JP2015527198A - 非金属コーティングが被覆された金属薄板からなる自動車コンポーネンツ - Google Patents

Abstract

【課題】熱間成形鋼からなる自動車コンポーネンツおよび該自動車コンポーネンツの製造方法を提供することにある。【解決手段】鋼ブランク（２６）を熱間スタンピングする前に，鋼ブランクの表面に非金属コーティング（２４）を蒸着することにより製造される自動車コンポーネント（２０）。非金属コーティングは、一般に、物理蒸着により塗布される。非金属コーティングは、異なる組成を有する１〜３層（３２）から形成される。非金属コーティングは、シリコンおよびカーボンの少なくとも一方を含み、更に酸素、窒素、セラミックコンパウンドおよびカーバイドを含めることができる。非金属コーティングの全厚は３００ｎｍより小さい。非金属コーティングの塗布前に、鋼ブランクに金属コーティング（３０）を塗布することもできる。非金属コーティングは、熱間スタンピング時のスケーリングの低減を含む多くの長所が得られる。【選択図】図１

Description

本発明は、熱間成形鋼からなる自動車コンポーネンツおよび該自動車コンポーネンツの製造方法に関する。

自動車コンポーネンツは、しばしば、冷間圧延または熱間圧延された鋼薄板のような鋼ブランクを熱間成形することにより製造される。このような自動車コンポーネンツの例として、Ａピラー、Ｂピラー、Ｄピラー、ドアビーム、バンパビーム、シル（しきい）、ロッカ、燃料タンクガード、スキッドシールド、フロントレール、ミッドレール、リアレール、ドアフレーム、ドア内側補強コンポーネンツ、フロントトンネル、および自動車の床に沿う部品のような濡れ領域コンポーネンツがある。熱間成形加工は７００℃より高い温度で行われ、しばしば、鋼薄板の熱間スタンピング加工が含まれる。熱間成形加工は、鋼薄板の機械的強度を増大させかつ他の物理的特性を増強させる。しかしながら、熱間成形加工時に用いられる高温により、白色酸化物の形成、スケーリング、腐食性汚損または鋼薄板表面の脱炭がしばしば生じ、このため、熱間成形加工時に使用される製造工具の機械的強度が低下されかつこれらの工具に摩耗を生じさせる。白色酸化物の形成、スケーリング、腐食性汚損および表面の脱炭はまた、付着力の低下をもたらし、部品の表面の塗布を困難にする。熱間成形鋼部品は、白色酸化物および他の表面欠陥を除去するのにショットブラスト処理されるが、ショットブラスト処理は多量のエネルギを必要とし、鋼部品に歪みを生じさせかつコストを増大させる。

本発明の一態様は、鋼材料から形成された熱間成形された鋼部品と、該鋼部品の表面に設けられた非金属コーティングとを有する自動車コンポーネントを提供する。非金属コーティングは、シリコンおよびカーボンの少なくとも一方を含みかつ３００ｎｍを超えない厚さを有している。

本発明の他の態様は、自動車コンポーネントを形成する方法を提供する。本発明の方法は、鋼材料から形成されたブランクを用意する工程と、該ブランクを熱間成形して部品を形成する工程とを有している。本発明の方法はまた、熱間成形の前にブランクの表面に非金属コーティングを設ける工程を有している。非金属コーティングは、シリコンおよびカーボンの少なくとも一方を含みかつ３００ｎｍを超えない厚さを有している。

非金属コーティングは、熱間成形加工時に鋼ブランクの表面に汚損、酸化および脱炭が生じることを防止または低減させる。非金属コーティングはまた、表面を潤滑し、したがって成形性を向上させる。非金属コーティングはまた、コーティングされない鋼部品または異なるコーティングを有する部品と比較して、鋼ブランクのより急速な加熱が得られる色および反射率を付与する。非金属コーティングは更に、熱間成形部品と該部品に塗布されるペイントまたは他の材料との接着性を向上させる。

本発明の他の長所は、添付図面に関連して述べる以下の詳細な説明を参照することにより容易にかつより良く理解されよう。

例示の一実施形態による自動車コンポーネントの形成方法を示すものである。 他の例示実施形態による自動車コンポーネントの一部を示す断面図である。 本発明の方法により成形される他の自動車コンポーネンツを例示する斜視図である。

図１には、非金属コーティング２４が被覆された鋼部品２２からなる自動車コンポーネント２０の一形成方法が概略的に示されている。コーティングされた自動車コンポーネント２０は、鋼材で形成されたブランク２６を熱間成形する前に、好ましくは物理蒸着（ＰＶＤ）または反応スパッタリングにより、非金属コーティング２４をブランク２６に塗布することにより形成される。非金属コーティング２４は、熱間成形加工時の鋼ブランク２６のスケーリング、汚損、腐食、酸化および脱炭を防止する。非金属コーティング２４はまた、鋼ブランク２６を潤滑し、これにより鋼ブランク２６の成形性を向上させ、表面色および反射率を調節して鋼ブランク２６をより急速に加熱させ、ペイントおよび接着剤の付着性を改善する。更に、鋼ブランク２６への非金属コーティング２４の塗布加工は、環境的に優しくかつエネルギが少なくて済む。

本発明による自動車コンポーネンツ２０の形成方法は、第１に、鋼材で形成された未コーティングブランク２６を用意することを含む。ブランク２６の形成に使用される鋼材は、純鉄または任意の種類の鋼合金を使用できる。ブランク２６は、熱間圧延、冷間圧延または当業界で知られた他の方法により形成された図１に示すような鋼材の薄板が好ましい。熱間圧延は、スラブ、ブルームまたはビレットのような鋼ストックを、鋼の再結晶温度より高い温度で１対のローラ間に通して鋼薄板を形成することを含む。冷間圧延は、鋼ストックを、鋼ストックの再結晶温度より低い温度で１対のローラ間に通して鋼薄板を形成することを含む。好ましい一実施形態では、鋼ブランク２６は、２２ＭｎＢ５と呼ばれる冷間圧延ホウ素鋼であり、フェライトおよびパーライトを含む顕微鏡組織を有している。

成形性を改善しかつより急速な加熱が行えるようにするため、非金属コーティング２４の前に金属コーティング３０または他の種類のコーティングを設けることができる。例えば、非金属コーティング２４を塗布する前に、亜鉛からなる金属コーティングを鋼ブランク２６に塗布することができる。図２は、図１の実施形態とは異なる他の例示実施形態による自動車コンポーネント２０の一部を示す断面図である。図２の実施形態では、鋼部品２２と非金属コーティング２４との間に金属コーティング３０が設けられている。また、腐食および発錆を防止するため、ブランク２６に腐食保護層を塗布することができる。

本発明の方法は、金属ブランク２６を用意した後に、直接鋼ブランク２６の表面上または金属コーティング上に金属コーティング２４を塗布する工程を有している。鋼ブランク２６は、コーティング３０の塗布に先立ち洗浄および乾燥されるか、さもなければ用意される。非金属コーティング２４の塗布には、一般に物理蒸着（ＰＶＤ）または反応スパッタリングが使用される。一実施形態では、亜鉛で形成された金属コーティング３０が鋼ブランク２６に塗布され、その後にＰＶＤトップコート（上塗り）が行われる（この場合、ＰＶＤトップコートは非金属コーティング２４である）。亜鉛コーティングおよびＰＶＤトップコートは、熱間成形工程時の白色酸化物の形成を防止する。したがって、白色酸化物を除去するショットブラストを回避できる。

非金属コーティング２４は、シリコンおよびカーボンの少なくとも一方を含む。非金属コーティング２４はシリコンまたはカーボンのいずれかを含むが、シリコンおよびカーボンの両方を含むことができる。シリコンは一般に４０〜７０重量％の量で存在するが、カーボンは、非金属コーティング２４の全重量に基づいて１５重量％までの量で存在する。また、非金属コーティング２４には酸素および窒素の少なくとも一方を含めることができ、一般に酸素および窒素の両方が含まれる。酸素および窒素の合計重量は、非金属コーティング２４の全重量に基づいて５０重量％を超えることはない。また、高温スケーリングに対する抵抗性および耐食性を高めるため、非金属コーティング２４にはセラミックコンパウンドおよびカーバイドの少なくとも一方を含めることができる。セラミックコンパウンドはＳｉＯ_ｘＮ_ｙで表わされかつカーバイドはＣＮ_ｘで表わすことができ、ここでｘ、ｙおよびｚは、正の整数または分数である。非金属コーティング２４には、ＳｉＣ_ｘＯ_ｙＮ_ｚを含めることもできる。非金属コーティング２４は、金属およびＡｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２およびＣｒＮ_ｘのような金属含有成分を含まない。

非金属コーティング２４は、図２に示すように、複数の個別層３２、好ましくは１〜３個の個別層３２、より詳しくは２つの個別層３２を有している。層３２の全厚は３００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍを超えない。非金属コーティング２４の厚さが小さいと、各層に作用する内部応力が小さくかつ製造コストも少なくて済む。また、非金属コーティング２４の厚さが小さいと、熱間成形加工時の特別な挙動、成形性および優れたパフォーマンスにも寄与する。

非金属コーティング２４の各層３２は、シリコンおよびカーボンの少なくとも一方を含んでいる。各層３２はまた、酸素および窒素の少なくとも一方、およびセラミックコンパウンドおよびカーバイドの少なくとも一方を含んでいる。しかしながら、非金属コーティング２４の各層３２は、他の層３２とは異なる組成または化学量論を有するのが好ましい。層３２が異なる組成または化学量論を有するように層３２を形成することにより、あらゆるピンホールの長さを縮小し、層３２の積層密度を増大させ、かつ優れた耐食性に寄与する。また、各層３２には、層３２の厚さの増大とともに１つ以上の構成成分の量が増大または減少して、より濃密な柱状成長が得られるような勾配を付与できる。

鋼ブランク２６の表面上または金属コーティング３０上に直接配置された第１層３２は、他の層３２の厚さより小さい厚さ、大きい厚さまたは等しい厚さにすることができる。第１層３２の厚さは３ナノメートルを超えないことが好ましく、これにより鋼表面と非金属コーティング２４の他の層３２との間に特別な接着力が得られる。第２層３２は、直接第１層３２上に配置されかつ一般に第１層３２より大きい厚さ（例えば３ナノメートルより大きい厚さ）を有する。しかしながら、第２層３２は、第１層３２の厚さに等しいか、これより小さくすることもできる。

非金属コーティング２４は、当業界で知られた種々の方法により形成できる。非金属コーティング２４は、非常に薄い層３２を形成できる方法、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）または反応スパッタリングにより鋼ブランク２６に塗布される。非金属２４を鋼ブランク２６に塗布するこれらの方法は環境にも優しく、エネルギ消費が少なくかつ水素を全く使用しない。

非金属コーティング２４鋼ブランク２６に塗布するのに種々のＰＶＤ加工を使用できる。図１に示すように、ＰＶＤ加工は一般に、鋼ブランク２６を、非金属コーティング２４の形成に使用される非金属材料からなる原料物質４４と一緒に真空チャンバ４２内に置く工程を有する。ＰＶＤ加工は次に、電子またはイオンのビームのような高エネルギを原料物質４４に衝突させて原料物質４４を気化させる工程を有している。原料物質４４の気化した原子４６は、真空チャンバ４２を通って移動し、鋼ブランク２６上に蒸着されて非金属コーティング２４を形成する。

反応スパッタリングは、原料物質４４および鋼ブランク２６を真空チャンバ４２内に置き、ガス（一般に反応性ガスおよび不活性ガス）を真空チャンバ４２内に導入する工程を有する。原料物質４４と反応性ガスとの間に化学反応が生じ、これにより原料物質４４が鋼ブランク２６上に蒸着されて非金属コーティング２４が形成される。非金属コーティング２４の組成、化学量論または特性は、不活性ガスおよび反応性ガスの相対圧力を変えることにより制御できる。

鋼ブランク２６は個々にコーティングされ、これによりブランクの全表面および縁部がコーティングされる。他の実施形態によれば、非金属コーティング２４はコイルの形態で鋼材料の薄板に塗布され、非金属コーティング２４が塗布された後、コーティングされた薄板がスタンピングされ、コーティングされた鋼ブランク２６が形成される。この実施形態では、非金属コーティング２４は、鋼ブランク２６の上表面および下表面のみに形成され、鋼ブランク２６の縁部に沿っては形成されない。

非金属コーティング２４がひとたび鋼ブランク２６の表面に塗布されたならば、本発明による自動車コンポーネント２０の形成方法は、コーティングされた鋼ブランク２６を熱間成形法のために用意する工程を有している。この熱間成形法は、一般に少なくとも７００℃の高温を使用する。

自動車コンポーネント２０の形成に使用される熱間成形法は、一般に、コーティングされた鋼ブランク２６を熱間スタンピングする工程を有している。熱間スタンピングは、図１に示すように、コーティングされた鋼ブランク２６を炉またはオーブン３４内に置き、コーティングされた鋼ブランク２６を、鋼材料内にオーステナイト相を形成するのに充分な温度に加熱する工程を有している。一実施形態では、コーティングされた鋼ブランク２６は、少なくとも７００℃、好ましくは７００〜９５０℃の温度に加熱される。他の実施形態では、コーティングされた鋼ブランク２６は９００℃の温度に加熱される。非金属コーティング２４は、コーティングされないブランクと比較して、炉内での鋼ブランク２６のより急速な加熱が行える色および反射率を付与でき、或いは異なる種類のコーティングを有するものとすることができる。

加熱されたブランク２６は、次に、図１に示すように、プレスに迅速に搬送されかつ１対のダイ３６の間に配置される。本発明の方法は、一般に、ブランク２６が熱いうちにダイ３６の間でブランク２６をスタンピングし、ブランク２６を所定の形状および寸法を有する部品２２に成形する工程を有する。熱間スタンピングされた部品２２は、次に、ダイ３６の間で焼入れまたは冷却される。ダイ３６は、一般に、焼入れ工程のための冷却チャネル３８を有している。熱間スタンピングされた部品２２の鋼材料は、一般に、焼入れ工程後にマルテンサイト顕微鏡組織を有している。

非金属コーティング２４は、熱間成形工程時に、部品２２の表面にスケーリング、汚損、腐食、酸化および脱炭が生じることを防止する。非金属コーティング２４はまた、表面を潤滑し、したがって成形性を向上させる。

非金属コーティング２４を備えた熱間成形部品２２がひとたび冷却されると、コーティングされた部品２２は自動車コンポーネント２０として使用できる。図１の実施形態では、コーティングされた鋼部品２２に、接着剤またはペイント４８のような他の材料が塗布される。非金属コーティング２４は、コーティングされていない部品または他の種類のコーティングを有する部品と比較して、鋼部品２２へのペイントまたは接着剤４８の優れた接着性が得られる。また、非金属コーティング２４は、優れた溶接性を付与する。したがって、熱間成形部品２２は、図１に示すように、他の部品４０に溶接されて、完成自動車コンポーネント２０を形成することができる。

熱間成形部品２２に蒸着された非金属コーティング２４を有する自動車コンポーネント２０として、Ａピラー、Ｂピラー、Ｄピラー、ドアビーム、バンパビーム、シル、ロッカ、燃料タンクガード、スキッドシールド、フロントレール、ミッドレール、リアレール、ドアフレーム、ドア内側補強体、フロントトンネル、および濡れ領域コンポーネントがある。本発明により形成される自動車コンポーネンツ２０の例が図３に示されている。図３に示す他のコンポーネンツはコーティングされていないが、非金属コーティング２４でコーティングすることもできる。

上記教示から本発明の多くの変更が可能であり、これらの変更は特許請求の範囲内に特定されたもの以外として実施可能である。

２０ 自動車コンポーネント
２２ 鋼部品
２４ 非金属コーティング
２６ 鋼ブランク
３０ 金属コーティング
３２ 個別層
３４ 炉（オーブン）
３６ ダイ
４２ 真空チャンバ
４４ 原料物質

Claims (20)

1. 鋼材料から形成された熱間成形部品と、
   該部品の表面に設けられた非金属コーティングとを有し、非金属コーティングはシリコンおよびカーボンの少なくとも一方を含みかつ３００ｎｍを超えない厚さを有していることを特徴とする自動車コンポーネント。
2. 前記非金属コーティングは、金属が存在せず、４０〜７０重量％の量のシリコン、１５重量％までの量のカーボン、および５０重量％より少ない合計量の酸素および窒素の少なくとも一方を含んでいることを特徴とする請求項１記載の自動車コンポーネント。
3. 前記非金属コーティングは、セラミックおよびカーバイドの少なくとも一方を含んでいることを特徴とする請求項１記載の自動車コンポーネント。
4. 前記非金属コーティングは、部品の表面の反射率を調節することを特徴とする請求項１記載の自動車コンポーネント。
5. 前記非金属コーティングは１〜３個の個別層を有し、各層はシリコンおよびカーボンの少なくとも一方を含み、および各層は他層とは異なる組成を有することを特徴とする請求項１記載の自動車コンポーネント。
6. 前記部品と非金属コーティングとの間に設けられた金属コーティングを更に有することを特徴とする請求項１記載の自動車コンポーネント。
7. 前記金属コーティングは亜鉛を含んでいることを特徴とする請求項６記載の自動車コンポーネント。
8. 前記部品の鋼材料は２２ＭｎＢ５であることを特徴とする請求項１記載の自動車コンポーネント。
9. 前記コンポーネントは、Ａピラー、Ｂピラー、Ｄピラー、ドアビーム、バンパビーム、シル、ロッカ、燃料タンクガード、スキッドシールド、フロントレール、ミッドレール、リアレール、ドアフレーム、ドア内側補強体、フロントトンネル、または濡れ領域コンポーネントであることを特徴とする請求項１記載の自動車コンポーネント。
10. 前記熱間成形部品は鋼ブランクを熱間成形することにより形成され、および非金属コーティングは、熱間成形工程の前に鋼ブランクに塗布されることを特徴とする請求項１記載の自動車コンポーネント。
11. 鋼材料から形成されたブランクを用意する工程と、
    該ブランクを熱間成形して部品を形成する工程と、
    熱間成形の前にブランクの表面に非金属コーティングを設ける工程とを有し、
    非金属コーティングが、シリコンおよびカーボンの少なくとも一方を含みかつ３００ｎｍを超えない厚さを有していることを特徴とする自動車コンポーネントの形成方法。
12. 前記非金属コーティングは、金属が存在せず、４０〜７０重量％の量のシリコン、１５重量％までの量のカーボン、および任意であるがセラミックおよびカーバイドの少なくとも一方を含んでいることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記ブランクに非金属コーティングを設ける工程は物理蒸着（ＰＶＤ）を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
14. 前記ブランクに非金属コーティングを設ける工程は反応スパッタリングを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
15. 前記ブランクに非金属コーティングを設ける工程は、ブランクに１〜３個の層を設けることを含み、これらの各層はシリコンおよびカーボンの少なくとも一方を含み、および各層は他層とは異なる組成を有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
16. 前記ブランクに非金属コーティングを設ける工程は、非金属コーティングの厚さが３００ｎｍを超えない厚さになるまで非金属コーティングを塗布することを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
17. 前記非金属コーティングを塗布する前にブランクに金属コーティングを塗布する工程を有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
18. 前記熱間成形工程は、少なくとも７００℃の温度までブランクを加熱することを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
19. 前記熱間成形工程は熱間スタンピングを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
20. 前記熱間スタンピング工程は、コーティングされたブランクを加熱すること、加熱されたブランクを成形して所定寸法を有する部品を形成すること、および該部品を冷却することを含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。

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