JP2008537977A - 熱処理後に極めて高い耐性を有する被覆鋼部材の製造法 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱間圧延または冷間圧延による帯鋼を原材料とする機械的性質に非常に優れた部材の製造法であって、アルミニウムまたはアルミニウム合金による該帯鋼の予備被覆と、予備被覆を施した帯鋼の冷間変形と、場合によって行う部材の最終形状に合わせた余分な金属板の切断と、鋼と被覆との界面から金属間化合物を生成し鋼をオーステナイト化するための部材の加熱と、装置への部材の移送と、冷却後に鋼がマルテンサイト構造、ベイナイト構造またはマルテンサイト−ベイナイト構造となるような速度で行う装置内での部材の冷却とを含む製造法に関する。予備被覆は、電気めっき、化学もしくは物理蒸着、または共圧延によって行う。

Description

本発明は、高い機械的強度と優れた耐食性を持つ熱間圧延または冷間圧延被覆鋼部材の製造に関する。

ある種の用途では、高い機械的強度、優れた耐衝撃性、優れた耐食性を兼ね備えた鋼部材を作り出すことが望まれる。これらの特徴の兼備は、軽量化著しい車両を製造することが目標とされる自動車産業にあっては特に望ましい。その目標は、とりわけ、非常に優れた機械的性質を持つ鋼材を使用することによって果たすことができるものであり、たとえば、自動車の貫入防止部材、構造部材または安全部材（フェンダークロスメンバー、ドアまたはセンターピラーの補強材、サスペンションアーム（ｗｈｅｅｌ ａｒｍｓ））などでは上述の性質が要求される。

特許ＦＲ２８０７４４７は、５００ ＭＰａ前後の引張り強さを有する母材の鋼板を金属の予備被覆を施した状態で用意し、冷間絞りや冷間ロール成形などの冷間成形加工を行い、さらに熱処理を加えた後に部材の幾何学形状に合った形状の装置の中で鋼板を急冷する製造法を開示している。この熱処理の加熱段階では、当初の予備被覆が母材の鋼と合金化することによって部材の表面に金属間被覆が形成される。これにより、機械的強度が１５００ＭＰａ超などの耐食性部材を得る。

母材の鋼板に対しては、溶融めっき法などによってアルミニウムまたはアルミニウム合金の予備被覆を施すことができる。しかし、場合によっては、この方法の実施に制約が生じることがある。熱処理前の部材に対して行われる冷間成形加工の際、一部の区域がより大きな変形を受け、それによって基材と予備被覆との界面に局所的な剥離の形で損傷が生じる可能性がある。その場合、その後の熱処理によって界面の合金層の周辺にスケールを生じる可能性がある。このスケールの存在は母材の鋼とアルミニウムを含む予備被覆との十分な合金化のためには有害である。

さらに、アルミナイズ処理を施した部材は、冷間成形後、それに続く合金化のための熱処理の前に余分な材料を取り去るため、その切断、押抜きまたは型取りを行うことがある。溶融めっきによるアルミニウム系予備被覆の存在は切削工具の損耗の原因となることが考えられる。

また、溶融アルミニウムめっきを施した鋼板の予備被覆は標準厚さと比べて厚さにばらつきを生じる可能性がある。合金化のための熱処理の際の加熱は、典型的には数分というごく短時間で行われることから、厚さの超過が過大である場合には、被覆の合金化が不完全となる。通常の予備被覆の融点は、アルミニウムの場合で６６０℃、１０％のケイ素／アルミニウム合金の場合で５８０℃であることから、被覆が厚い方の側では、部材がオーステナイト化温度に達する以前に早すぎる溶融が起こる可能性がある。一般に熱処理は、部材がローラの上を移動する形の炉で行われるため、ローラの表面が予備被覆の部分的溶融によって生じる層で汚染され、炉の正しい動作に支障を来たすことになる。また、予備被覆の不完全な合金化はその後の電気泳動の工程にも有害である。

本発明の目的は上述の諸問題を解決することにある。本発明がとりわけその目的とするのは、アルミニウムまたはアルミニウム合金の予備被覆を施した熱間圧延または冷間圧延による鋼部材の製造法において、合金化処理前に事前の冷間での大きな変形を許容しつつ、それによって合金化処理に関して事後のリスクを生じることのない鋼部材の製造法を提供することである。本発明の目的は、合金化のための熱処理に先立つ機械加工の際の工具の損耗を減らすことにある。また、本発明は、熱処理の後、アルミニウムまたはアルミニウム合金の予備被覆の完全な合金化を得ることも目的とする。

そのため、本発明は、熱間圧延または冷間圧延による帯鋼を原材料とする機械的性質に非常に優れた部材を製造するための以下の連続した工程を含む方法をその対象とする。

帯鋼にアルミニウムまたはアルミニウム合金による予備被覆を施す。この予備被覆は、以下に示す方法をそれぞれ単独で、または組み合わせて行うことによる１つまたは複数の工程によって行うことができる。
１つまたは複数のアルミニウムまたはアルミニウム合金の電気めっき工程による予備被覆。
１つまたは複数のアルミニウムまたはアルミニウム合金の化学蒸着工程による予備被覆。
１つまたは複数のアルミニウムまたはアルミニウム合金の物理蒸着工程による予備被覆。
帯鋼をアルミニウムまたはアルミニウム合金箔とともに圧延する１つまたは複数の共圧延工程による予備被覆。
これらの予備被覆法を実施することで、帯鋼と予備被覆との界面に金属間相は生じない。

被覆を施した帯鋼を冷間で変形させる。

当該部材の最終的な幾何学形状に合わせて板材の余分な部分を場合によって取り除く。

部材を炉などで加熱することで、部材表面に鋼と予備被覆との界面から金属間化合物を形成し、鋼をオーステナイト化する。この熱処理の加熱段階では、当初の予備被覆層が母材の鋼と合金化することによって部材の表面に金属間被覆が形成されるが、この合金化は予備被覆層の全厚にわたって得られる。

加熱後、部材を装置に移動する。加熱段階から部材が装置と接触するまでの移動時間は、その間にオーステナイトの変態が起こることのない十分に短いものである。装置の幾何学形状および設計は、処理する部材および急冷の度合いに合わせたものとされる。特に、装置は、工程の生産性を向上させ、および／または急冷の度合いを高めるため、流体の循環などによって冷却することができる。締付けの力を加えれば、部材と装置とを密着させ、それによって伝導による冷却の効率化と変形の最小化を図ることができる。装置内における部材の冷却は、鋼が冷却後にマルテンサイト構造もしくはベイナイト構造またはマルテンサイト−ベイナイト構造となるような速度で行う。

一実施形態では、冷間変形による一般化ひずみは少なくとも部材の１カ所において２０％を超える。

また、本発明は、上述の実施方法のいずれか１つに基づいて製造される、帯鋼から得られる機械的性質に非常に優れた部材を陸上自動車の構造部材または安全部材の製造に使用することもその対象とする。

本発明のその他の特徴および利点は、例を示しながら行う以下の説明を通して明らかになるであろう。

従来の製造法における鋼と被覆との界面の変化を調べた。この目的のため、重量比率で以下のような組成を持つ厚さ１．２または２ｍｍの鋼部材について検討した。
炭素：０．１５〜０．２５％
マンガン：０．８〜１．５％
ケイ素：０．１〜０．３５％
クロム：０．０１〜０．２％
チタン：＜０．１％
リン：＜０．０５％
硫黄：＜０．０３％
Ｂ：０．０００５〜０．０１％

これらの部材を以下のものを含むアルミニウム系めっき浴に漬け、従来の溶融めっき法による予備被覆を施した。
ケイ素：９〜１０％
鉄：２〜３．５％
残りはアルミニウムおよび不可避の不純物である。

鋼を６６０℃超で純粋なアルミニウム浴に接触させると、ＦｅＡｌ_３−Ｆｅ_２Ａｌ_５などを含め、金属間合金の厚い層が極めて急速に形成されることが知られている。この層は変形に対する適応性が低いため、１０％のケイ素を浴に追加することによってこの中間層の厚さを減らすことができる。図１は、ビッカース硬さが６００〜８００の金属間層の厚さが約７ミクロンであり、その層の上を覆うアルミニウム系金属層の厚さが約１５ミクロンであることを示している。

予備被覆を施した部材はナカジマ式試験片を使って冷間変形にかけられ、一軸引張りや等二軸引張りなど、様々な方法で試験片に外力が加えられた。あらかじめ光溶着させた円形パターンの格子を使って、様々な地点で主ひずみε１およびε２、すなわち基準座標系におけるひずみが測定された。その様々な地点の一般化ひずみ

がそこから導き出された。

同時に、その様々な地点における予備被覆の挙動が観察された。観察の結果、１０％前後の一般化ひずみまででは、中間層に細かく規則的に亀裂が生じているが、それを覆う上層の金属アルミニウム層には影響は出ていないことが明らかになった。その後、９００℃の炉で５〜７分間の熱処理を行い、水冷式の装置内で急冷すると、当初の予備被覆は完全に合金化し、その限られた範囲の亀裂のネットワークも消失する（図３）。一般化ひずみが２０％を超えると、金属間層が断片化し（図２）、場所によってアルミニウム系金属被覆が劣化する。その場合、その後の合金化のための熱処理によってスケール層が成長したり、鋼表面の脱炭を来たしたりする可能性があるが（図４）、これらは、塗装など、その後の部材の加工にとって有害となる。

このように、大きなひずみを生じる冷間変形加工の実施は、従来のアルミニウム系予備被覆では問題を生じる可能性がある。この問題は、鋼とアルミニウムとの界面に金属間相が含まれなければ解決することが本発明の枠組みの中で既に実証されている。これは、アルミニウムまたはアルミニウム合金がその面心立方構造による固有の延性を有していることにより、予備被覆を施された鋼材が著しい冷間変形によっても界面または予備被覆の劣化を来たすことがなく、そのためにその後の合金化処理が最適な条件のもとで行われることによる。

アルミニウムまたはアルミニウム合金の予備被覆は、電気めっき、物理蒸着、化学蒸着、または、帯鋼をアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔とともに圧延する共圧延によって形成する。これら各種の工程により、合金化処理前の母材の鋼と予備被覆の間に金属間層のない部材を得る。本発明による方法は、同じ予備被覆の工程を１回だけ、または数回にわたって適用することによって行うことができる。また、本発明による方法は、被覆の様々な方法および様々な特徴に固有の利点が生かされるように、各種予備被覆工程を順次組み合わせて行うことができる。

本発明による方法を適用することにより、冷間成形加工の後の部材に対する切断、押抜きまたは型取り作業の実施が容易になる。実際のところ、合金化処理で再加熱しなければならない金属の量を減らす目的での中間段階における機械加工工程の有用性が明らかになる可能性がある。本発明では、従来の方法にあった硬い（ビッカース硬さ６００〜８００）金属間層が存在しないことによってこの中間段階における機械加工が容易となる。その結果、切削工具の損耗も少なくなる。

さらに、本発明による予備被覆工程によって得られる被覆は厚さがきわめて規則的である。たとえば、蒸着法による予備被覆の条件では、１５〜２０ミクロンの範囲の厚さの被覆を１ミクロンオーダの厚さのばらつきで得ることができる。

溶融アルミニウムめっきの場合、顕微鏡断面測定による予備被覆の厚さのばらつきは、２５ミクロンの平均厚さに対しておよそ±１０ミクロンであることができる。生産性を最大限にするため、合金化のための熱処理の際の加熱はできるだけ迅速に行われることが望ましい。厚さ超過があることがわかっている場合には、合金化が完全に行われるように加熱段階が延長されることがある。ある一定の熱処理に関して、過大な厚さ超過があることがわかっていない場合には、合金化が不完全となり、予備被覆の部分的な溶融に至る可能性がある。

本発明による予備被覆工程は厚さのばらつきを小さくし、それによって溶融のリスクを減らし、炉の動作安定性を高める。

さらに、オーステナイト化後、装置内での急冷処理によって鋼にマルテンサイトもしくはベイナイト構造またはマルテンサイト−ベイナイト構造が与えられる。鋼の組成、とりわけその炭素含有量や、マンガン、クロム、ホウ素の含有量によって、本発明による部材において得られる最大強度は１２００〜１７００ＭＰａの範囲で変わる。

完全または部分的なマルテンサイト構造は局所的な応力集中効果に対する感受性が本質的に高いことが知られているが、本発明によれば、金属間層がないために切断はよりきれいに行えることから、急冷処理後の切断縁の切欠き効果は比較的小さい。

そのため、本発明は、冷間変形を高いレベルまで行うことができることから、優れた性質を備えながら、より複雑な形状を持つ被覆部材の製造を可能とするものである。本発明の実施は、合金化処理前の冷間変形の一般化ひずみ度が２０％を超える場合に特に有利であり、中間の切断作業における工具の損耗を減らし、最終的な合金化処理の効率を高めることができる。

冷間変形前の鋼と溶融めっきしたアルミニウム合金被覆との界面の例を示す図である。 冷間で２０％超の一般化ひずみが生じた後の同じ界面の変化を示す図である。 冷間変形を行わない場合の鋼と溶融めっきしたアルミニウム合金被覆との界面の合金化処理後の例を示す図である。 ２０％超の冷間変形後に合金化処理を行った表面層を示す図である。

Claims (3)

1. 熱間圧延または冷間圧延による帯鋼から機械的性質に非常に優れた部材を製造する方法であって、
   該帯鋼にアルミニウムまたはアルミニウム合金による予備被覆を施す工程と、
   該被覆を施した帯鋼を冷間で変形させる工程と、
   該部材の最終的な幾何学形状に合わせて余分な板部を場合によって取り除く工程と、
   該部材表面に鋼と予備被覆との界面から金属間化合物が形成され、鋼がオーステナイト化されるように該部材を加熱する工程と、
   該部材を装置に移動する工程と、
   冷却後に鋼がマルテンサイト構造もしくはベイナイト構造またはマルテンサイト−ベイナイト構造を持つような速度で該部材を装置内で冷却する工程と、
   を連続して含む製造法において、
   該加熱の前には該帯鋼と予備被覆との界面が金属間相を含んでおらず、該予備被覆が少なくとも１つのアルミニウムもしくはアルミニウム合金の電気めっき工程によって、少なくとも１つのアルミニウムもしくはアルミニウム合金の化学蒸着工程によって、少なくとも１つのアルミニウムもしくはアルミニウム合金の物理蒸着工程によって、または該帯鋼をアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔とともに圧延する少なくとも１つの共圧延によって形成され、該少なくとも１つの予備被覆工程は単独でも組み合わせでも行うことができることを特徴とする、製造法。
2. 前記冷間変形の一般化ひずみが少なくとも前記部材の１カ所で２０％超であることを特徴とする、請求項１に記載の製造法。
3. 請求項１または２に従って製造される、帯鋼から得られる機械的性質に非常に優れた部材の陸上自動車の構造部材または安全部材の製造のための使用。

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