JP4969907B2

JP4969907B2 - ドア部材用鋼板及びその製造方法

Info

Publication number: JP4969907B2
Application number: JP2006135549A
Authority: JP
Inventors: 昇一甲谷; 敬之中原; 昭史平松
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2026-05-15
Also published as: JP2007302984A

Description

本発明は、住居，事務所等のドア部材、特に鍵穴周辺のドア部材に用いられ、ドリル等の工具による穴あけに長時間を要するドア部材用鋼板及びその製造方法に関する。

住宅，事務所等のドア部材には、板厚：０.６〜１.０ｍｍ程度の普通鋼塗装鋼板や亜鉛めっき鋼板が使用されている。ドアには、加工性，意匠性，耐久性の他に外部からの侵入を防止する機能が要求されるため、工具類では容易に開錠できない錠が取り付けられる。開錠防止対策の高度化に対応して、鍵穴周辺のドア部材に電動ドリルで直径：１０ｍｍ程度の穴を開け、穿孔部から特殊工具をドア内側まで挿し込んで開錠するサムターン，金切挟を用いて穿設部を起点に腕が入る程度に穴径を拡げた後、穴からドア内側に回した手で開錠する手口等による不法侵入が急増している。

ドア部材を穿孔してドア内側から開錠する侵入への対策として、穴あけが困難な材料をドア外板に使用する方法，穿孔しがたい部材を鍵穴周辺のドア壁内に組み込んだ構造等が検討されており、難ドリル加工性に優れた鋼板が強く要求されている。ドア部材の穿孔に時間がかかる分だけ侵入現場を視認される確率が高くなるので、現在の段階では"ドリル穴をあけるために従来材の３倍以上の時間を要すること"がドア部材用鋼板の要求基準とされている。

ドア部材用鋼板への転用が予測される材料として金庫用材料がある。金庫用材料は、難ドリル加工性，難溶断性を改善した材料であり、合金鋼の間にセラミックスをクラッドした材料（特許文献１），難ドリル加工性の低合金工具鋼をオーステナイト系耐熱鋼にクラッドした材料（特許文献２），難ドリル加工性のＭｎ鋼板の表面に難溶断性のステンレス鋼を肉盛りした材料（特許文献３）等が知られている。しかし、何れもクラッドや肉盛りで製品化することから高価な材料であり、セラミックスをクラッドした材料では廃材のリサイクルにも問題がある。
特開平6-166136号公報特開平5-92280号公報特開平9-21276号公報

本発明は、ドアを穿孔して内側から開錠する不法侵入に対する防御を図るべく、難ドリル加工性に優れた材料を調査・検討した結果見出されたものであり、製品コストを上げるクラッドや肉盛り等に依ることなく、常温硬さ及び高温硬さの規制により"ドリル穴をあけるために従来材の３倍以上の時間を要すること"の要求基準を大きく上回り６倍以上の穴開け時間を要するドア部材用鋼板を提供することを目的とする。

本発明のドア部材用鋼板は、Ｃ：０.３〜１.３質量％，Ｓｉ：２.５質量％以下，Ｍｎ：０.１〜２.０質量％，Ｐ：０.０５質量％以下，Ｓ：０.０５質量％以下，Ｃｒ：１.２３〜２.０質量％を含み、残部が不純物を除きＦｅの組成をもつ鋼材を８００〜９５０℃に加熱保持した後、３０〜８０℃／秒で冷却して焼入れし、或いは引き続き２００〜６００℃に加熱保持した後冷却することにより得られ、常温での硬さが４５０ＨＶ以上のマルテンサイト組織をもち、４００℃での硬さが３８０ＨＶ以上であることを特徴とする。
必要に応じＮｉ：０.１〜１.５質量％，Ｍｏ：２.０質量％以下，Ｖ：０.５質量％以下，Ｎｂ：０.００５〜０.１質量％の一種又は二種以上を含む鋼材である。
当該ドア部材用鋼板は、当該組成をもつ鋼材を８００〜９５０℃に加熱保持した後で３０〜８０℃／秒で急冷する焼入れ、或いは引き続き２００〜６００℃に加熱保持した後冷却する焼戻しにより製造される。

発明の効果及び実施の形態

本発明者等は、金属組織，硬さ等が難ドリル加工性に及ぼす影響を調査した結果、常温・高温での硬さが高いほどドリルを用いた穴あけに長時間を要することを究明した。特殊鋼材料で高硬度を得る手段として焼入れ，焼入れ・焼戻し等の熱処理があるが、Ｓ５５Ｃ，ＳＫ８５等の中〜高炭素鋼に４００ＨＶ以上の硬さを熱処理で付与すると、"ドリル穴をあけるために従来材の３倍以上の時間を要すること"の要求基準を満足する。

ドア部材に要求される難ドリル加工性は、従来材の３倍が貫通時間の下限であるが、ドリル穴あけ時に３倍以上かかり、理想的にはどのような条件下でも穴があかないことが防犯性の面から望まれる。そこで、本発明者等は、６倍以上の貫通時間が必要なドア部材用鋼材を種々調査・検討した。
要求基準を満足する高硬度は、Ｃｒを主としてＭｏ，Ｖ，Ｎｂ等の添加によってマルテンサイト組織を硬質化することにより達成される。Ｃｒを初めとする炭化物は硬質であり、高温域においても高い軟化抵抗を示す。そのため、従来材に比較して格段に優れた難ドリル加工性を呈する。

なお、本明細書においては、ドリルを用いた穴あけに限らず、ホールソー，金切り鋏等の工具を用いた穴あけに対しても強い抵抗を示すことを"難ドリル加工性"という。一般に、ホールソー，金切り鋏等に比較してドリルを用いた方がより短時間で穴あけできることから、難ドリル加工性によって他の工具を用いた場合の難穴あけ性も評価できる。
本発明のドア部材に使用される鋼材は、常温での硬さ：４５０ＨＶ以上のマルテンサイト組織が得られるように成分調整され、Ｃｒ及び必要に応じてＭｏ，Ｖ，Ｎｂ等の添加によってマトリックスに析出する炭化物を硬質化し、４００℃での硬さを３８０ＨＶ以上に調整している。

〔成分設計〕
・Ｃ：０.３〜１.３質量％
鋼材の硬度を確保する上で必要な成分であり、十分な焼入れ硬さを得るため０.３質量％以上が必要であり、０.３質量％以上に調整することにより焼入れ・焼戻し後の硬さを高め、難ドリル加工性を向上させている。しかし、過剰量のＣが含まれると熱処理時に焼割れが発生する虞があるので、上限を１.３質量％(好ましくは、１.１質量％)とする。

・Ｓｉ：２.５質量％以下
高温硬さの改善に有効な成分であるが、２.５質量％を超える過剰量が含まれると多量の黒鉛が生成しやすくなる。黒鉛は、難ドリル加工性と逆の特性である快削性を付与する。好ましくは、０.１５〜２.０質量％の範囲でＳｉ含有量を選定する。
・Ｍｎ：０.１〜２.０質量％
焼入れ性の向上に有効な成分であり、０.１質量％以上でＭｎの添加効果がみられる。しかし、２.０質量％を超えるＭｎの過剰添加は、偏析を助長し強度低下の原因となる。好ましくは、０.１〜１.８質量％の範囲でＭｎ含有量を選定する。

・Ｐ，Ｓ：０.０５質量％以下
共に靭性に悪影響を及ぼす成分であり、少ないほど好ましい。本成分系では、Ｐ，Ｓ起因の弊害を解消するため、何れも０.０５質量％以下(好ましくは、０.００３質量％以下)に規制している。
・Ｃｒ：０.８〜２.０質量％
焼入れ性，高温硬さの向上に必須の成分であり、０.８質量％以上でＣｒの添加効果がみられる。また、４００℃付近から炭化物の凝集を起こりにくくさせて鋼材の軟質化を遅延させ、高温硬さを改善する。Ｃｒの増量に応じて高温硬さも高くなる。しかし、２.０質量％を超える過剰量のＣｒが含まれると、多量の未溶解炭化物が生成しやすくなり、Ｃｒの増量に見合った高温硬さの上昇が得られない。好ましくは、０.８〜１.６質量％の範囲でＣｒ含有量を選定する。

・Ｎｉ：０.１〜１.５質量％
必要に応じて添加される成分であり、焼入れ性，靭性の向上に寄与する。Ｎｉの添加効果は０.１質量％以上でみられるが、１.５質量％で飽和する。１.５質量％を超える過剰添加は、鋼材コストを上昇させることからも不利である。好ましくは、０.１〜１.３質量％の範囲でＮｉ含有量を選定する。
・Ｍｏ：２.０質量％以下
必要に応じて添加される成分であり、焼入れ性，高温硬さの向上に寄与する。しかし、高価な元素であり過剰添加は鋼材コストの上昇を招くので、Ｍｏを添加する場合には上限を２.０質量％（好ましくは、１.７質量％）に設定する。

・Ｖ：０.５質量％以下
必要に応じて添加される成分であり、焼入れ時に結晶粒を微細化して靭性を向上させる。靭性が高くなると、ドア部材を穴あけする場合に鋼材が刃先に溶着しやすくなり、結果として難ドリル加工性が改善される。しかし、高価な元素であり過剰添加は鋼材コストの上昇を招くので、Ｖを添加する場合には上限を０.５質量％(好ましくは、０.４質量％)に設定する。
・Ｎｂ：０.００５〜０.１質量％
必要に応じて添加される成分であり、硬質の炭窒化物を形成すると共にオーステナイト粒の粗粒化を抑制し、靭性，難ドリル加工性の向上に寄与する。このような効果は０.００５質量％以上のＮｂ添加でみられるが、旧オーステナイト粒を微細化させる上では０.１質量％以下のＮｂ添加で十分である。Ｎｂを添加する場合、好ましくは０.００５〜０.０９質量％の範囲でＮｂ含有量を調整する。

〔常温硬さ，高温硬さ〕
前掲の組成をもつ鋼材を熱処理によって常温での硬さ：４５０ＨＶ以上，４００℃での硬さ：３８０ＨＶ以上に調質すると、ドリル穴あけに要する時間が従来材の６倍以上となり、難ドリル加工性が非常に優れたドア部材が得られる。本件で４００℃での硬さを問題にしているのは、ドリル穴あけ時にドリルとの摩擦熱によって鋼材が約４００℃まで昇温することを前提にしている。
通常の鋼材においては、温度上昇に伴ってマルテンサイトからＣが次第に炭化物として析出し，析出炭化物の凝集により軟質化が進行する。これに対し、Ｃｒを必須成分としている本成分系では、炭化物の凝集が起こりにくいため軟質化が遅延し、高い高温硬さが維持される。すなわち、ドリル穴あけ時でも十分硬いので、ドリル刃が鋼材に食い込み難く穴があきにくい。

Ｃｒの固溶で硬質化したセメンタイトとの接触によりドリル刃に摩耗や欠損が生じると、刃先が鈍くなって鋼材に食い込み難くなることも、難ドリル加工性が向上する原因である。具体的にはセメンタイトに最大２０質量％程度までＣｒが固溶するが、その場合の硬さは１８００ＨＶにも達する。因みに、Ｃｒが固溶していないセメンタイトの硬さは１２００ＨＶ程度に過ぎない。硬度差ΔＨ：約６００ＨＶは、高温硬さと相俟って難ドリル加工性を大幅に向上させる。

常温での硬さ：４５０ＨＶ以上，４００℃での硬さ：３８０ＨＶ以上は、前掲した組成をもつ鋼材について種々の穴あけ実験をした結果から導き出された指標である。常温硬さ：４５０ＨＶ以上であっても、ドリル穴あけ時に軟質化する鋼材では十分な難ドリル加工性が得られない。逆に高温硬さが十分であっても常温硬さが４５０ＨＶを下回る鋼材では、切削温度に到達するまでの間に幾分かの穴あけが進行してしまうので、優れた難ドリル加工性が得られない。したがって、常温での硬さ：４５０ＨＶ以上，４００℃での硬さ：３８０ＨＶ以上が難ドリル加工性の向上に必要となる。

〔ドア部材の製造〕
本発明のドア部材は、(１)，(２)何れの方法でも製造でき、成分・組成，組織，常温硬さ，高温硬さが適正に管理される限り難ドリル加工性に優れたドア部材が得られる。
(１) マルテンサイト組織をもつ鋼板又は鋼帯を用意し、切断，穴あけ，曲げ等によって目標形状に加工する。
(２) 軟質の鋼板又は鋼帯を目標形状に加工した後、焼入れ・焼戻し等の熱処理で硬質化し、優れた難ドリル加工性を付与する。

〔熱処理〕
所定組成に調整された鋼材は、焼入れ・焼戻し等の熱処理によって常温硬さ：４５０ＨＶ以上に調質される。或いは、調質後に目標形状に加工しても良い。熱処理では、オーステナイト域からの焼入れによってマルテンサイト組織とするため、溶体化温度を８００℃以上に設定する。しかし、高すぎる溶体化温度や長すぎる溶体化処理時間は結晶粒を粗大化して焼き割れ感受性を増大させるので、焼入れ処理では溶体化温度を８００〜９５０℃，加熱保持時間を２０分以下にすることが好ましい。

焼入れ・焼戻し処理では、焼入れされた鋼板を焼き戻すことにより、常温硬さ，高温硬さ，靭性を改善し、優れた難ドリル加工性を発現させる。焼戻し温度は、４５０ＨＶ以上の常温硬さを得るため２００〜６００℃の範囲で設定される。加熱保持時間は６０分以下で十分であり、６０分を越えて長時間加熱しても焼戻し効果の更なる向上はみられない。

表１の組成をもつ鋼材を溶製し、鋳造した。なお、鋼材Ｂ及びＨを用いた例は、参考例である。

鋼材Ａについては、熱延→焼鈍→冷延→焼鈍により板厚：１.０ｍｍの鋼板とした。
鋼材Ｂ〜Ｊについては、熱延→焼鈍→冷延で板厚：１.０ｍｍの鋼板とした後、焼入れ又は焼入れ・焼戻しによってマルテンサイト組織に作り込んだ。焼入れ処理には、８００〜９５０℃に１〜２０分加熱保持した後、３０〜８０℃／秒で冷却し、６０℃の油に焼き入れる方法を採用した。焼入れ・焼戻し処理では、同様な焼入れ処理に続いて２００〜６００℃に１〜３０分加熱保持した後、空冷する方法を採用した。

得られた鋼板は、フェライト組織の鋼種Ａ1を除き、何れもマルテンサイト組織であった。鏡面研磨した鋼板の断面を測定面に指定し、高温硬さ計を用いＡｒ雰囲気中、試験荷重：２００ｇでビッカース硬さを測定した。試験温度：４００℃の場合、４００℃まで昇温して５分間加熱保持した後の硬さを測定した。

各鋼板から切り出した試験片をドリル穴あけ試験に供し、ドリル貫通時間（ドリル径と同じサイズの穴があくまでに要した時間）によって難ドリル加工性を評価した。
ドリル穴あけ試験では、刃径：６ｍｍ，先端角：１３５度のコバルトハイスストレートドリルを用い、１９６Ｎの負荷荷重(ドリルを長さ方向に押さえる荷重)をかけ、回転数：６０ｒｐｍで試験片を穴あけした。
何れの試験片に対しても新品のドリルを用い、穴あけ開始から１２０秒経過した時点でも試験片に貫通孔が生じなかった場合を"貫通せず"と評価した。また、現行材相当の鋼種Ａ1の貫通時間が１０秒であることから、貫通時間が６倍（６０秒）以上であった試験片を"難ドリル加工性が優良"と評価できる。

表２の試験結果にみられるように、成分・組成が特定された系において常温硬さ：４５０ＨＶ以上，高温硬さ：３８０ＨＶ以上の試験片は、何れも難ドリル加工性の基準である３倍以上をクリアすることは勿論、６倍以上の難ドリル加工性を示した。
これに対し、Ｃｒ無添加の鋼種Ａ，Ｅ，Ｉは、熱処理後の硬さが不足し、貫通時間が従来材の３倍以上に達しなかった。鋼種Ｇは、常温硬さが４７１ＨＶと比較的高い値を示したが、高温硬さが３３７ＨＶと低いため４２秒で貫通した。

Ｂ1，Ｄ1，Ｆ1，Ｈ1では、本発明で規定した成分条件を満足する鋼種を使用しているものの、焼戻し温度が高すぎたため常温硬さが４５０ＨＶ未満となり、"ドリル穴をあけるために従来材の６倍以上の時間を要すること"の要求基準に達しなかった。６倍以上の貫通時間に常温硬さ：４５０ＨＶ以上，４００℃での硬さ：３８０ＨＶ以上が必要なことは、常温硬さが若干不足するＦ1の貫通時間が５５秒、常温硬さ，高温硬さ共に若干低いＨ1の貫通時間が５２秒であったことからも理解できる。

貫通時間を鋼材の種類，常温硬さとの関係で整理したところ、本発明で規定した成分条件及び常温硬さ：４５０ＨＶ以上で初めて６０秒を超える貫通時間となった（図１）。更に貫通時間と高温硬さとの関係を調査したところ、常温硬さ：４５０ＨＶ以上を満足していても高温硬さが３８０ＨＶに達しない場合には貫通時間が短くなる傾向にあり、６０秒以上の貫通時間を安定して得る上で４００℃での硬さ：３８０ＨＶ以上が必要なことが確認された（図２）。

以上に説明したように、所定量のＣｒを添加した鋼種を熱処理して常温での硬さ：４５０ＨＶ以上，４００℃での硬さ：３８０ＨＶ以上に調質することにより、従来材に比較して６倍以上の貫通時間がドリル穴あけに必要となり、難ドリル加工性が大幅に向上したドア部材用鋼板が得られる。該鋼板から作製されたドア部材は、長時間のドリル穴あけを必要とするため、不法侵入を未然に防ぐ建築資材として重宝される。

ドリル穴あけに要する貫通時間に常温硬さが及ぼす影響を表したグラフドリル穴あけに要する貫通時間に高温硬さが及ぼす影響を表したグラフ

Claims

Ｃ：０.３〜１.３質量％，Ｓｉ：２.５質量％以下，Ｍｎ：０.１〜２.０質量％，Ｐ：０.０５質量％以下，Ｓ：０.０５質量％以下，Ｃｒ：１.２３〜２.０質量％を含み、残部が不純物を除きＦｅの組成をもつ鋼材を８００〜９５０℃に加熱保持した後、３０〜８０℃／秒で冷却して焼入れし、或いは引き続き２００〜６００℃に加熱保持した後冷却することにより得られ、常温での硬さが４５０ＨＶ以上のマルテンサイト組織をもち、４００℃での硬さが３８０ＨＶ以上であることを特徴とする難ドリル加工性に優れたドア部材用鋼板。
更にＮｉ：０.１〜１.５質量％，Ｍｏ：２.０質量％以下，Ｖ：０.５質量％以下，Ｎｂ：０.００５〜０.１質量％の一種又は二種以上を含む請求項１記載のドア部材用鋼板。
請求項１又は２記載の組成をもつ鋼材を８００〜９５０℃に加熱保持した後、３０〜８０℃／秒で冷却して焼入れし、或いは引き続き２００〜６００℃に加熱保持した後冷却することを特徴とする難ドリル加工性に優れたドア部材用鋼板の製造方法。