JP2017523299A - 金属被膜を有する鋼板の熱間成型により成形される鋼部品を製造するための方法、そのような鋼板、および熱間成型処理を用いて該鋼板から製造される鋼部品 - Google Patents

金属被膜を有する鋼板の熱間成型により成形される鋼部品を製造するための方法、そのような鋼板、および熱間成型処理を用いて該鋼板から製造される鋼部品 Download PDF

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Abstract

本発明は、金属被膜を有し、加熱されてその後熱間成型処理を用いて鋼部品に成型される鋼板から、３次元形状鋼部品を製造するための方法に関する。使用される鋼板は、金属被膜としてＦｅ−Ａｌ系合金を有する。鋼板または鋼部品をスケーリングから保護するために、Ｆｅ−Ａｌ系合金が、ガルバニックコーティングプロセスおよび／または物理気相堆積を用いて鋼板上に直接適用され、このようにして生成された被膜は、３０〜６０重量％のＦｅを含有し、Ａｌの群を含有し、また、０．１〜１０重量％のＭｇおよび／または０．１〜５重量％のＴｉおよび／または０．１〜１０重量％のＳｉおよび／または０．１〜１０重量％のＬｉおよび／または０．１〜１０重量％のＣａを含有してもよく、合金は、熱間成型処理のために加熱処理が行われる前に、９００℃超まで安定であるＦｅ−Ａｌ相を有する。本発明は、さらに、熱間成型処理を用いて製造される１つまたは複数の鋼部品を製造するための、上記に従い被覆された鋼板に関する。

Description

本発明は、金属被膜を有し、加熱されてその後熱間成型により鋼部品に成型される鋼板から、３次元形状鋼部品を製造するための方法であって、使用される鋼板は、金属被膜としてＦｅ−Ａｌ系合金を有する方法に関する。本発明は、さらに、Ｆｅ−Ａｌ系合金で構成された金属被膜を備える、熱間成型により製造される１つまたは複数の鋼部品を製造するための鋼板に関する。さらに、本発明は、この種類の鋼板の熱間成型により製造された成形鋼部品に関する。
酸素含有雰囲気中で約５００℃を超える温度まで鋼を加熱すると、スケールとして知られる酸化物層が鋼表面上に形成される。スケール形成は、数多くの問題をもたらすため、一般に望ましくない。したがって、鋼板の成型中のスケールの圧入は、表面傷をもたらす可能性があり、また不十分な、または全く許容されない表面品質をもたらす可能性がある。その高い硬度に起因して、スケールは、成型される鋼板を運搬するロールガング、さらには成型ツールの磨耗を増加させる。スケールの除去は、追加的な費用をもたらす。
本発明の目的は、スケール形成の問題がほぼ回避される、冒頭で言及された種類の方法を提供することである。特に、本発明の目的は、スケールから保護する金属被膜を備え、熱間成型により製造される部品用に特別設計された鋼板を利用可能とすることである。
方法に関しては、この目的は、請求項１に記載の特徴を有する方法により達成される。本発明の方法の有利で好ましい実施形態は、請求項１を参照する請求項に示されている。鋼板に関しては、上述の目的は、請求項７に記載の特徴を有する鋼板により達成される。本発明の鋼板の有利で好ましい実施形態は、請求項７を参照する請求項に示されている。
鋼板、または熱間成型（プレス硬化）により鋼板から製造された鋼部品をスケール形成から保護するために、Ｆｅ−Ａｌ系合金が、ガルバニックコーティングプロセスおよび／または物理気相堆積により鋼板に直接適用され、このようにして生成された被膜は、３０〜６０重量％のＦｅ、残りのＡｌを含有し、また、任意の０．１〜１０重量％のＭｇおよび／または０．１〜５重量％のＴｉおよび／または０．１〜１０重量％のＳｉおよび／または０．１〜１０重量％のＬｉおよび／または０．１〜１０重量％のＣａを含有してもよく、熱間成型のために被覆された鋼板の加熱が行われる前であっても、９００℃超まで安定であるＦｅ−Ａｌ相を有する。
「事前アニール」により生成される金属間化合物合金層を有する被膜とは対照的に、Ｆｅ系またはＦｅ−Ａｌ系合金は、本発明に従い直接適用される。ガルバニックコーティングプロセスおよび物理気相堆積（ＰＶＤプロセスとして知られる）は、この目的に特に好適である。プロセスは両方とも、連続被覆処理が可能である。２つの被覆処理の組合せ、およびさらに溶融めっき処理との組合せは、Ｆｅ−Ａｌ系被膜を得るための本発明の範囲内である。
本発明による被膜は、以下の利点を有する。
１．熱間成型プラントの炉構成部品（特にセラミックロールガング）と被膜との反応が、安定化されたＦｅ−Ａｌ相により防止される。これは、被覆された鋼板の表面品質にプラスの効果を有し、炉の整備要件を低減する。
２．事前に予合金化された被膜は、改善された放射率（吸収能）の結果、大幅により迅速に加熱することができ、これは、熱間成型処理の短縮を可能にする。これは、製造されるプレス硬化鋼部品の生産性の増加、および製造コストの削減をもたらす。
３．まだ完全に合金化されていない（「生焼けの」）被膜成分に起因する焼付き材料の低減により、成型ツールの磨耗が低減される。これはまた、停止時間を短縮し、コストを削減する。
含まれてもよい合金成分であるマグネシウム、チタン、ケイ素、リチウムおよびカルシウムは、鉄よりも高い腐食電位を有し、これは、プレス硬化された被膜の任意の損傷領域においてある程度のカソード防食をもたらす。アルミニウムとの低融点相が形成される傾向、および液相により誘引される亀裂の関連したリスクに起因して、亜鉛は本発明の被膜における合金元素として使用されない。
本発明の具体的実施形態は、Ｆｅ−Ａｌ系合金が少なくとも２８重量％のＡｌ、特に好ましくは少なくとも３８重量％のＡｌを含有することを特徴とする。これは、基材への悪影響なしにスケール形成に対する保護効果を増大し得る。
本発明のさらなる有利な実施形態において、Ｆｅ−Ａｌ系合金は、０．１〜１０重量％のＭｇおよび／または０．１〜５重量％のＴｉを含有する。合金成分であるマグネシウムおよびチタンは、被膜の表面に対してプラスの効果を有する。実験では、第１に低減された素地粗さ（Ｒａ、Ｒｚ）に起因する改善された防食をもたらし、第２に増加したピークカウント（ＲＰｃ）を与え、その結果、電着被覆処理において適用される表面被膜の接着が改善される最適な粗さが、さらなるプロセスウィンドウにおいて設定されることが示されている。
また、さらなる好ましい実施形態において、Ｆｅ−Ａｌ系合金が０．１〜１０重量％のＬｉおよび／または０．１〜１０重量％のＣａを含有することが有利である。実験では、それによりカソード防食が大幅に改善され得ることが示されている。これはまた、マグネシウムの添加にも特に当てはまる。
スケール形成および腐食に対する保護効果に関して特に良好な結果は、さらなる好ましい実施形態において、Ｆｅ−Ａｌ系合金が、２０重量％以下、特に１５重量％以下、好ましくは１２重量％以下の、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＬｉおよびＣａからなる群からの合金元素を含有する場合に達成され得る。
ＰＶＤプロセスの使用前の事前に被覆された、または被覆されていない鋼基板の熱処理、またはその後の２５０〜５００℃への加熱は、層の接着の改善をもたらす。その後に溶融めっきが使用される場合、追加の加熱は不必要となる。
非常に良好な機械的特性を有する軽量化された鋼部品を製造するために、鋼板は、本発明の方法のさらなる実施形態において、熱間成型中、および／または熱間成型後の急冷により硬化されてもよい。
以下において、実施例（実験）を用いて本発明を例示する。
［実施例］
［実施例１］
連続被覆処理において、物理気相堆積（ＰＶＤ）を用い、基材、例えば２２ＭｎＢ５型のプレス硬化可能な鋼を、約６０重量％のＡｌおよび約３９重量％のＦｅ、ならびに約１重量％のＴｉで被覆した。これは、電子ビーム気化器および別個の熱ＰＶＤプロセスステップにおけるアルミニウムの堆積を用い、鉄およびチタンの同時堆積により達成した。約８μｍの層厚が得られた。その後、この層を、連続炉内で約５００℃および約６０秒の処理時間（保持時間）で熱的に事後緻密化した。熱的な事後緻密化は、層の接着および固体拡散による初期合金形成を改善するのに役立つ。
連続ストリップ被覆処理においてこのようにして生成された鋼ストリップを、その後、顧客側でのさらなる処理に従い、金属ブランクに切断し、プレス硬化処理に送り出した。約５５重量％のＦｅおよび約４５重量％のＡｌを含有する金属被膜（コーティング）、ならびに僅か約１５０ｎｍの厚さを有する酸化アルミニウムおよび酸化チタン層が、実験用プレス硬化炉内で６分から３分に短縮された加熱段階において形成された。被膜は、Ｒａ＝０．８〜１μｍの素地粗さ、およびＲＰＣ＝１５０〜２００を有し、これはさらなる処理、特に塗装に非常に好適であった。
連続炉のセラミックロールガング上にも成型ツール上にもアルミニウムの焼き付きは観察されないことが分かった。
また、驚くべきことに、アルミニウム−ケイ素被膜を有する参照板と比較して低減された素地粗さが、電着被覆処理において被覆された鋼部品の防食の改善をもたらすことが分かった。
［実施例２］
連続被覆処理において、物理気相堆積を用い、基材、例えば２２ＭｎＢ５型のプレス硬化可能な鋼を、約５０重量％のＡｌおよび約４５重量％のＦｅ、ならびに約５重量％のＭｇで被覆した。これは、別個のるつぼからのジェット−ＰＶＤを用いたアルミニウムおよびマグネシウムの同時堆積、および電子ビーム気化を用いた分離被覆ステップにおける鉄の堆積により達成した。このようにして得られた層厚は、約８μｍであった。その後、この層を、連続炉内で約４００℃で約６０秒間熱的に事後緻密化した。熱的な事後緻密化は、層の接着および固体拡散による初期合金形成を改善するのに役立つ。
連続ストリップ被覆処理においてこのようにして生成された鋼ストリップを、その後、顧客側でのさらなる処理に従い、金属ブランクに切断し、プレス硬化処理に送り出した。約５５重量％のＦｅ、約４２重量％のＡｌおよび約３重量％のマグネシウムを含有する金属被膜、ならびに約１μｍの厚さを有する酸化アルミニウムおよび酸化マグネシウム層が、実験用プレス硬化炉内で６分から３．５分に短縮された加熱段階において形成された。被膜は、Ｒａ＝１〜２．２μｍの素地粗さ、およびＲＰＣ＝１００〜１２０を有し、これはさらなる処理、特に塗装に非常に好適であった。
連続炉のセラミックロールガング上にも成型ツール上にもアルミニウムの焼き付きは観察されないことが分かった。
また、驚くべきことに、自動車用途に典型的な板の擦り傷部分および端部における検査により決定される、電着被覆処理において被覆された部品における鋼板への腐食深さは、マグネシウムの存在に起因して、標準的アルミニウム−ケイ素被膜を有するファインスチール板の場合よりも大幅に小さいことも分かった。
［実施例３］
まず、厚さ約４μｍのＦｅ層を、基材、例えば２２ＭｎＢ５型のプレス硬化可能な鋼に電解により適用した。その後、基板を３５０℃に加熱した後、熱ＰＶＤ処理を用いて厚さ約６μｍのアルミニウム−マグネシウム層を適用した。２種類の合金成分（ＡｌおよびＭｇ）を、２つの別個のるつぼから同時に堆積させた。得られたＡｌ層は、約１０重量％のＭｇ含量を有していた。この層はまた、概して、プレス硬化部品の鋼基板に長期不動態防食を提供する。
連続ストリップ被覆処理においてこのようにして生成された鋼ストリップを、その後、顧客側でのさらなる処理に従い、金属ブランクに切断し、プレス硬化処理に送り出した。約６０重量％のＦｅ、約３７重量％のＡｌおよび約３重量％のマグネシウムを含有する金属被膜（コーティング）、ならびに約１μｍの厚さを有する酸化アルミニウムおよび酸化マグネシウム層が、実験用プレス硬化炉内で６分から３．５分に短縮された加熱段階において形成された。被膜は、Ｒａ＝１〜２．２μｍの素地粗さ、およびＲＰＣ＝１００〜１２０を有し、これはさらなる処理、特に塗装に非常に好適であった。
連続炉のセラミックロールガング上にも成型ツール上にもアルミニウムの焼き付きは観察されないことが分かった。
さらに、驚くべきことに、自動車用途に典型的な板の擦り傷部分および端部における検査により決定される、電着被覆処理において被覆された部品における鋼基板への腐食深さは、マグネシウムの存在に起因して、標準的アルミニウム−ケイ素被膜を有するファインスチール板の場合よりも大幅に小さいことが分かった。

Claims (12)

  1. 金属被膜を有し、加熱されてその後熱間成型により鋼部品に成型される鋼板から、３次元形状鋼部品を製造するための方法であって、使用される前記鋼板は、金属被膜としてＦｅ−Ａｌ系合金を有し、前記Ｆｅ−Ａｌ系合金は、ガルバニックコーティングプロセスおよび／または物理気相堆積により前記鋼板に直接適用され、このようにして生成された前記被膜は、
    ３０〜６０重量％のＦｅを含有し、
    残りのＡｌを含有し、
    ０．１〜１０重量％のＭｇおよび／または
    ０．１〜５重量％のＴｉおよび／または
    ０．１〜１０重量％のＳｉおよび／または
    ０．１〜１０重量％のＬｉおよび／または
    ０．１〜１０重量％のＣａを含有してもよく、
    熱間成型のために被覆された鋼板の加熱が行われる前であっても、９００℃超まで安定であるＦｅ−Ａｌ相を有することを特徴とする方法。
  2. 前記Ｆｅ−Ａｌ系合金が、少なくとも２８重量％、好ましくは少なくとも３８重量％のＡｌを含有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記Ｆｅ−Ａｌ系合金が、０．１〜１０重量％のＭｇおよび／または０．１〜５重量％のＴｉを含有することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記Ｆｅ−Ａｌ系合金が、０．１〜１０重量％のＬｉおよび／または０．１〜１０重量％のＣａを含有することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
  5. 前記Ｆｅ−Ａｌ系合金が、２０重量％以下のＭｇ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＬｉおよびＣａからなる群からの合金元素を含有することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
  6. 前記鋼板が、熱間成型中および／または熱間成型後に急冷により硬化されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
  7. Ｆｅ−Ａｌ系合金で構成された金属被膜を備える、熱間成型により製造される１つまたは複数の鋼部品を製造するための鋼板であって、前記Ｆｅ−Ａｌ系合金は、ガルバニックコーティングプロセスおよび／または物理気相堆積により前記鋼板に直接適用されており、このようにして生成された被膜は、
    ３０〜６０重量％のＦｅを含有し、
    残りのＡｌを含有し、
    ０．１〜１０重量％のＭｇおよび／または
    ０．１〜５重量％のＴｉおよび／または
    ０．１〜１０重量％のＳｉおよび／または
    ０．１〜１０重量％のＬｉおよび／または
    ０．１〜１０重量％のＣａを含有してもよく、
    前記被膜は、熱間成型のために被覆された鋼板の加熱が行われる前であっても、９００℃超まで安定であるＦｅ−Ａｌ相を有するような性質を有することを特徴とする鋼板。
  8. 前記Ｆｅ−Ａｌ系合金が、少なくとも２８重量％、好ましくは少なくとも３８重量％のＡｌを含有することを特徴とする、請求項７に記載の鋼板。
  9. 前記Ｆｅ−Ａｌ系合金が、０．１〜１０重量％のＭｇおよび／または０．１〜５重量％のＴｉを含有することを特徴とする、請求項７または８に記載の鋼板。
  10. 前記Ｆｅ−Ａｌ系合金が、０．１〜１０重量％のＬｉおよび／または０．１〜１０重量％のＣａを含有することを特徴とする、請求項７から９のいずれかに記載の鋼板。
  11. 前記Ｆｅ−Ａｌ系合金が、２０重量％以下のＭｇ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＬｉおよびＣａからなる群からの合金元素を含有することを特徴とする、請求項７から１０のいずれかに記載の鋼板。
  12. 請求項７から１１のいずれかに記載の鋼板の熱間成型により製造された、３次元形状鋼部品。
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