JP2019536898A

JP2019536898A - オーステナイト鋼の冷間変形方法

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Publication number: JP2019536898A
Application number: JP2019517039A
Authority: JP
Inventors: トーマスフレーリヒ、; シュテファンリンドナー、; トルステンピニーク、
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: EA039436B9; CA3038736A1; PL3301197T3; JP6898988B2; WO2018060454A1; ES2903435T3; US11352678B2; AU2017334029A1; BR112019006311B1; US20190345575A1; KR102491409B1; AU2017334029B2; EP3301197A1; CN109923220A; EP3301197B1; EA039436B1; KR20190062468A; BR112019006311A2; ZA201902063B; MY196381A

Abstract

本発明は、冷間変形時にTWIP（双晶誘起塑性）、TWIP/TRIPまたはTRIP（変態誘起塑性）硬化効果を利用するオーステナイト鋼の部分的硬化方法に関する。冷間変形は、変形させる材料（1、11）の少なくとも１つの表面（2、3；12）を、５≦Φ≦60％の範囲の成形度（Φ）で冷間圧延して冷間変形させ、材料（1、11）に厚さ、降伏強度Rp0.2、引張強度Rm、および終局荷重比ΔFと厚さ比Δtとの比（r）が1.0＞ｒ＞2.0の範囲である伸度の機械的値が異なる少なくとも２つの連続領域（5、7；14、16）をもたらし、連続領域は遷移領域（6、15）によって機械的に相互に連結され、遷移領域の厚さは、変形方向（4、13）の第１の領域（5、14）の厚さ（t1、t3）から変形方向（4、13）の第２の領域（7、16）の厚さ（t2、t4）まで不定である。また、本発明は、冷間変形された製造物の使用に関連するものである。【選択図】図１

Description

詳細な説明

本発明は、変形処理時に鋼のTWIP（双晶誘起塑性）、TWIP/TRIPまたはTRIP（変態誘起塑性）硬化効果を利用して、変形した鋼製造物に機械的および／または物理的特性の値が異なる領域を設けるオーステナイト鋼の冷間変形方法に関するものである。

輸送システム、とりわけ自動車の車体および鉄道車両の製造において、技術者は、適切な材料を適切な位置に配する設備を用いる。このようにして完成したものを、フレキシブル圧延されたブランク材のような「多材料デザイン」または「注文仕立て製品」と呼ぶ。このようなブランク材は金属製の製造物であり、スタンピングする前からその長さの途中で材料厚さが異なり、裁断して１つの初期ブランク材を作成することができる。フレキシブル圧延したブランク材は、自動車部品のピラー、クロスおよび長手材などの衝突関連部品に適用される。また、鉄道車両ではフレキシブル圧延したブランク材が側壁、屋根または連結部品に使用され、さらに、バスおよびトラックでも、フレキシブル圧延したブランク材が適用される。しかしながら、従来技術では、フレキシブル圧延ブランク材に「適する材料」とは単に、適切な位置に適切な厚みを有することを意味する。その理由は、フレキシブル圧延時に、引張強度などの機械特性は、フレキシブル圧延領域と非圧延領域の間において材料の厚さ、引張強度R_mおよび幅の積としての終局荷重の比Ｆと同一の値に維持されるためである。したがって、その後の成形工程で、強度および延性が異なる領域を形成することは不可能である。通常、原材料のフレキシブル圧延または偏心圧延工程に続いて、再結晶化焼鈍プロセスおよび亜鉛めっき処理が行われる。

ドイツ特許出願第10041280号および欧州特許出願第1074317号は、フレキシブル圧延されるブランク材全般に関する初期の特許である。これらは、厚さがさまざまである金属帯材の製造方法および装置について記述している。それを実現する方法は、上部および下部ロールを使用して、ロール間隙を変更することである。しかしながら、ドイツ特許出願第10041280号および欧州特許出願第1074317号では、厚さが強度および伸度に及ぼす影響、ならびに強度、伸度および厚さの相関関係については全く記述していない。さらに、この関係に求められる材料についての記述もない。なぜならば、オーステナイト材についての記載がないためである。

米国特許出願公開第2006/033347号では、さまざまな自動車ソリューションに用いられるフレキシブル圧延ブランク材、および不等厚シート材の使用方法について記載している。また、米国特許出願公開第2006/033347号は、さまざまな部材にとって重要な、シートの必要厚さの曲線について記載している。しかしながら、強度および伸度、強度と伸度と厚さとの間の相関関係、ならびにこのような関係を得るために必要とされる材料に対する影響については、記載されていない。

PCT国際公開第WO2014/202587号は、厚さ不定の帯材を使用して自動車部品を生産する製造方法について記載している。PCT国際公開第WO2014/202587号は、22MnB5などの加圧硬化可能なマルテンサイト低合金鋼の加熱成形方式での使用に関するものである。しかしながら、厚さに対する機械的値−技術的値の関係についての記載のみならず、記述されている特定の微細構造特性を有するオーステナイト材についての記載もない。

本発明は、従来技術における問題点を解消し、変形時にオーステナイト鋼のTWIP（双晶誘起塑性）、TWIP/TRIPまたはTRIP（変態誘起塑性）硬化効果を利用して、オーステナイト系鋼の冷間変形を行う改良された方法を実現して、機械特性および／または物理特性の値が異なる領域を、オーステナイト鋼製の製造物に作り出すことを目的とする。本発明の本質的な特徴については、添付の特許請求の範囲に記載されている。

本発明による方法では、出発材料として、厚さが異なっているオーステナイト系TWIP、TRIP/TWIPまたはTRIP鋼製の熱間変形または冷間変形された帯材、シート材、板材またはコイルを使用する。出発材料に追加的な冷間変形を施したときの厚さの減少は、降伏強度、引張強度および伸度など材料の機械特性における特定の安定した局所的な変化と結び付く。追加的な冷間変形は、フレキシブル冷間圧延または偏心冷間圧延として施される。材料の厚さは、一方向間で、とりわけ鋼の冷間変形方向に対応する材料の長手伸び方向について不定である。本発明の方法を使用すると、冷間変形された材料は、変形した製造物の所要部分に所望の厚さおよび所望の強度を有することになる。これは、強度、伸度および厚さの間に関係が生まれることに基づくものである。このように、本発明は、フレキシブル冷間圧延材または偏心冷間圧延材の利点を利用して、従来技術では変形した完成製造物は均一的な機械的値のみを有するという問題点を解決する。

本発明の方法では、材料を冷間圧延により冷間変形させ、冷間変形材料の長手方向および／または横断方向の厚さ、降伏強度、引張強度および伸度の間にさまざまな特定の関係を有する少なくとも２つの領域を材料にもたらす。これらの領域は、領域間の長手方向および／または横断方向の遷移領域を介して、有利には相互接触する。遷移領域前後方において機械的値が異なる連続領域では、材料の変形前の終局荷重F₁および変形後の終局荷重F₂は、式
F₁＝Rm₁×ｗ×t₁ (1)、および
F₂＝Rm₂×ｗ×t₂ (2)
によって算出される。式中、t₁およびt₂は、冷間圧延処理の前後における領域の厚さであり、R_m1およびR_m2は、冷間圧延処理の前後における領域の引張強度であり、ｗは、材料の幅である。材料幅ｗを一定の係数に維持することにより、厚さt₁とt₂の百分率での終局荷重比ΔFは、
ΔF＝(F₂/F₁)×100 (3)
であり、そして、荷重F₁とF₂の百分率による厚さ比Δtは、
Δt＝(t₂/t₁)×100 (4)
である。

したがって、ΔFとΔtとの比ｒは、
ｒ＝ΔF/Δt＝R_m2/R_m1 (5)
である。

また、比r_Φは比ｒと成形度Φとの比であり、式
r_Φ＝(r/Φ)×100 (6)
を用いて百分率で割り出される。

本発明によると、鋼の冷間圧延領域と非圧延領域の比ｒは、1.0＞ｒ＞2.0、好ましくは1.15＞ｒ＞1.75の範囲であり、非圧延領域と冷間圧延領域の厚さの終局荷重比ΔFは、百分率で100％を超える。さらに、成形度Φは、5≦Φ≦60、好ましくは10≦Φ≦40であり、比r_Φは4.0超である。

本発明による不等厚の冷間圧延材料では、最大耐荷重は厚さ領域ごとに決定される。焼鈍した材料を用いた従来技術による工程の状態では、焼鈍条件に起因して、コイル全体にわたって幅および引張強度が一定であることを考慮すると、厚さは影響を及ぼす唯一の変数となる。加工硬化レベルを異ならせることにより、引張強度R_mは、本発明によると、影響を及ぼす第２の変数となり、式(1)および(2)は、式(5)に置換することができる。式(3)は厚さが異なる領域の力比および式(5)の比ｒによって、厚さｔと引張強度R_mの関係に結び付けられることを示している。本発明によって製造された圧延材料では、比rは1.0＞ｒ＞2.0、好ましくは1.15＞ｒ＞1.75の間とすべきである。これは、本発明で使用する材料の場合、厚さが薄い領域が高負荷に耐えるようにできることを意味する。加工硬化の増大の影響が、厚さの減少の影響を上回る。本発明の結果、式(3)の値ΔFは常に≧100％となるであろう。

本発明により製造された材料を表す別の方式を、式(6)から得ることができ、この式では、材料特有の成形度Φと式(5)で得られる比ｒとの関係が示されている。成形度は変形パラメータであり、一般には、成形プロセス時の部材の継続的な幾何学的変化を表している。よって、式(6)の関係を、さらなる強度の利益を得るためにはどの程度の試みを検討しなければならないかを示す目安として用いることができる。本発明では、r_Φは＞4.0とすべきであり、さもなければ、より良好な負荷値を達成する試みが非効率になる。

本発明による冷間変形された製造物をさらに細断して、シート材、板材、切口入り帯材などにしたり、コイルまたは帯材としてそのまま納品したりすることができる。これらの半製品をさらに管として加工したり、または使用目的に応じて他の所望の形状に加工したりすることもできる。

本発明の利点は、冷間変形したTWIP、TRIP/TWIPまたはTRIP鋼は、厚さを減少させた高強度の領域と、他方ではより良好な延性を有しより厚みのある領域とを兼ね備えることにある。したがって、本発明は、冷延工程によるシート材、板材またはコイルの機械特性についての特定の安定した局所変化を厚さの減少と組み合わせることで、従来技術による他のフレキシブル圧延ブランク製品とは区別される。よって、プレス硬化などの、エネルギー消費量が多く費用のかかる熱処理は不要である。

本発明を用いることにより、材料を薄くすると同時に材料の硬化を可能にした、より延性が高く厚みが大きい領域が局所的に得られるフレキシブル圧延材料または偏心圧延材料を完成させることができる。その一方で、深絞り部材の底部など、部材領域には、深絞りプロセス時の変形度が低すぎるために、通常では硬化効果を得たり薄くしたりすることのできない、高強度で薄い領域がある。

強度、伸度および厚さの関係を築くために使用する材料は、以下の条件を有する。すなわち、
−オーステナイト微細構造およびTWIP、TRIP/TWIPまたはTRIP硬化効果を有する鋼、
−製造時に冷間加工硬化された鋼、
−マンガン含有量が10〜25重量％、好ましくは14〜20重量％の鋼、
−いわゆる微細構造効果を有し、ニッケル含有量が4.0重量％以下のステンレス鋼、
−（C+N）含有量が0.4〜0.8重量％の、侵入型窒素原子および炭素原子を有する合金であると規定される鋼、
−18〜30mJ/m²、好ましくは20〜30mJ/m²の一定の積層欠陥エネルギーを有し、安定した完全オーステナイト微細構造を維持した状態で可逆性効果を有するTWIP鋼、
−10〜18mJ/m²の積層欠陥エネルギーを有するTRIP鋼である。

オーステナイト系TWIP鋼は、10.5重量％を超えるクロムを含有するステンレス鋼であり、とくに合金系CrMnまたはCrMnNによって特徴付けられる。また、このような合金系は特に、ニッケル含有量が低い（４重量％以下）という特徴を有するため、材料費および不揮発性部材の作成費用を、長年にわたる一連の生産系統において削減できる。有利な化学組成の１つとして、重量％で、炭素0.08〜0.30％、マンガン14〜26％、クロム10.5〜16％、ニッケル0.8％未満、および窒素0.2〜0.8％を含有する。

オーステナイト系TRIP/TWIPステンレス鋼は、例えば、1.4301もしくは1.4318などの合金系CrNi、1.4376などの合金系CrNiMn、または1.4401などの合金系CrNiMoを有するステンレス鋼である。また、1.4362および1.4462など、フェライト−オーステナイト系二相TRIP/TWIPステンレス鋼も本発明の方法で有利に使用できる。

1.4301オーステナイト系TRIP/TWIPステンレス鋼は、重量％で、炭素0.07％未満、ケイ素２％未満、マンガン２％未満、クロム17.50〜19.50％、ニッケル8.0〜10.5％、窒素0.11％未満を含有し、残部は鉄およびステンレス鋼に生じる可避的不純物である。1.4318オーステナイト系TRIP/TWIPステンレス鋼は、重量％で、炭素0.03％未満、ケイ素１％未満、マンガン２％未満、クロム16.50〜18.50％、ニッケル6.0〜8.0％、窒素0.1〜0.2％を含有し、残部は鉄およびステンレス鋼に生じる可避的不純物である。オーステナイト系TRIP/TWIPステンレス鋼1.4401は、重量％で、炭素0.07％未満、ケイ素１％未満、マンガン２％未満、クロム16.50〜18.50％、ニッケル10.0〜13.0％、モリブデン2.0〜2.5％、窒素0.11％未満を含有し、残部は鉄およびステンレス鋼に生じる可避的不純物である。

1.4362フェライト−オーステナイト系二相TRIP/TWIPステンレス鋼は、重量％で、炭素0.03％未満、ケイ素１％未満、マンガン２％未満、クロム22.0〜24.0％、ニッケル4.5〜6.5％、モリブデン0.1〜0.6％、銅0.1〜0.6％、窒素0.05〜0.2％を含有し、残部は鉄およびステンレス鋼に生じる可避的不純物である。1.4462フェライト−オーステナイト系二相TRIP/TWIPステンレス鋼は、重量％で、炭素0.03％未満、ケイ素１％未満、マンガン２％未満、クロム22.0〜24.0％、ニッケル4.5〜6.5％、モリブデン2.5〜3.5％、窒素0.10〜0.22％を含有し、残部は鉄およびステンレス鋼に生じる可避的不純物である。

オーステナイト系ステンレス鋼を使用することにより、表面にさらなるコーティングを施す必要がなくなる。材料が乗り物の部材に使用される場合、車体の標準的な電気泳動塗装で十分である。すなわち、とくに湿食部分では、費用、生産複雑性および防食性に関する恩恵が得られるという包括的な利点がある。

さらに、TWIPまたはTRIP/TWIPステンレス鋼を使用することで、フレキシブル冷間圧延工程または偏心冷間圧延工程の後に、後続の亜鉛めっき工程を実行しなくてもよい。ステンレス鋼の周知の特性に関し、最終的な冷延材料では、非スケール特性および耐熱特性が向上する。そのため、本発明の冷延材料は、高温下での用途に使用可能である。

完全オーステナイト系TWIP鋼の利点は、成形または溶接などの条件下で非磁性特性を有することである。したがって、完全オーステナイト系TWIP鋼は、フレキシブル圧延ブランク材としてバッテリー式電気自動車部材の用途に適している。

本発明は、さまざまな領域を圧延してコイルまたは帯材にする製造方法について述べるものである。すなわち、
−製造物の幅は650≦ｔ≦1600mmであり、
−初期厚さは1.0≦ｔ＜4.5mmであり、
−変形時の中間焼鈍および変形後の焼鈍を利用して、均一な材料特性を得ることができる。

本発明により製造される部材は、
−エアバッグ筒などの自動車部材、シャシ部品、サブフレーム、ピラー、クロス部材、溝型材、ロッカーレールなどの自動車の車体部材、
−半製品シート材、管または異形材を備えた商用車部材、
−側壁、床、屋根など、2000mm以上の連続長を有する鉄道車両部材、
−帯材または切口入り帯材から製造された管、
−衝突関連のドア側インパクトビームなどの自動車用拡張部材、
−バッテリー式電気自動車用の非磁性特性を備えた部材、
−輸送用途に適する圧延成形または液圧成形部材である。

本発明について、以下の図面を参照してより詳細に述べる。
本発明の好適な実施例を、概略的に不等角投影図として示す図である。本発明の別の好適な実施例を、概略的に不等角投影図として示す図である。

図１において、TWIP材の一片１は、上面２および下面３の両面上を圧延方向４にフレキシブル冷延される。材料片１は第１の領域５を有し、領域５では材料は厚く、材料の延性がより高いうえに硬化されている。材料片はさらに、材料の厚さが不定である遷移領域６を有する。領域６の厚さは、第１の領域５から、材料の強度がより高いが延性はより低い第２の領域７にかけて減少している。

図２では、TWIP材料片11は、上面12のみが圧延方向13にフレキシブル冷延されている。図１の実施例に見られるように、材料片11は第１の領域14を有し、領域14では、材料は厚く、材料の延性がより高いうえに硬化されている。材料片11はさらに、材料の厚さが不定である遷移領域15を有する。領域15の厚さは、第１の領域14から、材料の強度がより高いが延性はより低い第２の領域16にかけて減少している。

本発明に係る方法を、TWIP（双晶誘起塑性）オーステナイト鋼を用いて試験した。各鋼の化学組成を以下の表１に重量％で示す。

合金Ａ〜ＣおよびＥは、オーステナイト系ステンレス鋼であり、合金Ｄはオーステナイト鋼である。

各合金の上面および下面の両面を圧延するフレキシブル冷延処理の前後に、各合金Ａ〜Ｅの降伏強さR_p0.2、引張強度R_mおよび伸度A₈₀を測定した。測定の結果ならびに初期厚さおよび処理後の厚さを、以下の表２に示す。

表２の結果は、フレキシブル冷延時に降伏強さR_p0.2および引張強度R_mが本質的に増すのに対し、伸度A_soはフレキシブル冷延時に本質的に低下することを示している。

また、本発明に係る方法を、TRIP（変態誘起塑性）またはTRIP/TWIPオーステナイト系またはフェライト−オーステナイト系二相規格鋼を用いて試験した。各鋼の化学組成を重量％で以下の表３に示す。

表３では、鋼種1.4362および1.4462はフェライト−オーステナイト系二相ステンレス鋼であり、その他の1.4301、1.4318および1.4401はオーステナイト系ステンレス鋼である。

フレキシブル圧延の前後に、表３の各鋼種に対し、機械的値、降伏強さR_p0.2、引張強度R_mおよび伸度を試験し、フレキシブル圧延前の初期厚さおよびフレキシブル圧延後に得られた厚さを以下の表４に示す。

表４の結果は、オーステナイト系ステンレスTWIP鋼の他に、オーステナイト含有量が４０体積％超、好ましくは50体積％超の二相ステンレスTRIPまたはTWIP/TRIP鋼もまた、フレキシブル圧延工程において硬化領域に対する適応性が高いことを示している。

本発明に係るTWIP、TRIP/TWIPおよびTRIP鋼について、成形度Φの影響を試験した。表５は、表１の低ニッケルオーステナイト系ステンレス鋼Ｂに関する結果を示す。

表６は、オーステナイト系ステンレス鋼1.4318に関する結果を示す。

表７は、二相オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼1.4362に関する結果を示す。

表８は、二相オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼1.4462に関する結果を示す。

表９は、オーステナイト系ステンレス鋼1.4301に関する結果を示す。

Claims

冷間変形時にTWIP（双晶誘起塑性）、TWIP/TRIPまたはTRIP（変態誘起塑性）硬化効果を利用するオーステナイト鋼の部分的硬化方法において、変形させる材料（1、11）の少なくとも１つの表面（2、3；12）を５≦Φ≦60％の範囲の成形度（Φ）で冷間圧延することによって冷間変形を施し、前記材料（1、11）に、厚さ、降伏強度R_p0.2、引張強度R_mおよび終局荷重比ΔFと厚さ比Δtとの比（r）が1.0＞ｒ＞2.0の範囲である伸度の機械的値が異なる少なくとも２つの連続領域（5、7；14、16）をもたらし、該連続領域（5、7；14、16）は遷移領域（6、15）によって機械的に相互に連結され、該遷移領域の厚さは変形方向（4、13）の第１の領域（5、14）の厚さ（t1、t3）から前記変形方向（4、13）の第２の領域（7、16）の厚さ（t2、t4）まで不定であることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法において、前記冷間圧延をフレキシブル冷間圧延によって実行することを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法において、前記冷間圧延を偏心冷間圧延によって実行することを特徴とする方法。
前記請求項のいずれかに記載の方法において、成形度（Φ）は10≦Φ≦40％の範囲であり、前記比（r）は1.15＞r＞1.75の範囲であることを特徴とする方法。
請求項１ないし４に記載の方法において、前記変形させる材料はオーステナイト系TWIP材であることを特徴とする方法。
請求項５に記載の方法において、前記変形させる材料はオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする方法。
請求項１ないし４に記載の方法において、前記変形させる材料はTRIP/TWIP材であることを特徴とする方法。
請求項７に記載の方法において、前記変形させる材料はオーステナイト系二相ステンレス鋼であることを特徴とする方法。
請求項７に記載の方法において、前記変形させる材料は、40体積％超のオーステナイト、好ましくは50体積％超のオーステナイトを含有するフェライト−オーステナイト系二相ステンレス鋼であることを特徴とする方法。
請求項１ないし４に記載の方法において、前記変形させる材料はTRIP材であることを特徴とする方法。
請求項１に従って製造され、前記少なくとも２つの連続領域（5、7；14、16）では、５≦Φ≦60％の範囲の成形度（Φ）で変形した異なる機械的値を有し、前記終局荷重比ΔFと厚さ比Δtとの比（r）が1.0＞ｒ＞2.0の範囲である冷間圧延された製造物の、自動車部材、エアバッグ筒、シャシ部品、サブフレーム、ピラー、クロス部材、溝型材、ロッカーレールなどの自動車の車体部材としての使用。
請求項１に従って製造され、前記少なくとも２つの連続領域（5、7；14、16）では、５≦Φ≦60％の範囲の成形度（Φ）で変形した異なる機械的値を有し、前記終局荷重比ΔFと厚さ比Δtとの比（r）が1.0＞ｒ＞2.0の範囲である冷間圧延された製造物の、半製品のシート材、管もしくは異形材を備えた商用車部材、または側壁、床、屋根など2000mm以上の連続長である鉄道車両部材としての使用。
請求項１に従って製造され、前記少なくとも２つの連続領域（5、7；14、16）では、５≦Φ≦60％の範囲の成形度（Φ）で変形した異なる機械的値を有し、前記終局荷重比ΔFと厚さ比Δtとの比（r）が1.0＞ｒ＞2.0の範囲である冷間圧延された製造物の、帯材または切口入り帯材から製造された管としての使用。
請求項１に従って製造され、前記少なくとも２つの連続領域（5、7；14、16）に５≦Φ≦60％の範囲の成形度（Φ）で変形した異なる機械的値を有し、前記終局荷重比ΔFと厚さ比Δtとの比（r）が1.0＞ｒ＞2.0の範囲である冷間圧延された製造物の、衝突関連のドア側インパクトビームなど自動車の拡張部品としての使用。
請求項１に従って製造され、前記少なくとも２つの連続領域（5、7；14、16）に５≦Φ≦60％の範囲の成形度（Φ）で変形した異なる機械的値を有し、前記終局荷重比ΔFと厚さ比Δtとの比（r）が1.0＞ｒ＞2.0の範囲である冷間圧延された製造物の、バッテリー式電気自動車の非磁性特性を備えた部材としての使用。
請求項１に従って製造され、前記少なくとも２つの連続領域（5、7；14、16）に５≦Φ≦60％の範囲の成形度（Φ）で変形した異なる機械的値を有し、前記終局荷重比ΔFと厚さ比Δtとの比（r）が1.0＞ｒ＞2.0の範囲である冷間圧延された製造物の、輸送用途に適するロール成形部材または液圧成形部材としての使用。