JP4039548B2

JP4039548B2 - 耐食性に優れた熱間プレス成形品

Info

Publication number: JP4039548B2
Application number: JP2001324571A
Authority: JP
Inventors: 和仁今井; 俊太郎須藤; 正信市川; 信昭山崎
Original assignee: Toyoda Iron Works Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyoda Iron Works Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: JP2003126921A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐食性に優れた熱間プレス成形品、特に自動車用の足廻り、シャ−シ、補強部品などとして使用される熱間プレス成形品に関する。
【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、例えば絞り成形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】
ここに、780MPa以上の高強度鋼板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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
このような問題を解決すべく、特開2000−38640 号では熱間成形時に母材鋼板の耐酸化抵抗性を持たせるためにアルミニウム被覆した鋼板を提案しているが、このような鋼板も普通鋼と比較した場合、大幅なコスト増となる。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、スケール発生を抑制した耐食性および溶接性にすぐれたプレス成形品、特に熱間プレス成形品を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
そこで発明者らは成形性、溶接性および耐食性に優れた鋼材はないかと鋭意検討を重ねた結果、700 ℃以上1000℃以下で合金化溶融亜鉛めっき鋼板を大気中で加熱処理をすると、亜鉛めっきは鋼板中に拡散して鉄亜鉛固溶相を含むめっき層を形成することに着目した。
【００１３】
この鉄亜鉛固溶相を含むめっき層は鉄亜鉛合金めっき鋼板の鉄亜鉛金属間化合物より厚膜で組成が均一であり、硬度も鋼板に近い値となっている。したがって、プレス成形性にすぐれた材料である。
【００１４】
さらに、このような固溶相を形成する700 〜1000℃という温度は、いわゆる熱間プレス加工に際しての加熱温度に相当することから、合金化溶融亜鉛めっき鋼板を熱間プレス加工を行って得た成形品についてその耐食性を検討したところ、同様に鉄亜鉛固溶相を含むめっき層が形成されており、裸の鋼材に比べ耐食性に顕著な改善が見られることを知った。
【００１５】
よって、本発明は、次の通りである。
（１）溶融亜鉛めっき鋼板を５５０℃〜６５０℃に加熱して得た合金化溶融亜鉛めっき鋼板を７００℃〜１０００℃で２〜２０分間加熱してから熱間プレス加工を行った熱間プレス成形品であって、該熱間プレス成形品の表面に鉄亜鉛固溶相を含むめっき層を有し、当該鉄亜鉛固溶相の厚みが１から５０μｍであり、かつ当該めっき層に含まれる総亜鉛量が１０〜９０ｇ／ｍ ^２である熱間プレス成形品。
（２）前記めっき層は表面に酸化亜鉛層を備えることを特徴とする上記(1)記載の熱間プレス成形品。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明において上述のようにめっき層の内容を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。
【００１８】
本発明によれば、鋼材の表面を構成する鉄素地表面には、鉄亜鉛固溶相を含むめっき層が設けられており、好適例としては、そのような鉄亜鉛固溶相を含むめっき層は、溶融亜鉛めっき層に通常550 〜650 ℃に加熱する合金化処理を行い、次いで熱間プレス前の700 〜1000℃の温度で加熱することで形成されるものである。また実質上めっき層全体がそのような固溶相から構成されるものであってもよい。
【００１９】
このときに、鉄と亜鉛の「合金化相」と「固溶相」は、Ｘ線回折とＸ線マイクロアナライザー (EPMAまたはXMA)等の元素分析装置を併用することによって区別できる。合金化相は結晶構造がα−Fe (母材) と異なるために、Ｘ線回折のみで存在を確認することができる。一方、固溶相は母材と同じ結晶構造 (体心立方格子) を持っているが、格子定数が母材に比べ大きく区別ができる。この相が鉄亜鉛固溶相かどうかは、断面より元素分析を行い亜鉛および鉄の存在を確認すればよい。
【００２０】
好適態様にあって、そのような鉄亜鉛固溶相の厚さは、１〜50μm であり、亜鉛付着の総量は10〜90g/m²である。この範囲を超えると、耐食性、成形性あるいは溶接性について性能が低下することがある。
母材
本発明にかかる耐食性鋼材の素地鋼材は、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、例えば熱間プレスを行う場合、その特性として、熱間成形後に急冷して高強度、高硬度となる焼き入れ鋼、たとえば高張力鋼板が実用上は特に好ましい。
【００２１】
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。
【００２２】
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。このときに上限を超えると、靭性が低下するおそれがある。
【００２３】
特に、本発明の場合、熱間プレスを適用するときは、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。
【００２４】
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。
【００２５】
したがって、本発明において、母材としては、特に限定しないが、例えば焼き入れ性を有する鋼板にすると鋼材全体あるいは部分的に鋼板の相変態点A₃点以上に加熱処理したのち急冷することで鋼板強度、硬度を挙げることができる。自動車用に熱間プレス成形品を考えた場合、引張強度780MPa以上の高強度鋼板が例示される。
【００２６】
本発明において、めっき法の限定は特にないが、溶融亜鉛めっき法がコストの点で好ましい。
その場合、例えば通常の溶融亜鉛めっき処理を行ったままでも使用できるが、酸化性雰囲気中での加熱、つまり通常の合金化処理を行ってもよい。このような合金化処理はガス炉等で再加熱することにより行われるが、そのときめっき層表面の酸化ばかりでなく、めっき層と母材の鋼板との間で金属拡散が行われる。通常このときの加熱温度は550 〜650 ℃である。このような合金化処理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。
【００２７】
もちろん、熱間プレス成型後所定厚みの固溶相厚さや付着量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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
亜鉛合金めっきとしては、次のような系が例示される。
【００３０】
亜鉛−鉄合金めっき、亜鉛−コバルト合金めっき、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、亜鉛−マンガン合金めっきなどである。
【００３１】
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。
【００３２】
本発明の場合、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、上述のように７００〜１０００℃に加熱する。
【００３３】
この場合の加熱方法としは電気炉、ガス炉や火炎加熱、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。
このときのプレス成形に先立つ加熱温度は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。通常の鋼種、条件では、このときに加熱の際の最高到達温度はおよそ700 ℃から1000℃の範囲であればよい。
【００３４】
熱間プレス成形方法には特に制限はなく、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。
【００３５】
かくして、本発明による熱間プレス成形品は、鋼材表面のめっき層が鉄亜鉛固溶相を含むことにより、スケール発生を抑制し、耐食性、溶接性にすぐれた特性を示す。
【００３６】
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。
【００３７】
【実施例】
[実施例１]
本例では、表１に示す組成をもつ板厚み1.0mm の溶融亜鉛めっき鋼板を650 ℃で合金化処理を行い、次いで大気雰囲気の加熱炉内で880 ℃で所定時間加熱して、加熱炉より取り出し、このままの高温状態で円筒絞りの熱間プレス成形を行った。亜鉛固溶相の存在は、Ｘ線回折とEPMA等の元素分析を組み合わせることによって確認が可能であることは先述した。鉄亜鉛固溶相の厚さの決定は、以下の方法で行った。
【００３８】
熱間プレス成形品の断面試料を作製して、鏡面研磨まで仕上げた。電子加速電圧を15kV、電流を５〜10nA、走査速度を２〜５μm/min でEPMAによるＸ線分析を行った。試料から放出されるＸ線の領域を考慮し、Zn−Fe金属間化合物層もしくは酸化亜鉛層より内部側 (母材側) に現れる鉄亜鉛固溶相でのZnの特性Ｘ線強度が、鉄亜鉛固溶相での定常化部分の1/2 強度位置を中心に母材の鋼側へのテール部分の積分 (面積) 強度が正規分布しているとして強度分布を分布関数に置き換え、判定の危険率から標準偏差２σの位置を、鉄亜鉛固溶相と母材との界面とした。
【００３９】
同様に、Zn−Fe金属間化合物層もしくは酸化亜鉛層での定常化部分もしくは極大部分の1/2 強度位置を中心に鉄亜鉛固溶相へ向かってテールを引いた部分の積分強度からもう一方の界面を求めた。この両方の界面の間の長さを、鉄亜鉛固溶相の厚さとした。
【００４０】
また、付着亜鉛総量は、次のようにして行った。熱間プレス成形品を、10×10cmに切り出し、測定面の反対の面をペーパーで研磨しめっき層を取り除いた。この鋼板を10％塩酸で全量溶解し、溶液中に存在する亜鉛量を求め、算出した。
【００４１】
このときの熱間プレス成形は、絞り高さ25mm、肩部丸み半径R5mm、ブランク直径90mm、パンチ直径50mm、ダイ直径53mmの条件で実施した。成形後のめっき層の密着状態をめっき層の剥離の有無を目視判定して成形性として３段階で評価した。 ◎：剥離なし、○：剥離面積率３％未満、×：剥離面積率３％以上
なお、本例においては、鋼板の温度はほぼ２分で880 ℃に到達していた。
【００４２】
溶接性は、ウエルドロープ (適正電流範囲、チリ発生電流とボタン径(mm)４√t(t 板厚みmm) 形成電流との差で求め、下記の通り三段階評価を行った。
◎：1000Ａ以上、○：500Ａ以上、×：500Ａ未満
塗装後耐食性試験は以下のようにして行った。
【００４３】
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。
【００４４】
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、JIS Z2371 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。
【００４５】
評価基準は錆幅、塗膜膨れ幅のいずれか大きい方の値で◎：０〜２mm、○：2.1 〜4.0mm 、×：4.1mm 以上とした。
結果を表２にまとめて示す。
【００４６】
【表１】

【００４７】
【表２】

【００４８】
これらの結果からも分かるように、本発明によれば、いずれの場合にあっても、鉄亜鉛固溶相から成るめっき層を備えためっき鋼板の場合には、優れた耐食性が得られることが分かる。さらに、成形性そして溶接性も満足される。
【００４９】
一方、No.21 、22は、熱間プレス前のめっき付着量が少なく鉄亜鉛固溶相が形成されず、成形性または耐食性に劣る結果となった。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、例えば各種成形品としてあるいは熱間プレス成形品として優れた耐食性を備え、その素材鋼板としても優れた耐食性を発揮できる材料を提供できるのであり、特に最近のように、自動車部品などに更なる高強度化および耐食性が求められる状況下からは本発明の実際上の意義は大きい。

Claims

溶融亜鉛めっき鋼板を５５０℃〜６５０℃に加熱して得た合金化溶融亜鉛めっき鋼板を７００℃〜１０００℃で２〜２０分間加熱してから熱間プレス加工を行った熱間プレス成形品であって、該熱間プレス成形品の表面に鉄亜鉛固溶相を含むめっき層を有し、当該鉄亜鉛固溶相の厚みが１から５０μｍであり、かつ当該めっき層に含まれる総亜鉛量が１０〜９０ｇ／ｍ ^２である熱間プレス成形品。
前記めっき層は表面に酸化亜鉛層を備えることを特徴とする請求項１記載の熱間プレス成形品。