると、低温変態相が生成して、成形性が劣化する。従って、上記平均冷却速度を30℃/sec以下とする。
【００４８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施に当たっては、熱延再加熱温度（スラブ加熱温度）は、成形性向上の観点から1200〜1250℃とすることが好ましい。熱延仕上げ温度は、フェライト組織を均一かつ微細化する観点からAr3〜890℃とすることが望ましい。熱延鋼板の平坦度を調整し、降伏点伸びを消去して成形性を向上させるためには、コイルの冷却後、調質圧延を伸張率0.3〜1.5%の範囲で施すことが望ましい。
【００４９】
また、冷延鋼板として製造する場合も、熱延段階では上記の熱延条件、即ち成形性向上の観点から熱延再加熱温度を1200〜1250℃とし、フェライト組織を均一かつ微細化する観点から仕上げ温度をAr3〜890℃とすることが望ましい。また、熱延後の冷却速度についても、熱延最終パス出側から巻取りまでの平均冷却速度が30℃/secを超えると、低温変態相が生成して、冷間圧延における製造性が低下するため、やはり30℃/sec以下とすることが望ましい。
【００５０】
冷間圧延においては、本発明に必須の平均粒径が2μm以下の微細な鉄炭化物を得るため、圧延率を60%以上とすることが望ましい。焼鈍においては、成形性向上の観点から均熱温度を、箱焼鈍では670〜720℃、連続焼鈍では690〜730℃あるいは800〜850℃とすることが望ましい。冷延鋼板の平坦度を調整し、降伏点伸びを消去して成形性を向上させるために、コイルの冷却後、調質圧延を伸張率0.3〜1.5%の範囲で施すことが望ましい。
【００５１】
【実施例】
[実施例１]
表１に示す化学成分を有する鋼を真空溶解鋳造し、スラブを1250℃に再加熱後、熱間圧延し、870℃で仕上圧延を行った。1.2mmまで冷間圧延後、720℃×2分の連続焼鈍を模擬した再結晶焼鈍を行った。再結晶焼鈍においては、400℃まで平均冷却速度10℃/secで冷却した。伸張率1.5%の調質圧延を行った後、圧延直角方向（幅方向）にJIS5号引張試験片を採取し、素材の機械特性を調査した。さらに、鋼番号13,14については、600℃で熱処理を行い、炭化物粒径を調整した。
【００５２】
【表１】
0003918589.tif 000002
【００５３】
これらの鋼板について、以下の3つ熱処理条件で熱処理を行った。
【００５４】
熱処理条件１:  1000℃×5分保持後水焼入れ
熱処理条件２:  1000℃×5分保持、800℃まで空冷後水焼入れ
熱処理条件３:  900℃×5秒保持後水焼入れ
ここで、熱処理条件1は理想的な溶体化処理および焼入れ、熱処理条件2は溶体化処理後の焼入れが遅延した場合に対応する条件、熱処理条件3は高周波焼入れ等の低温短時間の溶体化処理を模擬した熱処理である。熱処理用鋼板としては、これら１〜３のいずれの熱処理条件においても、安定して高い強度が達成されることが望ましい。
【００５５】
更に、熱処理後（焼入れまま）の試料に対して、遅れ破壊試験を行った。試験方法は、まず、前記熱処理条件１で処理後、30×100mmの短冊試験片を切り出し、半径10mmRで180゜曲げ加工を行い、U字型となった試験片の両端にボルトを通し、スプリングバックの分を締め付けて固定した。次いで、この状態で、0.1N塩酸中に浸積して、割れが発生するまでの時間を測定した。耐遅れ破壊性の良否の評価は、30日以上割れのないこと（遅れ破壊時間30日超）とした。
【００５６】
表２に、素材機械特性値、焼入れ後の強度、および遅れ破壊時間を示す。本発明例の鋼番号2,7,11〜13は、いずれも素材の成形性（El）が高く、熱処理（焼入れ）条件によらず1200MPa以上の高強度が達成され、さらに遅れ破壊時間30日以上の良好な耐遅れ破壊性を示している。
【００５７】
これに対して、比較例の鋼番号1は、C量が本発明範囲より低いため、焼入れ後の強度が不十分であった。鋼番号3は、C量が本発明範囲より高いため、遅れ破壊時間が3日と短く耐遅れ破壊性が劣り、さらに平均炭化物粒径が2μmを超えるため低温短時間の熱処理条件３では十分な強度が得られなかった。比較例の鋼番号4は、Mn量が本発明範囲より低いため、熱処理条件２の焼入れ後の強度が不十分であった。鋼番号5は、Mn量が本発明範囲より高いため、素材の強度が高すぎて成形性（El）が不良であった。
【００５８】
比較例の鋼番号6は、Ti量が本発明範囲より低いため、熱処理条件２の焼入れ後の強度が不十分であった。鋼番号8は、Ti量が本発明範囲より高いため、素材の強度が高く成形性（El）が不良であった。鋼番号9は、B量が本発明範囲より低いため、熱処理条件２の焼入れ後の強度が不十分であった。鋼番号10は、B量が本発明範囲より高いため、素材の強度が高く成形性（El）が不良であった。鋼番号14は、平均炭化物粒径が2μmを超えるため低温短時間の熱処理条件３では十分な強度が得られなかった。
【００５９】
【表２】
0003918589.tif 000003
【００６０】
[実施例２]表１に示した鋼番号7を用いて、表３に示す製造条件で鋼板D〜Gを製造した。これらの鋼板について、実施例１に準じて、熱処理および各種特性の評価を行った。評価結果を表４に示す。
【００６１】
【表３】
0003918589.tif 000004
【００６２】
【表４】
0003918589.tif 000005
【００６３】
本発明例の符号D,E,Fは、いずれも素材の成形性（El）が高く、熱処理（焼入れ）条件によらず1200MPa以上の高強度が達成され、さらに遅れ破壊時間30日以上の良好な耐遅れ破壊性を示している。これに対して、比較例の符号Gは、連続焼鈍後の冷却速度が高いため、素材の強度が高く成形性（El）が低い。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、本発明は化学成分と金属組織を制御することにより、優れた熱処理用鋼板を製造することができる。本発明の冷延鋼板又は熱延鋼板をプレス成形等により成形加工し、高周波加熱又は雰囲気加熱の後、水冷却、油冷却、プレスクエンチ等により焼入れ処理を行うことにより、安定して高い強度、靭性、および耐遅れ破壊特性を有する複雑な形状の部品、例えば自動車車体構造部材、補強部材、その他あらゆる機械構造部品等が低コストで製造できる。本発明鋼板を用いた熱処理部品は、自動車の安全性向上、軽量化による燃費向上、ひいては地球環境保全などに寄与し、産業上極めて有益である。