(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．７０〜１．２０重量％，Ｓｉ：０．４０重量％以下，Ｍｎ：１．０重量％以下，Ｐ：０．０３重量％以下，全Ａｌ：０．１０重量％以下，Ｃｒ：１．６重量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもち、平均粒径０．３〜１．２μｍ，球状化率８０％以上の炭化物がフェライト粒径５μｍ以上のフェライトマトリックスに分散した組織をもち、ＪＩＳ５号引張試験片の平行部長手方向中央位置における幅方向両サイドに開き角４５度，深さ２ｍｍのＶノッチを入れた試験片を用いて引張試験し、平行部長手方向中央部の標点間距離１０ｍｍに対する破断後の伸び率として表わされる切欠き引張伸びが１０％以上である打抜き性に優れた高炭素鋼板。
【請求項２】
Ｃ：０．７０〜１．２０重量％，Ｓｉ：０．４０重量％以下，Ｍｎ：１．０重量％以下，Ｐ：０．０３重量％以下，全Ａｌ：０．１０重量％以下，Ｃｒ：１．６重量％以下，Ｍｏ：０．３重量％以下，Ｃｕ：０．３重量％以下，Ｎｉ：２．０重量％以下の１種又は２種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもち、平均粒径０．３〜１．２μｍで炭化物球状化率８０％以上の炭化物がフェライト粒径５μｍ以上のフェライトマトリックスに分散した組織をもち、ＪＩＳ５号引張試験片の平行部長手方向中央位置における幅方向両サイドに開き角４５度，深さ２ｍｍのＶノッチを入れた試験片を用いて引張試験し、平行部長手方向中央部の標点間距離１０ｍｍに対する破断後の伸び率として表わされる切欠き引張伸びが１０％以上である打抜き性に優れた高炭素鋼板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、打抜き加工性に優れ、各種機械部品等に使用される高炭素鋼板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複雑形状をもち高い寸法精度，耐摩耗性が要求されるギア等の機械部品は、高炭素鋼を素材とし、切削加工等によって成形仕上げされた後、焼入れ焼戻し等の必要な熱処理を施すことにより製造されてきた。切削加工では製造コストが高くつくため、切削加工を打抜き加工に置き換えることが検討されている。打抜き加工による場合、特にギア歯等の部品と接触する部分では、打抜き加工に起因する割れが抑制又は解消され、剪断面が多いことが要求される。また、複雑形状で高寸法精度の製品を得るためには、打抜き加工技術の向上に加え、優れた打抜き性を示す高炭素鋼板が素材として要求される。
【０００３】
鋼帯の熱延条件を制御してベイナイトの生成を抑制するとき、熱延材のままであっても打抜きによる割れが発生しない鋼板が得られることが特開昭５６−９３２９号公報で紹介されている。しかし、対象鋼種はＣ含有量が０．６０重量％以下の鋼板であり、Ｃ含有量が０．７０重量％以上の高炭素鋼板には適用できない。
高炭素鋼の打抜き性に関しては、炭化物粒径の微細化及びフェライトの粒径制御によりバリ高さの低減や金型の長寿命化が図られること（特開平９−３１６５９５号公報）, 特殊元素の添加によりバリ高さの低減や金型の長寿命化が図られること（特開昭５７−１１０６２２号公報，特開平３−４４４４７号公報，特開平４−２３５２５２号公報），打抜き時の騒音低減や金型の長寿命化に炭化物の黒鉛化が有効であること（特開昭５６−１１９７５８号公報）等が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の打抜き性改善策は、何れもバリ高さの低減や金型の長寿命化を狙ったものに過ぎない。また、打抜き性の改善に使用される特殊元素は、一般的な高炭素鋼に適用できず、製造コストを上昇させる原因にもなる。
このように、打抜き性の中でも特に打抜き面性状に優れた高炭素鋼板のニーズが高まっているにも拘わらず、一般的な高炭素鋼において割れが小さいこと，剪断面が多いこと等、打抜き面性状を改善する有効な方法が確立されていない。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、０．７０〜１．２０重量％のＣを含む高炭素鋼板において炭化物を粒径制御することにより、打抜き性に密接な関係をもつ切欠き引張伸びを改善し、打抜き性に優れた高炭素鋼板を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の高炭素鋼板は、その目的を達成するため、Ｃ：０．７０〜１．２０重量％，Ｓｉ：０．４０重量％以下，Ｍｎ：１．０重量％以下，Ｐ：０．０３重量％以下，全Ａｌ：０．１０重量％以下，Ｃｒ：１．６重量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもち、平均粒径０．３〜１．２μｍで炭化物球状化率８０％以上の炭化物がフェライト粒径５μｍ以上のフェライトマトリックスに分散した組織をもち、ＪＩＳ５号引張試験片の平行部長手方向中央位置における幅方向両サイドに開き角４５度，深さ２ｍｍのＶノッチを入れた試験片を用いて引張試験し、平行部長手方向中央部の標点間距離１０ｍｍに対する破断後の伸び率として表わされる切欠き引張伸びが１０％以上であることを特徴とする。
【０００６】
高炭素鋼板は、更にＣｒ：１．６重量％以下，Ｍｏ：０．３重量％以下，Ｃｕ：０．３重量％以下，Ｎｉ：２．０重量％以下，Ｃａ：０．０１重量％以下の１種又は２種以上を含むことができる。不純物として含まれるＳは、０．０１重量％以下に規制することが好ましい。
炭化物球状化率は、鋼板断面の金属組織を観察するとき、炭化物総数が３００個以上の領域を観察視野にとり、最大長さｐを定め、最大長さｐと直角方向の最大長さｑとの比ｐ／ｑが３未満の炭化物（以下、球状化炭化物という）の個数が観察視野内の炭化物総数に占める割合（％）で表わされる。また、炭化物平均粒径は、同じ炭化物総数３００個以上の観察視野において個々の炭化物について測定した円相当径を全測定炭化物で平均した値で表わされる。
【０００７】
【作用】
本発明者等は、一般的な高炭素鋼板の打抜き性を向上させる方法を種々検討したところ、局部延性の指標の一つである切欠き引張伸び及び打抜き時の剪断面率に打抜き性が良好な相関関係をもつことを見出した。また、鋼板に分散している炭化物の形態が切欠き引張伸びに大きな影響を及ぼし、炭化物の球状化及び平均粒径の増大によって切欠き引張伸びが改善されることが判った。
割れや亀裂は、打抜き加工時に鋼板が加工変形する際に発生した非常に局所的な欠陥を起点とし、加工変形の進行に伴って素材内部を伝播した結果であると考えられる。高炭素鋼板においては、欠陥生成原因として炭化物（セメンタイト），ＭｎＳ系介在物等を起点とするミクロボイドの発生・成長が挙げられる。
【０００８】
このような前提に立つとき、加工変形時にミクロボイドの発生・成長を可能な限り抑制できる金属組織の調整及び介在物の低減が打抜き性の改善に有効であるといえる。ミクロボイドの発生・成長を抑制することは、局部延性を向上させることにもなる。実際に切欠き引張試験に供した試験片のミクロボイドを観察すると、ミクロボイドの発生・成長が金属組織の形態に大きく影響され、打抜き加工時のミクロボイドの発生・成長に酷似していた。このことからしても、打抜き性と切欠き引張伸びとの間に密接な関係があることが窺がわれる。
【０００９】
［成分・組成］
本発明では、Ｃ：０．７０〜１．２０重量％を含む高炭素鋼を対象としている。Ｃは、高炭素鋼において最も基本となる合金成分であり、含有量の如何に応じて加工性，焼入れ硬さ，炭化物量等が大きく変動する。Ｃ含有量が０．７０重量％未満では、焼入れ後に十分な量の未溶解炭化物が残存せず、所望の耐摩耗性が得られない。逆に１．２０重量％を超えるＣ含有量では、熱延後の靭性低下により鋼帯の製造性・取扱い性が悪化すると共に、焼鈍後においても十分な延性が得られないため、本発明が狙っている優れた打抜き性が期待できない。
Ｓｉは、局部延性に対し大きな影響を及ぼす合金成分である。過剰量のＳｉを添加すると、固溶強化作用によってフェライトが硬化し、成形加工時に割れを発生させる原因になる。過剰なＳｉ添加は、製造過程で鋼板表面におけるスケール疵の発生を助長し、表面品質を低下させる原因にもなる。そこで、Ｓｉ含有量の上限を０．４０重量％に規定し、特に加工性が要求される用途では０．２０重量％以下に規制することが好ましい。
【００１０】
Ｍｎは、耐摩耗性改善に有効な合金成分であるが、１．０重量％を超える多量のＭｎが含まれるとフェライトが硬化し、加工性が劣化する。
Ｐは、延性及び靭性に悪影響を及ぼす成分であることから、上限を０．０３重量％に規定する。
Ａｌは、溶鋼の脱酸剤として添加される成分であるが、鋼中の全Ａｌ量が０．１重量％を超えると鋼材の清浄度が損われ、鋼板表面に疵が発生し易くなる。
【００１１】
熱処理性を更に改善するため、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃａの１種又は２種以上が必要に応じて添加される。
Ｃｒは、焼入れ性の改善に有効な合金成分であり、焼戻し軟化抵抗を大きくする作用を呈する。しかし、１．６重量％を超える多量のＣｒが含まれると、Ａ1 変態点以下での長時間焼鈍やＡ1 変態点以上の加熱を伴った焼鈍を施しても軟質化し難く、却って打抜き性が低下する。したがって、Ｃｒを添加する場合には、Ｃｒ含有量の上限を１．６重量％に設定する。
Ｍｏは、少量の添加でＣｒと同様に焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を改善する作用を呈する。しかし、０．３重量％を超える多量のＭｏが含まれると、Ａ1 変態点以下での長時間焼鈍やＡ1 変態点以上の加熱を伴った焼鈍を施しても軟質化し難く、却って打抜き性が低下する。したがって、Ｍｏを添加する場合には、Ｍｏ含有量の上限を０．３重量％に設定する。
Ｃｕは、熱延中に生成される酸化スケールの剥離性を向上させ、鋼板の表面品質を改善する作用を呈する。しかし、０．３重量％を超える多量のＣｕが含まれると、溶融金属脆化に起因して鋼板表面に微細なクラックが発生し易くなる。Ｃｕを添加する場合、０．１０〜０．１５重量％の範囲が好ましい。
【００１２】
Ｎｉは、焼入れ性を改善すると共に、低温靭性の向上に有効な合金成分である。また、Ｃｕ添加に起因する溶融金属脆化の悪影響を打ち消す作用も呈する。溶融金属脆化の防止には、０．２重量％以上のＣｕを添加する場合、Ｃｕ添加量と当量程度のＮｉを添加することが有効である。しかし、２．０重量％を超える多量のＮｉを添加すると、Ａ1 変態点以下での長時間焼鈍やＡ1 変態点以上の加熱を伴った焼鈍を施しても軟質化し難く、却って打抜き性が低下する。
【００１３】
打抜き性は、Ｓ含有量を規制し、Ｃａを添加することによっても改善される。
Ｓは、ＭｎＳ系介在物を生成する成分である。ＭｎＳ系介在物の量が多くなると局部延性が劣化するので、鋼中のＳ量は可能な限り低減することが好ましいが、本発明で規定する炭化物形態が得られる限り、極低Ｓ化を要することなく一般的な市販鋼に対しても打抜き性改善の効果は得られる。しかし、Ｃ含有量が１．２０重量％近くまで高くなった場合でも高い局部延性を安定して確保するためには、Ｓ含有量を０．０１重量％以下に低減した鋼を使用することが好ましい。
ＭｎＳ系介在物は、Ｃａ添加により効果的に形態制御される。通常のＭｎＳ系介在物は、細長い形状を呈し、打抜き時にミクロボイド生成の起点になり易い。これに対し、Ｃａ添加した鋼材ではＭｎ，Ｓ，Ｃａの複合介在物となり、介在物が球状化するためミクロボイドの発生が抑えられる。しかし、０．０１重量％を超える過剰量のＣａを添加すると、介在物の粗大化に起因する弊害が現れるようになる。したがって、Ｃａを添加する場合、Ｃａ含有量の上限を０．０１重量％に設定する。
【００１４】
［炭化物の球状化率］
炭化物球状化率は、「球状化した炭化物」が全炭化物に占める割合を示す。本件明細書では、鋼板断面の金属組織観察視野で最大長さｐとそれに直交する方向の最大長さｑの比ｐ／ｑが３未満の炭化物を「球状化した炭化物」として扱った。たとえば、再生パーライトにおける炭化物では、ほとんどｐ／ｑ≧３の炭化物である。他方，Ａｃ1 変態点以上の加熱で残留した未溶解炭化物を起点として成長した炭化物では、比ｐ／ｑが３未満になる。
炭化物の形状を立体的に正確に捉えて規定することは難しく、製品鋼板の適否を判定する上でも煩雑である。これに対し、鋼板断面の平面的な金属組織を観察することは容易である。本発明者等は、鋼板断面の金属組織の中で観察される炭化物形状について比ｐ／ｑを用いて球状化の程度を捉えたとき、鋼板の局部延性に対する炭化物形状の影響を適切に評価できることを確認した。そして、種々の実験結果から、比ｐ／ｑが３未満の「球状化した炭化物」の数が全炭化物数の８０％以上を占め、更には平均炭化物粒径を特定範囲に調整するとき、鋼板が高い打抜き性を示すことを見出した。
【００１５】
炭化物球状化率を高めると打抜き性が向上することは、球状化率の高い炭化物は加工時にミクロボイドの生成起点になりにくいことが原因であると推察される。炭化物球状化率の低い鋼板では、分散している炭化物のうち、たとえば再生パーライトの炭化物のように球状化が不充分な炭化物は、周囲のフェライト粒との変形能が異なる。そのため、球状化不充分な炭化物がミクロボイドの生成起点となり、ミクロボイドの生成・連結を助長させて割れ発生に至るものと考えられる。したがって、打抜き性の改善には、平均炭化物粒径の調整と相俟って鋼板の炭化物球状化率を８０％以上にすることが有効である。
【００１６】
［炭化物の平均粒径］
打抜き性や局部延性は、炭化物の平均粒径を大きくすることによっても顕著に改善される。平均粒径の増大は、鋼中の炭素量は一定であることから炭化物総数の減少を意味する。炭化物総数の減少は、個々の炭化物を起点として生成したミクロボイドの連結を抑制し、結果として打抜き性及び局部延性の顕著な向上に寄与するものと推察される。
平均炭化物粒径は、鋼板断面の金属組織を観察するとき、観察視野にある個々の炭化物について測定した円相当径を全測定炭化物で平均した値で示される。具体的には、個々の炭化物について面積を測定し、得られた面積から円相当径を算出する。炭化物の面積は、画像処理装置を用いて容易に測定できる。測定した全ての炭化物の円相当径の総和を求め、総和を測定炭化物の総数で除した値を平均炭化物粒径とする。数値の信頼性を高めるためには、測定炭化物総数が３００個以上となる観察視野を選定することが好ましい。
本発明者等による詳細な打抜き実験の結果、炭化物球状化率を８０％以上，平均炭化物粒径を０．３μｍ以上とするとき、優れた打抜き性及び局部延性を示す鋼板が得られることが判った。しかし、１．２μｍ以上に平均炭化物粒径を粗大化させても、炭化物粒径の増大に見合った局部延性向上の効果が小さく、長時間の焼鈍を施す必要があるため経済的なデメリットが大きくなる。したがって、本発明では、鋼板中の平均炭化物粒径を０．３〜１．２μｍの範囲に規定した。
【００１７】
［フェライト粒径］
焼鈍後のフェライト粒径も、打抜き性や局部延性の改善に影響を及ぼす因子である。フェライト粒径が５μｍ未満になると、材料の局部延性が低下する傾向がみられる。この点、炭化物分散形態適正化の効果を最大限発揮させるためには、フェライトの結晶粒径（平均粒径）を５μｍ以上にすることが好ましい。更には、フェライト結晶粒径が不揃いの混粒組織は加工性に悪影響を及ぼすので、可能な限りフェライト結晶粒径が揃った整粒組織にすることが好ましい。整粒組織を得るためにはフェライト結晶粒径（平均粒径）を５〜３５μｍの範囲に調整することが好ましく、平均粒径が３５μｍを超えるフェライト結晶粒では混粒組織になり易い。
以上のような特性をもつ鋼板は、Ａｃ1 変態点以下の長時間焼鈍によっても得られるが、焼鈍方法の工夫により比較的短時間の焼鈍で得ることができる。たとえば、Ａｃ1 変態点直下及び直上の特定温度範囲における加熱を適切に組み合わせた焼鈍等が採用される。具体的には、（ＡC1−５０℃）〜（ＡC1未満の温度  ）の温度域に熱延鋼板又は冷延鋼板を０．５時間以上保持する１段目の加熱、ＡC1〜（ＡC1＋１００℃）の温度域に０．５〜２０時間保持する２段目の加熱、  次いで（Ａr1−８０℃）〜Ａr1の温度域に２〜６０時間保持する３段目の加熱  を連続させ、２段目の保持温度から３段目の保持温度への冷却速度を５〜３０℃／時間とする３段階焼鈍によって、炭化物分散形態が適正に制御された鋼板が製造される。
【００１８】
【実施例】
表１の組成をもつ各種鋼を溶製し、連鋳で得られたスラブを熱間圧延した。このとき、巻取り温度を調整して、熱延鋼帯の組織を変化させた。熱延鋼帯を酸洗した後、鋼板の炭化物球状化率，平均炭化物粒径が異なるように種々の条件で焼鈍した。表２の試験番号１，３〜９，１１〜１４では、巻取り温度４５０〜６００℃で熱延した後、Ａｃ1 変態点より低い温度に４時間保持し、Ａｃ1 変態点以上の７３０〜７７０℃の一定温度に４時間保持し、冷却速度１０℃／時で冷却し、Ａｃ1 変態点以下の６９０℃に４〜４０時間保持し、次いで冷却速度１０℃／時で７６０℃まで冷却した後、空冷する熱処理を施した。また、試験番号２，１０では、巻取り温度５５０℃で得られた熱延鋼帯を酸洗した後、３０〜６０％で冷延し、Ａｃ1 変態点より低い７００℃に１０〜３０時間保持する熱処理を施した。
【００１９】
0004161090.tif 000002
【００２０】
板厚２．０ｍｍの鋼帯から引張試験，切欠き引張試験及び打抜き性評価試験用の試験片を切り出した。
炭化物球状化率は、走査型電子顕微鏡を用いて鋼板断面の一定領域を観察し、総数３００〜１０００個の炭化物が析出している部分を観察領域として選定した。炭化物の最大長さｐとその直角方向の最大長さｑとの比ｐ／ｑが３未満となるものを「球状化した炭化物」としてカウントし、測定炭化物総数に占める「球状化した炭化物」の数の割合を炭化物球状化率として算出した。
平均炭化物粒径は、炭化物球状化率を測定した観察視野を画像処理して個々の炭化物の円相当径を算出し、算出値を全測定炭化物で平均化することにより求めた。
フェライト粒径は、ＪＩＳ  Ｇ０５２２に規定されている切断法に従って、直交する二つの線分で切断されるフェライト結晶粒の数を測定し、１０視野測定の結果を平均化して求めた。
【００２１】
引張試験にはＪＩＳ５号試験片を用い、平行部の標点間距離を５０ｍｍに設定した。切欠き引張試験では、ＪＩＳ５号引張り試験片の平行部長手方向中央位置における幅方向両側に開き角４５度，深さ２ｍｍのＶノッチを入れた試験片を使用した。そして、平行部長手方向中央部の標点間距離１０ｍｍに対する伸び率を破断後に測定し、得られた伸び率を切欠き引張伸びＥｌV とした。ＥｌV 値は、局部延性を示す指標であり、通常の引張試験で（全伸び）−（均一伸び）として求められる局部伸びに比較して、より適切に局部延性を定量的に評価できる。
打抜き性評価試験では、径１０ｍｍのポンチを用い、クリアランスを板厚の５％に設定して鋼板を打ち抜き、試験片１００個について剪断面率及び割れ深さの平均を求めた。剪断面率は、打ち抜かれた試験片の加工面において［板厚方向の剪断面長さ］／［板厚］×１００（％）として算出した。割れ深さは、各試験片について打抜き面近傍の圧延方向断面を顕微鏡観察し、破断部の最も深い割れの深さを剪断面からの長さで測定した。
【００２２】
表２の調査結果にみられるように、試験番号１４では、Ｃ含有量が１．２０重量％を超えるＦ鋼を素材としているため、炭化物粒径，炭化物球状化率及びフェライト粒径が本発明で規定した範囲にあるものの、切欠き引張伸びＥｌV が低く、打抜き性も剪断面率８．８％，割れ深さ０．２６ｍｍと劣っていた。試験番号２は炭化物粒径が０．３μｍに達しておらず、試験番号８は炭化物の球状化率が８０％未満，試験番号１０はフェライト粒径が５μｍ未満であり、何れも切欠き引張伸びＥｌV が１０％に達しておらず、打抜き性も剪断面率１０％未満，割れ深さ０．２５ｍｍ以上と劣っていた。
これに対し、炭化物平均粒径，炭化物球状化率及びフェライト粒径を本発明で規定した範囲に調整した試験番号１，３〜７，９，１１〜１３では、１５％以上の高い剪断面率で割れ深さも０．１５ｍｍ以下と小さくなっており、良好な打抜き性が示された。
【００２３】
0004161090.tif 000003
【００２４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の高炭素鋼板は、炭化物球状化率，平均炭化物粒径及びフェライト粒径を適正範囲に設定することにより、打抜き性及び局部延性が改善されている。この高炭素鋼板は、従来の高炭素鋼板に比較して打抜き性が格段に改善されているため、複雑な形状をもつ自動車部品，各種機械部品等の素材として広範な分野で使用される。しかも、軟質化されているので、プレス金型の長寿命化にも有効である。