JP3591501B2

JP3591501B2 - 熱間プレス成形用鋼材

Info

Publication number: JP3591501B2
Application number: JP2001324573A
Authority: JP
Inventors: 克高橋; 和仁今井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: JP2003129258A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間プレス用鋼材、特に自動車用の足廻り、シャ−シ、補強部品などの製造に使用される熱間プレス用鋼材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の軽量化のため、鋼材の高強度化を図り、使用する鋼材の厚みを減ずる努力が進んでいる。しかし、鋼材としての鋼板をプレス成形、例えば絞り形成を行うことを考えた場合、使用する鋼板の強度が高くなると絞り成形加工時に金型との接触圧力が高まり鋼板のカジリや鋼板の破断が発生したり、またそのような問題を少しでも軽減しようとして、鋼板の絞り成形時の材料の金型内への流入を高めるためブランク押さえ圧を下げると成形後の形状がばらつく等の問題点がある。
【０００３】
また、形状安定性いわゆるスプリングバックも発生し、これに対しては例えば潤滑剤使用による改善対策等もあるが、７８０ＭＰａ級以上の高強度鋼板ではその効果が小さい。
【０００４】
このように難加工材料としての高強度鋼のプレス成形には問題点が多いのが現状である。なお、以下、この種の材料を「難プレス成形材料」という。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような難プレス成形材料をプレス成形する技術として、成形すべき材料を予め加熱して成形する方法が考えられる。いわゆる熱間プレス成形および温間プレス成形である。以下、単に熱間プレス成形と総称する。
【０００６】
しかし、熱間プレス成形は、加熱した鋼板を加工する成形方法であるため、表面酸化は避けられず、たとえ鋼板を非酸化性雰囲気中で加熱しても、例えば加熱炉からプレス成形のため取り出すときに大気にふれると表面に鉄酸化物が形成される。この鉄酸化物がプレス時に脱落して金型に付着して生産性を低下させたり、あるいはプレス後の製品にそのような酸化皮膜が残存して外観が不良となるという問題がある。しかも、このような酸化皮膜が残存すると、次工程で塗装する場合に鋼板との塗膜密着性が劣ることになる。またスケールが残存する場合、次工程で塗装してもスケール／鋼板間の密着性不芳のせいで塗膜密着性が劣る。
【０００７】
そこで熱間プレス成形後は、ショットブラストを行ってそのようなスケールを構成する鉄酸化層を除去することが必要となるが、これではコスト増は免れない。
【０００８】
また加熱時にそのようなスケールを形成させないために低合金鋼やステンレス鋼を用いてもスケール発生は完全に防止できないばかりか、普通鋼に比較して大幅にコスト高となる。
【０００９】
このような熱間プレス成形時の表面酸化の問題に対する対策として加熱時の雰囲気とプレス工程全体の雰囲気をともに非酸化性雰囲気にすることも理論上有効ではあるが設備上大幅な高コストとなる。
【００１０】
このような事情からも、今日でも熱間プレスについては多くの提案はされているが、実用的な段階には至っていないのが現状である。
ここに、特許出願として提案されている現状の技術について概観すると次のようである。
【００１１】
例えば、熱間プレスの利点としては、プレス成形とともに熱処理を行えることが挙げられるが、その際にさらに同時に表面処理をも行うことが、特開平７−１１６９００号公報に提案されている。もちろん、このような技術にも前述のような表面酸化の問題もあるが、複雑な形状の金型に防錆剤等の表面処理剤を均一に塗布することは難しく、またそのように金型に予め塗布した表面処理剤をプレス成形時に製品に均一に転写させることも難しい。もちろん、プレス成形後の処理としてめっき処理等の防錆処理を個別に行うことは自明であるが、生産性が低く、大幅なコスト増をもたらすことは明らかである。
【００１２】
このように高強度の鋼板を成形するために熱間でプレス成形する方法があるが生成した鉄酸化物を除去する工程が必要であるのと、たとえ鉄酸化物を除去しても鋼板のみでは防錆性に劣るのが現状である。
【００１３】
防錆性あるいは耐食性改善という面だけからでは、特開平６−２４０４１４号公報で提案されているように、例えばドア内のインパクトバーのような自動車用部品では、ドア内に浸入した腐食因子の水分が焼入鋼管の管内無塗装部を腐食させることがあるため、そのような焼入鋼管を構成する鋼材の鋼成分にＣｒ、Ｍｏ等の元素を添加して耐食性を向上させている例もある。しかし、このような対策では、Ｃｒ、Ｍｏ添加でコスト高となるばかりでなく、プレス成形用の材料の場合、それらの合金成分の添加によるプレス成形性の劣化の問題がある。
【００１４】
ここに、本発明の課題は、プレス成形が容易で、所定の耐食性を確保でき、かつ外観劣化が生じないプレス成形用の鋼材を提供することである。
さらに本発明の具体的課題は、耐食性確保のための後処理を必要とせずに、例えば難プレス成形材料である高張力鋼板のプレス成形を可能とし、同時に耐食性をも確保できる技術を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる課題を解決する手段について種々の角度から鋭意検討の結果、前記のような難プレス成形材料をそのままプレス成形するのではなく、変形抵抗を低減させるべく高温状態でプレス成形を行い、同時にそのときに、後処理を行うことなく優れた耐食性を確保すべく、もともと耐食性に優れるめっき鋼板を用いてその熱間プレス成形を行うというアイデアを得た。そして、これに基づき、耐食性湿潤環境において鋼板の犠牲防食作用のある亜鉛系めっき鋼板に熱間プレスを適用することを着想した。しかし、熱間プレスは７００〜１０００℃という温度で加熱することを意味するのであって、この温度は、亜鉛系めっき金属の融点以上の温度であって、そのような高温に加熱した場合、めっき層は溶融し、表面より流失し、あるいは溶融・蒸発して残存しないか、残存しても表面性状は著しく劣ったものとなることが予測された。
【００１６】
しかしながら、さらに、その後種々の検討を重ねる内に、加熱することによりめっき層と鋼板とが合金化することで何らかの変化が見られるのではないかとの見解を得て予備試験として各種めっき組成および各種雰囲気で、実際に７００〜１０００℃の温度に加熱を行い、次いで熱間プレスを行ったところ、それまでの予測に反して、一部の材料について問題なく熱間プレスを行うことができることが判明した。
【００１７】
つまり、亜鉛めっき鋼板を高温に加熱してからプレスを行うと、表面に何らかのバリア層が形成されめっき表面からの亜鉛の蒸発・輝散が抑制され良好な熱間プレス品を得ることが可能となった。
【００１８】
しかしながら、熱間プレスの工程においては様々な理由で、鋼板に充分すぎるかあるいは過度な加熱が行われる場合がある。例えばＣ含有量の高い鋼材を用いる場合でも高強度を発現させるため、通常想定されるより高温（例えば９００ ℃以上）であるいは長持聞（例えば５分以上）で加熱される場合である。あるいは加熱ラインの異常時の停止や生産上の都合で、加熱ラインのスピードを遅らせる場合もある。このようなケースに遭遇しても安定した品質の熱間プレス品を得るための手段について本発明者らはさらに検討した。
【００１９】
本発明者らはこれらの点について鋭意検討の結果、前記のように、まず、亜鉛系めっき鋼板が熱間プレス工程に適用することが有用であるという着想の下に、むしろその鋼板の亜鉛めっき層の上層として、予めＦｅ、Ｃｏ、またはＮｉからなる金属めっき層を形成することで、それをもって上述のバリア層として作用させることができ、さらに過度な加熱時にも熱間プレス成形品の品質が安定することを見出した。
【００２０】
すなわち、亜鉛めっき層のみの鋼板を加熱した場合は、めっき層の表面に酸化物が生じるとともに、鋼板とめっき層との間に合金化反応が生じるが、このとき表面の酸化反応が進みすぎ素地鋼板の酸化が起こる。しかし、亜鉛めっき層の上層としてＦｅ、Ｃｏ、またはＮｉの金属めっき層を施した場合は、亜鉛めつき層だけを設けただけの場合と比べて、速やかにＦｅ、Ｃｏ、またはＮｉの金属と亜鉛とが速やかに反応し、耐熱性の高い合金層が形成され、酸化物層が形成されにくくなる。そのため、素地鋼板とこれらのめっき層との密着性が良好となり、熱間プレス成形においてもプレス成型時の金型への付着が抑制され良好な成形品を得られるのである。また、かかるプレス成形品は、後工程の塗装適合性を満足することも確認された。
【００２１】
かかる知見を基に完成された本発明は、表面に亜鉛または亜鉛を含むめっき層を設けた鋼板において、当該めっき層の上層として、Fe、Ni、およびCoから成る群から選んだ１種または２種以上の金属を主成分として含む金属あるいは合金からなるめっき層を例えば0.2〜10g/m²の厚さで設けたことを特徴とする700 〜 1000 ℃に加熱されてプレスされる熱間プレス成形用鋼材である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明において上述のように限定する理由について詳述する。なお、本明細書において鋼組成およびめっき組成を規定する「％」は「質量％」である。
【００２３】
本発明によれば、溶融亜鉛系めっき鋼板を酸化性雰囲気下で加熱して熱間プレス成形を行う場合、表面にＦｅ、Ｎｉ、およびＣｏから成る群から選んだ１種または２種以上の金属を主成分とした単体金属または合金めっき層をさらに設けることで、これがバリア層として作用し、例えば９００ ℃以上に加熱しても、表面の亜鉛系めっき層の蒸発が防止され、加熱後に熱間プレスを行うことができる。しかも、プレス成形後は亜鉛系めっき皮膜を備えていることから、それ自体すでに優れた耐食性を備えており、後処理としての防錆処理を必要としないというすぐれた効果を発揮することができる。
【００２４】
素地鋼材
本発明にかかる熱間プレス用の素地鋼材は、溶融亜鉛系めっき時のめっき濡れ性、めっき後のめっき密着性が良好であれば特に限定しないが、熱間プレスの特性として、熱間成形後に急冷して高強度、高硬度となる焼き入れを行う場合があることから、焼入れ鋼、たとえば高張力鋼板が実用上は特に好ましい。
【００２５】
例えば、Ｓｉ含有鋼やステンレス鋼のようにめっき濡れ性、めっき密着性に問題のある鋼種でもプレめっき処理等のめっき密着性向上手法を用いてめっき密着性を改善することで本発明に用いることができる。
【００２６】
鋼板の焼き入れ後の強度は主に含有炭素（Ｃ）量によってきまるため、高強度の成形品が必要な場合は、Ｃ含有量０．１％以上、３．０％以下とすることが望ましい。Ｃ含有量がこのときの上限を超えると、靭性が低下するおそれがある。
【００２７】
特に、本発明の場合、プレス成形が難しいと言われている難プレス成形材である高張力鋼板、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ等を添加した機械構造用鋼板、高硬度鋼板等についてその実用上の意義が大きい。
【００２８】
素材としてのプレス成形母材の形態は、一般には板材であるが、本発明の対象とする熱間プレスの形態として曲げ加工、絞り成型、張出し成型、穴拡げ成型、フランジ成型等があるから、その場合には、棒材、線材、管材などを素材として用いてもよい。
【００２９】
ここに、本発明による具体的なめっき操作としては、溶融した亜鉛および亜鉛合金めっき浴に鋼板を浸漬して引き上げる。めっき付着量の制御は引き上げ速度やノズルより吹き出すワイピングガスの流量調整により行う。必要により合金化処理を行ってもよく、その場合には、めっき処理後にガス炉や誘導加熱炉などで追加的に加熱して行う。かかるめっき操作は、コイルの連続めっき法あるいは切り板単板めっき法のいずれによってめっきを行ってもよい。
【００３０】
もちろん、所定厚みのめっき層が得られるのであれば、例えば、電気めっき、溶射めっき、蒸着めっき等その他いずれの方法でめっき層を設けてもよい。
めっき付着量は９０ｇ／ｍ^２以下が良好である。通常は２０ｇ／ｍ^２程度以上は確保する。望ましくは４０〜８０ｇ／ｍ^２の範囲で性能良好となる。
【００３１】
亜鉛系めっき層の組成は特に制限がなく、純亜鉛めっき層であっても、Ａｌ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｐｂなどの合金元素をその目的に応じて適宜量添加した亜鉛合金めっき層であってもよい。その他原料等から不可避的に混入することがあるＢｅ、Ｂ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｂ、Ｃｄ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｒ等のうちのいくつかが含有されることもある。
【００３２】
具体的な亜鉛合金めっきとしては、次のような系が例示される。
例えば亜鉛−鉄合金めっき、亜鉛−１２％ニッケル合金めっき、亜鉛−１％コバルト合金めっき、５５％アルミニウム−亜鉛合金めっき、亜鉛−５％アルミニウム合金めっき、亜鉛−クロム合金めっき、亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金めっき、スズ−８％亜鉛合金めっき、亜鉛−マンガン合金めっきなどである。
【００３３】
しかし、純亜鉛めっき層または合金化亜鉛めっき層の方が低コストで望ましい。
通常、溶融亜鉛めっき浴には、Ａｌが含有されており、本発明の場合にも、めっき皮膜中Ａｌ含有量は０．０８〜０．４％の範囲であれば良い。さらに望ましくは０．０８〜０．３％である。めっき皮膜中のＦｅ含有量を高くするにはＡｌ濃度が低いほうがよい。
【００３４】
上層めっき層
このようにして設けた亜鉛系めっき層の上層にＦｅ、Ｃｏ、およびＮｉから成る群から選んだ少なくとも１種の金属または合金のめっきを施すことで、熱間プレス加工前に加熱される際に亜鉛めっきままの場合と比べて速やかにＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの金属とめっき層中の亜鉛とが反応し、耐熱性の高い合金層が速やかに形成され酸化物層が形成されにくく、より熱間プレス成形用として好適となる。
【００３５】
その好適な付着量の下限は０．２ｇ／ｍ^２でありこれを下回ると、亜鉛めっきままに比べるとほとんど上層めっきの効果が確認できないためであり、また上限は好ましくは１０．０ｇ／ｍ^２である。これを超えると、亜鉛系めっき層の上層の金属あるいは合金めっき層の効果が飽和するだけで経済的に不利だからだけではなく、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの金属あるいは合金は亜鉛と電位差を生じさせるため、腐食しやすくなる場合が多く、塗装後耐食性を低下させる場合があるからである。
【００３６】
かかる上層めっきは通常、電気めっきにより行われるが、場合によりスパッタ法、蒸着法、その他適宜手段で行ってもよい。
鋼板の加熱／熱間プレス成形
上述のようにして用意された表層に金属または合金めっき層を備えた亜鉛系めっき鋼板を次いで所定温度にまで加熱し、プレス成形を行う。本発明の場合、熱間プレス成形を行うことから、通常７００〜１０００℃に加熱するが、素材鋼板の種類によっては、プレス成形性がかなり良好なものがあり、その場合にはもう少し低い温度に加熱するだけでよい。本発明の場合、鋼種によってはいわゆる温間プレスの加熱領域に加熱する場合も包含されるが、いわゆる難プレス成形材料に適用するときに本発明の効果が効果的に発揮されることから、通常は、上述のように７００〜１０００℃に加熱する。
【００３７】
この場合の加熱方法としは電気炉、ガス炉での加熱や火炎加熱、通電加熱、高周波加熱、誘導加熱等が挙げられる。また加熱時の雰囲気も特に制限はないが、上層めっきとして設けられているＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのめっき層に悪影響を与えない限り、特に制限はない。
【００３８】
このときのプレス成形を行う鋼材が焼き入れ鋼であれば目標とする硬度となる焼入温度に加熱したのち一定時間保持し高温のままプレス成形を行い、その際に金型で急冷する。
【００３９】
ところで、本発明によれば、亜鉛系めっき層の表面には、加熱時の亜鉛の蒸発を防止するバリア層として作用する上層の金属または合金めっき層が形成されており、通常、その量は、０．２〜１０ｇ／ｍ^２程度で十分である。
【００４０】
また、加熱処理後のＺｎ系めっき層におけるＦｅ含有量は、めっき皮膜の融点に影響するので高い方が有利である。常温のプレス成形では皮膜中Ｆｅ量が増加するとめっき皮膜の加工性が低下するのでＦｅ含有量は高くても１３％前後であった。しかし、本発明においては熱間プレス成形では常温よりも鋼板およびめっき皮膜が軟質のためＦｅ含有量が高くても成形が可能である。Ｆｅ含有量は８０％以下であってもよい。望ましくはＦｅ含有量は５〜８０％の範囲であり、さらに望ましくは１０〜３０％である。Ｆｅ含有量が余り少ないと加熱後の酸化皮膜に不均一さが生じ、一方、余り多いとＺｎ−Ｆｅ合金化に時間がかかり生産性が低下しコストアップとなる。
【００４１】
このようにして加熱され、表面にバリア層が形成された本発明にかかる熱間プレス用鋼板には、次いで、熱間プレス成形が行われるが、このときの熱間プレス成形は特に制限はなく、通常行われているプレス成形を行えばよい。熱間プレス成形の特徴として成形と同時に焼入れを行うことから、そのような焼入れを可能とする鋼種を用いることが好ましい。もちろん、プレス型を加熱しておいて、焼き入れ温度を変化させ、プレス後の製品特性を制御してもよい。
【００４２】
次に、実施例によって本発明の作用効果をさらに具体的に説明する。
【００４３】
【実施例】
表１の板厚１．０ｍｍの鋼種Ａに表２に示すように各種亜鉛めっきあるいは亜鉛合金めっきを施し、一部についてはその上層にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉめっき層を硫酸浴を利用した電気めっき法により形成させた。ついで大気雰囲気炉内で表２に示すような加熱条件にて加熱後、円筒絞り成形試験を行った。このときの熱間プレス成形は直径９０ｍｍの円形ブランクを、ポンチ径５０ｍｍ、ポンチ肩Ｒ５ｍｍ、ダイス径５３ｍｍ、ダイス肩Ｒ５ｍｍで絞り高さ２５ｍｍの模擬成形条件で行った。しわおさえ力（ＢＨＦ）は１ｔｏｎＦとした。
【００４４】
成形後の表面状態の目視判定を行った。
さらに得られ熱間プレス成形品について塗装適合性（耐水二次密着性）、塗装後耐食性の評価を行った。
【００４５】
塗装適合性（耐水二次密着性）の評価は下記要領の塗膜密着性試験により、塗装後耐食性（耐食性）の評価は下記要領の塗装後耐食性試験により行った。
塗膜密着性試験
本例で得た円筒絞り体から切り出した試験片に、日本パーカライジング（株）製ＰＢＬ−３０８０で通常の化成処理条件により燐酸亜鉛処理をしたのち関西ペイント製電着塗料ＧＴ−１０を電圧２００Ｖのスロープ通電で電着塗装し、焼き付け温度１５０ ℃で２０分焼き付け塗装した。塗膜厚みは２０μｍであった。
【００４６】
試験片を５０℃のイオン交換水に浸漬し２４０時間後に取り出して、カッターナイフで１ｍｍ幅の碁盤目状に傷を入れ、ニチバン製のポリエステルテープで剥離テストを行い、塗膜の残存マス数を比較し、塗膜密着性を評価した。なお、全マス数は１００個とした。
【００４７】
評価基準は残存マス数１００個を極めて良好：評価記号★、９５〜９９個を良好：評価記号◎、９０〜９４個をやや良好：評価記号○、０〜８９個を不良：評価記号×とし、９５個以上を合格とした。
【００４８】
塗装後耐食性試験
本例で得た円筒絞り体から切り出した試験片に、日本パーカライジング（株）製ＰＢＬ−３０８０で通常の化成処理条件により燐酸亜鉛処理を行ったのち関西ペイント製電着塗料ＧＴ−１０を電圧２００Ｖのスロープ通電で電着塗装し、焼き付け温度１５０ ℃で２０分焼き付け塗装した。塗膜厚みは２０μｍであった。
【００４９】
試験片の塗膜にカッターナイフで素地に達するスクラッチ傷を入れた後、ＪＩＳＺ２３７１に規定された塩水噴霧試験を４８０時間行った。傷部からの塗膜膨れ幅もしくは錆幅を測定し、塗装後耐食性を評価した。
【００５０】
評価基準は錆幅、塗膜膨れ幅のいずれか大きい方の値でＯｍｍ以上〜４ｍｍ未満を良好：評価記号○、４ｍｍ以上を不良：評価記号×とした。
これらの試験結果を表２にまとめて示す。
【００５１】
比較例として、冷延鋼板について９５０ ℃×５分の加熱を行ってから同様の熱間プレス成形を行い、上述のような特性評価を行った。
これらの結果を表２にまとめて示す。本発明例である試番６〜１９は、塗膜密着性に優れ、加熱条件の厳しい条件（加熱温度が９００ ℃以上あるいは／かる加熱時間が５分超）下でも十分な特性を有し、上層めっきの効果が発揮されていることが分かる。これに対し、上層めっきを施していない試番２〜５は、塗膜密着性がやや劣り、本発明の厳しい合否判断では不合格であった。なお、試番２〜６のプレス品外観が茶変した粉化物が観察されるが特に問題となるレベルではなかった。
【００５２】
【表１】

【００５３】
【表２】

【００５４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、例えば高張力鋼板およびステンレス鋼板などの難プレス成形材料の熱間プレス成形が可能となり、その際に、加熱炉の雰囲気制御設備が不要となるほか、プレス成形時の鋼板酸化物の剥離処理工程も不要となり生産工程を簡素化できる。また犠牲防食効果のある亜鉛めっき層を有するためプレス成形製品の耐食性も向上する。

Claims

表面に亜鉛または亜鉛を含むめっき層を設けた鋼板において、当該めっき層の上層として、Fe、Ni、およびCoから成る群から選んだ１種または２種以上の金属を主成分として含む金属あるいは合金からなるめっき層を設けたことを特徴とする700 〜 1000 ℃に加熱されてプレスされる熱間プレス成形用鋼材。
上層としての前記めっき層の量が0.2〜10g/m²である請求項１記載の鋼板。