JP2018141184A - 炭素鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】深絞り加工品の縦壁部の高さバラツキを抑制できる被加工材である炭素鋼板を提供すること。
【解決手段】質量％において、Ｃ：０．１５〜２．０％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：２．０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、炭化物球状化率が９０％以上、かつ平均炭化物粒径が０．４μｍ以上であるように炭化物がフェライト中に分散しているとともに、異方性Δｒが−１．０〜１．０である。
【選択図】なし

Description

本発明は、ランクフォード値の異方性に特徴を有する炭素鋼板に関するものである。

鋼中のＣ含有量が概ね０．１〜２．０質量％の炭素鋼板は、焼入れ強化が可能であるとともに焼鈍状態ではある程度の加工性も有しているため、自動車部品をはじめ各種機械部品や軸受け部品の素材として広く使用されている。部品の製造にあたっては、一般的には打抜加工や曲げ成形が施され、さらに比較的軽度な絞り加工，伸びフランジ成形が施されることもある。また、部品形状が複雑な場合は、二ないし三部品を溶接して製造される場合も多い。そしてこれらの加工部品は熱処理を経て各種用途の部品に仕上げられていく。

ところが近年、部品の製造コストを低減すべく、部品の一体成形や、部品加工の工程簡略化が進められている。このことは素材側から見ればより加工率の高い（＝塑性変形量の大きい）加工に耐えなくてはならないことを意味する。つまり、加工技術の高度化に伴い、素材である炭素鋼板自体にもより高い加工性が要求されるようになってきた。特に昨今では、打抜加工や曲げ加工のみならず、高度な深絞り加工にも耐え得る鋼板素材のニーズが高まりつつある。

特公平４−５６０８８号公報には、絞り性の良好な高炭素冷延鋼板の製造法が開示されている。この製造法では、化学成分を特定範囲に規制した鋼に、冷間圧延と焼鈍処理を施して鋼中のセメンタイトを黒鉛化し、その後さらに冷間圧延と再結晶焼鈍を施している。セメンタイトを黒鉛化した鋼板に冷間圧延と焼鈍を施すことにより、従来得られていなかった高いｒ値を持ち、軟鋼板並みの深絞り性を有する高炭素鋼板が得られると記載されている。しかし、この方法は黒鉛化させるために特定の元素の添加が必要であることに加えて製造工程が長く、結果的にコスト高となる。
また、特開平１１−６１２７２号公報には、特定組成のベイナイト組織を持つ高炭素熱延鋼板に焼鈍および冷延を施すことにより、フェライト＋セメンタイトを主体組織とする高炭素鋼のｒ値を向上させる方法が開示されている。この方法では、特定の元素の添加が必要であることに加えて、熱延においてベイナイト組織とするために低温での巻取りが必要であり、製造性に劣る。いずれの場合も、特定の添加元素を必要とするため、これらの技術は、一般的な中・高炭素鋼種の製造に広く適用できるものではない。

また、深絞り加工を行った際には、鋼板の圧延方向や圧延方向に対して鉛直方向となる板幅方向、圧延方向に対して４５°方向のランクフォード値（ｒ値）の差（異方性）が大きいと絞り加工後に加工品縦壁部の高さが異なり、その高さを均一にするために縦壁部を切削する必要があるため、より大きな寸法の素材が必要となることから素材費および工程費が増加する課題がある。

特公平４−５６０８８号公報 特開平１１−６１２７２号公報

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、特殊な元素を添加することなく、一般的な炭素鋼板においても発現可能な優れた異方性を得ることを目的とするものである。

そこで本発明は、優れた異方性を有する炭素鋼板として、質量％において、Ｃ：０．１５〜２．０％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：２．０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記（ａ）で定義される炭化物球状化率が９０％以上、かつ下記（ｂ）で定義される平均炭化物粒径が０．４μｍ以上であるように炭化物がフェライト中に分散しているとともに、下記（ｃ）で定義される異方性Δｒが−１．０〜１．０であることを特徴としている。
（ａ）炭化物球状化率：鋼板断面の金属組織観察において、観察視野内の炭化物総数に占める、炭化物の最大長さｐとその直角方向の最大長さｑの比（ｐ／ｑ）が３未満である炭化物の数の割合（％）をいう。ただし、観察視野は炭化物総数が３００個以上となる領域とする。
（ｂ）平均炭化物粒径：鋼板断面の金属組織観察において観察視野内の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について平均した値をいう。ただし、観察視野は炭化物総数が３００個以上となる領域とする。
（ｃ）ランクフォード値（ｒ値）に関して、鋼板の圧延方向（ｒ_０）、圧延方向に対して鉛直方向の板幅方向（ｒ_９０）、圧延方向に対して４５°方向（ｒ_４５）とするとき、（（ｒ_０＋ｒ_９０）／２）−ｒ_４５からなる関係式から算出される。

さらに、質量％において、Ｎｉ：０．３％以下、Ｃｕ：０．３％以下、Ｍｏ：１．０％以下を含有する成分組成を有することも特徴である。

本発明によれば、深絞り加工品の縦壁部の高さバラツキを抑制できるという効果を奏する。

本発明者らは、一般的な炭素鋼種における鋼板の異方性を改善する手段について詳細に検討してきた。その結果、（１）炭化物を単に球状化させるだけでは異方性の改善を図ることはできないこと、（２）異方性は、鋼板中における炭化物の分散形態が影響していることが分かった。具体的には炭化物のより一層の球状化と、一定以上の平均粒径の炭化物をフェライト中に分散させることで改善し得ることを知見した。

以下、本発明を特定するための事項について説明する。

本発明では、Ｃ：０．１５〜２．０質量％を含有する炭素鋼を対象とする。Ｃは炭素鋼においては最も基本となる合金元素であり、その含有量によって焼入れ硬さおよび炭化物量が大きく変動する。Ｃ含有量が０．１５質量％未満の鋼では、各種機械構造用部品に適用するうえで十分な焼入れ硬さが得られない。一方、Ｃ含有量が２．０質量％を超えると、熱間圧延後の靭性が低下して鋼帯の製造性・取扱い性が悪くなるとともに、焼鈍後においても十分な延性が得られないため、加工度の高い部品への適用が困難になる。したがって、本発明では適度な焼入れ硬さと加工性を兼ね備えた素材鋼板を提供する観点から、Ｃ含有量が０．１５〜２．０質量％の範囲の鋼を対象とする。

Ｓｉは、過剰に添加すると固溶強化作用によりフェライトが硬化し、成形加工時に割れ発生の原因となる。またＳｉ含有量が増加すると製造過程で鋼板表面にスケール疵が発生する傾向を示し、表面品質の低下を招く。そこでＳｉを添加するに際しては０．４質量％以下の含有量となるようにする。
Ｍｎは、鋼板の焼入れ性を高め、強靭化にも有効な添加元素であり、０．１０質量％以上の含有量とすることが好ましい。十分な焼入れ性とフェライト硬化による加工性の劣化を防ぐために０．５質量％以下の含有量とする。

Ｐは、延性や靭性を劣化させるので、０．０３質量％以下の含有量とする。
Ｓは、ＭｎＳ系介在物を形成する元素である。この介在物の量が多くなると深絞り性が劣化するので、鋼中のＳ含有量はできるだけ低減することが望ましい。本発明で規定する炭化物分散形態を実現させれば、Ｓ含有量を特別に低減していない一般的な市販鋼に対しても深絞り性の向上効果は得られる。しかし、Ｃ含有量が０．４０質量％近くまで高くなった場合でも、高い深絞り性を確保するためＳ含有量を０．０３質量％以下とした。

Ｃｒは、焼入れ性を改善するとともに焼戻し軟化抵抗を大きくする元素である。しかし、２．０質量％を超える多量のＣｒが含まれると３段階焼鈍を施しても軟質化しにくく焼入れ前のプレス成形性や加工性が劣化するようになる。したがってＣｒを添加する場合は２．０質量％以下の範囲とする。

Ｍｏは、少量の添加でＣｒと同様に焼入れ性・焼戻し軟化抵抗の改善に寄与する。しかし、１．０質量％を超える多量のＭｏが含まれると３段階焼鈍を施しても軟質化しにくく、焼入れ前のプレス成形性や加工性が劣化するようになる。したがって、Ｍｏを添加する場合は１．０質量％以下の範囲とする。
Ｃｕは、熱間圧延中に生成する酸化スケールの剥離性を向上させるので、鋼板の表面性状の改善に有効である。しかし、０．３質量％を超えて含有させると溶融金属脆化により鋼板表面に微細なクラックが生じ易くなるので、Ｃｕを含有させる場合は０．３質量％以下の範囲とする。
Ｎｉは、焼入れ性を改善するとともに、低温脆性を防止する合金成分である。また、ＮｉはＣｕ添加によって問題となる溶融金属脆化の悪影響を打ち消す作用を有するので、特にＣｕを約０．２質量％以上添加する場合にはＣｕ添加量と同程度のＮｉを添加することが極めて有効である。しかし、０．３質量％を超える多量のＮｉが含まれると３段階焼鈍を施しても軟質化しにくく、焼き入れ前のプレス成形性や加工性が劣化するようになる。したがって、Ｎｉを添加する場合は０．３質量％以下の範囲とする。

次に、本発明鋼板の金属組織を特定するための事項について説明する。

〔炭化物球状化率〕
炭化物球状化率は先に定義したとおりであるが、これは、全炭化物のうち「球状化した炭化物」とみなされるものがどの程度を占めているかを表している。ここで、ある炭化物が「球状化した炭化物」とみなされるための条件として、鋼板断面の金属組織観察平面内において、その炭化物の最大長さｐとそれに直角方向の最大長さｑの比（ｐ／ｑ）が３未満であることを要件とした。例えば、再生パーライトにおける炭化物では、そのほとんどは上記の比（ｐ／ｑ）が３以上である。一方、Ａ_C1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、上記の比（ｐ／ｑ）が３未満となる。

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、また製品鋼板の適否を判定するうえでも煩雑である。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。本発明者らは、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上記のようなｐとｑの比（ｐ／ｑ）を用いて球状化の程度を捉えたとき、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、種々の実験の結果、上記の比（ｐ／ｑ）が３未満であるような「球状化した炭化物」の数が全体の炭化物数の９０％以上を占めており、かつ後述の平均炭化物距離が特定範囲となるときに、その鋼板は高い異方性を示すことを見出した。なお、数値の信頼性を高めるために、観察視野は炭化物総数が３００個以上となる領域とする。

〔平均炭化物粒径〕
平均炭化物粒径は、鋼板断面の金属組織観察において、観察視野内の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について平均した値をいう。具体的には個々の炭化物について面積を測定し、その面積から円相当径を算出する。面積の測定は画像処理装置を用いて行うことができる。そして測定した全ての炭化物の円相当径の総和を求め、その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、観察視野は測定炭化物総数が３００個以上となる領域とする。

本発明者らの実験の結果、異方性の観点からは、先述の炭化物球状化率を９０%以上とした上で、平均炭化物粒径を０．４μm以上とする必要があることがわかった。これによって、異方性（Δｒ）を−１．０〜１．０の範囲にすることができる。

以上のような金属組織を有する鋼板は、焼鈍方法を工夫することによって得ることができる。例えば、鋼板のＡ₁変態点直下およ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によって実現できる。具体的には例えば、熱延鋼板または冷延鋼板に対して、Ａ_C1−５０℃〜Ａ_C1未満の温度範囲で０．５時間以上保持する１段目の加熱を行った後、Ａ_C1〜Ａ_C1＋１００℃の温度範囲で０．５〜２０時間保持する２段目の加熱およびＡ_r1−８０℃〜Ａ_r1の温度範囲で２〜６０時間保持する３段目の加熱を連続して行い、かつ、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段階焼鈍を施すことによって、本発明で規定する適正な金属組織を有する鋼板を好適に製造することができる。

表１に示す化学組成の鋼を溶製した。表中の焼入れ硬さは、供試材をそのまま９００℃で５分間保持した後、水焼入れした場合の硬さを示した。
表１の内、鋼種Ａは、Ｃ含有量が０．０７質量％と低いので、焼入れ後の硬さが低く、機械部品として必要な硬度が得られないものであった。鋼種Ａを除く鋼板について、熱延コイル巻取り温度を種々変化させた熱間圧延を行い熱延組織を変化させた。得られた熱延鋼板は、酸洗後、種々の条件で冷間圧延や焼鈍を施し、鋼板の炭化物のフェライト粒界存在率、集合組織を変化させた。その後、引張り試験に供し、Δｒ値を測定した。

炭化物球状化率は、走査電子顕微鏡により鋼板断面の一定領域内を観察し、炭化物の最大長さｐとその直角方向の最大長さｑ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当該「球状化した炭化物」の数の割合を算出して求めた。その際、測定炭化物総数は３００〜１０００個の範囲であった。
また、上記の炭化物球状化率を測定した領域について画像処理装置（ニレコ社製、ＬＵＺＥＸ III Ｕ）を利用して平均炭化物粒径Ｄを求めた。

引張り試験は、Ｌ（圧延方向）、Ｄ（圧延方向に対して４５度）およびＴ（圧延方向に対して９０度）の３方向のＪＩＳ５号引張り試験片を作成し、平行部の標点間距離５０ｍｍとして、板厚は１．０ｍｍで実施した。引張り試験にあたっては、１５％の引張り伸びを与え、その時の標点間内の板幅を測定し、次の式によりｒ値を算出した。
ｒ＝ｌｎ（Ｗo／Ｗx）／ｌｎ（ＬxＷx／ＬoＷo）
ここで、ＷoおよびＬoは試験前の板幅および標点間距離であり、ＷxおよびＬxは１５％引張り伸び付与後の板幅および標点間距離を示している。

これらの試験結果を表２に示す。

表２において、比較例の鋼板は、平均炭化物が０．４μｍ未満なので鋼板の異方性（Δｒ）が大きくなった。これに対して、実施例での平均炭化物粒径が０．４μｍ以上となり、異方性（Δｒ）も−１〜１の範囲となった。

本発明では、炭化物球状化率や平均炭化物粒径、炭化物に分散状態を制御することにより、異方性に優れた炭素鋼板を実現した。この鋼板は、部品形状が複雑な自動車部品等、各種機械部品の素材として好適に用いることができる。

Claims (2)

1. 質量％において、Ｃ：０．１５〜２．０％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記（ａ）で定義される炭化物球状化率が９０％以上、かつ下記（ｂ）で定義される平均炭化物粒径が０．４μｍ以上であるように炭化物がフェライト中に分散しているとともに、下記（ｃ）で定義される異方性Δｒが−１．０〜１．０であることを特徴とする炭素鋼板。
   （ａ）炭化物球状化率：鋼板断面の金属組織観察において、観察視野内の炭化物総数に占める、炭化物の最大長さｐとその直角方向の最大長さｑの比（ｐ／ｑ）が３未満である炭化物の数の割合（％）をいう。ただし、観察視野は炭化物総数が３００個以上となる領域とする。
   （ｂ）平均炭化物粒径：鋼板断面の金属組織観察において観察視野内の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について平均した値をいう。ただし、観察視野は炭化物総数が３００個以上となる領域とする。
   （ｃ）ランクフォード値（ｒ値）に関して、鋼板の圧延方向（ｒ_０）、圧延方向に対して鉛直方向の板幅方向（ｒ_９０）、圧延方向に対して４５°方向（ｒ_４５）とするとき、（（ｒ_０＋ｒ_９０）／２）−ｒ_４５からなる関係式から算出される。
2. さらに、質量％において、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｉ：０．３％以下およびＣｕ：０．３％以下から選択される１種以上を含有する成分組成を有する請求項１に記載の炭素鋼板。