1200MPa 級超高強度 TRIP 鋼板のバーリングに及ぼす加工条件
および疲労特性の影響
長野工業高等専門学校・機械工学科

教授 長坂 明彦

（共同研究者 長野工業高等専門学校専攻科・生産環境システム専攻 守屋 俊介）（平成22年度一般研究開発助成 AF-2010030）
キーワード：TRIP 鋼板， バーリング， タッピング， 疲労特性
緒言

近年，電気自動車およびハイブリッドカー等の各種メンバー類には優れたプレス成形性を有する高強度低合金
TRIP 鋼 板 の 適 用 が 期 待 さ れ て い る 1)-5) ． こ れ ま で に ，TRIP 鋼板のバーリングに関する研究 6)-7) が報告されてきた が ，TRIP 鋼 板 の バ ー リ ン グ の 影 響 に 関 す る 報 告 は 十分ではない．
そこで本研究では，TRIP 鋼板のバーリングの改善（ナットレス）を目的として，母相組織をベイニティックフェライトとした TRIP（TBF）鋼板 8) のバーリングに及ぼすバーリング・タッピングの影響を調査した．

2.

実験方法

図 2 にバーリング・タッピング試験装置を示す．試験機には MC を使用した．バーリングには板状試験片（150×50mm） を 用 い ， M6 シ ョ ー ト （ フ ロ ー ド リ ル の 直 径
D=5.3 ） の フ ロ ー ド リ ル を 装 着 し ， 切 削 送 り 速 度 F ＝10mm/min，回転数 n＝3500rpm で行った．その後タッピングを行い，必要に応じ疲労試験を行った（応力比 R＝0.1（引張り－引張り，片振り），周波数 10Hz，正弦波，最大応力 σ max =400MPa，最小応力 σ min =40MPa）．また，Z軸ロードメータ（スラスト相当）S およびスピンドルロードメータ（トルク相当）T の測定を行った．
引張試験には，圧延方向に作製した JIS13B 号試験片（図 3）を用い，クロスヘッド速度 1mm/min（標点距離GL＝50mm，平均ひずみ速度 2.8×10 － 4 /s）で行った．

供試鋼には表 1 に示す化学組成を有する冷延鋼板（板厚 1.2mm）を用いた．TBF 鋼は，950℃，1200s のオーステナイト（γ）化後，375℃または 450℃，200s のオーステンパ処理を施した（図 1）．以後，これらの鋼を TBF375および TBF450 と呼ぶ．ここで，オーステンパ温度にはTBF 鋼の M S 点（420℃）の前後の温度を採用した．M S
点は次式より求めた 5) ．
M S （℃）＝550－361×(%C) －39×(%Mn)－0×(%Si) ＋30×(%Al) －5×(%Mo) ・・・(1)TA=375 or 450(℃)
Temperature (℃)

1.

1200s

950（γ）
200s

TART
図1比較として，780℃，1200s の 2 相域焼なまし後，400℃，1000s のオーステンパ処理を施し，TRIP 型ポリゴナルフェライト鋼（TDP 鋼）を作製した．なお，TDP 鋼は Si
お よ び Mn 添 加 量 を ほ ぼ 一 定 と し ， C 添 加 量 を 0.1～0.4mass% の 範 囲 で 変 化 さ せ た ． 以 後 ， こ れ ら の 鋼 をTDP1～ TDP4 と 呼 ぶ ． ま た ， 残 留 オ ー ス テ ナ イ ト (γ R )を含まないフェライト・マルテンサイト複合組織鋼（MDP鋼）も用いた．
表１steel
TBF
TDP1
TDP2
TDP3
TDP4
MDP

C
0.20
0.10
0.20
0.29
0.40
0.14

供試鋼の化学成分

Si
1.51
1.49
1.51
1.46
1.49
0.21

Mn
1.51
1.50
1.51
1.50
1.50
1.74Time (s)TBF 鋼の熱処理曲線（R T :室温）

specimenvise
50 mm(mass％)

P0.015
0.015
0.015
0.014
0.015
0.013

S0.00110.00120.00110.00120.00120.0030flowdrill

Al0.040
0.038
0.040
0.043
0.045
0.037

図2

バーリング・タッピング試験装 置

図3ー 137 ーJIB13B 号引張試験片形状

γ R の初期体積率 f γ 0 は X 線回折法（Mo-Kα 線）により(200)α，(211)α，(200)γ，(220)γ および(311)γ の 5 ピーク
法 8) を 用 い て 求 め た 。 ま た ， γ R 中 の 初 期 炭 素 濃 度 C γ0（mass％）は，Cr-Kα 線の回折面(220)γ から求めた格子定数 a γ0 （nm）を次式 9) に代入して計算した。
C γ0 ＝(a γ0 －0.35467)/4.67×10 － 33．

αb・・・（2）5μm

実験結果および考察

3.1 微細組織と引張特性
図 4 に TBF 鋼の組織写真を示す．図 4(a)は TBF375 の組織，図 4 (b)は TBF450 の組織である．レペラ腐食により，白い部分が γ R あるいはマルテンサイト(α m )，グレーの部分 が ベ イ ニ テ ィ ッ ク フ ェ ラ イ ト (α bf )を 示 す ．また ，熱処理後の供試鋼の第 2 相および γ R 特性と引張特性を表2 に示す．TBF 鋼の M S 点（420℃）以下の 375℃でオーステンパ処理を施した TBF375 の組織は，主に α bf と γ Rからなり，γ R の大半はフィルム状に存在する 2) ．一方，
450℃ で オ ー ス テ ン パ 処 理 を 施 し た TBF450 で は同様にα bf を母相とし，第 2 相として γ R の他に 8.1 vol%の α mが存在する（表 2）．このとき，TBF375 と比べ，TBF450の γ R の初期体積率 f γ0 は増加する 2) ．また，引張強さ TSは TBF450 と比べ，TBF375 では 1100MPa 以上と高くなる．
図 5 に TDP2 鋼のミクロ組織を示す．母材のポリゴナ
ル フ ェ ラ イ ト （ αf ） に 残 留 オ ー ス テ ナ イ ト （ γR ） と ベ イナイト（α b ）から成る第 2 相がネットワーク状に存在する（図 5）．

(a)

γRαf

図 5 TDP2 鋼のミクロ組織（α f :フェライト，γ R ：残留オーステナイト，α b ：ベイナイト）
3.2 疲労特性
図 6 に バ ー リ ン グ 後 の 外 観 を 示 す （ TDP2 鋼 ， F ＝10mm/min，n＝3500rpm，D= 5.3mm）．ここで，熱影響幅w は試験片表面の圧延方向とその直角方向を測り，その平均値とした．
図 7 に各供試鋼と熱影響幅 w の関係を示す．TDP1～
TDP4 鋼および MDP 鋼を比較すると，熱影響幅 w に大きな差は見られず，w は C 添加量に影響を及ぼさないと考えられる．

(b)

w
5 mm
図6

バーリング後の外観（w：熱影響幅）

20w (mm)

195μmsteel
TBF375
TBF450
TDP1
TDP2
TDP3
TDP4MDP

TA(℃)
375
450
400
400400400-f(vol%)
8.9
19.3
19.9
35.3
44.155.127.11716

図 4 TBF 鋼の組織((a) TBF375, (b) TBF450)(白：γ R あるいは α m ，グレー：α bf )表21815

TDP1 TDP2 TDP3 TDP4 MDP

供試鋼の第 2 相および γ R 特性と引張特性

f αm(vol%)
0
8.1
0000
27.1

f γ0(vol%)
8.9
11.2
4.9
9.0
13.2
17.0-

C γ0(mass%)
1.16
0.96
1.31
1.38
1.41
1.45-

YS(MPa)
971
617
429
526
562
728
593

図7TS(MPa)
1154
918
651
825
895
1103783

熱影響幅 w

UE l(%)
4.4
14.2
27.8
31.7
28.6
29.2
8.3

TE l(%)
7.818.237.2
36.0
32.232.8
13.1RA(%)
40.3
44.549.2
44.0
41.8
41.844.5

T A : オーステンパ温度， f, f αm , f γ0 : 第 2 相体積率，マルテンサイトの体積率，残留オーステナイトの初期体積率，C γ0 : 残留オーステナイト中の初期炭素濃度，YS : 降伏応力，TS : 引張強さ，UEl : 均一伸び，TEl : 全伸び，RA : 絞り．

ー 138 ー図 8 にバーリングのロードメータと時間 t の関係を示す（TDP2 鋼，F＝10mm/min，n＝3500rpm，D= 5.3mm）．
スラスト S はバーリングの加工時間に伴い低下し，最大スラスト S max となり，その後上昇する．一方，トルク Tは S より遅れて最大トルク T max となり，その後低下する．
なお，全ての鋼種で同様の傾向を示した．
図 9 に引張強さ TS と最大スラスト S max および最大トルク T max の関係を示す．TS の大小によらず，S max は約20%，T max は約 15%程度であり，TS と S max および T maxの間に相関は見られない．また， γ R を含まない MDP も同様の傾向を示している．これは，フロードリルによる加工発熱が適度に作用したためだと考えられる．
図 10 にバーリング後の断面 SEM 写真を示す．図 10(a)は端面を，図 10 (b)は端面から 0.3mm 内部である．端面付近には，打抜きに発生するボイドは見られない（図10(a)）．0.3mm 内部での 塑性流れが大きいことがわかる（図 10(b)）．
図 11 にフランジ部摸式図を示す．H はバーリング高さを示す．また，フランジ部肉厚を計測するために，試験片の裏面での肉厚を x 1 ，裏面から 1mm 間隔に x 2 ，x 3とした．
図 12 に各供試鋼とバーリング高さ H の関係を示す．
TDP1～TDP4 鋼を比較すると H に大きな変化は見られず，H の値に C 添加量の影響はないと考えられる．一方 TDP鋼と MDP 鋼を比較すると，MDP 鋼が 1mm 程度大きくなった．

6050403020100-10drilling(b)5μm
図 10 バーリング後の断面 SEM 写真（(a)端面，(b) 内部 0.3mm）

1.2x1HTSS, T (%)(a)

Smaxx2

1.0x3

1.0Tmax
010203040506070t (s)図 8 バーリングのスラスト S とトルク T（TDP2 鋼）

図 11

フランジ部肉厚の模式図

TDP1TDP2645
Smax , Tmax (%)

3530MDPTDP123SmaxH (mm)540432251201510600

40Tmax
700

800

900 1000
TS (MPa)

11001200

図 9 引張強さ TS と最大スラスト S max および最大トルク T max の関係

ー 139 ー

図 12TDP3steel

TDP4MDP

バーリング高さ H

x (mm)

0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0x1x2x3

TDP1 TDP2 TDP3 TDP4steel
図 13MDP

フランジ部肉厚 x0.3
0.3

1.5

⑦⑥0.3

⑧1.2⑫

図 141.2①・・・・・・
フランジ部硬さの模式図

700

HV600
500
400
30020012

図 15ΔHV

図 13 にフランジ部肉厚 x と各供試鋼の関係を示す．
TDP1～TDP4 鋼を比較すると，フランジ部肉厚 x 1 ，x 2 ，x 3 においてほとんど差は見られない．一方，TDP1～TDP4鋼と MDP 鋼を比較すると x 1 ，x 2 において MDP 鋼は小さくなっている．これらから TDP 鋼は MDP 鋼と比較し，バーリング高さ H は小さくなるが肉厚 x を稼ぐことができ，フランジ部が割れにくいと考えられる．
図 14 にフランジ部硬さの模式図を示す．板厚の中心線上で バー リ ング端 面か ら 0.3mm の場 所 を 基 点 ⑦と し ，バーリング下方向と母材方向に 0.3mm 間隔で，合計 12箇所においてビッカース硬さ試験（荷重：0.98N，保持時間：5s）を行った．
図 15 にバーリング後のビッカース硬さ HV 分布を示す．TDP2 鋼の HV 分布より，⑥付近から HV が高くなることがわかる．これはバーリングによる加工硬化およびひずみ誘起変態に因ると考えられる．
図 16 に TDP 鋼および MDP 鋼の硬さ増分⊿ HV （⊿HV ＝ HV max －HV 0 ）を示す．図 14 にビッカース硬さ HVと有効炭素濃度 f γ0 × C γ0 の関係を示す．ここで母材硬さを HV 0 ，⑨～⑫の平均 HV を変形後の最高硬さ HV maxとした．TDP1～TDP4 鋼を比較すると，C 添加量の増加に伴い，⊿ HV は増大する（図 16）．これは，C 添加量が増加することで，γ R の初期体積率 f γ0 と初期炭素濃度C γ0 の積である有効炭素濃度 f γ0 × C γ0 が結果として高くなり，TRIP 効果が大きく作用したことに因ると考えられる．また，TDP 鋼と MDP 鋼を比較すると，TDP 鋼の⊿HV が相対的に大きいことがわかる．これは，MDP 鋼はバーリング時の加工発熱に伴う加工硬化を生じており，TDP 鋼はそれに付随してひずみ誘起変態が影響していると考えられる．
図 17 にビッカース硬さ HV と有効炭素濃度 f γ0 ×C γ0 の関係を示す．ここで母材硬さを HV 0 ，⑨～⑫の平均 HVを変形後の最高硬さ HV max とした．TDP1～TDP4 鋼を比較すると，C 添加量の増加に伴い，⊿HV は増大する（図16）．
図 18 にタッピング後の各供試鋼の破断繰返し数 N f を示す ．な お，TDP4 鋼は タ ッピ ング が不 可能 であったため除外した．TBF375 鋼は，TBF450 鋼および TDP2 鋼と比べ，高い疲労寿命を示す．TDP1～TDP3 鋼および MDP鋼において，N f は 1.5×10 5 回程度であり，N f に大差がないといえる．
図 19 に加工の異なる TDP2 鋼の破断繰返し数 N f を示す．また，図 20 にき裂長さ 2c と疲労繰返し数 N の関係を示す．ドリル切削，バーリングおよびタッピングの順に N f が向上していることがわかる（図 19）．ドリル切削，バーリングおよびタッピングの順にき裂発生が遅れ，各加工においてき裂発生後、加速的にき裂が進展することがわかる（図 20）．これはバーリングによって生じる加工変質層が寄与し，さらにタッピングによりバーリング時に生じた加工変質層が適度に除去されたことが一因であると考えられる．

400350300250200150100500

3 4

6 7 8No.

9 10 11 12

フランジ部の HV 分布（TDP2 鋼）

TDP1 TDP2 TDP3 TDP4 MDP
図 16ー 140 ー5steel
硬さ増分⊿HV

700600

HVmax

HV500
400

TDP4HV0300
200

310000120.05⊿HV0.1 0.15 0.2 0.25
fγ0×Cγ0 (mass%)

0.3図 17 ビ ッ カ ー ス 硬 さ HV と 有 効 炭 素 濃 度
f γ0 ×C γ0 の関係

3210TDP1TDP2

図 18

TBF450 TBF375 TDP3Steel

MDP

タッピング後の破断繰返し数 N f

2.0
TDP2 steel
Nf (×105)

1.5
1.00.505mm
cutting hole

図 19Burring

Tapping

加工の異なる TDP2 鋼の破断繰返し数 N f

50402c (mm)Nf (×105)

4４．結言
1200MPa 級超高強度 TRIP 鋼板のバーリングに及ぼす加工条件および疲労特性の影響を調査した．主な結果は以下の通りである．
1)
タッピング後の TBF375 鋼は，TBF450 鋼およびTDP2 鋼と比べ，高い疲労寿命を示した．
2)
TDP 鋼は炭素添加量の増加に伴い，バーリング後のフランジ部のビッカース最高硬さ HV max および硬さ増分⊿HV が増大した．これは，炭素添加量が増加することで，有効炭素濃度 f γ0 ×C γ0 が結果として高くなり， TRIP 効果が 作用したこと に因ると考えられる．
3)
バーリング後のタッピングは TDP1～TDP3 鋼および MDP 鋼では可能であったが，TDP4 鋼ではタップが破損した．これは，TDP4 鋼のフランジ部のビッカース最高硬さである HV max および⊿HV が極めて高いことが一因である．
4)
TDP 鋼の炭素添加量は，タッピング後の疲労寿命に大きな影響を及ぼさなかった．
5)
TDP 鋼のバーリングは，疲労き裂の発生を抑制した．これは，穴近傍にバーリングによって生じる加工変質層が寄与しためだと考えられる．
6)
タッピングを 施すことで， バーリング の それ より大きい疲労き裂発生の抑制効果が見られた．これは，バーリング時に生じた加工変質層が適度に除去されたためだと考えられる．
最後に，本研究に際しご支援をいただきました公益財団法人 天田財団にお礼申し上げます．

Cutting Burringhole

TDP2 steel
Tapping30
201000.51.0

2.0N (×10 )3.0 4.0 5.05

参 考 文 献1) K. Sugimoto, A. Nagasaka, M. Kobayashi and S.
Hashimoto : ISIJ Int., 39 (1999), 56.
2) K. Sugimoto, S. Song, J. Sakaguchi, A. Nagasaka and T.
Kashima：Tetsu-to-Hagane, 91 (2005), 278．
3) K. Sugimoto, A. Kanda, R. Kikuchi, S. Hashimoto, T.
Kashima and S. Ikeda : ISIJ Int., 42 (2002), 910.
4) H. Hayashi, K. Tezen and T. Amaike：J. Jpn. Soc. Technol.
Plast., 27 (1986), 984．
5)田村今男：鉄鋼材料強度学，日刊工業新聞社，(1970),
39．
6) A. Nagasaka, S. Hasebe, A. Nakamura, T. Matsushima, K.
Sugimoto and T. Murakami : Proc. of SHSS2010, CD-ROM,(2010).
7) Nagasaka et al.: J. of Iron and Steel Research, Int.,18(2011) , 44.
8) A. NAGASAKA, Y. KUBOTA, K. SUGIMOTO, A. MIO, T.
HOJO, K. MAKII, M. KAWAJIRI and M. KITAYAMA: ISIJInternational, Vol. 50 (2010), 1441.
9) H. Maruyama: J. Jpn. Soc. Heat Treat., 17 (1977), 198.
10) 西 山 善 次 ： マ ル テ ン サ イ ト 変 態 ， 丸 善 株 式 会 社 ，(1979), 13．

図 20 き 裂 長 さ 2c と 疲 労 繰 返 し 数 N の 関 係（TDP2 鋼）ー 141 ー