特集 鉄鋼業におけるモノづくり
自動車用薄鋼板における研究の現状
はじめに
CO2排出量削減を目指した鉄鋼材料研究の背景
地球温暖化防止の観点から、日本国内でも2050年までにCO2排出量実質ゼロ、すなわちカーボンニュートラル社会の実現に向けて、科学技術の世界全体で大きな動きが始まっている（1）。そのような動向の中、鉄鋼企業は多量のCO2を排出する産業として矢面に立つこととなり、特に必然的にCO2排出を伴う製鉄プロセスが、ある意味これまで以上に世間から注目されるようになっている。しかしこれはもちろん上工程だけの問題ではなく、下工程におけるプロセスや、その後の成型加工、製品化された後の使用に際して必要なエネルギー消費をトータルで抑えていくことが重要となってくることは言うまでもない。
鉄鋼材料の研究・開発の立場からは、この社会ニーズに対応するため、これまで材料の高強度化が進められてきた。特に自動車に用いられる薄鋼板を高強度化により薄肉化することができれば、自動車の車体軽量化が可能となり、燃費の向上につながる。その結果、化石燃料の消費が減り、実質的なCO2排出量を削減することができる。しかし、薄鋼板のプレス成形性を確保するためには、強度と同時に伸びや絞りなどの延性の確保が重要であり、その相反する特性を兼備した材料を創成するための組織制御技術に関する研究が行われてきた。最近ではそのような強度と延性を兼ね備えた自動車用鋼板はAHSS（Advanced High-Strength Steels）（2）と呼ばれ、現在用いられているDP（Dual-Phase）鋼やTRIP（Transformation-Induced Plasticity）鋼などの高強度鋼は第1世代AHSSと位置付けられ、第2世代AHSSのTWIP鋼（3）、第3世代AHSSの中Mn鋼（4）〜（8）やQ&P鋼（9）〜（12）などの研究が進められている。
しかし一方で、強度と延性の両立という概念とは全く異なる新しい方針として、ホットスタンプ（Hot Stamping）技術（5）（13）が開発された。材料を高温のオーステナイト域からプレス成形し、同時に金型による抜熱を利用して急冷して、焼入マルテンサイト組織をそのまま車体に使用しようとする革新的な発想である。この技術により、冷間での成形性を気にすることなく鋼板の高強度化を図れるため、すでに自動車の多くの部材への適用が進んでいる。しかしながら、ホットスタンプを行うためには鋼板の再加熱が必要となる。CO2排出規制の動きがさらに強まる中、省エネの観点からは必ずしもベストの解とは限らないという見方もある（14）。つまり究極的には、高強度と高延性を有する鋼材を簡易プロセスで製造し冷間成形する技術開発が目指すべき目標になるのではないかと思われる。
上述のように今後の鉄鋼材料研究においては、やはり従来通り強度-延性バランスの改善を目指した組織制御に関する研究開発の重要性は変わらない。ただ一方ではそれを簡易なプロセスで、例えば熱処理を施すことなく非調質で作りこむプロセスに関する研究も必要になると考えられる。本稿では、最近の高強度鋼板、特に第3世代AHSSである中Mn鋼とQ&P鋼の開発に向けた動向について述べさせていただくと同時に、省エネルギーを目的とした簡易プロセスに関する研究（15）を紹介させていただく。
最近の高強度薄鋼板の研究
第3世代AHSS（中Mn鋼およびQ&P鋼）における研究の現状
鉄鋼材料の強度と伸びを両立させるには、材料の加工硬化性を制御することが重要である。高い加工硬化率を有する鋼板は、成型加工後の製品が高強度となることはもちろんのこと、成型時にひずみが集中して板厚が薄くなった箇所で加工硬化を生じることで、局所的なひずみ集中によるくびれの進行を抑え、破断を遅延させる効果がある。現在、自動車用鋼板にハイテンとして使用されているDP鋼とTRIP鋼はいずれも加工硬化性の高い材料として知られている。図1に、同一組成のDP鋼、TRIP鋼（Fe-1.5%Mn-1.5%Si-0.2%C）およびフェライト-パーライト組織を有する普通炭素鋼（Fe-0.24%C合金）の応力-ひずみ曲線を示す。DP鋼とTRIP鋼は、普通炭素鋼に比べてより顕著に加工硬化が生じることで、高い引張強さを示すことがわかる。DP鋼における高い加工硬化率は、組織中に存在する硬質のマルテンサイトが基地のフェライトよりも高い応力を担うことでもたらされている（16）。しかしDP鋼の場合は、その効果により変形初期から急激な流動応力の上昇が生じる結果、伸びは普通炭素鋼に比べて劣ることになる。それに対してTRIP鋼は、変形初期の加工硬化率はそれほど大きくはなく、高ひずみ域まで加工硬化が継続するといった特徴を有している。その結果、高ひずみ域まで試料のくびれを起こすことなく大きな均一伸びが得られているのである。これは、加工硬化をもたらす硬質のマルテンサイトの量が、初期は少なく、変形と共に増加するという好都合な組織変化に起因するが、それを残留オーステナイトの加工誘起変態によって実現している。加工誘起変態によって加工硬化率が維持され高延性が得られる現象をTRIP効果（17）と呼んでいる。
図1 同一組成の DP 鋼、TRIP 鋼（Fe-1.5%Mn-1.5%Si-0.2%C）およびフェライト-パーライト組織を有する普通炭素鋼（Fe-0.24%C 合金）の応力 – ひずみ曲線
近年研究が進められている第3世代AHSSでは、このTRIP効果を最大限に利用し、かつ基地組織の強化を図るという方向で開発が進められている。第3世代AHSSの一つである中Mn鋼（4）〜（8）は、基地を高強度のマルテンサイト組織とし、そこに残留オーステナイトを分散させて強度-伸びバランスを向上させた鋼種が基本となる。製造方法は5〜10％程度のMnを添加した低炭素鋼に対して、図2（a）に示す焼入れ-焼戻しの熱処理を施すだけの単純なものであるが、普通鋼における焼入れ-焼戻しとの相違点は、焼戻し時に炭化物ではなくオーステナイトを一部析出（逆変態）させ、かつその内部にMnやCなどのオーステナイト安定化元素を濃化させることで残留オーステナイトを安定化させるところにある。なお、ここでの焼戻しはオーステナイト＋フェライト二相域で行われるため、二相域焼鈍（Intercritical annealing）と呼ばれている。中Mn鋼は通常のTRIP鋼と異なり、基地が焼戻マルテンサイトであることから基地の強度制御も比較的容易である。しかし、残留オーステナイトに十分な元素分配を生じさせるために高温で二相域焼鈍を行うと、今度は基地強度が低下するという問題が生じる。そこで中Mn鋼では多くの場合、二相域焼鈍前に冷間圧延が施され、基地を微細粒組織として高強度化が図られている（4）。それに対して筆者らは、後述するように、安定な残留オーステナイトを分散させた焼戻マルテンサイト基地に、さらに第3組織である焼入れ状態のマルテンサイト（フレッシュマルテンサイト）を混在させることで、高い強度を確保させる手法を提案している（7）（8）。
一方、もう一つの代表的な第3世代AHSSにQ&P鋼（9）〜（12）と呼ばれる鋼種がある。Q&Pとは図2（b）に示すように焼入れ処理（Quenching）と分配処理（Partitioning）の二つの工程からなる熱処理をまとめて表記したものである。まずはじめの焼入れで一部の未変態オーステナイトが残る温度で冷却を停止し、その後適切な温度で保持することで部分変態させたマルテンサイト中の固溶炭素を未変態オーステナイト部へ分配させて安定化し、残留オーステナイト量を増大させるという考え方がQ＆Pプロセスの骨子になっている（図2b）（9）。通常のフェライトやベイナイト変態を利用した低合金TRIP鋼とは異なり、基地がマルテンサイトとなることから、より高強度側の特性を狙うことが可能である。薄鋼板の強度と伸びの関係に中Mn鋼とQ&P鋼がカバーし得る領域を記入した図面を図3（2）〜（13）に示す。これらの第3世代AHSSは、現用のDP鋼や低合金TRIP鋼を上回る強度と伸びを有しており、今後、自動車への実装が期待される。
図2 中 Mn 鋼（a）および Q&P 鋼（b）における代表的な熱処理と組織変化を示す模式図
図3 高強度薄鋼板における強度と伸びの関係
さらに最近の研究においては、オリジナルのQ&Pプロセスに対して、熱処理の改良や対象材料の拡大などによって新しい鋼種の提案がなされている。例えば、Hsu（18）はQ&Pの後に焼戻し（Tempering）を加えたQPTプロセスを提案している。分配処理後に焼戻しを行うと、炭化物の析出による残留オーステナイトの不安定化や残留オーステナイトの分解などの問題が生じる可能性があるが、Nbなどの析出強化元素を添加し、適切な条件設定を行うことで基地に積極的に炭化物を析出させて強化しようとする考え方である。また、筆者ら（7）（8）は、Q&P鋼における焼入れ処理時の冷却停止と、中Mn鋼における二相域焼鈍とを組み合わせた熱処理により、焼戻しマルテンサイト基地中にフィルム状の残留オーステナイトで取り囲まれたフレッシュマルテンサイト（コア-シェル構造組織）を分散させ、中Mn鋼の強度の向上を試みている。さらにQ&Pプロセスの改良は進んでおり、対象材料にMnやCrなどの合金元素を添加することでマルテンサイト変態終了温度（Mf点）を室温以下にまで低下させ、焼入れ処理時の冷却停止を不要とした手法（19）や、さらにマルテンサイト変態開始温度（Ms点）が室温付近になるよう鋼成分を調整することで、室温への焼入れで準安定オーステナイト組織を形成させ、その後の加工によって加工オーステナイト＋加工誘起マルテンサイトとしたのちに分配処理を行うDeformed and Partitioned（D&P）steel（20）やRolling and Partitioning（R&P）method（21）も提案されている。Huangら（20）は、Fe-10%Mn-0.47%C-2%Al-0.7%V合金に対してD&Pプロセスを適用することで、高い転位密度を有するマルテンサイト基地、超微細なラメラ状オーステナイト、ナノサイズのバナジウム炭化物などの特徴を有した組織が形成され、条件によっては2 GPaを超える降伏強度と15％を超える伸びが得られることを報告している。以上のように、さまざまな着眼点から高い強度と延性を兼ね備えた鋼板が提案されてきたが、これらが実ラインで製造可能となり、プレス加工による成形性が確保されれば、自動車のさらなる軽量化と燃費の低減に貢献することが大いに期待される。
省エネプロセス
ワンヒートプロセスの試みと必要とされる新しい技術
材料の特性を高めるという観点からは、上記の通り適切な合金設計と精緻に制御された熱処理によって今後の発展が見通せるが、冒頭で述べた鉄鋼製造におけるCO2排出削減という観点からは、熱処理プロセスを簡略化し、省エネルギー化を図ることが望まれる。通常、ハイテンの製造には熱間圧延後に冷間圧延を行ったのち、熱処理時の鋼材温度制御が精度良く行いやすい連続焼鈍炉（CAL）が使用され、熱間圧延時に一度巻き取ったコイルが再加熱されたのち、種々の熱履歴が与えられて製造されている。しかし、再加熱のプロセスを省略し、熱間圧延と冷却制御のみで非調質鋼として高強度・高延性ハイテンを製造できれば冷間圧延後の鋼板の加熱冷却を省略でき、著しいエネルギー削減につながるであろう。NEDOの「先導研究プログラム/エネルギー・環境新技術先導研究プログラム/熱制御科学による革新的省エネ材料創製プロセスの研究開発」（15）において、熱間圧延後の鋼板を直接Ms点以下の低温まで急冷・等温保持するいわゆるOne-Step Q&P処理をラボ試験より大きいサブメートルサイズの鋼板で実施する試みを行い、組織制御の可能性について検討している（ワンヒートプロセス）。熱間圧延後の水冷時に保持される温度は、従来から水冷による伝熱制御（熱流束の制御）が難しいとされている遷移沸騰領域に対応するが、この温度域での冷却速度や冷却停止温度などの制御を行うことで、現在の熱間圧延、冷間圧延後の連続焼鈍という鋼板の加熱冷却を2回行うマルチヒートによる高強度鋼板の製造を、熱間圧延のみのワンヒートプロセスにより製造可能になると指摘している。実ラインでの実施にはいまだ課題を残すが、実際に3％Mnを添加した低炭素鋼のサンプルに対して、熱間圧延後の水冷時に遷移沸騰域温度である400℃以下での等温保持を行うことで、引張強さ1.2 GPa、伸び15%の特性を引き出すことに成功している。これは従来のCALを用いた実用ハイテンの強度-延性バランスにおける上限に近い特性といえる。今後、成分や保持温度などの検討に加え、温度制御技術をさらに発展させることによって再加熱不要の非調質TRIP鋼（ワンヒートハイテン）の製造技術の発展が期待される。
おわりに
これまで自動車用鋼板の開発においては、燃費改善と衝突安全性確保の観点から鋼材の高強度化が指向されてきた。最近では車体の補強部材や骨格部材として使用される構成材料の引張強さは1.2GPaにまで達し、一部では1.3GPa（22）や1.5GPa級（23）の冷間成形材の適用されるまでになった。この鋼材の高強度化の流れは今後もさらに加速していくであろうが、それと同時に製造に要するエネルギーを低減し、CO2排出量の削減も行っていかねばならなくなる。製鉄プロセスにおける技術革新だけでなく、材料加工・熱処理の分野においても同様に、深刻な難題としてのしかかってくるであろう。学生からは鉄鋼業の将来を心配する声も聞こえてくる。しかしながら、今こそ技術者・研究者が力を発揮する時であり、その活躍が今後ますます期待されてくるのではなかろうか。今まで120年以上にわたって培われてきた鉄鋼製造に関する技術と経験を総動員し、新しい時代を担う新しい鉄を創成していくこと、それを担う次世代の人材を育成していくことが我々の使命であろう。
謝辞
本稿の執筆にあたり、貴重な情報をご提供いただきました東京大学 柳本 潤教授、日本製鉄（株）芹澤 良洋様、（株）神戸製鋼所 村上 俊夫様には、心より感謝の意を表します。
参考文献
（1） 環境省 HP
https://ondankataisaku.env.go.jp/carbon_neutral/about/（参照日 2021 年 10月 8 日）
(2） AHSS Guidelines, WorldAutoSteel
https://www.worldautosteel.org/projects/advanced-high-strength-steelapplication-guidelines/（参照日2021 年 10 月 8 日）
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(22） MAZDA NEWSROOM
https://newsroom.mazda.com/ja/publicity/release/2019/201901/190110a.html（参照日 2021年10月8日）
(23） ユニプレス株式会社
https://www.unipres.co.jp/asset/51279/view（参照日 2021 年 10 月 8 日）
土山 聡宏
◎九州大学 大学院工学研究院 教授
◎専門：鉄鋼材料、熱処理、組織制御
キーワード：鉄鋼業におけるモノづくり