JP2012025977A - 熱処理用表面処理鋼材および熱処理鋼部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理された後の酸化亜鉛層の除去が容易な熱処理用表面処理鋼材を提供する。
【解決手段】素地鋼材の表層から順に、合金化溶融亜鉛めっき皮膜と、及び、付着量がＰ量として１５０〜８００ｍｇ／ｍ^２であるリン酸塩皮膜とを備える熱処理用表面処理鋼材である。熱処理により形成される酸化亜鉛層が、ショットブラストによって容易に除去される。
【選択図】なし

Description

本発明は、焼入れ等の熱処理が施される用途に適した表面処理鋼材と、この表面処理鋼材を用いた熱処理鋼部材の製造方法とに関する。

近年、自動車用鋼材は、衝突安全性能および燃費の向上を図るために、高強度化による軽量化が推進されている。一般に、鋼材強度の上昇に伴って、高いプレス設備能力が必要になるとともに、延性の低下により鋼板の成形自由度が低下する。

これらの問題を解決する手段として、高強度の鋼板を所望の形状に成形するのではなく、低強度の鋼板を加熱した状態でプレス成形し、成形時の抜熱により成形品に焼入れを行うことによって、高強度の成形品を製造する、いわゆる熱間プレス成形が、広く知られている（例えば特許文献１参照）。

特許文献２には、熱間プレス用鋼板として亜鉛系めっき鋼板を用い、加熱中の鋼板表面に生成する酸化亜鉛層によって高温域での亜鉛の蒸発を抑制し、かつ、素地鋼板の酸化を抑制するとともに、成形品の耐食性を高める技術が開示されている。特許文献２に開示されるように、亜鉛系めっき鋼板に熱間プレスを行うと、熱間プレス成形品の表層部には、基材鋼側から、Ｆｅ−Ｚｎ固溶相及び／又はＺｎ−Ｆｅ系金属間化合物相、酸化亜鉛層（ＺｎＯ）がこの順に形成される。しかし、表層に酸化亜鉛層が存在することに起因して化成処理性が低下し、これに伴って電着塗装性も低下して塗装後耐食性が低下することがある。自動車用鋼材では塗装後耐食性の低下は大きな問題である。上記酸化亜鉛層は、熱間プレス時の加熱の際に形成され、形成されることによって亜鉛の蒸発、流動や鉄の酸化によるスケール形成を抑制する効果があるものの、化成処理性を確保するためには除去されていたほうがよい。

特許文献３には、亜鉛系めっき鋼板に熱間プレスを行った後に、表層に残存する酸化亜鉛層を、ショットブラスト等の物理的手法により除去することによって、塗装後耐食性の向上を図る技術が開示されている。ショットブラストは、例えば３００μｍ径の鋼球を用いて行われる。

なお、特許文献４には、亜鉛系めっき鋼板の塗装後耐食性の向上を図るものではないが、冷間でのプレス成形性の向上を目的としてめっき鋼板の表層にりん酸亜鉛複合皮膜を形成する技術が開示されている。

特開平７-１１６９００号公報 特開２００３-７３７７４号公報 特開２００４-３２３８９７号公報 特開平７-１３８７６４号公報

特許文献３により開示された技術は酸化亜鉛層の除去（減少）に有効であるものの、ショットブラスト条件によっては酸化亜鉛層の除去が難しいことがある。そのため、酸化亜鉛層がより容易に除去できる技術が望まれている。

本発明の目的は、亜鉛系めっき鋼板に熱処理を行った後の酸化亜鉛層の除去が容易な熱処理用表面処理鋼材を提供することである。また、本発明の目的は、そのような表面処理鋼材を素材として熱処理工程を経ることによって熱処理鋼部材を製造する方法を提供することである。

本発明者らが鋭意検討した結果、リン酸塩皮膜が表面に予め形成された亜鉛めっき鋼板を熱間プレス成形すると、加熱により鋼材表面に形成される酸化亜鉛層により熱間プレス時の亜鉛の蒸発が適度に抑制されるとともに、この酸化亜鉛層は、無機皮膜を形成しない場合の鋼材表面に形成される酸化亜鉛層と比較して、熱間プレス成形後のショットブラストによって容易に除去されることを知見し、さらに検討を重ねて、本発明を完成した。

本発明は、素地鋼材の表層部に基材鋼側から順に、亜鉛系めっき皮膜、及び、リン酸塩皮膜を備えることを特徴とする熱処理用表面処理鋼材である。
別の観点からは、本発明は、上述した本発明に係る表面処理鋼材を７００℃以上に加熱する加熱工程と、加熱工程を経て鋼材表面に形成された酸化亜鉛層をショットブラストにより除去する酸化亜鉛層除去工程とを備えることを特徴とする熱処理鋼部材の製造方法である。

この本発明の好適態様の例としては、表面処理鋼材が熱間プレス成形用鋼材であり、加熱工程に引き続いて熱間プレス成形され、酸化亜鉛層除去工程としては、成形品をショットブラストするという態様が挙げられる。熱間プレスと同時、またはプレス後に急冷（金型冷却が一般的だが、熱間プレス後であれば例えば水冷してもよい）して焼入れる態様としてもよい。

また、本発明の好適態様の別の例としては、表面処理鋼材が冷間で所定の形状にプレス成形されてから、加熱され、その後成形品の表面の酸化亜鉛層を除去してもよい。この場合も、加熱後に成形品を急冷（焼入れ）し、その成形品の酸化亜鉛層を除去することとしてもよい。

これらの本発明では、（ａ）無機皮膜の付着量がＰ量として１５０〜８００ｍｇ／ｍ^２であること、（ｂ）亜鉛系めっき皮膜が、合金化溶融亜鉛めっき皮膜であることがそれぞれ望ましい。

本発明によれば、大気加熱時の鋼板酸化と、亜鉛の蒸発を抑えながら加熱することができ、かつ、塗装後耐食性に悪影響を及ぼす酸化亜鉛層をショットブラストにより容易に除去することができる。

このため、本発明によれば、例えば熱間プレス成形を行われて製造され、高強度を有することから例えば自動車用補強部品に好適に用いられる表面処理鋼材を提供することができ、別の観点では、そのような表面処理鋼材を使用した、例えば自動車用補強部品等の熱処理鋼部材の製造方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。なお、以降の説明では、素地鋼材が鋼板である場合を例にとるが、本発明は鋼板に限定されるものではなく、鋼板以外の鋼材に対しても適用される。

本発明に係る表面処理鋼板は、素地鋼板の表層部に基材鋼側から順に亜鉛系めっき皮膜及び、リン酸塩皮膜とを備える。
素地鋼板は、特定の鋼板には限定されない。好ましくは、熱処理後に急冷されることによって、高強度を得られる焼き入れ鋼からなる鋼板である。

素地鋼板の上に形成される亜鉛系めっき皮膜は、純Ｚｎ、ＺｎとＭｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｓｎ等との合金めっきでも構わない。亜鉛系めっきの手法は、電気めっき、溶融めっき、さらには蒸着めっき等のいずれの方法でも構わないが、生産性やコスト面を考慮すると溶融めっき法を用いることが好ましい。特に、合金化溶融亜鉛めっき鋼板であれば、亜鉛の蒸発や流動が生じにくいので有利である。

亜鉛系めっき皮膜の付着量は、多いほど耐食性の向上が期待されるとともに素地鋼板に対する耐酸化性が発揮されるため、３０〜１２０ｇ／ｍ^２であることが好ましい。素地鋼板にとって強度な酸化状態では３０ｇ／ｍ^２未満では耐酸化性が不足する場合があり、一方１２０ｇ／ｍ^２を超えると耐酸化性の確保が過剰となり、コストが嵩む。

亜鉛系めっき皮膜の上にはリン酸塩皮膜が形成される。
リン酸塩皮膜は、結晶水をある程度保持しており、加熱処理時に表層に存在する酸化亜鉛層を効果的に酸化促進する役割を担うと考えられる。必要な付着量は、Ｐ量として１５０〜８００ｍｇ／ｍ^２であることが好ましく、２００ｍｇ／ｍ^２以上であることがより好ましい。また、リン酸塩皮膜は、結晶水を含有していればその成分は問わない。代表的には、リン酸亜鉛皮膜であり、その他、リン酸鉄、リン酸マンガン、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム皮膜やこれらの複合皮膜でも構わない。また、例えばリン酸亜鉛被膜中にＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等のカチオン成分が含まれてもいてもよい。

本発明に係る熱処理用鋼板は、塗装下地としての化成処理がなされる前に例えば７００℃以上の温度域への熱処理が行われる熱処理用表面処理鋼板である。
本発明に係る熱処理用表面処理鋼板は、以上のように構成される。次に、本発明に係る熱処理鋼部材の製造方法を、工程順に説明する。

［加熱工程］
上述した本発明に係る熱処理用表面処理鋼板を、７００℃以上に加熱する。加熱（または加熱された鋼板を大気中で取り扱うこと）によって、この鋼板表面には酸化亜鉛層が形成される。

例えば、熱間プレス成形により成形品を製造する場合、熱処理用表面処理鋼板として、素地鋼板の成分が焼入れ後に所定の強度が得られるために焼き入れ可能であるようなものを適用し、加熱方法も電気炉、ガス炉による加熱や火炎加熱、高周波加熱、通電加熱、誘導加熱等のいずれの方法も用いることができる。また加熱時の雰囲気も特別なガス成分を用いなくとも大気雰囲気で加熱してよい。

加熱温度は所望の成形品の形状などにより適宜使い分ければよいが、焼き入れ鋼を素地鋼板に使用する場合であれば、焼き入れ後に狙いの硬度となる温度まで加熱した後、高温のままプレス成形し、金型あるいは成形後水冷却等により急冷する。その際の最高到達温度はおよそ７００℃以上である。

また、表面処理鋼板を、冷間で所定の形状にプレス成形して成形品としてから、加熱工程によりこの成形品を加熱してもよい（さらに熱間プレス成形してもよい）。本発明の熱処理用表面処理鋼板は、表面に摺動性に優れたリン酸塩皮膜を備えるので、冷間でのプレス成形性が良好である。また加熱工程後に急冷（焼入れ）してもよい。素地鋼板の成分、加熱方法、冷却方法等については、熱間プレスの場合と同様である。

［ショットブラスト工程］
加熱工程を経て表面に酸化亜鉛層が形成された表面処理鋼材にショットブラスト処理を行うことにより、酸化亜鉛層を除去する。

本発明に係る表面処理鋼材は、加熱工程を経た酸化亜鉛層の形成により、亜鉛の蒸発、流動が適度に抑制されるが、この酸化亜鉛層は、ショットブラストによって容易に除去し得る。

実施例を参照しながら、本発明をより具体的に説明する。
熱間プレス用鋼板として、Ｃ：０．２質量％、Ｓｉ：０．３質量％、Ｍｎ：１．３質量％、Ｐ：０．０１質量％を含有する板厚１．６ｍｍの冷延鋼板を素地鋼板とし、めっき付着量が片面５０ｇ／ｍ^２でめっき皮膜中の鉄含有量が１２％である、合金化溶融亜鉛めっき鋼板と、めっき付着量が片面７０ｇ／ｍ^２である、電気亜鉛めっき鋼板を用いた。

これらの亜鉛系めっき鋼板に自動車用化成処理を施し、この鋼板の表層に、種々の付着量のリン酸亜鉛皮膜を形成した。リン付着量は蛍光Ｘ線にて定量した。
次に、酸化雰囲気のガス炉内に表１の設定温度で所定時間保持した後に鋼板を取り出し、引き続いて直ちに平板プレスを用いて成形及び焼き入れを行った。

得られた鋼板の表面をニチバン製のポリエステルテープで、熱間プレス成形後の表層亜鉛系酸化物の剥離テストを行い、剥離テープの剥離量を下地の透過度合いとして、ミノルタ製の色彩色差計ＣＲ−３００を用いて明度指数として評価した。評価方法は、明度指数Ｌ＊のＮ＝３平均値（Ｌ＊ａｖｅ）が５５以下を、亜鉛系酸化層の占有率が高いとして良好（○）とし、Ｌ＊ａｖｅが５５超を、亜鉛系酸化層の占有率が低いとして不芳（×）とした。

結果を表２にまとめて示す。

表１の番号４〜９、１１〜１４、１６が本発明例であり、番号１〜３及び１０、１５が比較例である。
本発明の範囲を満足することにより、亜鉛系酸化層の密着力が顕著に低下していることがわかり、この密着力は、例えば３００μｍ径の鋼球を用いたショットブラスト処理により容易かつ確実に剥離する程度であった。

これに対し、比較例の密着力は強く、例えば３００μｍ径の鋼球を用いたショットブラスト処理を行っても簡単には剥離しない程度であった。

Claims (7)

1. 素地鋼材の表層から順に、亜鉛系めっき皮膜及び、リン酸塩皮膜とを備えることを特徴とする熱処理用表面処理鋼材。
2. 前記無機皮膜の付着量がＰ量として１５０〜８００ｍｇ／ｍ^２である請求項１に記載された熱処理用表面処理鋼材。
3. 前記亜鉛系めっき皮膜は、合金化溶融亜鉛めっき皮膜である請求項１又は請求項２に記載された熱処理用表面処理鋼材。
4. 素地鋼材の表層から順に、亜鉛系めっき皮膜及び、リン酸塩皮膜とを備える表面処理鋼材を７００℃以上に加熱する加熱工程と、加熱工程を経て表面に形成された酸化亜鉛層をショットブラストにより除去する酸化亜鉛層除去工程と
   を備えることを特徴とする熱処理鋼部材の製造方法。
5. 前記表面処理鋼材は熱間プレス成形用鋼材であるとともに、前記加熱工程に引き続き熱間プレス成形工程を備えることを特徴とする請求項４に記載された熱処理鋼部材の製造方法。
6. 前記熱間プレス成形工程において、成形と同時または成形後に冷却される請求項５に記載された熱処理鋼部材の製造方法。
7. 前記表面処理鋼材が前記加熱工程の前に、冷間で所定の形状にプレス成形される請求項５に記載された熱処理鋼部材の製造方法。