JP2016112569A - 熱間プレス成形品の製造方法および熱間プレス成形品 - Google Patents

熱間プレス成形品の製造方法および熱間プレス成形品 Download PDF

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Abstract

【課題】 熱間プレス部材を熱間プレス成形するに際し、液体金属脆化割れを抑制し、高強度な熱間プレス成形品を製造する熱間プレス成形品の製造方法および熱間プレス成形品を提供する。【解決手段】本発明に係る熱間プレス成形品の製造方法は、Zn-Niめっき層を形成した鋼板を部分的に２枚重ねて接合した熱間プレス成形品の製造方法であって、前記熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部の板厚比が1.4以上5.0以下の範囲で、Zn-Niめっき層のNi含有量が前記板厚比により定まる範囲である前記熱間プレス部材を前記鋼板のAc3変態点以上1000℃以下の温度域に加熱する加熱工程と、前記Ar3変態点以上Zn-Niめっき層の凝固点以下の温度域でプレス成形を開始する成形工程と、前記熱間プレス部材を金型内で焼き入れる焼入れ工程とを備えたものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、熱間プレス成形品およびその製造方法に関し、Zn-Niめっき層が形成された表面処理鋼板を２枚重ねて熱間プレス成形する熱間プレス成形品の製造方法および熱間プレス成形品に関するものである。
近年、自動車部品の高強度化・薄肉化が要求され、使用される鋼板の高強度化に伴ってプレス成形加工性が低下し、鋼板を所望の部品形状に加工することが難しくなっている。
このような問題を解決するものとして、高温に加熱した素材鋼板を、金型を用いて所望の形状に熱間プレス成形しつつ金型内で抜熱して焼入れし、熱間プレス成形後の部品を高強度化する技術が知られている。以下、元素の%は質量%を示す。
例えば、特許文献1においては、ブランク板（鋼板）をオーステナイト単相域まで加熱した後に、熱間でのプレス成形と同時に型内での焼入れを行うことで部品の高強度化が可能となる技術が提案されている。
また、自動車用部品において補強したい特定の部位だけをより効率的に補強して高強度にするとともに部品の重量増加を防ぐことを目的として、特許文献２では補強が必要な部位に相当する箇所に複数枚の鋼板を重ね合わせて熱間プレス成形する方法が提案されている。
しかし、特許文献１および２で提案された熱間プレス成形方法では、プレス成形前に鋼板を900℃前後の高温に加熱するため、鋼板表面にはスケール（鉄酸化物）が生成し、そのスケールが熱間プレス成形時に剥離して金型を損傷させたり、熱間プレス成形後の鋼板表面を損傷させるという問題がある。また、鋼板表面に残ったスケールは、外観不良や塗装密着性の低下の原因にもなる。このため、通常は酸洗やショットブラスト等の処理を行って鋼板表面のスケールは除去されるが、これは生産性の低下を招く。さらに、自動車の足廻り部材や車体構造部材等には優れた耐食性も必要とされるが、上述のような工程により製造された熱間プレス成形品ではめっき層等の防錆皮膜が設けられていないため、耐食性が不十分となる。
このようなことから、熱間プレス成形前の加熱時にスケールの生成を抑制するとともに、熱間プレス成形後の成形品の耐食性を向上させることが可能な熱間プレス成形技術が要望され、表面にめっき層等の皮膜を設けた表面処理鋼板やそれを用いた熱間プレス成形方法が提案されている。
例えば、特許文献３には、ZnまたはZnベース合金で被覆された表面処理鋼板を熱間プレス成形し、Zn-Feベース化合物またはZn-Fe-Alベース化合物を表面に設けた耐食性に優れる熱間プレス成形品の製造方法が開示されている。特許文献３に記載の方法で製造された熱間プレス成形では、スケールの生成はある程度抑制されるものの、めっき層中のZnに起因する液体金属脆化割れが起こる場合がある。液体金属脆化割れが発生するとそのプレス成形品の疲労強度などの部品性能の低下が生じて問題となる。
そこで、特許文献4ではZn系めっき層が形成された表面処理鋼板を用いた重ね合わせ熱間プレス成形品の製造方法について、表面処理鋼板の一部に突起を設け、重ね合わせた表面処理鋼板の間に0.03〜2.0mmの隙間を形成し、加熱時に重ね合わせ部の液相状態のZnを蒸気として蒸発させ液相を消失させることで液体金属脆化割れを抑制する技術が提案されている。
特許文献5ではZn-Fe系めっき層が形成された表面処理鋼板を用いた熱間プレス成形品の製造方法において、液体金属脆化割れを抑制するために表面処理鋼板の温度をめっき層の凝固点以下まで下げてプレス成形を開始する方法が提案されている。
英国特許第1490535号公報 特開2011-88484号公報 特許第3663145号公報 特開2013-184221号公報 特開2013-91099号公報
特許文献４で提案された方法により、Zn系めっき鋼板を用いた重ね合わせ熱間プレス成形において液体金属脆化割れを抑制することは可能であるが、加熱時に液相を蒸発させるための隙間を形成するために予め突起を形成する工程が必要になるため、生産性に劣ることや、蒸発したZnによる作業環境の悪化が懸念される。
特許文献５で提案された方法では、プレス成形前に表面処理鋼板をZn-Feめっき層の凝固点である660℃程度以下の温度まで冷却する必要があり、プレス機とは別途、あるいはプレス機内部の冷却設備の設置によるコストの増加や冷却時間の増加に伴う生産性の低下が問題となる。さらに、表面処理鋼板を重ね合わせた部材を用いた熱間プレス成形において上記の冷却工程を行った場合、表面処理鋼板の２枚重ね部と重なっていない１枚部では冷却速度が異なり、重なっていない1枚部の温度の方が低くなる。
特に、２枚重ね部と１枚部それぞれの板厚の比が大きくなると、２枚重ね部と１枚部の温度差が大きくなり、１枚部での熱間プレス成形前の過度な温度低下による焼入れ性の低下、形状凍結性の低下等、種々の問題が出てくる。
さらに、めっき層が形成された表面処理鋼板を２枚重ねした熱間プレス部材を用いて熱間プレス成形を行う場合の問題として、液体金属脆化割れがある。図８に表面処理鋼板を部分的に重ね合わせた熱間プレス部材を同一温度に加熱した後に冷却した場合の、２枚重ね部の合計板厚t2と1枚部の板厚t1との板厚比t2/t1と、冷却時における２枚重ね部と１枚部の温度差Tの関係を示す。上記の焼入れ性の低下や形状凍結性の低下は、1枚部の温度が600℃を下回ると顕著となることから、図８に示される温度差は1枚部の温度が600℃に到達した時点の温度差とした。特許文献５で提案された方法では、代表的なZn-Feめっき（12%Fe）の場合、熱間プレス部材の温度を660℃以下まで冷却する必要があるが、図８に示すように板厚比が1.4以上となると温度差が60℃以上、すなわち２枚重ね部の温度は660℃以上となる。このような場合、Zn系めっき鋼板においては２枚重ね部の温度がZn系めっきの凝固点以上である液体金属脆化割れが生じる温度域となってしまい、液体金属脆化割れを抑制することができなくなる。
一方、熱間プレス成形により成形された部品の重量を増やすことなく高強度化するためには、表面処理鋼板を２枚重ねた熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部の板厚比を大きくとれるようにすることが望まれている。板厚比を大きくとれるようにすれば、例えば、強度を増して補強したい部分のみに板厚の大きい鋼板を重ねることで、補強したい部分をより効率的に補強でき、部品全体としての軽量化に寄与することが可能となるためである。しかしながら、前述のとおり、Zn系めっき鋼板を用いて熱間プレス成形した場合、板厚比1.4以上では2枚重ね部の温度が高く溶融したZnによる液体金属脆化割れが生じてしまうため、Zn系めっき層を形成した表面処理鋼板を重ね合わせた熱間プレス部材の板厚比を1.4以上として熱間プレス成形品を製造することは困難となる。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、めっき層が形成された表面処理鋼板を部分的に２枚重ね合わせて接合した熱間プレス部材を用いる熱間プレス成形品の製造方法において、２枚重ね部と１枚部の板厚比を大きくとることができ、補強したい部分を効率的に補強できる熱間プレス成形品の製造方法および熱間プレス成形品を得ることを目的とする。
（１）本発明に係る熱間プレス成形品の製造方法は、表面処理鋼板を部分的に２枚重ねて溶接した熱間プレス部材に熱間プレス成形を施して熱間プレス成形品を製造する熱間プレス成形品の製造方法であって、前記表面処理鋼板はZn-Niめっき層が表面に形成された素地鋼板であり、前記熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部の板厚比が1.4以上5.0以下であり、前記熱間プレス部材をAr3変態点以上1000℃以下の温度域に加熱した後、前記熱間プレス部材の全体が前記Zn-Niめっき層の凝固点以下Ar3変態点以上の温度域でプレス成形を開始するプレス成形工程と、前記熱間プレス部材を金型で挟んだまま保持して前記熱間プレス部材を焼き入れる焼入れ工程とを備えたことを特徴とするものである。
（２）上記（１）に記載のものにおいて、前記表面処理鋼板におけるZn-Niめっき層中のNi含有量が質量%で9%以上25%以下であることを特徴とするものである。
（３）上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記表面処理鋼板におけるZn-Niめっき層中のNi含有量の質量%[Ni%]と、２枚重ね部の合計板厚t2と１枚部の板厚t1の比t2/t1とが下式に示す関係を満たすことを特徴とするものである。
-0.35×[Ni%]2+17.1×[Ni%]+72≧153×ln(t2/t1)+9.6
（４）本発明に係る熱間プレス成形品は、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の方法により製造されたことを特徴とするものである。
本発明においては、表面処理鋼板を部分的に２枚重ねて接合した熱間プレス部材を用いて熱間プレス成形を施して熱間プレス成形品を製造する熱間プレス成形品の製造方法であって、前記表面処理鋼板はZn-Niめっき層が表面に形成された素地鋼板であり、前記熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部の板厚比が1.4以上5.0以下の範囲であって、Zn-Niめっき層中のNi含有量が前記板厚比により規定される範囲内である前記熱間プレス部材をAr3変態点以上1000℃以下の温度域に加熱する加熱工程と、熱間プレス部材全体がZn-Niめっき層の凝固点以下Ar3変態点以上の温度域でプレス成形を開始する成形工程と、前記熱間プレス部材を金型で挟んだまま保持して前記熱間プレス部材を焼き入れる焼入れ工程とを備えたことにより、プレス前に液相のZnを凝固させるための特別な冷却を行う必要なしに液体金属脆化割れを回避でき、さらに、前記熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部の板厚比を大きくすることで設計の自由度が増し、高強度かつ軽量で耐疲労強度の高い熱間プレス成形品を製造することができる。
本発明において熱間プレス部材の板厚比とZn-Niめっき層中のNi含有量とが満たすべき関係を示すグラフである。 熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部の板厚比と温度差の関係を示す図である。 Zn-Niめっき層中のNi含有量とめっき層の凝固点の関係を示す図である。 本発明の一実施の形態における熱間プレス部材の説明図である。 本発明の一実施の形態における金型の説明図である。 本実施例で製造される熱間プレス成形品の説明図である。 本実施例において、熱間プレス成形品における液体金属脆化割れの有無を示す図である。 本発明の課題に係る熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部の板厚比と温度差の関係を示す図である。
本発明の一実施の形態に係る熱間プレス成形品の製造方法は、Zn-Niめっき層が素地鋼板の表面に形成された表面処理鋼板に熱間プレス成形を施して熱間プレス成形品を製造する熱間プレス成形品の製造方法であって、Zn-Niめっき層が表面に形成された前記表面処理鋼板を２枚重ねてスポット溶接にて接合した熱間プレス部材をAr3変態点以上1000℃以下の温度域に加熱する加熱工程と、前記熱間プレス部材を金型に挟み、前記熱間プレス部材がプレス成形開始温度まで冷却された時点でプレス成形を開始するプレス成形工程と、前記熱間プレス部材を前記金型で挟んだまま保持して前記熱間プレス部材を焼入れる焼入れ工程とを備えたものである。
以下、熱間プレス部材、加熱工程、プレス成形工程、焼入れ工程について詳細に説明する。
＜熱間プレス部材＞
本発明に係る熱間プレス部材の素材としては、素地鋼板の表面にZn-Niめっき層を形成した表面処理鋼板を用いる。
Zn-Ni合金は、該合金の平衡状態図に存在し耐食性を向上するγ相の凝固点が800℃以上であり、純ZnやZn-Fe合金などの通常のZn系めっき層に比べて凝固点が非常に高いため、本発明に係る熱間プレス部材の素材としてZn-Niめっき鋼板を用いた。この時、２枚重ね合わせる鋼板の中で、防錆性が必要な一方の鋼板のみをZn-Niめっき鋼板とし、他方の鋼板を非めっき鋼板としてもよい。また、鋼板の片面のみをZn-Niめっきを施した鋼板を２枚重ねて用いることもできる。
本発明において熱間プレス部材の素材として用いる素地鋼板は、その製造条件に特段の制限はない。例えば所定の成分組成を有する熱延鋼板（酸洗鋼板）、又は、熱延鋼板に冷間圧延を施すことにより得られる冷延鋼板としてもよい。
前記素地鋼板の表面にZn-Niめっき層を形成する場合、例えば、前記素地鋼板を脱脂、酸洗した後、100g/L以上400g/L以下の硫酸ニッケル六水和物、10g/L以上400g/L以下の硫酸亜鉛七水和物を含有するpH1.0以上3.0以下、浴温30℃以上70℃以下のめっき浴中で、10A/dm2以上150A/dm2以下の電流密度で電気めっき処理を行うことにより、Zn-Niめっき層を形成することができる。なお、前記素地鋼板として冷延鋼板を用いる場合には、上記脱脂、酸洗に先立ち、冷延鋼板に焼鈍処理を施してもよい。
めっき層中のNi含有量は9質量%以上25質量%以下とすることが好ましい。硫酸亜鉛七水和物の濃度や電流密度を前記の範囲内で適宜調整することにより、所望のNi含有量（9質量%以上25質量%以下）とすることができる。
電気めっき法によりZn-Niめっき層を素地鋼板表面に形成する際、めっき層中のNi含有量を9質量%以上25質量%以下とすることで、Ni2Zn11，NiZn3、Nｉ5Zn21のいずれかの結晶構造を有するγ相が形成される。このγ相は融点が高いことから、熱間プレス成形の表面処理鋼板加熱時に懸念されるめっき層の蒸発を抑制する上で有利となる。また、高温の熱間プレス成形時に問題となる液体金属脆化の抑制にも有利となる。さらに、γ相は鋼に対する犠牲防食効果を有し耐食性の向上に有効である。
めっき付着量は片面あたり10g/m2以上90g/m2以下とすることが好ましく、めっき層の付着量は、電流通電時間を調整することにより、所望の付着量とすることができる。
素地鋼板の表面にZn-Niめっき層を形成する方法は特に限定されず、溶融めっき、電気めっき等いずれの方法でもよい。素地鋼板として熱延鋼板（酸洗鋼板）を用いる場合には、熱延鋼板（酸洗鋼板）にZn-Niめっき処理を施すことにより、表面処理鋼板とすることができる。一方、素地鋼板として冷延鋼板を用いる場合には、冷間圧延後そのまま、あるいは焼鈍処理を行った後に、Zn-Niめっき処理を施すことにより、表面処理鋼板とすることができる。
本発明に係る熱間プレス成形品の作製に用いる熱間プレス部材としては、素地鋼板の表面にZn-Niめっき層が形成された表面処理鋼板を所定の寸法に打ち貫いて作製したブランク材を２枚重ねてスポット溶接にて接合したもの用いる。２枚のブランク材は同じ寸法であるとは限らず、異なる寸法のブランク材を重ねた熱間プレス部材は、ブランク材が２枚重なった２枚重ね部と重なっていない１枚部を有する。
前記熱間プレス部材を熱間プレス成形する場合、前記熱間プレス部材を加熱した後、表面処理鋼板のめっき層はAr3変態点以上凝固点以下の温度範囲に前記熱間プレス部材を冷却する必要がある。しかしながら、前記熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部とでは冷却速度が異なり、１枚部の方が温度はより低くなる。さらに、２枚重ね部の合計板厚t2と１枚部の板厚t1との板厚比t2/t1が大きくなると、２枚重ね部と１枚部の温度差Tはより大きくなる。
一方、１枚部の温度は熱間プレス成形開始時における焼入れ性の低下や形状凍結性の低下を防ぐため、Ar3変態点以上とすることが必要である。そこで、１枚部の温度をAr3変態点以上とすると、板厚比が大きい場合では、２枚重ね部の温度がめっき層の凝固点以上となり、表面処理鋼板のめっき層が溶融することによる液体金属脆化割れが発生してしまう。
そのため、前記熱間プレス部材の板厚比の範囲は1.4以上5.0以下が好ましい。該板厚比の上限値は、前記熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部の温度差およびZn-Niめっきの凝固点から規定される。
前述のとおり、凝固点が高く耐食性に優れたγ相を生成するため、Ni含有量の上限値は25質量%であり、この時のZn-Ni合金の凝固点は約880℃である。
一方、前記熱間プレス部材の１枚部における温度は、プレス時の焼入れ性の低下や形状凍結性の低下を防止するため、その下限値は600℃とすることが望ましい。
したがって、前記熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚重ね部に対して許容可能な温度差は280℃となる。この温度差以下とするため、板厚比の上限値を5.0と規定した。
さらに、Zn-Niめっき層の凝固点は該めっき層中のNi含有量により変化し、該凝固点の違いによって前記熱間プレス部材において許容される前記板厚比が変化することから、前記熱間プレス部材の前記板厚比とめっき層中のNi含有量とが式（１）に示す関係を満たすことが好ましい。
-0.35×[Ni%]2+17.1×[Ni%]+72≧153×ln(t2/t1)+9.6・・・（１）
ただし、[Ni%]：Zn-Niめっき層中のNi含有量（質量％）、t2：２枚重ね部の合計板厚（mm）、t1：１枚部の板厚（mm）
図１に式（１）により与えられる板厚比t2/t1とNi含有量[Ni%]との関係を示す。同図中、ハッチ部は板厚比およびNi含有量の好ましい範囲において式（１）が成り立つ範囲を示している。
以下、式（１）の導出過程を示す。
まず、熱間プレス部材を冷却したときの２枚重ね部と１枚部における板厚比t2/t1と温度差Tの関係を調査した。その結果を図２に示す。これより、板厚比が増加するにつれて、前記温度差が増加していることがわかる。さらに、図２の結果から、板厚比t2/t1と温度差Tの間に、式（２）に示す回帰式が得られた。
T=153×ln(t2/t1)+9.6・・・（２）
次に、Zn-Niめっき層中のNi含有量[Ni%]とZn-Niめっき層の凝固点Tfpの関係を実験して調査した。その関係を図３に示す。これより、Ni含有量が増加するにつれて、めっき層の凝固点が上昇していることがわかる。さらに、図３の結果から、Ni含有量[Ni%]とめっき層凝固点Tfpの間に、式（３）に示す回帰式が得られた。
Tfp=-0.35×[Ni%]2+17.1×[Ni%]+672・・・（３）
Zn-Niめっき鋼板を２枚重ねた熱間プレス部材を熱間プレス成形する際に要求される条件は、前記熱間プレス部材の１枚部における温度が６００℃以下にならないこと、及び、前記熱間プレス部材の２枚重ね部における温度がめっき層の凝固点以上にならないことである。したがって、めっき層の凝固点は、前記２枚重ね部における温度よりも高い、すなわち式（４）に示すように、前記１枚部における温度の下限値６００℃に２枚重ね部と１枚重ね部の温度差（式（２））を加えた温度が凝固点Tfpより低くなればよい。
Tfp≧600+153×ln(t2/t1)+9.6・・・（４）
式（４）にめっき層の凝固点Tfpについての回帰式（３）を代入することで、熱間プレス部材のめっき層におけるNi含有量[Ni%]と板厚比t2/t1とが満たすべき関係式（１）が導出される。
式（１）の関係を満たす熱間プレス部材を用いることにより、板厚比1.4以上5.0以下の熱間プレス部材を熱間プレス成形する際に２枚重ね部における液体金属脆化割れを回避することができる。
＜加熱工程＞
加熱工程において、前記熱間プレス部材は大気雰囲気の加熱炉により所定の加熱温度及び保持時間にて加熱される。この時、前記熱間プレス部材は、該熱間プレス部材に用いられている素地鋼板のAr3変態点以上で1000℃以下の温度域となるように加熱される。前記熱間プレス部材の温度が前記素地鋼板のAr3変態点未満であると、加熱時に適切な量のオーステナイトが得られず、プレス成形時にフェライトが存在することで熱間プレス成形後に十分な強度を得ることや良好な形状凍結性を確保することが困難となる。一方、前記熱間プレス部材の温度が1000℃を越えると、めっき層の蒸発や表層部での酸化物の過度な生成により、耐酸化性や熱間プレス成形後の成形品の耐食性が低下する。したがって、加熱温度は前記素地鋼板のAr3変態点以上1000℃以下とする。より好ましくはAr3変態点+30℃以上950℃以下である。
熱間プレス部材の加熱方法は特に限定されず、電気炉や誘導加熱炉、直接通電加熱炉、ガス加熱炉、赤外線加熱炉による加熱等、いずれの方法であってもよい。
＜プレス成形工程＞
前記加熱工程において前記熱間プレス部材を加熱した後、前記熱間プレス部材を金型に設置し、プレス成形を行う。プレス成形はしわ抑え無しで成形するフォーム成形、または、しわ押さえを用いて成形するドロー成形にて行う。金型は、例えばパンチ肩とダイ肩にＲ部を有するハット形状であって、該金型内において前記熱間プレス部材の２枚重ね部又は１枚部が当接する部位はそれぞれの板厚となるようにダイ及びパンチのクリアランスを調整する。
＜焼入れ工程＞
焼入れ工程は、前記熱間プレス部材を前記金型内においてダイとパンチで挟んだまま保持して前記熱間プレス部材を焼入れる工程である。プレス成形後、前記金型により前記熱間プレス部材を焼入れるためには、プレス成形後にダイの下死点において所定時間保持することで前記熱間プレス部材から抜熱することが好ましい。
焼き入れ工程の終了後、前記熱間プレス部材を前記金型から離型し、熱間プレス成形品を得る。また、プレス成形終了後、前記熱間プレス部材をプレス機内で水冷して、又は、前記熱間プレス部材をプレス機から取り出して水冷して、焼入れることも可能である。
本発明に係る熱間プレス成形品の製造方法の効果を確認する実験を行ったので、以下これについて説明する。
本実施例では、0.22%C-0.15%Si-1.43%Mn-0.02%P-0.004%S-0.004%Nの成分を有する素地鋼板である冷延鋼板の表面に、Zn-Niめっき層、純Znめっき層、Zn-Feめっき層の各めっき層を形成して表面処理鋼板とした。
各めっき層は以下に示す条件により形成した。
＜Zn-Niめっき層＞
前記冷延鋼板を連続焼鈍ラインに通板し、10℃/sの昇温速度で800℃以上900℃以下の温度域まで加熱し、該温度域に10ｓ以上120ｓ以下滞留させた後、15℃/sの冷却速度で500℃以下の温度域まで冷却した。次いで、実施の形態で記載した方法により、所定のNi含有量および付着量のZn-Niめっき層を形成した。
＜純Znめっき層＞
前記冷延鋼板を連続溶融亜鉛めっきラインに通板し、10℃/sの昇温速度で800℃以上900℃以下の温度域まで加熱し、該温度域に10s以上120s以下滞留させた後、15℃/sの冷却速度で460℃以上500℃以下の温度域まで冷却し、450℃の亜鉛めっき浴に浸漬することにより、Znめっき層を形成した。Znめっき層の付着量は、ガスワイピング法により所定の付着量に調整した。
＜Zn-Feめっき層＞
前記冷延鋼板を連続溶融亜鉛めっきラインに通板し、10℃/sの昇温速度で800℃以上900℃以下の温度域まで加熱し、該温度域に10s以上120s以下滞留させた後、15℃/sの冷却速度で460℃以上500℃以下の温度域まで冷却し、450℃の亜鉛めっき浴に浸漬することにより、Znめっき層を形成した。Znめっき層の付着量は、ガスワイピング法により所定の付着量に調整した。ガスワイピング法により所定の付着量に調整した後、直ちに合金化炉で500〜550℃に加熱して5〜60s保持することにより、Zn-Feめっき層を形成した。めっき層中のFe含有量は、合金化炉での加熱温度や該加熱温度での滞留時間を上記の範囲内で変更することにより、所定の含有量とした。
以上のようにして得られた表面処理鋼板（鋼Ａ〜鋼Ｉ）からブランク板１（200mm×400mm）とブランク板２（120mm×200mm）を打ち抜き、図４に示すようにブランク板１にブランク板２を重ねてスポット溶接にて接合したものを熱間プレス部材１とした。
表１に本実施例で用いた表面処理鋼板（鋼Ａ〜鋼Ｉ）のめっき層の種類、付着量および凝固点、Ar3変態点、さらに各表面処理鋼板の板厚を示す。なお、Ar3変態点は冷却速度の影響を受け易いため、表１には最も高い温度となる空冷時のAr3変態点を記載している。表１のAr3変態点以上とすることで、より確実に本発明の効果を発揮できる。
熱間プレス部材１を大気雰囲気の電気炉により加熱した後、図５に示す金型１１を開いて設置し、熱間プレス部材１がプレス成形開始温度に達した時点で、ブランクホルダー１７を下げてしわ押さえ無しでパンチ１５を押し込んで成形するフォーム成形にてプレス成形を開始した。そして、金型１１においてダイ１３の下死点で30s保持して金型１１内で焼入れた後、離型することにより、図６に示すハット形状の熱間プレス成形品２１を作製した。
金型１１は図５に示すようにＡ点（パンチ肩Ｒ部）及びＢ点（ダイ肩Ｒ部）がともにR5mmのハット形状で、熱間プレス部材１の２枚重ね部３と１枚部５が当接する部位は、２枚重ね部又は１枚部の板厚となるようにダイ１３とパンチ１５のクリアランスＣＲ１及びＣＲ２を調整した。
作製した熱間プレス成形品２１の液体金属脆化割れの有無は、図６に示す２枚重ね部のパンチ肩Ｒ部から切り出したサンプル断面を観察することにより判定した。
硬度は図６に示すように、２枚重ねとなっている熱間プレス成形品２１の天板面２３と1枚部になっている縦壁部２５からそれぞれサンプルを採取し、ビッカース硬度計により測定を行った。硬度の測定において荷重は2.94Nとし、前記サンプルの厚み方向に0.1mm間隔で測定し、前記サンプルの厚み全体の平均値を算出した。
図７に、鋼Ａ（めっき層凝固温度826℃）において各プレス成形開始温度で熱間プレス成形により作製した熱間プレス成形品２１における液体金属脆化割れを観察した写真を示す。プレス成形開始温度が776℃（図７（c））及び806℃（図７（b））の場合、熱間プレス成形品に液体金属脆化割れは生じていない。しかし、プレス成形開始温度がめっき層凝固点を超える830℃（図７（a））の場合、熱間プレス成形品２１の表面から素地鋼板内部に向かって液体金属脆化割れが発生していることが確認された。
表２に、熱間プレス部材１のめっき層の種類、２枚重ね部と１枚部との板厚比、ブランク板加熱条件、プレス成形開始温度ならびに、熱間プレス成形後のサンプルにおける液体金属脆化割れの有無および硬度の測定結果を示す。板厚比t2/t1は、図４より[２枚重ね部（ブランク板１とブランク板２）の板厚]／[ブランク板１の板厚]である。
発明例１〜８は、板厚比、めっき層の種類（Zn-Niめっき層）、ブランク板加熱温度、プレス成形開始温度が全て本発明の範囲内にあり、熱間プレス成形品２１は液体金属脆化割れを発生せず、十分な焼入れ硬度を有している。
なお、Zn-Niめっき層中のNi含有量と板厚比との関係では、発明例１〜３は、Zn-12%Ni（鋼Ａ）で板厚比t2/t1=2.00であるが、（１）式より12%Niの場合、本発明の板厚比はt2/t1≦4.13であるため、発明例１〜３は本発明の範囲内である。
同様に発明例４は、Zn-12%Ni（鋼Ａ）とZn-10%Ni（鋼Ｂ）の組み合わせで板厚比t2/t1=2.28であるが、（１）式より10%Niの場合、本発明の板厚比はt2/t1≦3.65であり、本発明の範囲である。
また、発明例５および発明例６は、Zn-10%Ni（鋼Ｂ）とZn-15%Ni（鋼Ｃ）の組み合わせで板厚比t2/t1=1.52及び2.92であるが、10%Niの場合、本発明の板厚比t2/t1≦3.65であり、本発明の範囲である。
さらに、発明例７は、Zn-15%Ni（鋼Ｃ）とZn-22%Ni（鋼Ｄ）の組み合わせで、板厚比t2/t1=4.25であるが、15%Niの場合、本発明の板厚比t2/t1≦4.80であり、本発明の範囲である。
また、発明例８は、Zn-12%Ni（鋼Ａ）とZn-13%Ni(鋼Ｅ)の組み合わせで板厚比t2/t1=3.78であるが、12%Niの場合、本発明の板厚比t2/t1≦4.13であり、本発明の範囲である。
比較例１及び２は、めっき層が本発明と同じZn-Ni層である。しかしながら、比較例１では２枚重ね部３のプレス成形開始温度がZn-Niめっき層（12%Ni）の凝固点(表１よりTfp=826℃)を超えていることにより液体金属脆化割れが発生し、比較例２では１枚部５のプレス成形開始温度がAr3変態点（610℃）未満であることにより、プレス後サンプルの１枚部における硬度が低下している。
比較例３は板厚比が本発明の範囲外であり、２枚重ね部のプレス成形開始温度がめっき層の凝固点（850℃）を超えることで熱間プレス成形品２１に液体金属脆化割れが発生している。
比較例４〜９はブランク板加熱温度またはプレス成形開始温度が本発明の範囲に入っているが、めっき層の種類が本発明と異なる従来のZn層（比較例４、５及び８）又はZn-Fe層（比較例６、７及び９）であり、いずれの比較例において熱間プレス成形品２１に液体金属脆化割れが発生している。
また、比較例８及び９では、１枚部のプレス成形開始温度がAr3変態点以下であったため、プレス成形後の強度が低下して問題であった。
以上より、めっき層を形成した表面処理鋼板を部分的に２枚重ねて接合した熱間プレス部材を熱間プレス成形して熱間プレス成形品を製造する場合、めっき層をZn-Niめっき層とし、熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部の板厚比を1.4以上5.0以下、Zn-Niめっき層中のNi含有量9質量%以上25質量%以下の範囲において板厚比とNi含有量とが式（１）を満たすことにより、従来技術よりも熱間プレス部材の板厚比の大きい場合においても、液体金属脆化割れを生じることなく、高強度かつ軽量で耐疲労強度の高い熱間プレス成形品を製造することが可能となる。
１ 熱間プレス部材１
３ ２枚重ね部
５ １枚部
１１ 金型
１３ ダイ
１５ パンチ
１７ ブランクホルダー
２１ 熱間プレス成形品
２３ 天板部
２５ 縦壁部
（１）本発明に係る熱間プレス成形品の製造方法は、表面処理鋼板を部分的に２枚重ねて溶接した熱間プレス部材に熱間プレス成形を施して熱間プレス成形品を製造する熱間プレス成形品の製造方法であって、前記表面処理鋼板はZn-Niめっき層が表面に形成された素地鋼板であり、前記熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部の板厚比が1.4以上5.0以下であり、前記熱間プレス部材をAc 3 変態点以上1000℃以下の温度域に加熱した後、前記熱間プレス部材の全体が前記Zn-Niめっき層の凝固点以下Ar3変態点以上の温度域でプレス成形を開始するプレス成形工程と、前記熱間プレス部材を金型で挟んだまま保持して前記熱間プレス部材を焼き入れる焼入れ工程とを備えたことを特徴とするものである。
本発明においては、表面処理鋼板を部分的に２枚重ねて接合した熱間プレス部材を用いて熱間プレス成形を施して熱間プレス成形品を製造する熱間プレス成形品の製造方法であって、前記表面処理鋼板はZn-Niめっき層が表面に形成された素地鋼板であり、前記熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部の板厚比が1.4以上5.0以下の範囲であって、Zn-Niめっき層中のNi含有量が前記板厚比により規定される範囲内である前記熱間プレス部材をAc 3 変態点以上1000℃以下の温度域に加熱する加熱工程と、熱間プレス部材全体がZn-Niめっき層の凝固点以下Ar3変態点以上の温度域でプレス成形を開始する成形工程と、前記熱間プレス部材を金型で挟んだまま保持して前記熱間プレス部材を焼き入れる焼入れ工程とを備えたことにより、プレス前に液相のZnを凝固させるための特別な冷却を行う必要なしに液体金属脆化割れを回避でき、さらに、前記熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部の板厚比を大きくすることで設計の自由度が増し、高強度かつ軽量で耐疲労強度の高い熱間プレス成形品を製造することができる。
本発明の一実施の形態に係る熱間プレス成形品の製造方法は、Zn-Niめっき層が素地鋼板の表面に形成された表面処理鋼板に熱間プレス成形を施して熱間プレス成形品を製造する熱間プレス成形品の製造方法であって、Zn-Niめっき層が表面に形成された前記表面処理鋼板を２枚重ねてスポット溶接にて接合した熱間プレス部材をAc 3 変態点以上1000℃以下の温度域に加熱する加熱工程と、前記熱間プレス部材を金型に挟み、前記熱間プレス部材がプレス成形開始温度まで冷却された時点でプレス成形を開始するプレス成形工程と、前記熱間プレス部材を前記金型で挟んだまま保持して前記熱間プレス部材を焼入れる焼入れ工程とを備えたものである。
以下、熱間プレス部材、加熱工程、プレス成形工程、焼入れ工程について詳細に説明する。
＜加熱工程＞
加熱工程において、前記熱間プレス部材は大気雰囲気の加熱炉により所定の加熱温度及び保持時間にて加熱される。この時、前記熱間プレス部材は、該熱間プレス部材に用いられている素地鋼板のAc 3 変態点以上で1000℃以下の温度域となるように加熱される。前記熱間プレス部材の温度が前記素地鋼板のAc 3 変態点未満であると、加熱時に適切な量のオーステナイトが得られず、プレス成形時にフェライトが存在することで熱間プレス成形後に十分な強度を得ることや良好な形状凍結性を確保することが困難となる。一方、前記熱間プレス部材の温度が1000℃を越えると、めっき層の蒸発や表層部での酸化物の過度な生成により、耐酸化性や熱間プレス成形後の成形品の耐食性が低下する。したがって、加熱温度は前記素地鋼板のAc 3 変態点以上1000℃以下とする。より好ましくはAc 3 変態点+30℃以上950℃以下である。
熱間プレス部材の加熱方法は特に限定されず、電気炉や誘導加熱炉、直接通電加熱炉、ガス加熱炉、赤外線加熱炉による加熱等、いずれの方法であってもよい。

Claims (4)

  1. 表面処理鋼板を部分的に２枚重ねて溶接した熱間プレス部材に熱間プレス成形を施して熱間プレス成形品を製造する熱間プレス成形品の製造方法であって、
    前記表面処理鋼板はZn-Niめっき層が表面に形成された素地鋼板であり、
    前記熱間プレス部材の２枚重ね部と１枚部の板厚比が1.4以上5.0以下であり、
    前記熱間プレス部材をAr3変態点以上1000℃以下の温度域に加熱した後、前記熱間プレス部材の全体が前記Zn-Niめっき層の凝固点以下Ar3変態点以上の温度域でプレス成形を開始するプレス成形工程と、
    前記熱間プレス部材を金型で挟んだまま保持して前記熱間プレス部材を焼き入れる焼入れ工程とを備えたことを特徴とする熱間プレス成形品の製造方法。
  2. 前記表面処理鋼板におけるZn-Niめっき層中のNi含有量が質量%で9%以上25%以下であることを特徴とする請求項1に記載の熱間プレス成形品の製造方法。
  3. 前記表面処理鋼板におけるZn-Niめっき層中のNi含有量の質量% [Ni%]と２枚重ね部の合計板厚t2と１枚部の板厚t1の比t2/t1とが下式に示す関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱間プレス成形品の製造方法。
    -0.35×[Ni%]2+17.1×[Ni%]+72≧153×ln(t2/t1)+9.6
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の方法により製造されたことを特徴とする熱間プレス成形品。
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