表层细粒化热剪切加工方法及表层细粒化热剪切加工部件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于汽车、船舶、桥梁、建设机械、各种成套设备等中的含碳率为0. 15 质量％以上的钢板的表层细粒化热剪切加工方法及表层细粒化热剪切加工部件。
【背景技术】
[0002] 以往，对于用于汽车、船舶、桥梁、建设机械、各种成套设备等中的金属材料（钢 板），多实施利用冲头与冲模的剪切加工。近年，从安全性与轻量化的观点出发，各种部件 的高强度化进展，并进行如《7° b只技術》，Vol. 46, No. 7, 36-41页（以下称为"非专利文献 1"）所公开的大致同时进行压制成形与热处理而成形高强度部件的淬火压制。
[0003] 对于通常的冷压产品，在压制成形后实施冲孔及修剪等剪切加工。然而，对于淬火 压制产品若在成形后进行剪切加工，则因构件硬度较高而使剪切工具的寿命明显缩短。另 外，也担心起因于剪切加工部的残留应力而产生延迟破坏。因此，对于淬火压制产品多进行 激光切割而非剪切加工。
[0004] 然而，激光切割耗费成本，故至今已提出了在剪切加工后进行热处理的方法（参 照例如日本特开2009-197253号公报（以下称为"专利文献1"））、通过与热压同时而 在进行淬火之前进行剪切加工、减少剪切加工部的残留应力的方法（参照例如日本特开 2005-138111号公报（以下称为"专利文献2"））、日本特开2006-104526号公报（以下称 为"专利文献3"）、日本特开2006-83419号公报（以下称为"专利文献4"））、减缓剪切加 工部的冷却速度而降低淬火硬度的方法（参照例如日本特开2003-328031号公报（以下称 为"专利文献5"））、进行局部通电加热而仅使剪切加工预定部软化以进行加工的方法（参 照例如《CIRP Annals-Manufacturing Technology》57 (2008)，P. 321-324(以下称为"非专 利文献2")）、通过控制高强度钢板的剪切加工面的表层组织而改善延迟破坏性的关于剪切 加工的技术（参照日本特开2012-237041号公报（以下称为"专利文献6"））等。
【发明内容】
[0005] 发明所要解决的问题
[0006] 专利文献1~6所公开的方法及非专利文献2所公开的方法存在若干问题。专利 文献1所公开的方法是仅可使用于特定原材料的方法，而且其为用于剪切加工已经过淬火 的原材料的方法，因此未解决工具寿命下降的问题。
[0007] 专利文献2~4所公开的方法虽可减少钢板的变形阻力所导致的剪切加工部的残 留应力，但无法减少工具烧接、淬火时的模具接触的不均匀性所导致的热应力及伴随钢板 的相变而产生的残留应力。因此，热剪切加工部的延展性较低时，无法解决发生延迟破坏的 问题。而且，并未记载提高热剪切加工部的延展性的方法。
[0008] 专利文献5所公开的方法认为因钢板的剪切加工部并不硬化而可使延展性提高， 但仅延迟冷却速度这点就使加工时间变长，成本提高。而且，非专利文献2所公开的方法需 要准备新设有剪切加工用的通电加热装置的模具，成本提高。
[0009] 专利文献6所公开的方法虽具有改善延迟破坏性的效果而优异，但剪切加工开始 温度不论被加工材的材质及冷却速度而规定为400°C~900°C。因此，随着被加工材的材质 及加工条件的不同，可能在发生延迟破坏的温度区（低温侧）中进行剪切加工。相反，若为 了不产生延迟破坏而在所需以上的高温下进行剪切加工，热膨胀量增大，返回到常温时的 尺寸变化大。其结果是，加工部件的尺寸误差变大。因此，若根据实际的热剪切条件将剪切 加工温度精密控制在低温侧，则还有能进一步提升加工部件的加工精度并抑制延迟破坏的 可能性。
[0010] 专利文献6中公开了在剪切部表面上存在微细的铁素体时，不发生延迟破坏。然 而，例如实施例的表1中的钢板成分A8及A9所获得的结果即使用了表5的钢板A8的实验 编号36-40中，即便以相同的加热条件与保持条件、相同的剪切加工温度与冷却速度进行 加工，组织有时也不均匀而发生延迟破坏。此外，使用表5的钢板A9的结果也同样。
[0011] 本发明为解决以上问题，以无需增加加工时间及新工时即可防止在热剪切加工部 产生的延迟破坏、以及提高产品的加工精度为课题，目的在于提供可解决该课题的表层细 粒化热剪切加工方法，以及提供可满足这些要求的表层细粒化热剪切加工部件。
[0012] 用于解决问题的手段
[0013] 本发明人等对解决上述问题的方法进行了锐意研究。结果发现，若基于剪切加工 部表层的等效塑性应变量将开始剪切加工的温度（剪切加工开始温度）设定在适当范围 内，即便在剪切加工部存在较高残留应力，也不产生延迟破坏。
[0014] 即，加工部的等效塑性应变量虽受加工时的温度、加工前的组织（铁素体或奥氏 体）所影响，但加工后的组织变化则随着加工部的等效塑性应变量和加工温度而不同。对 于如何不同，钢板的组成、加工前进行压制加工时该压制加工的条件及伴随其的温度过程 均影响。通过考虑这些全部因素而使加工温度适当化，发现了即便在剪切加工部存在高的 残留应力，也可不发生延迟破坏而提高尺寸精度的条件。
[0015] 特别是，如果考虑含碳率为0. 15质量％以上时剪切冷却后的冷加工性，优选对于 含碳率为0.48质量％以下的JIS G 4051所规定的机械构造用碳钢，在放冷时的实测Ar3 点大致为500°C以下，若如此即可应用本发明，已在JIS G 4051的S17C、S25C、S35C及S45C 的冷乳钢板中进行了确认。
[0016] 本发明是基于上述见识而完成的，其要旨如下所述。
[0017] 本发明的第1形态提供一种表层细粒化热剪切加工方法，其将含碳率为0. 15质 量％以上的钢板在Ac3~1400°C的范围内加热、保持而进行奥氏体化后，将其设置于模具 中进行剪切加工，并快速冷却进行淬火处理；其中，将开始所述剪切加工的温度设为对于预 先测定的所述钢板的Ar3加上30~140°C后的温度（°C )。
[0018] 本发明的第2形态提供一种表层细粒化热剪切加工方法，其将含碳率为0. 15质 量％以上的钢板在Ac3~1400°C的范围内加热、保持而进行奥氏体化后，将其设置于模具 中进行剪切加工，并快速冷却进行淬火处理；其中，将开始所述剪切加工的温度设为对于预 先测定的所述钢板的Ar3加上剪切加工部的表层的等效塑性应变量乘以40~60的系数所 算出的值后的温度（°C)。
[0019] 本发明的第3形态提供基于本发明的第2形态的表层细粒化热剪切加工方法，其 中，将所述剪切加工部的表层的等效塑性应变量作为下述区域的等效塑性应变量的平均值 算出，该区域为：从所述剪切加工部的剪切面在所述剪切面的法线方向上朝钢板内侧在所 述钢板的板厚的5~20%的范围，且从所述剪切加工部的毛边侧的下表面朝所述钢板的板 厚方向在该钢板的板厚的20~50%的范围。
[0020] 本发明的第4形态提供基于本发明的第2或第3形态的表层细粒化热剪切加工方 法，其中，通过基于钢板温度为500~800°C的应力-应变线图进行的数值模拟，算出所述剪 切加工部的表层的等效塑性应变量。
[0021] 本发明的第5形态提供基于本发明的第2~第4形态中任一形态的表层细粒化热 剪切加工方法，其中，基于下述式（1)的Mises的屈服函数，算出所述剪切加工部的表层的 等效塑性应变量。
[0023] 本发明的第6形态提供基于本发明的第1或第2形态的表层细粒化热剪切加工方 法，其中，钢板接触模具后至开始钢板的剪切加工为止在3秒以内。
[0024] 本发明的第7形态提供基于本发明的第1或第2形态的表层细粒化热剪切加工方 法，其中，通过使所述钢板与所述模具接触来进行所述快速冷却。
[0025] 本发明的第8形态提供基于本发明的第1或第2形态的表层细粒化热剪切加工方 法，其中，通过使从设于所述模具的钢板接触部的孔喷出的水通过设于所述钢板接触部的 沟槽，进行所述快速冷却。
[0026] 本发明的第9形态提供基于本发明的第1或第2形态的表层细粒化热剪切加工方 法，其中，在对所述钢板进行所述加热与所述剪切加工之间，对该钢板进行不伴随断裂的压 制成形。
[0027] 本发明的第10形态提供一种表层细粒化热剪切加工部件，其中，在含碳率为0. 15 质量％以上的钢板的剪切加工部，在从断裂面在剪切面的法线方向上朝钢板内侧10 0 μ m 的范围的表层由铁素体相和剩余部分所构成；所述剩余部分含有晶体粒径在3 μπι以下的 贝氏体相、马氏体相、残留奥氏体相中的至少1相、及渗碳体和不可避免生成的夹杂物；所 述铁素体相的平均粒径为3 μ m以下，且以个数计含有5%以上的纵横比为3以上的晶粒，并 且该100 μL?的范围外由马氏体与不可避免生成的夹杂物构成，或者该100 μπι的范围外由 贝氏体与马氏体及不可避免生成的夹杂物构成。
[0028] 本发明的第11形态提供基于本发明的第10形态的表层细粒化热剪切加工部件， 其中，所述表层中，所述渗碳体的个数密度为〇. 8个/μπι3以下，且所述渗碳体的最大长度 为3 μπι以下。
[0029] 本发明的第12形态提供基于本发明的第10或第11形态的表层细粒化热剪切加 工部件，其中，通过EBSD(电子背散射衍射法）观察所测定的所述贝氏体相及马氏体相以及 残留奥氏体相合计得到的所述表层中的面积率为10~50%。
[0030] 本发明的第13形态提供一种表层细粒化热剪切加工部件，其通过将含碳率为 0. 15质量％以上的钢板在Ac3~1400°C的范围内加热、保持而进行奥氏体化后，将其设置 于模具中进行剪切加工，并快速冷却进行淬火处理而制造，并且，开始所述剪切加工的温度 设为对于预先测定的所述钢板的Ar3加上30~140°C后的温度（°C )。
[0031] 本发明的第14形态提供一种表层细粒化热剪切加工部件，其通过将含碳率为 0. 15质量％以上的钢板在Ac3~1400°C