JP2004124207A

JP2004124207A - 熱間プレス用Ｚｎ系めっき鋼板及びこれを使用した高強度自動車部品

Info

Publication number: JP2004124207A
Application number: JP2002292356A
Authority: JP
Inventors: Jun Maki; 真木　純; Masayoshi Suehiro; 末廣　正芳; Toshihiro Miyakoshi; 宮腰　寿拓
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】本発明は、自動車の足回り等の高強度を要求される部品を製造するための、塗装後耐食性に優れた高強度表面処理鋼板及びこれで製造された自動車部品を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｍｎ：０．５〜３％を含有する鋼板表面に、Ｚｎ６０％以上を含有するＺｎ系めっきを有し、望ましくは、更にその表面に、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｓｎの１種または２種以上の元素を質量％で合計８０％以上含有する層を有する塗装後耐食性に優れた熱間プレス用Ｚｎ系めっき鋼板。Ｚｎ系めっき層、上層、鋼中には他の元素も含有しうる。
【効果】本発明による鋼板は高強度で、優れた特性を有し、自動車の軽量化に寄与することができる。
【選択図】　　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の補強部材、足回り等の高強度を要求される部品を製造するための鋼素材並びに部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題を発端とした低燃費化の動きから自動車用鋼板に対しては高強度化に対する要望が強い。しかし、一般に高強度化は加工性、成形性の低下、特に形状凍結性の低下を伴い、高強度、高成形性を両立する鋼板が要望されている。これに対する一つの回答は、残留オーステナイトのマルテンサイト変態を利用したＴＲＩＰ（ＴＲａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ）鋼であり、近年用途が拡大しつつある。しかし、この鋼により、成形性の優れた１０００ＭＰａ級の高強度鋼板は製造することは可能であるが、更に高強度、例えば１５００ＭＰａというような超高強度鋼で成形性を確保することは困難である。
【０００３】
そこで、高強度、高成形性を両立する別の形として最近注目を浴びているのが熱間プレス（ホットプレス）である。これは鋼板を８００℃以上のオーステナイト領域まで加熱した後に成形することにより高強度鋼板の成形性の課題を無くし、成型後の冷却により所望の材質を得るというものである。この成形法を使用することにより、プレス品の残留応力も減少するため、高強度鋼板で問題となる、置き割れ、遅れ破壊等への感受性も低下する。しかし、大気中での加熱を伴うため、表面に酸化物が生成してこれを後工程で除去する必要がある。これを改善するために、０．１５〜０．５％の炭素を含有する鋼板にアルミめっきして加熱時の酸化抑制を図る技術が特許文献１に開示されている。
【０００４】
【引用文献】
（１）特許文献１　（特開２０００−３８６４０号公報）
（２）特許文献２　（特開平１１−２６９６６３号公報）
（３）特許文献３　（特開２０００−１０４１８０号公報）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、高強度の成形部品を効率良く製造するのに有効であるが、以下の欠点を有している。すなわち、アルミ系めっき鋼板を８００℃以上に加熱すると非常に短時間で表面までＦｅが拡散し、めっき層が金属間化合物に変化する（合金化する）。従って、熱間プレスの際には表面まで合金化された状態でのプレス成形となる。この金属間化合物は非常に硬く、脆性であるため、熱間プレス成形時に粉状に剥離しやすい。剥離しためっき層は金型に堆積してプレス時の疵を惹起したり、剥離した部位は耐食性を低下させたりする傾向があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記のような課題を克服するためにアルミめっきに替わる表面処理を検討した結果、以下の知見を得た。現在自動車用途に最も広範に使用されている表面処理鋼板はＺｎめっき鋼板である。Ｚｎめっき鋼板としては電気Ｚｎめっき鋼板、溶融Ｚｎめっき鋼板、合金化溶融Ｚｎめっき鋼板、電気Ｚｎ−Ｎｉめっき鋼板等多彩な種類が使用されている。しかし、いずれもＺｎを８５％以上含有するめっきであり、耐熱性には劣る。すなわち、Ｚｎの沸点は９０７℃であり、この温度に近づくとＺｎが蒸散してめっき自体がポーラスになってしまうため、ホットプレスのような用途には使用できなかった。
【０００７】
本発明者らはＺｎの蒸散を抑制すべく種々検討した結果、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｓｎを主成分とするようなめっきをＺｎ系めっきの上層に付与することにより、Ｚｎ系めっきの耐熱性、特にＺｎの蒸散が大幅に抑制されるとの知見を得た。Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｓｎのような金属はいずれも高融点金属であり、それ自体は熱的に安定である。これに加えてＺｎと合金化することでＺｎの蒸気圧を低下させたものと推定している。
【０００８】
しかし、例えばＮｉを下地めっきとしてその後にＺｎめっきを施してもＺｎの蒸散はそれほど抑制されず、これら高融点金属をＺｎ系めっきの上層に付与することが極めて効果的であった。このとき、合金化したＺｎ系めっきはＡｌ−Ｆｅの合金相よりも硬度が低いため、金型への疵付きは減少する傾向にある。しかし、耐熱性自体はＡｌ−Ｆｅの方が優れるため、本発明のＺｎ系めっきを使用する際には、９００℃以下の低温域での加熱が好ましい。
【０００９】
なお、Ｚｎ系めっきの上層にＣｒ，Ｎｉめっきを施しためっき層構造はこれまで特許文献２、特許文献３に開示されているが、これらは自動車燃料タンク材料用途であることが銘記され、従って、Ｃ：０．００５％以下の極低炭素ＩＦ鋼を使用したものである。これに対し、本発明は鋼が金型焼入れ後に焼入組織を呈することが特徴であり、従って、０．１％以上のＣを含有するもので、技術領域が異なること、更には、Ｃｒ，Ｎｉ等を上層めっきに適用する理由も全く異なるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の限定理由について説明する。
本発明は、自動車会社にて成形する前の熱間プレス用Ｚｎ系めっき鋼板、及び自動車会社で成形、焼入れした後の塗装後耐食性に優れた高強度自動車部品を提供するものである。まず加熱、成形する前の熱間プレス用Ｚｎ系めっき鋼板の具備すべき構成について述べる。表面のめっき層は熱間プレスの前の加熱により合金化して異なる相へ変化するため、ここで述べるめっき層の要件はプレス成形前のものである。鋼板成分は合金化によっても変化しないため、プレス前後ともに具えるべき要件である。
【００１１】
Ｃ：本発明は成型後に１０００ＭＰａ以上の高強度を有するものであり、ホットプレス後に急冷してマルテンサイトを主体とする組織に変態させるものであり、そのためにはＣ量０．１％以上が好ましい。一方、Ｃ量を０．８％超に増大させても強度が飽和してしまうことに加え、溶接割れを生じやすく、靱性も低下するため、上限を０．８％に定める。
【００１２】
Ｍｎ：この元素は鋼板の焼入れ性を高める元素としてよく知られている。また不可避的に混入するＳに起因する熱間脆性を防ぐために必要な元素でもある。これらの理由から０．５％以上の添加が望ましい。しかし、３％を超えてＭｎを添加すると焼入れ後の衝撃特性が低下するためここを上限とする。
Ｃ，Ｍｎ以外の元素は必要に応じて添加することが可能で、また、Ｓｉ，Ｐ，Ｓ等は不可避的な混入元素でもある。
【００１３】
Ｓｉ：Ｓｉは低すぎると疲労特性の低下を惹起するため、０．０５％以上の添加が望ましい。一方でＳｉは鋼板表面に安定な酸化皮膜を形成して表面処理性を低下させる傾向を有する。この意味からＳｉの上限は１％が望ましい。
Ｃｒ：Ｃｒは耐熱性を向上させる元素で、また焼入れ性にも有効である。この意味から添加することも可能である。しかし、Ｓｉと同様安定な酸化皮膜を鋼板表面に形成してアルミめっき性を低下させる。また、比較的高価な元素でもあり、上限は３％が好ましい。
【００１４】
本発明においては、更に鋼中にＰ，Ｓ，Ａｌを含有するものとするが、Ｐ，Ａｌは鋼の延性、疲労強度を阻害することから、Ｓは靱性を阻害することからそれぞれある値よりも低いことが好ましい。更に必要に応じてＴｉ，Ｍｏ，Ｎ，Ｎｂ，Ｖ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｂ，Ｓｎ，Ｓｂの１種または２種以上を含有させることも可能である。Ｎｉ，Ｃｕは鋼の耐食性に寄与し、Ｂは焼入れ性を向上させる元素、ＴｉはＮを固定してＢの効果を発揮させる元素である。Ｍｏは鋼の焼入れ性に寄与する。これらの元素は０．０２％以上添加することが望ましい。但し、Ｎｂ，Ｖについては０．０１％以上、Ｂ，Ｎについては０．００１％以上が望ましい。
【００１５】
次に加熱、成形する前のめっき層の具えるべき条件について述べる。めっき金属としてはＺｎめっきを主体とし、その表面にＮｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｓｎの１種または２種以上を合計８０％以上含有する層を設けるものとする。上層の厚みについては、当然厚い方が耐熱性、Ｚｎの蒸散抑制のためには有効で、片面当たり３ｇ／ｍ^２　以上被覆することが望ましい。
【００１６】
下層のＺｎ系めっき層中には、他にＡｌ：４０％以下、Ｓｉ：１０％以下、Ｍｇ：１０％以下、Ｃａ：１０％以下、ミッシュメタル：１％以下、Ｔｉ：５％以下、Ｎｉ：２０％以下、Ｃｒ：１０％以下の１種または２種以上を添加することが可能である。これらの元素は０．０１％以上添加することが好ましい。但し、Ａｌは１％以上が望ましい。また、上層中にはＮｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｓｎ以外にＦｅ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃａ，Ａｌ，Ｐ，Ｃ，Ｂ等を含有することもできる。具体的なめっき種としては、Ｎｉ，Ｎｉ−Ｆｅ，Ｓｎ，Ｓｎ−Ｚｎ，Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ，Ｓｎ−Ｚｎ−Ｍｇ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｎｉ−Ｐ，Ｎｉ−Ｚｎ，Ｎｉ−Ｂ，Ｎｉ−Ｃ等が考えられる。耐熱性に寄与する金属はＮｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｓｎであり、めっき種としてはこれらが主成分となることが望ましい。
【００１７】
めっき方法は特に限定するものでなく、溶融めっき、電気めっき、化学めっき、蒸着めっき等の方法が考えられる。例えばＮｉめっきであれば電気めっきが最も工業的には有効な方法である。また、Ｚｎ系めっき、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｓｎを含有するめっきの更に上層にもう１層めっきすることも可能であるし、一時防錆のための化成処理を施すことも可能であるし、プレス時の潤滑を狙って無機系の潤滑皮膜を適用することも可能である。ホットプレス時に外部からＭｏＳ_２等の熱間潤滑材を塗布することも可能である。
【００１８】
次に、表面処理鋼板を加熱、成形して部品とした後に具えるべき要件について述べる。
加熱後、めっき層成分と鋼板成分との相互拡散が起こり、鋼板表面層の組成が変化するが、このとき表面の合金化したＺｎ系めっき層中のＮｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｓｎの１種または２種以上の合計が５％以上となることで、十分な耐熱性が得られる。このほかに主として鋼板起因のＦｅが１０〜７０％含有されうる。また、上記した以外の成分として、Ｚｎ系めっき，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｓｎ系の上層めっきに含有されうる成分も当然含有されうる。
【００１９】
鋼成分は加熱、成形前と同一であるが、焼入れ組織となり、ビッカース硬度は３００以上となり、非常な高強度を示す。このとき合金化後のめっき層と鋼板の界面は３％ナイタールエッチングすることではっきりすることが多い。合金化したＺｎ系めっき層の組成分析方法についてはＥＰＭＡのスポット定量分析を合金化後の表面処理層をランダムに５点程度分析して平均値を算出することで求めるものとする。
本発明の実施態様として、表面処理鋼板を加熱後にプレスして、金型で焼入れを行うという態様と、プレスして強度が必要な部位を高周波誘導加熱等で局部加熱して水冷等で焼入れするという態様の２種類がありうるが、どちらの様態でも塗装後耐食性は必要な特性であり、本発明は有効である。
【００２０】
次に実施例で本発明をより詳細に説明する。
【実施例】
（実施例１）
通常の熱延、冷延工程を経た、表１に示すような鋼成分の冷延鋼板（板厚１．２ｍｍ）を材料として、Ｚｎめっきを行った。表１のＮｏ．４、５については鋼中Ｓｉ，Ｍｎ量が高く、溶融Ｚｎめっきが困難なため、電気Ｚｎ−Ｎｉめっきとし、それ以外は溶融Ｚｎめっきを施した。電気Ｚｎ−Ｎｉめっきの付着量は片面３０ｇ／ｍ^２　、溶融Ｚｎめっきは浴組成をＺｎ−０．２％Ａｌとし、付着量は片面５０ｇ／ｍ^２　とした。更に、電気Ｚｎ−Ｎｉめっき、溶融Ｚｎめっきの上層に電気Ｎｉめっきをワット浴で行った。このときのｐＨは約４、電流密度は１５Ａ／ｄｍ^２　、両面めっきで付着量は片面１０ｇ／ｍ^２　で製造した。この鋼板の焼入れ性、塗装後耐食性を下に示す手順で評価した。
【００２１】
Ｎｉめっき鋼板を９００℃の炉内に３分間保持して加熱した後、直ちに鋼製のダイ間に挟んで冷却した。冷却速度は約１００℃／秒であった。この鋼板の断面ビッカース硬度を荷重１００ｇで測定した。次にＡｌ、鋼板、Ｚｎめっき共用の化成処理を施し、カチオン系電着塗料（日本ペイントパワーニクス１１０）を２０μｍ塗装、焼付けし、クロスカット後乾湿繰返し複合腐食試験（ＪＡＳＯ法）を１８０サイクル（６０日）行い、クロスカットからの腐食深さを測定した。なお、クロスカットの深さが約３０μｍであった。従って、記述した値から３０μｍを減じた値が真の腐食量ということになる。更に、合金化後の表面処理層の組成を調べるために、研磨後表面から５μｍ以内の範囲でＥＰＭＡ簡易定量分析を重量％で５点行い、平均値を算出した。これらの評価結果を表２に示す。
【００２２】
〔塗装後耐食性の評価基準〕
◎：最大腐食深さ８０μｍ未満
○：最大腐食深さ８０〜１２０μｍ
×：最大腐食深さ１２０μｍ超
（いずれもクロスカットの深さを含む値）
【００２３】
【表１】

【００２４】
【表２】

【００２５】
Ｎｏ．９のようにＣが低すぎると強度が低下する傾向にあり、ビッカース硬度は一般に３倍するとその材料の強度（ＭＰａ）に近い値となるが、この場合、６００ＭＰａクラスの強度しか得られない。また、Ｎｏ．１０のようにＭｎ，Ｂ等の焼入れ元素の添加量が少ないとＣが高くても焼入れ効果が得られず、やはり強度が低下する。鋼中元素の添加量が適正に制御された、Ｎｏ．１〜８については、強度、耐熱性、塗装後耐食性共に良好な結果が得られた。
【００２６】
（実施例２）
実施例１の鋼Ｎｏ．１を使用して、種々の表面処理を適用した。表３に適用しためっき種とめっき付着量、及びそのときの塗装後耐食性の評価結果を示す。なお、塗装後耐食性の評価方法は実施例１の方法と同一とした。以下、各種めっきの製造条件を述べる。全て両面めっきであり、表３の表示は全て片面当たりの記述である。
【００２７】
電気Ｚｎめっき：硫酸Ｚｎ浴
電気Ｚｎ−Ｆｅめっき：硫酸Ｚｎ−硫酸Ｆｅ浴
合金化Ｚｎめっき：Ｚｎ−０．１４％Ａｌ浴、めっき層中Ｆｅ１０％
Ｚｎ−５％Ａｌ−０．１％Ｍｇめっき：溶融めっき法
Ｚｎ−９％Ａｌ−３％Ｚｎ−０．１％Ｓｉめっき：溶融めっき法
Ｚｎ−５５％Ａｌ−１．５％Ｓｉ：溶融めっき法
Ｎｉめっき：電気めっき法、ワット浴
Ｃｕめっき：電気めっき法、硫酸銅浴
Ｃｒめっき：電気めっき、サージェント浴
Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂめっき：電気めっき法
電気Ｓｎめっき：フェロスタン浴
溶融Ｓｎめっき：工業用純Ｓｎ浴
Ｓｎ−８％Ｚｎ、Ｓｎ−８％Ｚｎ−０．５％Ｍｇめっき：溶融めっき法
【００２８】
【表３】

【００２９】
Ｎｏ．１７は加熱後、Ｚｎが蒸散してめっきがポーラスになっていることが認められ、塗装後耐食性も不良であった。Ｎｏ．１〜１５の場合には、上層めっきが下層のＺｎの蒸散を抑制して塗装後耐食性は良好であった。Ｎｏ．１６は上層めっきが無いため、やや塗装後耐食性に劣る。なお、鋼板硬度はどの場合もビッカース硬度４８０以上であり、焼入組織となっていた。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、塗装後耐食性に優れた高強度表面処理鋼板を提供する。本発明は、今後の自動車軽量化に大きく寄与するものと思われ、産業上の寄与は大きい。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｍｎ：０．５〜３％を含有する鋼板表面に、Ｚｎ６０％以上を含有するＺｎ系めっきを有することを特徴とする塗装後耐食性に優れた熱間プレス用Ｚｎ系めっき鋼板。
質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｍｎ：０．５〜３％を含有する鋼板表面に、Ｚｎ６０％以上を含有するＺｎ系めっきを有し、更にその表面に、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｓｎの１種または２種以上の元素を重量％で合計８０％以上含有する層を有することを特徴とする塗装後耐食性に優れた熱間プレス用Ｚｎ系めっき鋼板。
Ｚｎ系めっき層中に更に質量％で、Ａｌ：４０％以下、Ｓｉ：１０％以下、Ｍｇ：１０％以下、Ｃａ：１０％以下、ミッシュメタル：１％以下、Ｔｉ：５％以下、Ｎｉ：２０％以下、Ｃｒ：１０％以下の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の塗装後耐食性に優れた熱間プレス用Ｚｎ系めっき鋼板。
鋼中に、更に質量％で、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．１％以下、Ａｌ：０．２％以下、Ｔｉ：０．０１〜０．８％、Ｃｒ：３％以下、Ｍｏ：１％以下、Ｎ：０．１％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｂ：０．０００３〜０．０３％、Ｓｎ：０．１％以下、Ｓｂ：０．１％以下から選ばれた１種または２種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１〜３に記載の塗装後耐食性に優れた熱間プレス用Ｚｎ系めっき鋼板。
質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｍｎ：０．５〜３％を含有し、ビッカース硬度が３００以上である鋼板の表面に、Ｚｎ６０％以上含有するＺｎ系めっき層を有することを特徴とする塗装後耐食性に優れた高強度自動車部品。
質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｍｎ：０．５〜３％を含有し、ビッカース硬度が３００以上である鋼板の表面に、Ｚｎ６０％以上、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｓｎの１種または２種以上の元素を合計で５％以上含有するＺｎ系めっき層を有することを特徴とする塗装後耐食性に優れた高強度自動車部品。
表面に１〜２００μｍの塗膜を有することを特徴とする請求項５〜６に記載の高強度自動車部品。