JP5023871B2 - 熱間プレス鋼板部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のボデー構造部品、足回り部品等を始めとする機械構造部品等に使用される熱間プレス鋼板部材の製造方法に関する。
本発明にかかる上述のような機械構造部品などは、一旦、熱間プレス鋼板部材として素形材を形成し、これに必要により切断、切削、穴あけ、化成処理、塗装などの機械加工および表面処理を適宜施すことで製作される。本発明はそのときの素形材としての部材、特に熱間プレス鋼板部材の製造方法に関する。

近年、自動車の軽量化のため、鋼材の高強度化を図り、使用重量を減ずる努力が進んでいる。自動車に広く使用される薄鋼板においては、鋼板強度の増加に伴って、プレス成形性が低下し、複雑な形状の素形材を製造することが困難になってきている。具体的には、延性が低下し、加工度が高い部位で破断が生じる、スプリングバックや壁反りが大きくなり、寸法精度が劣化する、といった問題が発生する。従って、高強度、特に７８０ＭＰａ級以上の引張強さ（以下、「ＴＳ」とも表記する。）を有する鋼板を用いて、プレス成形により素形材である鋼板部材を製造することは容易ではない。

一方、特許文献１に示されているように、加熱した鋼板をプレス成形する熱間プレスと呼ばれる方法では、プレス成形に先立って鋼板を加熱することから、プレス成形時において鋼板が高温で軟質かつ高延性になっているため、複雑な形状の素形材を寸法精度よく成形することが可能である。さらに、鋼板をオーステナイト域に加熱しておけば、金型内で急冷（焼入れ）することにより、マルテンサイト変態による鋼板の高強度化が同時に達成できる。

特許文献２には、室温で予め所定の形状に成形後、オーステナイト域に加熱し、金型内で急冷することによって、鋼板の成形と高強度化とを順次達成する予プレスクエンチ法が開示されている。

特許文献３では、熱間プレス前の加熱段階における加熱炉内雰囲気の制御を行うことが提案されている。
英国特許公報１４９０５３５号 特開平１０−９６０３１号公報 特開２００６−６８７９７号公報

このような熱間プレス法や予プレスクエンチ法は、部材の高強度化と高度の成形性を同時に確保できる優れた成形方法である。
このようにして得られた部材には、トリムやピアスといった機械切断が施されることがしばしばある。しかし、部材の引張強さが１．２ＧＰａ以上になってくると、機械切断端面に大きな残留応力が残るようになるため、部材中に含有されている拡散性水素による割れ、いわゆる遅れ破壊が発生するようになる。

このような問題を解決するために、特許文献３では、熱間プレス前の加熱段階における加熱炉内雰囲気の制御を行うことが提案されている。しかしながら、割れが生じる具体的な水素量が明確になっていないことや、露点を３０℃未満にするという実際の熱間プレスにおいてもかなり困難な雰囲気制御が必要であるという難点がある。

本発明の具体的課題は、工業的製造が容易な耐遅れ破壊性に優れた熱間プレス鋼板部材の製造方法を提供することである。

本発明者らは、機械切断端面の耐遅れ破壊特性を改善すべく鋭意検討を行った。その結果、適正な化学組成を有する鋼板に厚めっきでＺｎ系めっきを行うことで、その原理・機構は必ずしも明確にはなっていないが、得られたZn系めっき鋼板素形材における拡散性水素量を大幅に抑制することができ、耐遅れ破壊性が大幅に改善されるとの新たな知見を得た。その知見をもとに完成させた本発明は次の通りである。

よって、本発明は、次の通りである。
（１）表面にＺｎ系めっき層を有する鋼板に加熱をして熱間プレスを施す熱間プレス鋼板部材の製造方法であって、
前記鋼板は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｍｎ＋Ｃｒ：０．５〜３．０％、さらにＰ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｖ：１％以下およびＡｌ：１％以下よりなる群から選択されるＰ、Ｓ、ＳｉおよびＡｌを含む４種または５種以上を含有し、さらに下記式（Ｉ）を満たす量のＴｉを含有し、残部Ｆｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
前記Ｚｎ系めっき層は、Ｚｎ付着量が１０〜１１０ｇ／ｍ^２であり、
前記加熱は、加熱温度：Ａｃ_３点以上、加熱雰囲気の露点：３０〜８０℃で行い、
前記熱間プレスにおける冷却速度は、鋼板の上部臨界冷却速度以上であり、
前記熱間プレス鋼板部材は、熱間プレス直後の鋼中拡散性水素量：０．２０ｐｐｍ以下、引張強さ：１．２ＧＰａ以上である
ことを特徴とする、熱間プレス鋼板部材の製造方法。
３．４２Ｎ＋０．００１≦Ｔｉ≦３．４２Ｎ＋０．５ （Ｉ）
ここで、式中のＴｉおよびＮは鋼中の各元素の含有量（単位：質量％）を示す。

（２）前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．０１％以下を含有する、上記（１）に記載の熱間プレス鋼板部材の製造方法。

（３） 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：１．０％以下およびＭｏ：１．０％以下よりなる群から選ばれる１種または２種を含有する、上記（１）または（２）に記載の熱間プレス鋼板部材の製造方法。

(４) 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ：０．００５％以下を含有する、上記(１)〜(３)のいずれかに記載の熱間プレス鋼板部材の製造方法。

本発明において、各範囲に限定した理由について説明する。以後の説明で合金元素の含有量を示す「％」は「質量％」を表す。
本発明の鋼板の化学組成については、以下のように規定する。

Ｃ：０．１５〜０．４５％
Ｃは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後強度を主に決定する非常に重要な元素である。特に、焼入れ後強度でＴＳ１．２ＧＰａ以上を確保するためには、Ｃ含有量を０．１５％以上とする必要がある。一方で、Ｃ含有量が０．４５％を超えると、焼入れ後の強度が高くなりすぎ、靱性劣化が著しくなる。より望ましいＣ含有量は０．２０〜０．３３％である。

Ｍｎ＋Ｃｒ：０．５〜３．０％
ＭｎおよびＣｒは、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後強度を安定して確保するために、非常に効果のある元素である。しかしＭｎおよびＣｒの合計含有量（以下、「（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量」ともいう。）が０．５％未満ではその効果は十分ではなく、一方で（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量が３．０％を超えるとその効果は飽和し、逆に安定した強度確保が困難となる。より望ましい（Ｍｎ＋Ｃｒ）含有量は０．８〜２．０％である。

ＭｎおよびＣｒは少なくとも１種含有されていればよいが、好ましくは、両者を同時に含有する。Ｍｎ、Ｃｒのそれぞれの量は特に制限されないが、好ましくは、Ｍｎ：０．０１〜３．０％、Ｃｒ：０．０１〜３．０％である。
Ｂ：０．０１％以下
Ｂは、必要により含有され、鋼板の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後強度の安定確保効果をさらに高めるのに有効である。また、粒界に偏析して粒界強度を高め、靱性を向上させる点でも重要な元素である。さらに、加熱時のオーステナイト粒成長抑制効果も高い。しかし、Ｂ含有量が０．０１％を超えるとその効果は飽和し、かつコスト増を招く。上記効果を確実に得るにはＢ含有量を０．０００１％以上とすることが望ましい。より望ましいＢ含有量は０．００１０〜０．００３０％である。

Ｎｂ：１．０％以下
Ｎｂは、必要により含有され、鋼板をＡｃ_３点以上に加熱したときに、再結晶を抑制しかつ微細な炭化物を形成してオーステナイト粒を細粒にするため、靱性を大きく改善する効果を有する。しかし、Ｎｂ含有量が１．０％超になると、その効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。したがって、Ｎｂ含有量は１．０％以下とする。望ましくは０．１５％以下、さらに望ましくは０．１％以下である。上記効果を確実得るには、Ｎｂ含有量を０．０２％以上とすることが望ましく、さらに望ましくは０．０４％以上である。

Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは、必要により含有され、鋼板をＡｃ_３点以上に加熱したときに、微細な炭化物を形成してオーステナイト粒を細粒にするため、靱性を大きく改善する効果を有する。しかし、Ｍｏ含有量が１．０％超になると、その効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。したがって、Ｍｏ含有量は１．０％以下とする。望ましくは０．２％以下、さらに望ましくは０．１５％以下である。上記効果を確実に得るには、Ｍｏ含有量を０．０１％以上とすることが望ましく、さらに望ましくは０．０４％以上である。

３．４２Ｎ＋０．００１≦Ｔｉ≦３．４２Ｎ＋０．５

Ｔｉは、鋼板をＡｃ_３点以上に加熱したときに、再結晶を抑制し微細な炭化物を形成してオーステナイト粒を細粒にするため、靱性を大きく改善する効果を有する。かかる効果を確実に得るためにＴｉ含有量を（３．４２Ｎ＋０．００１）以上とすることが好ましい。一方で、Ｔｉ含有量が（３．４２Ｎ＋０．５）超になると、その効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。より望ましいＴｉ含有量は３．４２Ｎ＋０．０２≦Ｔｉ≦３．４２Ｎ＋０．０８である。

Ｃａ：０．００５％以下
Ｃａは、必要により含有され、鋼中の介在物を微細化し、焼入れ後の靱性を向上させる効果を有する。しかし、Ｃａ含有量が０．００５％超になると、その効果は飽和し、いたずらにコスト増を招く。したがって、Ｃａ含有量を０．００５％以下とする。望ましくは、０．００４％以下である。上記効果を確実に得るには、Ｃａ含有量を０．００１％以上とすることが望ましく。さらに望ましくは０．００２％以上である。
Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｖ：１％以下、Ａｌ：１％以下

これらの元素は、鋼板の焼入れ性を高めかつ焼入れ後強度の安定確保に効果の有る元素であり、少なくとも１種含有させる。しかし、それぞれ上限値を超えて含有させてもその効果は小さく、かついたずらにコスト増を招くため、各合金元素の含有量は上述の範囲とする。

なお、ＰおよびＳについては、不純物として通常、Ｐ:０．０３％以下、Ｓ:０．０１％以下含まれていることがあるが、そのような量では上述の効果はみられない。
Ｚｎ系めっき層の付着量は以下のように規定する。

Ｚｎ付着量：片面当たり１０〜１１０ｇ／ｍ^２
一般に、熱間プレスに供する鋼板の加熱工程において、加熱雰囲気中の水分が鋼板と反応し、水素が鋼中に侵入する。しかしながら、Ｚｎ系めっき層には、雰囲気中の水分との反応を抑制し、鋼中への水素侵入を抑制する効果が顕著にあるので、Ｚｎ系めっき層を有する鋼板を熱間プレスに供することにより、上記加熱工程における水素の侵入を抑制することができる。そして、加熱後、熱間プレス終了まで通常大気中に置かれるため、そのときの雰囲気からの水素侵入をも抑制できる。

Ｚｎ付着量が１０ｇ／ｍ^２未満では、その効果は十分ではなく、一方、Ｚｎ付着量が１１０ｇ／ｍ^２を超えるのは、いたずらにコスト増を招くだけである。より望ましいＺｎ付着量は４０〜１００ｇ／ｍ^２である。さらに望ましいＺｎ付着量は８０〜１００ｇ／ｍ^２である。

また、Ｚｎ系めっき層の組成には、特に制限がなく、純亜鉛めっき被膜であっても、Ａｌ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｐｂなどの１または２以上の合金元素をその目的に応じて適正量添加した亜鉛合金めっき被膜であってもよい。その他、原料等から不可避的に混入することがあるＦｅ、Ｂｅ、Ｂ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｂ、Ｃｄ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｒ等のうちの１または２以上が含有されることもある。もちろん、鋼板に溶融亜鉛めっきを施したのちに合金化処理を施すことにより形成される合金化溶融亜鉛めっきであってもかまわない。

鋼板の製造方法
本発明にかかる鋼板は、熱間プレスの際にオーステナイト域またはオーステナイト域近傍に加熱され、その温度域でプレス成形される。したがって、加熱前の室温での機械的性質は重要ではなく、加熱前の金属組織については特に規定しない。つまり、めっき前の素地鋼板として熱延鋼板または冷延鋼板のいずれを使用してもよく、いわゆる鋼板であればよく、その製造方法については限定しない。

めっき方法
本発明にかかるめっき鋼板のめっき層の形成は、溶融亜鉛めっき、電気めっき、溶射、蒸着等、その方法は限定されない。また、鋼帯を連続処理してもよいし、切り板単体で処理してもよい。一般には、生産効率に優れた連続溶融亜鉛めっきラインを用いるのが好ましい。

熱間プレス方法
本発明の鋼板に関して、熱間プレス後に目的とする強度を得るために、加熱段階において、該鋼板をＡｃ_３点以上の温度域に加熱し、通常は５分以下の時間保持する。保持温度の下限は、一旦オーステナイト単相として目的とする強度を得るためである。保持時間は、５分を超えるといたずらにコスト増に繋がるため、上述の範囲とするのが望ましい。なお下限の保持時間は特に設けないが、通常は１分程度の保持時間を設けることが望ましい。熱間プレス中あるいは熱間プレス後の鋼板部材の冷却速度については、マルテンサイト組織にして所望の強度を得るために、上部臨界冷却速度以上で室温まで冷却すればよく、本発明の鋼板では６０℃／秒以上とすれば十分である。

熱間プレスに先立つ鋼板の加熱時の加熱雰囲気の露点は３０〜８０℃とする。露点が８０℃を超えると、鋼中への水素侵入を抑制しきれなくなるので、この値を上限とする。一方、露点は低ければ低いほど、鋼中への水素侵入量は減少するが、雰囲気制御が非常に困難になるため、下限を３０℃とする。より望ましい範囲は３０〜６０℃である。

熱間プレス直後の鋼中拡散性水素量は０．２０ｐｐｍ以下とする。通常、トリムやピアスといった機械切断は熱間プレス直後に行われることが多く、鋼中拡散性水素量は０．２０ｐｐｍを超えると、切断端面に遅れ破壊が生じるので上限を設ける。より望ましくは０．１５ｐｐｍ以下である。

通常、熱間プレスに際して、加熱に使用する炉としては、ガス(天然ガス、都市ガス)を燃焼させて加熱するタイプのガス炉が使用される場合が多い。この場合、加熱効率の観点より、空燃比は１．０以上の酸化雰囲気で加熱使用される場合が多い。ガスが燃焼するため、雰囲気中には多量の水分が含まれるようになるが、本発明は、このようなガス炉での加熱に対して、より効果を発揮する。

以下に本発明の実施例について説明する。
表１に示した化学組成を有する鋼板（板厚：１．６ｍｍ）を素地鋼板とした。
これらの鋼板は、実験室にて溶製したスラブを１２５０℃にて３０分加熱した後、９００℃以上で熱間圧延を行い、板厚４ｍｍの鋼板とした。熱間圧延後は、６００℃まで水スプレー冷却したのち炉に装入し、６００℃で３０分保持した後、２０℃／時で室温まで徐冷することにより、熱延巻き取り工程を模擬した。

熱延鋼板は、酸洗によりスケールを除去した後、冷間圧延にて板厚１．６ｍｍとした。この素地鋼板の切板に、めっきシミュレーターを用いて溶融亜鉛めっきを施し、その後合金化処理を行った。

このようにして製造したＺｎめっき系鋼板を、１．６ｔ×５０ｗ×１５０Ｌ（ｍｍ）の寸法に切断し、ガス炉内で、表２の条件にて加熱して、加熱炉より取り出し、その直後に平板の鋼製金型を用いて、熱間プレスを行った。なお、保持時間とは、炉に装入後のＡｃ_３点に達した時から、炉から取り出すまでの時間をいう。

その後、速やかに、１．６ｔ×５０ｗ×１０Ｌの寸法にシャーリング切断（クリアランス７．５％）を行い、１００時間経過後に切断端面を検鏡し、割れの有無を調査した。
拡散性水素量の測定には、４重極質量分析計を用い、真空チャンバー内に熱間プレス後のZnめっき鋼板から切り出した試験片を設置し、赤外線加熱炉により、１０℃／分の一定速度で２５０℃まで昇温し、水素放出曲線を得た後、２００℃までに放出された水素を拡散性水素として測定した。

結果を同じく表１に示す。
本発明例である例Ｎｏ．１〜８では、切断端面には全く割れが存在しなかった。一方、比較例である例Ｎｏ．９及び例Ｎｏ．１０では、本発明範囲を満足しないため、切断端面に割れが発生していた。

Claims (4)

1. 表面にＺｎ系めっき層を有する鋼板に加熱をして熱間プレスを施し、成形と同時に冷却を行う熱間プレス鋼板部材の製造方法であって、
   前記鋼板は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｍｎ＋Ｃｒ：０．５〜３．０％、さらにＰ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｖ：１％以下およびＡｌ：１％以下よりなる群から選択されるＰ、Ｓ、ＳｉおよびＡｌを含む４種または５種以上を含有し、さらに下記式（Ｉ）を満たす量のＴｉを含有し、残部Ｆｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
   前記Ｚｎ系めっき層は、Ｚｎ付着量が１０〜１１０ｇ／ｍ^２であり、
   前記加熱は、加熱温度：Ａｃ_３点以上、加熱雰囲気の露点：３０〜８０℃で行い、
   前記熱間プレスにおける冷却速度は、鋼板の上部臨界冷却速度以上であり、
   前記熱間プレス鋼板部材は、熱間プレス直後の鋼中拡散性水素量：０．２０ｐｐｍ以下、引張強さ：１．２ＧＰａ以上である
   ことを特徴とする、熱間プレス鋼板部材の製造方法：
   ３．４２Ｎ＋０．００１≦Ｔｉ≦３．４２Ｎ＋０．５ （Ｉ）
   ここで、式中のＴｉおよびＮは鋼中の各元素の含有量（単位：質量％）を示す。
2. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．０１％以下を含有する、請求項１に記載の熱間プレス鋼板部材の製造方法。
3. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：１．０％以下およびＭｏ：１．０％以下よりなる群から選ばれる１種または２種を含有する、請求項１または２に記載の熱間プレス鋼板部材の製造方法。
4. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ：０．００５％以下を含有する、請求項１〜３のいずれかに記載の熱間プレス鋼板部材の製造方法。