JFE 技報 No. 30（2012 年 8 月）p. 1–5

NANO ハイテン ®の金属学的特徴と温間成形の適用
Metallurgical Feature of NANO-HITEN and Its Application to Warm Stamping
船川義正

藤田毅

FUNAKAWA Yoshimasa JFE スチール
FUJITA Takeshi

スチール研究所（現研究企画部主任部員）

JFE スチール

スチール研究所（現西日本製鉄所
山田克美

YAMADA Katsumi

JFE スチール

薄板研究部

薄板加工技術研究部

薄板商品技術部自動車室

スチール研究所主任研究員（副部長）・博士（工学）主任研究員（副部長）・博士（工学）主任部員）

分析・物性研究部

主任研究員（副部長）・博士（工学）

要旨®

NANO ハイテン は，フェライト組織を超微細炭化物で高強度化することで，440 MPa 級鋼板と同等の伸びフラ®

ンジ加工性を維持したまま 780 MPa 級の高強度を実現した。NANO ハイテン の微細炭化物は相界面析出現象で均一な大きさでフェライト中に分散する。この炭化物は従来の TiC と比べて 1/10 の大きさで，析出強化量は®

300 MPa にものぼる。この NANO ハイテン の微細炭化物は加熱に対して粗大化しにくいことから，ハイテンには®

適用できなかった温間成形にも適していると考えられる。そこで，980 MPa 級 NANO ハイテン の温間成形性を調®

査したところ，980 MPa 級 NANO ハイテン は温間成形で 590 MPa 級と同等の成形性を発現することが分かった。

Abstract:
NANO-HITEN in 780 MPa grade of tensile strength has achieved excellent stretch flange formability as the samelevel of 440 MPa grade with strengthening ferrite grains by nanometer-sized carbides. Uniform fine carbides inNANO-HITEN are dispersed into ferrite grains by interphase-precipitation phenomena. The diameter of the finecarbides became 1/10 compared with the conventional TiC, and the amount of precipitation-strengthening increased
to 300 MPa. Since fine carbides in NANO-HITEN are hardly coarsened, NANO-HITEN is suitable to warm stamping.
Experimental results of warm stamping indicated that warm stamped NANO-HITEN with 980 MPa gradeshowed
good formability at the same level of cold stamped high strength steel with 590 MPa grade.

1.

はじめにト単相の鋼板が開発されてきたが，特に引張強さ 780 MPa
級以上となると高強度化が困難であったり，伸びフランジ加工性が向上しても伸びが顕著に低下してしまうなどの弊

自動車シャシ部品（サスペンションやフレームなどの部害が避けられず，実用面での問題を多く抱えていた。

品）は冷間圧延鋼板が主体のボディ部品とは異なり，板厚の厚い熱間圧延鋼板や鋳造品が用いられており，強度・剛

この状況に対し，全く新しい組織設計思想のもとシャシ性のほかに疲労や腐食などの耐久性が要求される。重量の部品に適した高強度熱間圧延鋼板を開発した。JFE スチー

あるこれらのシャシ部品の軽量化を目的として，厚さ 2.6 〜

ルはこれを NANO ハイテン と命名している。NANO ハイ

4 mm で引張強さ 440 〜 590 MPa 級の鋼板が一般的に用いテン は，ナノメートルサイズの超微細炭化物を分散させたられるようになってきた。シャシ部品のプレス成形には，鋼フェライト結晶粒で構成される組織を有する高強度熱間圧板の伸びフランジ加工性が特に重要であり，現在でも優れ延鋼板であり，従来のフェライト相と硬質相とで構成されるた伸びフランジ加工性を追求した開発が行われている。

Dual phase 鋼板や TRIP 鋼板に代表される組織制御型高強®

®

伸びフランジ加工性の向上策として，高い伸びを示すこ度鋼板とは異なる機械的性質を実現した。このユニークなとで知られる複合組織（Dual phase）鋼板や低合金残留オー特性は，当初の目標であったシャシ部品への適用に留まらステナイト（TRIP）鋼板の各相の分率や局所的な硬さ分布ず，NANO ハイテン をボディ部品でも使用可能なものとしの改良が行われてきたが，いずれも本質的な解決には至っている。

®

®

本稿では，780 MPa 級 NANO ハイテン を中心に述べたていない。また，ベイナイト単相やベイニティックフェライ後に，さらなる高強度への展開と温間成形について言及し，シャシ部品からボディ部品への適用拡大にも触れる。

2012 年 3 月 11 日受付−1−®

NANO ハイテン の金属学的特徴と温間成形の適用

2.

NANO ハイテン ®の特徴
NANO ハイテン ® の組織

2.1

NANO（New application of nano obstacles for dislocationmovement）ハイテン® 1)は，炭化物を用いてフェライト結晶粒そのものを硬化させることで鋼板を強化しており，次に示す特長がある。
(1) 加工性に優れたフェライト単一組織である。

100 nm(2) 数ナノメートルにまで微細化した炭化物で強化されて(a) NANO-HITENいる。

(b) Conventional precipitationstrengthened steel(3) 炭化物の熱的安定性が極めて高い。
写真 2 鋼中の炭化物を示す透過型電子顕微鏡写真(4) 析出強化で高強度化するため Si などの固溶強化元素を無添加とすることが可能である。

Photo 2

Transmission electron micrographs showing carbides®

NANO ハイテン のミクロ組織と比較として従来の組織強化型高強度鋼板の走査型電子顕微鏡写真を写真 1 に示す。とが確認できる。炭化物が列状を呈するのは，炭化物が相従来の高強度鋼板はフェライト結晶粒間に大きさ数マイク界面析出という現象で析出したことを示している。相界面ロメートルのマルテンサイトなどの硬質相を分散させること

析出は，高温のオーステナイトから低温のフェライトに相変®

で高強度化を達成しているのに対し，NANO ハイテン は態するときに，オーステナイト−フェライト界面に炭化物が加工性に富んだフェライト結晶粒のみが観察される。そし析出する現象であり，Morrison により初めて報告された現2)®

象である。て，NANO ハイテン のフェライト結晶粒は従来の高強度®

NANO ハイテン の炭化物をさらなる高倍率で観察した鋼板と比べて微細である。
®

NANO ハイテン を高強度化しているナノメートルサイズ

ときの透過型電子顕微鏡写真を写真 3 に示す。炭化物は円の炭化物について述べる。炭化物を含まないフェライト組盤状の形態であり，写真 3 は円盤の厚さ方向が紙面と平織，たとえば軟鋼の強度は引張強さで 300 MPa 程度しかな行となる方 向 か ら 観 察 し て い る。 炭 化 物 は フ ェ ラ イトい。これを 780 MPa 級にまでの高強度にしているのがフェ結晶と Baker-Nutting の関係 （(001)carbide//(001)ferrite，ライト結晶粒内に分散するナノメートルサイズの炭化物であ<100>carbide//<110>ferrite ) にあり，円盤状の炭化物の上3)®

る。NANO ハイテン のフェライト結晶粒内の炭化物の透下面とフェライトとの界面で原子は一対一に対応しており，過型電子顕微鏡写真を写真 2 に示す。比較として従来の高整合と呼ばれる界面を形成している。
上記のナノメートルサイズへの炭化物微細化により高強強度鋼板中に析出させた場合の炭化物も示した。NANO ハ®

イテン の写真の左上から右下に列状に並んで観察される数度が得られることを描いた模式図を図 1 に示す。強化量のナノメートルの大きさの点状のコントラストが NANO ハイ計算では，Ashby-Orowan の式 ，Pickering の固溶強化量4)®

5)を仮定して降伏強度を算出した後に降伏比を 0.9

テン の炭化物で，従来の高強度鋼板の数十ナノメートルのの経験式

大きさの粗大な炭化物と比べると顕著に微細化していること仮定して引張強さを計算した。図 1 では，従来の高強度

Ferritegrain[110]

Hard phase(b) Dual phase steel

写真 3 N ANO ハイテン®の炭化物を示す高解像度透過型電子顕微鏡写真
Photo 3 Transmission electron micrographs showing carbidein NANO-HITEN

写真 1 組織の走査型電子顕微鏡写真
Photo 1

Scanning electron micrographs showing microstructures

JFE 技報 No. 30（2012 年 8 月）

Carbide2 nm10 μm(a) NANO-HITEN[110]−2−®

NANO ハイテン の金属学的特徴と温間成形の適用のナノメートルサイズの炭化物は熱安定性も優れていること
1 200
1 000
Tensile strength (MPa)が明らかとなった。

Precipitation
strengthening

2.2

Carbide in NANO-HITEN

NANO ハイテン ® の加工性

従来の組織制御型高強度鋼板では，高強度化にともない
800
600
Grain refinement
strengthening

400

型鋼板では，440 MPa 級から高強度化するために硬質相のSolidsolution
strengthening

体積率を増加させているためである。この状況を説明する
模式図を図 3 に示す。伸びフランジ加工性の指標には日本鉄鋼連盟規格（JFS）にある穴拡げ率を用いた。穴拡げ試験
では，穴拡げに先立ち鋼板に打ち抜き穴を開けるが，この2000

伸びフランジ加工性は顕著に低下する。これは，組織制御

TiC in conventional steel

3 nm
051015

打ち抜き時にフェライトと硬質相との界面よりボイドが発生Baseしてしまう。続く穴拡げ時にこのボイドの連結で割れが発生25しやすくなることから，穴拡げ率を向上させるにはボイドの20Carbide diameter (nm)発生を抑制することが必要で，これにはフェライトと硬質相7)の硬さの比を低減することが有効である 。NANO ハイテ

図 1 炭化物径と引張強さの関係を示す模式図®

ン は硬質相を含まないことから，仮想的に硬質相の硬さをFig. 1 S chematic diagram of relationship between amount oftensile strength and carbide diameter

フェライトと同一の物としたと考えることで優れた穴拡げ率が得られたと考えられる。
®

鋼板中に析出する炭化物では 100 MPa 程度の析出強化量し以上のように優れた加工性を有する NANO ハイテン は®

か得られないのに対し，NANO ハイテン の析出強化量はシャシ部品の 780 MPa 級化を推し進め，複数種類の自動車

300 MPa と高く，これにより引張強さで 780 MPa 級の高強にすでに搭載されており，軽量化に大きく寄与している。

度を実現した。

2.3

これら微細炭化物は一般的には Ostwald 成長で顕著に粗®

NANO ハイテン® の高強度化®

大化すると考えられてきたが，NANO ハイテン の炭化物

NANO ハイテン は微細炭化物で高強度化しているため，炭化物量を増やすことでさらなる高強度を得ることができは超微細でありながら熱的に安定である。
これは，従来の TiC や NbC のような 1 種類の炭化物構成る。図 4 に 780 から 980 MPa 級や 1 180 MPa 級への高強度元素による炭化物ではなく，2 種類以上の炭化物構成元素に化の模式図を示す。縦軸は降伏強度であり各強度水準での6)よる炭化物を用いることで初めて実現できた技術である 。
®

強化量の内訳を示している。微細炭化物による析出強化量

図 2 に，NANO ハイテン および実験室での理想的な熱履の増大により，1 180 MPa 級までの高強度化に成功している。

®

歴を与えて NANO ハイテン と同様な微細 TiC を分散させまた，NANO ハイテン は固溶強化元素を低減しているこた鋼を 650℃で一定時間保持した後の常温での硬さを示す。とから熱間圧延性に優れ，高強度熱間圧延鋼板でありながら®

®

NANO ハイテン の硬さは 650℃での 24 時間の保持でも硬2 mm 以下の厚さの鋼板の製造も可能である。図 4 に示したさの低下はほとんど認められないのに対し，TiC で強化した

Increase in hardness, ΔHV40®

Hole-expanding ratio, λ(%)

鋼板の硬さは顕著に低下した。以上より，NANO ハイテン
Carbide in20

NANO-HITEN

0−20−40−60
TiC−80−1002150
NANO-HITEN12090 Increa
6030

seinhardHardphase

phase

VoidFerrite

0300 400 500 600 700 800 900 1 000

1 μm

Tensile strength (MPa)24 6 84 6 8105
104
Holding time at 650°C (s)図３ 高強度化にともなう穴拡げ率の低下と NANO ハイテン®の穴拡げ率
Fig. ３ C hange in hole-expanding ratio of dual phase steel
with increase in tensile strength and that of NANOHITEN

図 2 650℃保持後の硬さ変化
Fig. 2 Change in hardness of sample after holding at 650ºC−3−JFE 技報 No. 30（2012 年 8 月）

®

NANO ハイテン の金属学的特徴と温間成形の適用

Tensile strength (MPa)

Yield strength (MPa)

1 200

NANO-HITEN

1 200
1 000
800600Precipitation

4002000Solidsolution

Grain refinement

780 MPa

980 MPa

1 000

Roomtemperature

800600NANO-HITENFerrite

400200Carbides0200400600800
Deformation temperature (°C)(a) NANO-HITENBase

1 180 MPa

Grade in tensile strength

1 200Tensile strength (MPa)

図 4 各強度における析出強化量
Fig. 4 C hange in precipitation-strengthening with increase intensile strength®

高 い 降 伏 強 度 を 有 す る NANO ハ イ テ ン ， た と え ば®

1 180 MPa 級 NANO ハイテン を骨格部品に適用することでホットスタンプ材と同等の曲げ圧壊吸収エネルギーをも得る

1 000800®

3 章では骨格部品を対象として NANO ハイテン の特徴

Dual phaseFerrite

600
400200

ことができる。

RoomtemperatureMartensite

0200400600800
Deformation temperature (°C)(b) Dual phase steel

的な温間成形技術を適用した事例について言及する。

3.

NANO ハイテン ®の温間成形技術
3.1

図 5 高温での引張強さと加工後常温での引張強さ
Fig. 5 T ensile strength at high temperatures and at room
temperature after deformation

温間成形技術と NANO ハイテン ®

温間成形は，プレス前の鋼板をおよそ 200℃から 700℃程®

度まで加熱した後，直ちに金型でプレスする技術である。に示す。NANO ハイテン は加工温度での引張強さは低下

したがって，冷間成形と比べると，加熱した鋼板をプレス成し，加工後の常温強度は素材強度を維持していた。また，形するため低いプレス荷重で成形できる特徴がある。また，同時に加工後の常温での引張でも伸びは素材と同等で，加近年適用拡大が見られるホットスタンプ技術と比べると，金工ひずみが温間加工では緩和されることが明らかとなった。

型内での冷却がさほど必要とされないため，ホットスタンプ

一方，従来の組織制御型鋼板は加工温度での引張強さの低ではプレス時に必要である下死点保持も不要である。この下は NANO ハイテン と同様に認められるが，加工後の常ため，特殊なプレス機を導入する必要もなく，生産性も高温強度も低下していた。これは，強度を担うマルテンサイトい。この技術は，すでに相変態のないステンレス鋼板やアの焼きもどしが進んでしまったためである。

®

ルミニウムなどの軽金属板の分野では用いられているが，®

以上より，NANO ハイテン は従来には存在しなかった温間成形に適した高強度鋼板といえる。

従来型の高強度鋼板に使用した場合，プレス前の加熱工程で組織が変化してしまい必要な鋼板強度が得られなくなる。
このため，従来型の高強度鋼板では温間成形を行うことが3.2

NANO ハイテン®の温間成形性できなかった。

NANO ハイテン を温間成形することで成形時の強度が®

®

2 章において，NANO ハイテン の炭化物は熱的に安定で低下することから，高強度鋼板の冷間プレス成形で課題と加熱により常温強度は低下しないことを図 2 で示した。すなりやすいスプリングバック量やねじれ量の低減も期待され®

®

なわち，NANO ハイテン の炭化物を用いれば高強度鋼板る。まず，NANO ハイテン を温間成形してハット部品を作の温間成形が可能となる。そこで，温間成形の模擬として，成し，その口開き量を計測した。比較として各強度の組織制各温度での鋼板の引張強さおよび各温度に加熱して 5％のひ御型冷間圧延鋼板を同一金型で冷間プレスした時の口開き量ずみを与えた後に常温まで放冷した鋼板の常温での引張強も測定した。成形様式はフォーム成形で，板厚 1.6 mm の素さを調査した。用いた鋼板は 980 MPa 級 NANO ハイテン®

材を用いた。成形速度は 20 spm（Stamp per minute）の速度と従来の 980 MPa 級組織制御型高強度鋼板（980DP）で，とした。鋼板強度と口開き量の関係を図 6 に示す。980 MPa

板厚はともに 1.6 mm である。加工温度と強度の関係を図 5級 NANO ハイテン を 500℃で成形した時の口開き量は冷JFE 技報 No. 30（2012 年 8 月）

®

−4−

®

(Stamping rate : 20 Stamps per minute)980 MPa Grade980 1 180
NANO-HITEN
400°C
Cold stamping
Warm stamping
500°C
590
600°C
440100959080Warm stamping

27085

0200

Twist angle between
SEC1 and SEC3 (°)

Difference between size of punch
and pressed parts (mm)

NANO ハイテン の金属学的特徴と温間成形の適用

2.01.81.6
1.4
1.2
1.00.80.6
0.4
0.20590 MPa
Grade Y(Cold)

400 600 800 1 000 1 200 1 400
Tensile strength (MPa)980 MPa Grade
NANO-HITEN(Cold)

980 MPa Grade
NANO-HITEN(Warm)

図 8 モデル部材実プレス品のねじれ角

図 6 高強度化にともなう金型と成形品の形状の差異の変化

Fig. 8 Actual twist angle of model parts

Fig. 6 C hange in difference between size of punch and pressedparts with tensile strength

ることで，ホットスタンプ部材と同等の吸収エネルギーを得間プレスした引張強さ 700 MPa の鋼板と同等の口開き量，®

ることができると考えられる。NANO ハイテン と温間成形600℃で成形した場合は現在用いられている 590 MPa 級高強の組み合わせにより，自動車部品の高強度化がいっそう進度鋼板と同程度の口開き量となった。

むと期待される。

次に，センタピラーのモデル金型を用いて行った温間実4.

プレス成形でのねじれの発生量について述べる。センター

おわりにピラーのモデル金型とねじれの測定方法を図 7 に示す。次®に，この金型を用いて行った場合の部品形状と金型形状と本稿では，NANO ハイテン の特徴を紹介するとともにの差異を図 8 に示す。冷間プレスで 980 MPa 級 NANO ハ

NANO ハイテン が温間成形に適した高強度鋼板であるこ®

®

®

イテン を成形した場合 590 MPa 級高強度鋼板よりもねじとを示した。NANO ハイテン は，フェライト粒を超微細炭

れ が 大きい のに 対し，600 ℃ で 温 間 成 形した 980 MPa 級化物で高強度化する新コンセプトで開発された鋼であり，®

®

NANO ハイテン では，590 MPa 級高強度鋼板と同等のね優れた加工性を有する。そして，NANO ハイテン の特徴じれ量であることが明らかとなった。

を生かした温間成形により，難成形部品への高強度鋼板の®

以上のように，NANO ハイテン によれば部品形状の問適用拡大が期待でき，軽量化に寄与するものと考えられる。

題から高強度化できていなかった部品に 980 MPa 級以上の高強度材を適用できる可能性があると考えられる。また，高®

降伏強度の NANO ハイテン を骨格部品に適用することで，高い部品強度や高い衝突吸収エネルギーを得ることが可能

参考文献
1) Funakawa, Y.; Shiozaki, T. et. al. ISIJ International. 2004, vol. 44, no. 11,p. 1945.
2) W.B. Morrison. J. Iron Steel Inst. 1963, vol. 201, p. 317.
3) Baker, R.G.; Nutting, J. ISI Special Report. 1959, no. 64, p. 1.

®

である。たとえば，1 180 MPa 級 NANO ハイテン を用い

4) Gladman, T.; Dulieu, D.; Mclvor, I. D. Proc. of Symp. on Microalloying
75. New York, Union Carbide, 1976, p. 32.
5) Pickering, F. B. Physical Metallurgy and the Design od Steels. London,Applied Science Publishing, 1978, p. 63.
6) Funakawa, Y.; Seto, K. Tetsu-to-Hagané. 2007, vol. 93, no. 1, p. 49.
7) Hasegawa, K.; Kawamura, K.; Urabe, T.; Hosoya, Y. ISIJ International.

SEC3

2004, vol. 44, no. 3, p. 603.

SEC1

Shape of punch
Twist
Shape of pressed parts

図 7 センタピラーのモデル金型形状
Fig. 7 Schematic illustration of model parts of center pillar

船川−5−

義正

藤田毅

山田克美

JFE 技報 No. 30（2012 年 8 月）