JP3869754B2

JP3869754B2 - バーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板及びその製造方法

Info

Publication number: JP3869754B2
Application number: JP2002141583A
Authority: JP
Inventors: 薫川崎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: JP2003328075A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレス成形とくにバーリング加工が行われる際に、とくに加工部不良率に影響を与えるバーリング加工時のバラツキが少ない良好な成形性を有すると同時に、その後に施される熱処理により強度と耐磨耗性を具備した、バーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板及びその製造方法に関するものである。本発明による鋼板はとくに自動車、二輪車及び自転車に使用される強度部材や、耐磨耗性が必要なギヤやクラッチプレート等に適用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱処理による耐磨耗性を具備させる方法としては、液浸あるいはガス浸による雰囲気を利用した浸炭・浸窒処理する方法がある。しかし、この方法においては鋼組成の変動に起因した焼入れ性の変動により、コア部の硬さが目標値を下回る場合がある。また、加工性の観点から、とくにバーリング加工部についてはその加工バラツキが製品歩留まりを大きく左右するため、鋼板の有するバーリング加工性を高位に安定させる必要がある。加工性とくに曲げ性改善を配慮した特開平７−９７６６２号公報では、焼入れ性に寄与する固溶Ｂ量の配慮がないためと推察されるが、熱処理後の硬度が本発明で対象とする部材に対しては不十分であるとともに、バーリング加工性に対する配慮は全く無い。また、特開２０００−３４５４２号公報は、全酸素量と鋼中に形成される非粘性介在物の組成比が規定され、冷間加工性と窒化処理後の表面特性を具備したものであることから、鋼中清浄度と浸炭焼入れ処理による焼入れ性を配慮した本発明とは明らかに異なるものである。さらに、いずれもＢ／Ｎに対する配慮がないことから、根本的に本発明とは思想を異にするものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、部品成形におけるバーリング加工のバラツキを低減することによる製品歩留まりの向上を実現するとともに、浸炭焼入れ処理による部品コア部への十分な硬度が付与できるように焼入れ性を確保することを狙ったものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために基礎実験を行い、Ｏ、Ｂ及びＮ量の制御と熱延時の冷却条件の最適化により、本発明に至る以下の知見を得た。すなわち、Ｃ：０．１９％、Ｓｉ：０．０１％、Ｍｎ：０．５６％を基本組成として、Ｏ、Ｂ及びＮ量を種々変化させた鋼を溶製した。これらの鋼について、加熱温度：１２００℃、仕上温度：８５０℃として熱間圧延を行い、２０℃／ｓの冷却速度で冷却を行い、６８０℃で巻取処理を行った。なお、この時の巻取処理条件は、６８０℃で２時間保熱した後に炉冷した。図１に鋼中Ｏ量と穴拡げ性との関係を示す。なお、ここでの穴拡げ性は直径１０ｍｍ（ｄ₀）の穴を打ち抜き、６０度の円錐ポンチを使用してバリが外側になるようにその穴を押し広げ、割れが板厚を貫通した時点での穴径（ｄ）を測定し、ｄ／ｄ₀で評価した。なお、試験片は幅方向全域と長手方向については３箇所から代表サンプルとして採取し、ｄ／ｄ₀は平均値と、最大値及び最小値を求めた。鋼中酸素量の増加に伴いｄ／ｄ₀が低下するとともに、とくに０．００４％を超えて含有すると、最小値が２を下回るようになる。
【０００５】
焼入れ処理による硬度を確保するには、マルテンサイト自身の硬さを高くすると同時に、焼入れ性を向上させる必要がある。また、Ｂ量の影響については図２に示す結果が知見された。すなわち、浸炭焼入れ後の母材の硬度をＨｖ：４００以上として確保するには、固溶Ｂを確保することが重要であり、原子比であらわされるＢとＮの量比として１．０以上が必要である。また、このＢとＮの原子比は浸炭焼入れ後の表層部近傍の硬度分布に対しても影響があることが見出された。すなわち、図３に示すようにＢ／Ｎ（原子比）が１．０より小さくなると、板厚方向の硬度分布で表層部近傍での低下が大きくなることが知見された。こうした現象は、浸炭時にＦｅ（Ｃ，Ｂ）が形成されるため、Ｂによる焼入れ性が低下するためと考えられる。なお、こうした特性を有する場合には、転動疲労強度の低下が懸念される。
【０００６】
以上の知見をもとに、バーリング加工時のバラツキが少なくかつ、浸炭焼入れ性に優れた鋼板及びその製造方法を確立した。
【０００７】
本発明の要旨とするところは、
（１）質量比で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｍｎ：０．０５〜０．８％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｎ：０．００１５〜０．００５％、Ｂ：０．００１５〜０．００５％を（１）式を満たして含み、Ｓｉ：０．５％以下、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｏ：０．００４％以下であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物元素からなることを特徴とするバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板。

（２）（１）に記載の鋼板に、さらに質量比で、Ｍｇ、ＣｅあるいはＲＥＭのうち１種または２種以上を０．００１〜０．０２％含むことを特徴とするバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板。
（３）（１）あるいは（２）に記載の鋼板に、さらに質量比で、Ｔｉ：０．００５〜０．１％を含むことを特徴とするバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板。
（４）（１）乃至（３）のいずれかに記載の鋼板に、さらに質量比で、Ｍｏ：０．０５〜０．５％を含むことを特徴とするバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板。
（５）（１）から（４）のいずれかに記載の成分組成の溶鋼を連続鋳造にてスラブとし、再加熱後あるいは鋳造後直ちに粗圧延を実施し、Ａｒ₃変態点以上の温度域で仕上圧延を終了させかつ、その温度域から冷却を開始するが、５０℃／ｓ以下の冷却速度で冷却し、６００〜７００℃の温度域で巻き取ることを特徴とするバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板の製造方法。
（６）粗圧延を終了し、シートバーを一旦コイルに巻き取り、そのまま仕上圧延に供するか、あるいは先行するシートバーに接続後、仕上圧延を行うことを特徴とする（５）に記載のバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板の製造方法。
（７）１００ｍｍ以下の鋳片に鋳造後、直ちに粗圧延を実施することを特徴とする（５）または（６）に記載のバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板の製造方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、この発明における成分組成の限定理由について述べる。
【０００９】
Ｃは０．１５〜０．２５％とする。過度に添加されると、セメンタイトがグラファイトとして形成されるようになることから、焼入れ処理におけるＣの再固溶が十分に達成されず、部分的な硬度不足となることが懸念されることから、０．２５％を上限とする。一方、焼入れ処理後の硬度を確保するにはＣ量が必要であり、ビッカースで安定して４００を得るには０．１５％以上必要である。
【００１０】
Ｓｉは、過度に添加されると鋼中に圧延方向に長く伸びた酸化物が残存するため、バーリング加工性を低下させるとともに、加工時のバラツキを大きくするため０．５％を上限とする。
【００１１】
Ｍｎは、焼入れ性を確保するには重要な役割を果たす元素ではあるが、熱延段階における仕上圧延後の冷却段階でのパーライトの形成を遅滞させる。すなわち、巻取り後にもパーライト変態が進むため、その体積率が増加すると熱延板での強度が上がり、加工性を劣化させることから０．８％を上限とする。一方、熱間圧延時の割れを回避するためには０．０５％以上の添加が必要である。
【００１２】
Ｐは、本発明においてはとくに限定されるべきものではないが、過度に添加されるとその偏析に起因し、加工性の劣化や二次加工性の劣化をきたすため、０．０３５％を上限とする。
【００１３】
また、Ｓも本発明においてはとくに限定されるべきものではないが、熱間での加工性を確保するには低い方が好ましく、０．０１５％を上限とする。
【００１４】
Ａｌは主として脱酸のために添加されるが、とくにアルミナはその形態からバーリング加工性を劣化させることが懸念される。そのため、少ない方が好ましいことから上限を０．０５％とするが、他の脱酸元素を使用する場合には０．００１％を下限とする。
【００１５】
Ｎは、後述するように固溶Ｂを確保するには極力低い方が良い。そのため、上限を０．００５％とするが、好ましくは０．００３％以下とする。
【００１６】
Ｂは、前述したように焼入れ性を確保することを目的に添加される。ただし、焼入れ性を確保するものは固溶状態のＢであることから、Ｎとのバランスを考慮する必要がある。０．００１５％未満では、鋼中に含有されるＮ量とのバランスからその効果が不十分である。一方、０．００５％を超えると、製鋼段階でスラブ割れが生じることや、熱延板材質として硬質化による加工性劣化も懸念されることから、これを上限とする。
【００１７】
本発明においては、（１）式のようにＢとＮの比率を規定する。前述のとおり、浸炭焼入後の母材硬度をＨｖ：４００以上とするためには、Ｂ／Ｎ（原子比）１．０以上が必要であり、また、Ｂ／Ｎ（原子比）が１．０より小さいと表層部近傍の硬度低下が大きくなる。また、Ｂ／Ｎ（原子比）の上限は、その効果が飽和することとコストアップを極力抑えるため、３．０とする。そのため、（１）式のように規定した。
【００１８】
本発明においては、Ｏ量も重要な規定因子の１つである。すなわち、バーリング加工性のバラツキに対しては、とくに打ち抜き破断面での酸化物分布の影響も大きいことから、極力少ない方が好ましいが、製鋼段階での脱酸コストを考慮して０．００４％を上限とする。
【００１９】
Ｍｇ，ＣｅあるいはＲＥＭは、脱酸のために添加されるものである。脱酸のためには０．００１％以上必要である。一方、過度の添加はコストアップとなるため０．０２％を上限とする。なお、これら元素による脱酸で形成される酸化物は、アルミナ等に比べて微細に晶出する。
【００２０】
Ｔｉは、脱酸のために添加される場合と、ＢＮの析出に先立ちＴｉＮによりＮを固定し、浸炭焼入れ時の焼入れ性に寄与するＢ量を有効に確保するために添加される。０．００５％未満ではその効果が発現できず、０．１％を超えた添加はその効果が飽和するとともに、コストアップとなるためこれを上限とする。
【００２１】
さらに、Ｍｏは溶接熱影響部に生じる軟化抑制のために添加される。その効果を十分に得るには０．０５％以上の添加が必要である。一方、０．５％を超えて添加されてもその効果は飽和するため、これを上限とする。
【００２２】
また、スクラップの利用による微量のＣｕ、Ｎｉ、Ｓｎ及びＣｒの混入は、本発明における効果を何ら損なうものではない。
【００２３】
本発明の熱延工程における加熱温度は、とくに規定されるものではない。しかし、Ｔｉが含有される場合、ＴｉＮは高温域から析出することから、析出するＴｉＮを粗大化させて粒成長性を確保するには高い方が好ましい。
【００２４】
一方、仕上温度についてはＡｒ₃変態点以上とするが、あとに続く冷却工程でのパーライト変態を速やかに進行させるには、Ａｒ₃変態点に極力近い方が好ましい。
【００２５】
仕上圧延後冷却され巻き取られるが、その際、巻取りまでにパーライト変態を終了させておく必要がある。そのためにはランアウトテーブル上での冷却速度を５０℃／ｓ以下とする必要がある。これよりも冷却速度が速くなると、前述したように巻取った後にもパーライト変態が進み、その分率も増加することになる。その結果、熱延板強度が上がることに起因し、加工性の劣化が懸念される。
【００２６】
冷却に引き続いてコイルに巻き取られるが、その際の温度は６００〜７００℃とする。６００℃より低くなるとベイナイトが形成されるようになるため、強度が高くなり加工性を劣化させるため好ましくない。一方、７００℃を超えるとＣがパーライトとして十分に析出しないことから、巻取り後の冷却中に粒界に析出し、バーリング加工性の劣化が懸念される。
【００２７】
上述した熱間圧延を実施する際に、粗圧延を後先行するシートバーにレーザー溶接等を用いて接合し、圧延を実施しても本発明における効果を損なうものではない。
【００２８】
さらにスラブを製造する場合もいわゆるニアネットシェイプとして１００ｍｍ以下の薄スラブを製造し、直ちに前述したような圧延条件で製造することも本発明の効果を損なうものではない。
【００２９】
【実施例】
実施例１
Ｃ：０．２％，Ｓｉ：０．０１％，Ｍｎ：０．５８％，Ｐ：０．０１１％，Ｓ：０．００５％，Ａｌ：０．０２７％，Ｎ：０．００２４％，Ｏ：０．００１７％，Ｂ：０．００３８％を含む鋼を転炉出鋼し、連続鋳造にてスラブとした。熱延は１２００℃で加熱後、粗圧延を実施してから表１に示す条件で熱間圧延を終了し、２．０ｍｍの熱延板とした。なお、ここでＡｒ₃変態点は９１６−５０［Ｃ（％）］＋２７［Ｓｉ（％）］−６４［Ｍｎ］で概算すると約８６９℃である。
【００３０】
材質評価は、ＪＩＳＺ２２０１記載の５号試験片に加工し、ＪＩＳＺ２２４１記載の試験方法にしたがって引張試験を行った。また、バーリング加工特性の評価として穴拡げ性の調査を実施した。その方法は、直径１０ｍｍ（ｄ₀）の穴を打ち抜き、６０度円錐ポンチを使用してバリが外側になるようにその穴を押し広げ、割れが板厚を貫通した時点での穴径（ｄ）を測定し、ｄ／ｄ₀で評価するものである。なお、試験片は幅方法及び長手方向３列に採取し、ｄ／ｄ₀は平均値と最小値を求めた。さらに、浸炭焼入れ相当の熱処理として、９００℃×１ｈ→油焼入れを実施し、ビッカース（荷重：１００ｇ）による硬度測定を行った。
【００３１】
表１に得られた熱延板の機械的性質、ｄ／ｄ₀及び熱処理後の硬度を示す。本発明にしたがったＮｏ．２，３，４，５，及び６では、バラツキが少なくかつ、２．２以上の穴拡げ性が得られているとともに、３０％を超える高い延性が得られている。一方、仕上温度が低く外れたＮｏ．１、Ｒｏｔ冷速が本発明の範囲より速く外れたＮｏ．７、さらに巻取温度が本発明の範囲から外れたＮｏ．８では延性が低い。また、Ｎｏ．９では、穴拡げ性のバラツキが大きくなっており、最小値がとくに小さい。いずれもミクロ組織に起因するものであり、Ｎｏ．１ではフェライトの不均一組織に起因したものである。Ｎｏ．７ではＲｏｔ冷速が本発明の範囲から高く外れたことにより、巻取り中にパーライト変態が進行するためである。Ｎｏ．８ではベイナイトの形成に起因するものであり、Ｎｏ．９は主として粒界にセメンタイトが形成されるようになることに起因するものと推察される。なお、Ｎｏ．６は本発明の範囲ではあるが、仕上温度が高めであることと、Ｒｏｔ冷速がやや速めであることから強度が高めとなっている。なお、いずれの条件においても熱処理後の硬度としてビッカースで４００を超える硬度が得られている。
【００３２】
【表１】

【００３３】
実施例２
表２に示す種々の鋼を転炉出鋼し、連続鋳造でスラブとした。熱延は１１５０〜１２００℃で加熱後、粗圧延及び仕上圧延を実施して表３に示すような板厚の熱延板を製造した。なお、仕上圧延はいずれもＡｒ₃変態点以上の温度域で終了した。さらに、仕上圧延後の冷却速度は本発明の範囲内の条件となるよう、冷却ゾーンにおける水量を調整した。冷却後、６００〜７００℃で巻取を行い、実施例１と同様に引張試験による材質評価と穴拡げ性評価を実施した。また、浸炭焼入れ相当の熱処理と、各熱処理材について行った硬度測定は実施例１と同条件で実施した。
【００３４】
結果を同表に示す。本発明にしたがったＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｎ，Ｏ及びＰ鋼では、高い延性と、バラツキが少なくかつ２．２を超える穴拡げ性が得られている。とくに、脱酸時にＴｉ，Ｍｇ，Ｃｅを使用したＤ，Ｉ，Ｎ及びＯ鋼ではとくに穴拡げ性におけるバラツキが極めて小さい。一方、Ｈ，Ｋ及びＭ鋼では穴拡げ性のバラツキが大きく、最小値でみると２．０を下回っている。Ｃ量が低く外れたＦ鋼では焼入れ処理による硬度が４００を下回っており、特性としては不十分である。一方、高く外れたＧ鋼は、延性が低いため加工性が不十分である。さらにＭｎが高く外れたＩ鋼では、強度が高いため加工性が不十分である。Ｊ鋼ではＰ量が高く外れたため偏析に起因して延性が低い。また、Ｂ／Ｎが本発明の範囲から低く外れたＬ鋼は、焼入れ性が不十分となるため、焼入れ処理後の硬度が低い。
【００３５】
【表２】

【００３６】
【表３】

【００３７】
実施例３
実施例２の本発明の範囲にしたがったＣ及びＮ鋼について、薄スラブ連鋳法による鋳造後直ちに熱延工程に送る製造工程と、熱延工程で粗圧延終了後に先行材と接続して圧延を実施する、いわゆる連続熱延による工程で製造した。表４に製造工程を示す。なお、仕上温度、冷却条件、巻取温度は実施例２と同じとした。得られた材質を同表に示す。得られた材質も実施例２でのものとほぼ同様の特性である。
【００３８】
【表４】

【００３９】
【発明の効果】
本発明により、プレス等による加工時には優れた成形性を有しかつ、浸炭焼入れ処理を施す場合には、十分な焼入れ性も具備していることから、板厚中心部での強度を十分に確保した良成形性の熱処理用鋼板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼中酸素量と穴拡げ試験におけるバラツキとの関係を示す図である。
【図２】鋼に含まれるＢ及びＮ量における原子比と浸炭焼入れ処理後の鋼硬度（Ｈｖ）との関係を示す図である。
【図３】浸炭焼入れ処理後の板厚方向の硬度分布に及ぼすＢ／Ｎの影響を示す図である。

Claims

質量比で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｍｎ：０．０５〜０．８％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｎ：０．００５％以下、Ｂ：０．００１５〜０．００５％を（１）式を満たして含み、Ｓｉ：０．５％以下、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｏ：０．００４％以下であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物元素からなることを特徴とするバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板。
請求項１に記載の鋼板に、さらに質量比で、Ｍｇ、ＣｅあるいはＲＥＭのうち１種または２種以上を０．００１〜０．０２％含むことを特徴とするバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板。
請求項１あるいは２に記載の鋼板に、さらに質量比で、Ｔｉ：０．００５〜０．１％を含むことを特徴とするバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板。
請求項１乃至３のいずれかに記載の鋼板に、さらに質量比で、Ｍｏ：０．０５〜０．５％を含むことを特徴とするバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板。
請求項１から４のいずれかに記載の成分組成の溶鋼を連続鋳造にてスラブとし、再加熱後あるいは鋳造後直ちに粗圧延を実施し、Ａｒ₃変態点以上の温度域で仕上圧延を終了させかつ、その温度域から冷却を開始するが、５０℃／ｓ以下の冷却速度で冷却し、６００〜７００℃の温度域で巻き取ることを特徴とするバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板の製造方法。
粗圧延を終了し、シートバーを一旦コイルに巻き取り、そのまま仕上圧延に供するか、あるいは先行するシートバーに接続後、仕上圧延を行うことを特徴とする請求項５に記載のバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板の製造方法。
１００ｍｍ以下の鋳片に鋳造後、直ちに粗圧延を実施することを特徴とする請求項５または６に記載のバーリング加工時のバラツキが少ない浸炭焼入れ用鋼板の製造方法。