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たみえいそみ
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1 To k y o S t e e l M a n u f a c t u r i n g C o., L t d. 熱間圧延軟鋼板及び鋼帯技術資料 SPHC材の成形性疲労特性スポット溶接性 Steel sheets Hot rolled coils

2 INDEX 1. はじめに 3 2. 製造工程の特徴 5 3. 品質データ化学成分及び機械的性質プレス成形性 (CCV ~ LDR) プレス成形性 (FLD) 疲労特性スポット溶接性適正電流範囲継手強度の評価 17 熱間圧延軟鋼板及び鋼帯

1はじめIntroduction ❶ はじめに地球温暖化防止への取り組みと提言要約出所 : 東京製鐵 HP 1997 年の京都議定書ではヨーロッパ諸国及び日本が中心となって 1990 年対比で 2012 年の CO 2 排出量を 5% 削減する目標が設定されまたその後も世界の全ての国

CO 2 を削減することが強く求められています高炉法で鉄鋼製品を生産する場合 1t 生産するごとに 2t の CO 2 を排出し電炉法での排出は 0.

5t の CO 2 削減効果があります当社が需要家のニーズに応えながら生産品種の大半を高炉メーカーとの競合品種に拡大していったことにより宇都宮工場の稼働により当社が現在の生産体制をほぼ整えた 1995 年度以降の 15 年平均において当社は 1990 年度に比べ日本社会全体の CO 2 排出量を差し引きで約 44

電気炉鋼からの熱間圧延軟鋼帯の生産を開始しましたさらに 1995 年に連続酸洗設備 1997 年に冷延設備及び表面処理設備 2004 年にはレベラーシャーライン設備を導入し現在は熱間圧延軟鋼板及び鋼帯酸洗鋼板及び鋼帯溶融亜鉛めっき鋼帯を製造するにいたっています蓄積した操業ノウハウを駆使すると共に

3 1はじめIntroduction ❶ はじめに地球温暖化防止への取り組みと提言要約出所 : 東京製鐵 HP 1997 年の京都議定書ではヨーロッパ諸国及び日本が中心となって 1990 年対比で 2012 年の CO 2 排出量を 5% 削減する目標が設定されまたその後も世界の全ての国地域が参加できるシステムの構築が議論されています地球温暖化防止に取り組むことは現役世代の責務であり CO 2 を排出しない化石燃料に代わる代替エネルギーの開発が急務となっています我が国の鉄鋼業界の CO 2 排出総量は日本全体の排出量の 14%(2008 年度 ) で産業別の排出量の第 1 位となっています鉄鋼製品から生ずる CO 2 を削減することが強く求められています高炉法で鉄鋼製品を生産する場合 1t 生産するごとに 2t の CO 2 を排出し電炉法での排出は 0.5t に止まっています鉄スクラップを主原料とする電炉の CO 2 排出量は高炉メーカーの約四分の一となりますそのため高炉メーカーより電炉メ - カ - へ変更する事で鉄鋼製品 1t 生産するごとに 1.5t の CO 2 削減効果があります当社が需要家のニーズに応えながら生産品種の大半を高炉メーカーとの競合品種に拡大していったことにより宇都宮工場の稼働により当社が現在の生産体制をほぼ整えた 1995 年度以降の 15 年平均において当社は 1990 年度に比べ日本社会全体の CO 2 排出量を差し引きで約 44 万トン削減し京都議定書の 5% 削減目標よりはるかに高い 35% もの削減に貢献できたと考えています今後 CO 2 排出量削減のためにも国内での一層の鉄スクラップ利用の拡大がはかられるべきであると考えられます東京製鐵岡山工場では 1991 年 10 月から最新鋭の直流式電気炉 -ホットストリップミル設備を導入して電気炉鋼からの熱間圧延軟鋼帯の生産を開始しましたさらに 1995 年に連続酸洗設備 1997 年に冷延設備及び表面処理設備 2004 年にはレベラーシャーライン設備を導入し現在は熱間圧延軟鋼板及び鋼帯酸洗鋼板及び鋼帯溶融亜鉛めっき鋼帯を製造するにいたっています蓄積した操業ノウハウを駆使すると共にリサイクル回数増加に伴い増加するCu 等のトランプエレメント ( 旅をする元素 ) を有効利用する技術を研究開発することで産業機械家電自動車など幅広い分野にニーズに則した高品位で環境にやさしい電気炉鋼材を提供いたします二酸化炭素排出量の比較消費エネルギー量の比較電気炉電気炉高炉 1) 高炉 2) 高炉 3) 出所 : 1) 西野誠 : 一貫製鉄プロセスにおける二酸化炭素排出理論値に関する調査報告, ふぇらむ Vol.3(1998)No.1 2) 社団法人日本鉄鋼連盟環境管理部 : 製鉄業における環境問題の取り組み, 鉄鋼界 (1992),p.24 3) 通産省資源エネルギー庁社団法人日本鉄鋼連盟 :LCA 的観点から見た鉄鋼製品利用のエネルギー評価調査 Fig.1 製造時の二酸化炭素排出量と消費エネルギ - 量に3

1はじめIntroduction 国内 2.3(CO 2 トン / 鉄トン ) 1 0.003(CO2 トン / 鉄トン ) 2 高炉 0.

4 1はじめIntroduction 国内 2.3(CO 2 トン / 鉄トン ) (CO2 トン / 鉄トン ) 2 高炉 0.53(CO2 トン / 鉄トン ) 1 電気炉 Fe 0.003(CO2 トン / 鉄トン ) 2 海外ブラジルから 0.37(CO 2 トン / 鉄トン ) 3 オーストラリアから 0.11(CO 2 トン / 鉄トン ) 3 鉄鉱石 1 出所 : 西野誠 : 一貫製鉄プロセスにおける二酸化炭素排出理論値に関する調査報告, ふぇらむ Vol.3(1998)No.1 2 出所 : 経済産業省国土交通省 : 物流分野の CO 2 排出量に関する算定方法ガイドライン, p6 50km 陸上運搬 3 出所 : 財団法人シップアンドオーシャン財団 : 2000 年船舶からの温室効果ガスの排出削減に関する調査研究報告書, p92 鉄鉱石中の鉄は 60% と仮定 Fig.2 鉄の循環に伴う鉄 1t あたりの二酸化炭素排出量に4

5 2製造工程の特Manufacturing process ❷ 製造工程の特徴東京製鐵の熱間圧延軟鋼板及び鋼帯は 1) 大型直流式電気炉偏心炉底出鋼 (EBT) 導体配置の最適化によるスクラップ均一溶解電気炉は電力を効果的にスクラップへ投入できる炉底電極配置と形状になっています低介在物低窒素 EBT により介在物等不純物の混入を最小限に抑えるとともに窒素の混入を減らすことで清浄な溶鋼を製造しています 2) 炉外精錬炉化学成分の微調整と攪拌による化学成分の均一化温度管理による連続鋳造鋼片の品質安定 3) 連続鋳造大気との完全気による介在物の低減と内部品質の向上 4) ホットストリップミル超高圧水デスケーリングによる表面品質の改善粗圧延機入り側粗圧延機出側仕上げ圧延機入り側に設置し圧延材料表面に発生したスケールを除去していますコイルボックスによる圧延板温度の安定化による板厚精度の向上仕上げ圧延前で一度巻き取る事で圧延材全長に渡り温度を均一化し温度差による外乱を減少する事で板厚精度の向上を図っています TMCP による組織の最適化仕上げ圧延後の冷却ゾーンでの冷却パターンをコントロールする事で要求される組織機械的性質を実現していますなど最適な成分設計と設備の特徴を生かした製鋼圧延条件に基づいて製造しており優れた機械的性質加工性溶接性を有しています DC 製鋼工場電気炉炉外製錬炉脱ガス装置連続鋳造設備スラブ保熱炉粗圧延 STF 仕上圧延急速冷却巻取りホットコイル ( 溶接 ) 酸洗工場 ( 塗油 ) 酸洗コイルレベラーシャーライン設備カットシートウェルダー設備酸洗槽スキンパスオイリング設備冷延工場可逆式冷間圧延設備メッキ工場メッキコイル鈍炉( 溶接 ) ウェルダー設備焼( 防錆 ) 合金クロメート設備化炉出荷亜鉛ポットスキンパステンションレベラー Fig.3 工程図徴5

6 ❸ 品質データ本資料では成形性疲労特性スポット溶接性について SPHC 材の特性を紹介いたします 3.1. 化学成分及び機械的性質サンプルの化学成分及び機械的性質は Table1 Table2 に示す通りです厚板製品と鋼帯鋼板を比べると CとSiの違いが両者の相違点であり鋼帯鋼板は厚板より低 C 低 Siで製造していますまた金属組織を見ると製鋼圧延での作り込みにより介在物が少なく厚さ幅方向の結晶粒径がそろった組織となっています (Photo1) Table1 化学成分化学成分 (mass%) 板厚 1.6mm C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo V N Ceq Table2 機械的性質降伏点 (N/mm 2 ) 引張強さ (N/mm 2 ) 伸び (%) n 値 r 値板厚 1.6mm Photo1 金属組織 0.1mm タ6

7 3.2. プレス成形性 (CCV~LDR) プレス成形における変形様式は Fig.4 に示すように深絞り張出伸びフランジ曲げに分類されますこれらの変形様式と材料の特性値の間には Table3 のような関係があります Fig.4 Table3 特性値と試験方法特性値試験方法概要 n 値引張試験加工硬化指数で値が大きいほど局部収縮発生までの伸びが大きいため絞り性が良くなるプレス時に張出し性ひずみの一様性に優れているかどうかの指標となる市中材 ( 軟鋼類 ) の一般的な値はおよそ 0.15~0.25 の範囲 r 値引張試験板幅ひずみと板厚ひずみの比の値で塑性ひずみ比又はランクフォード値ともいいこの値が大きいほうが深絞り性が高い市中材の一般的な値は 0.80~0.95 の範囲コニカルカップ値 (CCV) コニカルカップ試験深絞りと張出しの変形を複合した試験 ( 複合成形性試験 ) 穴拡げ値穴拡げ試験伸びフランジ性試験のひとつで変形の形態がフランジ縁とフランジ内部の引張変形を受ける成形のし易さを評価するエリクセン値エリクセン試験周辺を押さえた板の中心をポンチで突いて張り出させしたときの張り出し量をエリクセン値といい張出し成形性 (2 軸引張変形を受ける成形 ) のしやすさを評価する指標となる限界絞り比 (LDR) 深絞り試験深絞り ( 縮みフランジ変形 ) 特性試験の方法でフランジ部分が引張り圧縮によって変形し, ポンチ力によってダイス穴内に絞り込む成形のしやすさを評価する指標となる曲げ性曲げ試験近似的に平面ひずみの変形を受ける曲げ成形のしやすさを評価する試験で指定の半径曲げを行い割れの発生を見るタ7

8 本報告ではプレス成形性としてコニカルカップ試験穴拡げ試験エリクセン試験深絞り試験を行いました Table4 に各試験の条件 Table5 ~ 8 に各試験結果を示します穴拡げ率 203% 限界絞り比 2.20 のように東京製鐵の SPHC 材は優れた加工性を有しています Table4 試験条件試験項目方法試験片潤滑油加工速度コニカルカップ JIS Z 型 φ78 マシン油 10mm/min シワ押さえ力無穴拡げ JFS T 1001(1996) ( ダイス内径 φ10.4mm) 無潤滑 20mm/min 9.0ton エリクセン JIS Z mm グラファイトグリース 10mm/min 1.0ton 深絞り - φ78~92mm ダフニー SK 25mm/min 2.0ton コニカルカップ試験 D0 r p da d0 D0 ru d2 rd 割れ r p θ 2 割れ発生とカップ外径 D0 底部がするまでコニカルカップ状に成形する Fig.5 試料 Table5 コニカルカップ試験結果 max (mm) min (mm) CCV (mm) 平均 (mm) 61.0 タ8

2 155.1, 139.4, 138.7 152.9, 124.0, 161.0 203.1 143.4 144.4 146.

9 穴拡げ試験ポンチは円筒 / 円錐と種類があるダイスダイス肩 R ダイス径初期穴径バリ押し付け力後穴径試験片板厚ポンチ弊社材高炉 A 社高炉 B 社高炉 C 社 Fig.6 円錐 Table6 穴拡げ試験結果 ( 他社との比較 ) 穴拡げ率 (%) 平均 (%) 210.4, 206.5, , 115.0, , 139.4, , 124.0, Photo2 穴拡げ試験後の試験片 ( 写真は円筒の例 ) エリクセン試験 Photo3 エリクセン試験後の試験片 Fig.7 試料 Table7 エリクセン試験結果高さ (mm) 平均 (mm) 15.6 タ9

10 深絞り試験 L 方向圧延材ダイスダイスイヤリングサンプル貫通サンプル Photo4 深絞り試験 ( 代表的な変形状態 ) Fig.8 ポンチブランク径 ( mm ) φ78 φ80 φ82 φ84 φ86 φ88 φ90 φ92 Table8 深絞り試験結果絞り良否 LDR 2.20 タ10

11 3.3. プレス成形性 (FLD) 前項で各種成形性の試験結果を示しましたがこれだけでは複雑な形状のプレス成形性を適切に予知できませんので実際のプレス加工に対応した変形経路, 変形状態による変形限界を測定する試験として引張及び液圧バルジ試験により等二軸 ~ 一軸引張変形を行い成形限界曲線 (Forming Limit Diagram ) を求めました成形限界曲線 (FLD) を求めましたつぎに成形限界曲線を紹介します成形により寸前のくびれを生じた部位の主ひずみε1 ε 2 をスクライブドサークル法で測定しますこれをε1-ε2 座標上にプロットして図のように線で結んだものが成形限界線図です成形限界曲線は ε1 ε2 の比によって成形限界がどのように変化するか示すものです一般に ε2/ε1=0 となる平面ひずみ状態近傍で成形限界が小さくなります成形限界曲線は材料の選択成形トラブル解決に広く利用されています (FLD は Fig.9 のように x,y 方向の変形 ( 歪 ) と絞り~ 張出領域の加工限界を示したもので表されます ) 成形限界線図平面ひずみ引張り板厚不変 ε1= -ε2 F F 絞り領域 E E D ε1 C D 張出し領域 B B A 等二軸引張り A 0.2 タ11 板厚増加領域 ε2 板材プレス成形におけるひずみ状態と成形限界線図 ( 単純変形経路 ) Fig.9 Table9に試験条件 Fig.10に試験結果を示しますこれより変形様式により最大歪は43~72% 最小歪は-18 ~ 60% の範囲となります (Table10) Table9 FLD 試験条件成形様式試験片 (C L) 潤滑油加工速度シワ押さえ力等二軸変形 mm 液圧バルジ 100ton 不等二軸変形 (1) mm 液圧バルジ 30mm/min 100ton 不等二軸変形 (2) mm 液圧バルジ 100ton 平面歪変形一軸引張変形 mm mm 無潤滑 - 10~20mm/min 60ton -

12 Ex(%) :Good( 最大値 ) :NG( 最小値 ) : 成形限界曲線 Ey(%) Fig.10 FLD 変形様式 Table10 FLD 結果成形限界歪 Ex(%) Ey(%) 等二軸変形不等二軸変形 (1) 不等二軸変形 (2) 平面歪変形一軸引張変形タ12

13 東京製鐵SPHC比較用高炉材熱間圧延軟鋼板及び鋼帯疲労特性 Fig.11に示す試験片を用い引張疲労試験及び平面曲げ疲労試験を行いました試験条件及び結果を Table11 12とFig.12に示しますまた参考に高炉材の結果も併せて示します東京製鐵のSPHC 材の引張疲労限は320MPa 平面曲げ疲労限は170MPaでした ( 高炉材の引張疲労限は290MPa 平面曲げ疲労限は160MPaでした ) タ13 Table11 疲労試験条件項目引張疲労試験平面曲げ疲労試験応力比試験周波数最大繰り返し数 Hz * 回 *( 高炉材 : 引張疲労試験のみ 30Hz) No. 1 最大応力 (MPa) 200 引張疲労試験繰返し数 (cycle) 2,015,000 備考未最大応力 (MPa) 170 平面曲げ疲労試験繰返し数 (cycle) 10,000,000 備考未 ,968,000 Fig.11 疲労試験片東Table12 疲労試験結果京製鐵SPHC材未 180 3,878, ,000,000 未 190 1,394, ,000,000 未 200 1,145, ,789, , , , , , , , ,329 材 , ,000,000 未 ,000,000 未 ,091, ,000,000 未 ,000,000 未 170 4,990, 比10,000, ,100 未 171 3,747, , ,385, , , , , ,

14 引張疲労試験東鐵材高炉材タ14 最大応力 (MPa) E E E+05 繰り返し数 (cycles) Fig.12-1 S-N 曲線 1.0E E+07 平面曲げ疲労試験 300 東鐵材高炉材最大応力 (MPa) E E E E+07 繰り返し数 (cycles) Fig.12-2 S-N 曲線比較用高炉材化学成分 (%):C=0.05 Si=0.00 Mn=0.28 P=0.010 S=0.007 引張り強さ :366MPa 降伏点:292MPa 伸び:39.4%

15 3.5. スポット溶接性適正電流範囲サンプルのスポット溶接性について適正電流範囲と継手強度の評価結果を行いました適正電流範囲は Fig.13 に示す d6mm の DR 形電極を用い Table13 の基本条件でスポット溶接を行い 4 t ナゲット形成電流 (5.06mm のナッゲトができる電流 ) ~ 散り発生までの間を適正として評価しました Table14 にスポット溶接条件とナゲット測定値の結果を Fig.14 及び Table15 に評価結果を示しますまた Photo5 に代表的な面写真を示しますこの結果今回の評価の方法 ( ナゲット径 4 t から散り発生までを適正とする ) では下限電流が ka で適正電流範囲は 2.5kA となります (Table15) R d D r 呼び径 D 記号形式 D 形 DR 形 r R d Fig.13 電極形状 r 出典 JIS C 9304(1999) タ15 電極初期加圧時間加圧力通電時間保持時間冷却水流 Table13 スポット溶接基本条件 1%Cr-Cu ドーム形 φ16mm 先端 φ6mm(r40) 29cycles/50Hz 270kg 15cycles/50Hz 1cycles/50Hz 上下 2.5L/ 分試験片 Table14 スポット溶接条件及びナゲット径溶接電流 ka 溶接部厚 mm 散り散り面ナゲット径 mm

16 No.2(4.9kA) No.3(5.2kA) No.4(5.5kA) No.5(5.8kA) No.6(6.1kA) No.8(6.7kA) No.10(7.3kA) No.12(7.9kA) No.14(8.5kA) Photo5 適正溶接条件範囲試験における継手面タ16

17 3品質デー熱間圧延軟鋼板及び鋼帯 The quality data ナゲット径 / 面 ( mm ) t ka 散り 8.8kA 溶接電流 (ka) Fig.14 電流とナゲット成長の関係 Table15 適正電流範囲下限電流 (4 t) ka 上限電流 ( 散り ) 8.8kA 適正電流範囲 2.5kA 継手強度の評価上述の結果をふまえナゲット径 (4 t) となる ka でスポット溶接を行い Fig.15 のような引張せん試験と十字引張試験を行い継手強度を評価しました (a) (b) (a) せん試験片,(b) 十字引張試験片 Fig.15 引張せん試験と十字引張試験タ17

18 継手性能を Table16 に継手強度平均値を Table17 に示します引張せん試験十字引張試験の両者において形態はであり良好な形態を示していますまた両強度は通常軟鋼板のレベル以上であり十分な継手強度性能を示しています Table16 継手性能試験剪試験片 1 溶接電流 ka 溶接部厚 mm 3.11 散り面ナゲット径 mm 形態継手強度 kn 剪剪剪剪十字十字十字十字十字マクロマクロナゲット径 mm 4.65 (3.7 t) Table17 継手強度引張せん試験十字引張試験 kn kn (σ=0.072) (σ=0.085) 参考図対称プラグ d1 d2 非対称プラグ d1 d2 a) プラグの場合せんナゲットコロナボンド d1 d2 b) 界面の場合 d1 d3 d2 c) 部分プラグの場合 Fig.16 出所 JIS Z 3136(1999) タ18

19 HP 所在地本社東京都千代田区霞が関三丁目 7 番 1 号霞が関東急ビル15 階 TEL FAX ( 代表 ) TEL ( 建材課建材開発課 ) FAX ( 販売共通 ) TEL ( 鋼板課鋼板開発課 ) 大阪支店大阪府大阪市中央区安土町 2 丁目 3 番 13 号大阪国際ビルディング (3 階 ) TEL FAX 名古屋支店愛知県名古屋市中区栄二丁目 1 番 1 号日土地名古屋ビル (7 階 ) TEL FAX 九州支店福岡県北九州市若松区南二島 3 丁目 5 番 1 号東京製鐵株式会社九州工場内 TEL FAX 岡山営業所岡山県倉敷市南畝 4 丁目 1 番 1 号東京製鐵株式会社岡山工場内 TEL FAX 宇都宮営業所栃木県宇都宮市清原工業団地 11 番 1 東京製鐵株式会社宇都宮工場内 TEL FAX 田原工場愛知県田原市白浜 2 号 1 番 3 TEL FAX 岡山工場岡山県倉敷市南畝 4 丁目 1 番 1 号 TEL FAX 九州工場福岡県北九州市若松区南二島 3 丁目 5 番 1 号 TEL FAX 宇都宮工場栃木県宇都宮市清原工業団地 11 番 1 TEL FAX 高松鉄鋼センター香川県高松市朝日町 5 丁目 1 番 1 号 TEL FAX 技術的な内容のお問い合せ先技術開発部 TEL FAX kaihatsu@tokyosteel.co.jp 2016 年 10 月版本データに記載の情報および弊社製品の著作権は東京製鐵株式会社に帰属します

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00熱間圧延軟鋼板及び鋼帯-技術資料.indd To k y o S t e e l M a n u f a c t u r i n g C o., L t d. 熱間圧延軟鋼板及び鋼帯技術資料 SPHC材の成形性疲労特性スポット溶接性 Steel sheets Hot rolled coils 2015.06.01 INDEX 1. 3 2. 5 3. 6 3.1. 6 3.2. 7 3.3. 11 3.4. 13 3.5. 15 3.5.1.