JP5423215B2

JP5423215B2 - 表面処理鋼板およびその製造方法

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Publication number: JP5423215B2
Application number: JP2009179190A
Authority: JP
Inventors: 弘之増岡; 裕樹中丸; 利彦大居; 真司大塚
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: JP2011032525A

Description

本発明は、優れた耐酸化性を有することで熱間プレス成形性に優れた表面処理鋼板およびその製造方法に関するものである。

近年、自動車車体の軽量化のため、鋼板の高強度化（例えば、780Mpa級）を図り、使用する鋼板の厚みを減ずる努力が行われている。しかし、鋼板をプレス加工する場合、例えば、絞り加工を行う場合、鋼板の強度が高くなると、絞り加工時に金型との接触圧力が高まることに起因して、鋼板のかじりや破断が発生する。また、そのような問題を少しでも軽減するために、鋼板の絞り加工時の材料の金型内への流入を高めるためのブランク押さえ圧を下げた場合、成形後の形状がばらつく等の問題点がある。
また、形状安定性いわゆるスプリングバックの問題も発生する。これに対しては潤滑剤を使用することにより改善する方法があるが、780Mpa級の高強度鋼板ではその効果は小さい。
このような現状に対して、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、熱間プレス成形および温間プレス成形をまとめて熱間プレス成形と称する）。
しかしながら、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に取り出すときに大気にふれると表面に鉄系酸化物が形成される。この鉄系酸化物はプレス時に脱落して金型に付着して生産性を低下させる。あるいは、プレス後の製品に残存して外観不良の原因となる。さらには、次工程で塗装する場合に鋼板と塗膜との密着性が劣ることになる。
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鉄系酸化物から成るスケールを除去することが必要になる。しかし、これはコスト増を免れない。
このような問題を解決するべく、特許文献１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を被覆し、所定の組成および組織とした鋼板を提案している。しかしながら、このような鋼板は普通鋼と比較した場合、大幅なコスト増となる。
以上のように、熱間プレス成形においては大幅なコスト増を避けられないのが現状である。つまり、所定の鋼組成および鋼組織のアルミニウム被覆した鋼板はコスト増となる。また、めっき層などの表面処理層を有しない高強度の鋼板に熱間プレス成形を行った場合、生成した鉄系酸化物を除去する工程が必要であり、大幅なコスト増なしに該酸化物を除去する工程を省略できないという問題がある。また、コスト増に甘んじ該酸化物を除去してもめっき層などの表面処理層を有しない鋼板では防錆性が劣るという問題が残る。そして、熱間プレス成形においては、加熱時生成した鉄系酸化物がプレス成形時にプレス金型内で剥離・脱落することで金型の手入れが必要となり生産時間ロスを招き、生産性低下が懸念される。
特開２０００−３８６４０号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、大幅なコスト増なしに優れた耐酸化性を有することで熱間プレス成形性に優れた表面処理鋼板およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく、鋭意研究を重ねた。その結果、以下の知見を得た。

プレス成形前に尿素、ヘキサメチレンテトラミンのいずれか一つ以上と金属イオン（Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒから選ばれる1種以上）を含有する酸性溶液に鋼板を接触させ、鋼板表面に前記金属を含む酸化物層を形成させることで、耐酸化性に顕著な改善が見られることを見出した。

本発明は、以上の知見に基づきなされたものであり、その要旨は以下の通りである。
[1] 鋼板を酸性溶液に接触させ、接触処理終了後1〜90秒間保持した後、水洗及び乾燥を行うことにより前記鋼板表面に平均厚さ10nm以上の酸化物層を形成する表面処理鋼板の製造方法において、前記酸性溶液は、Ｚｎ、ＴｉおよびＺｒから選ばれる1種以上である金属イオンと、尿素および／またはヘキサメチレンテトラミンを含有し、pHが１〜６であり、液温が２０〜７０℃であることを特徴とする表面処理鋼板の製造方法。
[2] 前記[1]において、前記金属イオンの濃度は合計で０．０１〜０．５０mol/lであり、前記尿素および／またはヘキサメチレンテトラミンの濃度は合計で０．０１〜０．５０mol/lであることを特徴とする表面処理鋼板の製造方法。
[3] 前記[1]または前記[2]の製造方法により製造され、鋼板表面に、Ｚｎ、ＴｉおよびＺｒから選ばれる1種以上を含み平均厚さが１０nm以上の酸化物層を有することを特徴とする表面処理鋼板。
[4] 前記[3]において、前記鋼板が亜鉛系めっき層を有することを特徴とする表面処理鋼板。

なお、本発明において鋼板は、冷延鋼板、熱延鋼板、またはこれらの表面にめっき層を有する鋼板である。また、めっき層を有するとは、めっき処理後に合金化処理を施す、施さないにかかわらず、めっき層を鋼板表面に有していることである。すなわち、本発明におけるめっき層を有する鋼板とは、溶融亜鉛めっき処理、合金化処理を施した合金化溶融亜鉛めっき処理、電気亜鉛めっき処理、溶融亜鉛−アルミニウムめっき処理、溶融アルミニウムめっき処理などにより得られるものである。

本発明によれば、耐酸化性に優れた表面処理鋼板が大幅なコスト増を招くことなく得られる。そして、本発明の表面処理鋼板は耐酸化性に優れるため、本発明の表面処理鋼板を用いて熱間プレス成形を行うことにより、鋼板のかじりや破断が発生することなく加工が可能となる。また、ショットブラストなどのスケール除去を行う必要がないためコスト低減が可能となる。

熱間プレス成形時には鋼板はAc3変態点以上（約900℃以上）の加熱を受ける。この場合、Znの融点は418℃、沸点は907℃であることから、亜鉛系めっき鋼板の場合は、鋼板上のZnめっきが蒸発することが予想され、その結果、鋼板素地が酸化されることになる。このため、鋼板の表面には、硬質かつ高融点の物質が存在することが鋼板素地の酸化防止の点から非常に有効であると考えられる。また、Ac3変態点未満（約900℃未満）の加熱を行う温間プレス成形においては、亜鉛系めっき鋼板の場合は表面に存在するZnの融点が低いため、鋼板のかじりや破断が発生することが予想される。このためにも鋼板の表面には、硬質かつ高融点の物質が存在することがかじりや破断の点から非常に有効であると考えられる。そこで、熱間プレス成形時の耐酸化性に優れるものであれば、温間プレス成形時の耐かじり性および耐破断性に優れることは言うまでもなく、以下、耐酸化性の改善を主体に説明する。

そこで、硬質かつ高融点の物質を鋼板表面に形成させる検討を進めた。その結果、酸化物層中にＺｎ、Ｔｉ、Ｚｒのいずれか1種以上を含有させることで酸化物層を高融点とすることでき、耐酸化性が飛躍的に向上することを見出した。さらに、Ｚｎ、ＴｉおよびＺｒから選ばれる1種以上である金属イオンと、尿素および／またはヘキサメチレンテトラミンとを含有し、pHが１〜６であり、液温が２０〜７０℃である酸性溶液に鋼板を接触させ、所定の時間保持することで上記の高融点の酸化物層を形成することができ、耐酸化性を付与する手法として非常に有効であることを見出した。

そして、鋼板表面に形成する酸化物層の平均厚さは１０nm以上とする。１０nm以上とすることにより、熱間プレス成形時の加熱温度（Ac3変態点以上の温度）においてこの酸化物層がバリア層となり、スケールの発生を抑制することができる。一方、厚さを２００ｎｍ以下とすると、熱間プレス成形性の効果が得られる上に、この厚さを有する酸化物層を鋼板表面に形成するためのライン長さをとくに考慮する必要がなく、設備上の問題も生じない。よって、上限は、好ましくは２００ｎｍ以下である。

なお、本発明における酸化物層の平均厚さは、膜厚が既知のシリカ皮膜のO（酸素）のＫα蛍光Ｘ線強度により作成した検量線を用いて求めたシリカ換算の膜厚である。

以上から、本発明では、鋼板表面には、Ｚｎ、ＴｉおよびＺｒのいずれか1種以上を含み、平均厚さが10nm以上の酸化物層を有することとする。これらは本発明の特徴であり、このような酸化物層が鋼板表面に存在することで鋼板素地の酸化を防止し、優れた耐酸化性を有することになる。

鋼板の表面に上記酸化物層を形成させる方法としては、鋼板表面と酸性溶液との反応を利用する方法が最も効果的である。例えば、鋼板をＺｎ、ＴｉおよびＺｒから選ばれる1種以上である金属イオンと、尿素および／またはヘキサメチレンテトラミンとを含有する酸性溶液に接触させ、接触処理終了後1〜90秒間保持した後、水洗及び乾燥を行うことにより鋼板表面に酸化物層を形成することができる。さらに、前記酸性溶液のｐＨは１〜６であり、液温は２０〜７０℃とする。このように、鋼板を接触処理する酸性溶液を、前記金属イオンと尿素および／またはヘキサメチレンテトラミンを含有し、ｐＨと液温を規定した溶液とすることは、本発明において、重要な要件であり、特徴である。これにより、良好な耐酸化性を確保するために十分な酸化物層を短時間で形成させることができる。
なお、接触処理は後述する浸漬処理、スプレー処理、ロール塗布により可能である。また、接触処理終了後とは、浸漬処理の場合は浸漬工程を終了した後を、スプレー処理の場合はスプレー工程が終了した後を、ロール塗布の場合は塗布工程が終了した後を示すものである。

この酸化物層形成メカニズムについては明確ではないが、次のように考えることができる。尿素またはヘキサメチレンテトラミンを含有しない溶液を用いる特開平２−１９０４８３号公報には、酸化物層の形成機構として、亜鉛めっき鋼板側からは亜鉛の溶解が生じ、この亜鉛の溶解は、同時に水素発生反応を生じるため、亜鉛の溶解が進行すると、溶液中の水素イオン濃度が減少し、その結果、溶液のpHが上昇し、鋼板表面にZnを主体とする酸化物層を形成するとの記載がある。
これに対し、本発明では、鋼板を接触処理する溶液中に金属イオンと尿素および／またはヘキサメチレンテトラミンを含有することにより酸化物の生成速度が向上する。この機構は未だ明確ではないが、以下のように考えられる。本発明での酸化物生成は特開平２−１９０４８３号公報と同様に、表面近傍の鋼板側より供給される金属イオンがｐＨの上昇により水酸化物となって析出する反応が主体となっていると考えられる。そして、尿素またはヘキサメチレンテトラミンは水中で加水分解してアンモニアとホルムアルデヒドを分解することが知られていることから分解生成したアンモニアがｐＨを上昇させる。そして、Ｚｎ、ＴｉおよびＺｒイオンの添加により表面近傍の金属イオン濃度が高くなる。これらにより必要な鋼板表面の溶解時間を短縮出来るため、結果として酸化物の生成速度が向上しているものと推察される。

酸性溶液に含有させる金属イオンの濃度はＺｎ、ＴｉおよびＺｒの合計で、０．０１〜０．５０mol/lが好ましい。金属イオン濃度が０．０１mol/l以上であれば、良好な耐酸化性を得るための金属イオン量が十分にあり、必要な酸化物層を形成することができる。また、０．５０mol/l以下であれば、十分な膜厚が得られる上、成膜速度が大きくなりすぎず、所望の膜厚へ制御することができる。なお、酸性溶液への金属イオンの供給は、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、燐酸塩、珪酸塩等を使用して行うことが出来る。

また、使用する溶液中に尿素および／またはヘキサメチレンテトラミンを合計で０．０１〜０．５０mol/lの濃度範囲で含有することが好ましい。尿素および／またはヘキサメチレンテトラミン濃度が０．０１mol/l以上であれば、尿素またはヘキサメチレンテトラミンの加水分解反応によるｐＨ上昇効果が大きいため、短時間で良好な耐酸化性を確保することができる。一方で、０．５０mol/l以下であれば、成膜速度が大きくなりすぎず、所望の膜厚へ制御することができる。

また、取扱上容易であることから、酸性溶液の溶媒は水であることが好ましい。さらに、溶液は水溶液であることが好ましい。

酸性溶液のｐＨは１〜６とする。ｐＨを６以下とすると、溶液中で金属イオンの沈殿（水酸化物の形成）が生じることなく、鋼板表面に十分に酸化物を形成できる。また、ｐＨを１以上とすると、ｐＨ上昇が遅延することがなく、酸化物層の形成が阻害されることがない。ｐＨ４〜５．５範囲で成膜速度は最も早くなるので、好ましくはｐＨ４〜５．５である。ｐＨを１〜６にするためには金属イオンの供給源である前述した金属塩のアニオン成分のみで調整してもよいし、さらに酸または塩基を添加することによりpＨを調整することもできる。

酸性溶液の温度については、２０〜７０℃とする。酸化物層の形成反応は、酸性溶液への接触後、所定時間保持する際に生じるため、保持時の鋼板温度を２０〜７０℃の範囲に制御することは有効である。２０℃以上とすると、酸化物層の生成反応に長時間を有することがなく、生産性の低下を招くことがない。一方、７０℃以下とすると、鋼板表面に処理ムラを発生することがなく、反応を比較的早く進行させることができる。
鋼板を酸性溶液に接触させる方法には特に制限はなく、鋼板を酸性溶液に浸漬する方法、鋼板に酸性溶液をスプレーする方法、塗布ロールを介して酸性溶液を鋼板に塗布する方法等がある。

鋼板を以上からなる酸性溶液に接触させた後に、その溶液が薄い液膜状で鋼板表面に存在することが望ましい。これは、鋼板表面に存在する溶液の量が多すぎると、溶液のpHが上昇しにくく、目的とする酸化物層を形成するまでに長時間を有するためである。この観点から、鋼板表面に形成する溶液膜量は、３０ｇ/ｍ^２以下に調整することが好ましい。より好ましくは、液膜の乾燥を防ぐ目的で５g/m²以上の液膜量が適している。なお、溶液膜量の調整は、絞りロール、エアワイピング等で行うことができる。
また、酸性溶液に接触後、水洗までの時間（水洗までの保持時間）は、1〜90秒間必要である。これは水洗までの時間が1秒未満であると、溶液のpHが上昇し酸化物層が形成される前に酸性溶液が洗い流されるために、耐酸化性の向上効果が得られない。一方、90秒を超えても、酸化物層の形成量に変化が見られず、９０秒を超えた場合の保持時間では生産性を落としてしまう。短時間でも安定的に製造することが本発明では望ましく、本発明の効果を十分に発揮する点から保持時間は９０秒以下とする。
以上により、鋼板表面には、Ｚｎ、ＴｉおよびＺｒから選ばれる1種以上を含み平均厚さが１０nm以上の酸化物層が形成される。

なお、本発明における酸化物層とは、酸化物及び／又は水酸化物などからなる層のことである。酸化物層中に硫酸イオン等の浴中成分を含有しても良い。このような酸化物層の平均厚さは10nm以上であることが必要である。酸化物層の平均厚さが、10nm未満と薄くなると耐酸化性に対する効果が不十分となる。一方、酸化物層の平均厚さを200nm以下とすると、熱間プレス成形中に酸化物層が破壊することがないので摺動抵抗が上昇しない。また溶接性が低下することもないので好ましい。さらに、形成される酸化物が粗大とはならず、かつ量も多くないため、プレス金型等へ付着せず、生産性を低下させることがないので好ましい。

なお、本発明では、使用する酸性溶液中に金属がＺｎ、ＴｉおよびＺｒから選ばれる1種以上である金属イオンと、尿素および／またはヘキサメチレンテトラミンを含有していれば、耐酸化性に優れ、熱間プレス成形性に優れた酸化物層を安定して形成できるため、酸性溶液中にその他の金属イオンや無機化合物などを不純物として、あるいは故意に含有していても本発明の効果が損なわれるものではない。例えば、N、P、B、Cl、Na、Mn、Ca、Mg、Ba、Sr、Siなどが酸化物層中に取り込まれても、本発明の効果が損なわれない限り適用可能である。

また、本発明にかかる素地鋼材は、特に限定はしないが、めっき層を有する鋼板を製造する場合、めっき処理時のめっき濡れ性、めっき後のめっき密着性が良好となる鋼組成とすることが好ましい。また、熱間プレス成形を行う場合を考慮して、その特性として、熱間プレス成形後に急冷して高強度、高硬度となる焼入れ鋼、例えば高張力鋼板が実用上は特に好ましい。

また、本発明において、鋼板にめっき層を有するためのめっき法に特に限定はないが、例えば、溶融めっき法、電気めっき法、蒸着めっき法、溶射法などの各種の製造方法によるものがあり、めっき組成として純Zn、純Alのほか、Zn-Fe、Zn-Al、Zn-Ni、Zn-Mgなどがある。しかし、本発明の実施においては、下地鋼板の種類によらず、酸化物層を形成させることができるので、めっきの種類を限定するものではない。ただし、酸化物層の成分としてＺｎイオンを供給可能であり、成膜速度を上げることが可能なＺｎを含有する亜鉛系めっき層を有する鋼板が好ましい。

また、めっき層を形成する鋼板も特に限定はしない。冷延鋼板でも熱延鋼板でもよい。さらに、めっき層を有しなくともよい。

また、熱間プレス成形の方法については特に限定しない。例えば、本発明の表面処理鋼板に対して、1〜100℃/秒の加熱速度にてAc3変態点以上に加熱し、5〜6000秒間の保持後、400〜800℃の温度域で熱間プレス成形することにより、本発明の耐酸化性の効果を最大限に得ることができる。
また、熱間プレス成形中に、ダイとパンチを用いて10〜200℃/sの冷却速度にて部材を冷却することも可能であり、さらに、熱間プレス成形後に、熱間プレス成形した部材を金型より取り出し、液体または気体を用いて冷却することも可能である。

次に、本発明を実施例により詳細に説明する。
鋼成分として、C：0.23mass％、Si：0.12mass％、Mn：1.5mass％、Cr：0.50mass％、B：0.0020mass％を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる冷延鋼板に対して、溶融亜鉛めっき処理、合金化溶融亜鉛めっき処理、電気亜鉛めっき処理および溶融亜鉛−アルミニウムめっき処理を各々行い、板厚1.2mmの溶融亜鉛めっき鋼板、合金化溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板および溶融亜鉛−5mass％アルミニウムめっき鋼板を作製した。なお、溶融亜鉛めっき鋼板、合金化溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板および溶融亜鉛−5mass％アルミニウムめっき鋼板のめっき付着量（片面当たり）はいずれも45g/m²である。また、めっき処理を行わない、板厚1.2mmの冷延鋼板（以下、単に冷延鋼板と称す）も作製した。
次いで、冷延鋼板、溶融亜鉛めっき鋼板、合金化溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板および溶融亜鉛−5mass％アルミニウムめっき鋼板に対して、酸性溶液接触処理を行った。なお、酸性溶液処理は、表１〜表５に示す組成と温度の酸性溶液に3秒浸漬した。その後、ロール絞りを行い、液量を10g/m²に調整した後、10秒間大気中、室温にて放置し、十分水洗を行った後、乾燥を実施し、鋼板表面もしくはめっき鋼板表面に、酸化物層を形成した。なお、詳細な条件は、表1〜表５に示す。また、比較例として、上記酸性溶液処理を行わないもの、および尿素またはヘキサメチレンテトラミンを含有しない酸性溶液処理を行ったものも作製した。

以上により作製した鋼板について、熱間プレス成形性の評価を行うとともに、鋼板表面の酸化物層の平均厚さを測定した。熱間プレス成形性の評価方法、酸化物層厚さの測定方法の詳細は以下の通りである。
（１）熱間プレス成形性
加熱炉内で、大気雰囲気下で加熱速度：15℃/ｓにて900℃まで加熱し、900℃で60秒間保持後加熱炉より取り出し、円筒絞りの熱間プレス成形を行った。熱間プレス成形は、絞り高さ：25mm、肩R：5mm、ブランク直径：90mm、パンチ直径：50mm、ダイ直径：53mmの条件の下で、酸性溶液処理を施した面が円筒の外面側になる様に実施した。成形後の試験片のめっき層密着状態として、めっき層の剥離の有無を目視で観察して、熱間プレス成形性として2段階で評価した。なお、冷延鋼板の評価はスケール層の剥離を目視で観察して、熱間プレス成形性として2段階で評価した。
○：剥離なし
×：剥離あり
（２）酸化物層厚さ測定
膜厚が９６nmの熱酸化ＳｉＯ₂膜が形成されたＳｉウエハを参照物質として用い、蛍光Ｘ線分析装置でＯ・Ｋα Ｘ線を測定することで、ＳｉＯ₂換算の酸化物層の平均厚さを求めた。分析面積は３０ｍｍφである。
以上により得られた結果を条件と併せて表1〜表５に示す。

本発明では、めっきの蒸発抑制およびスケール発生防止により、外観不良が抑制され、めっき層剥離は観察されず、耐酸化性に優れるため、熱間プレス成形性が良好であった。

一方で、酸性溶液処理を行っていない比較例では、本発明の酸化物層が形成されず、熱間プレス成形後にスケール発生に起因するめっき層剥離が観察された。

上記した実施例においてはAc3変態点以上（約900℃以上）の加熱を行う熱間プレス成形における耐酸化性効果を示したが、Ac3変態点未満（約900℃未満）の加熱を行う温間プレス成形においても硬質かつ高融点の酸化物層を表面に有することにより、鋼板のかじりや破断が発生することなくプレス成形性に優れることはいうまでもない。

本発明の表面処理鋼板は、耐酸化性に優れることから、自動車用の足回り、シャーシ、補強部品などの自動車車体用途を中心に広範な分野で適用できる。

Claims

鋼板を酸性溶液に接触させ、接触処理終了後1〜90秒間保持した後、水洗及び乾燥を行うことにより前記鋼板表面に平均厚さ10nm以上の酸化物層を形成する表面処理鋼板の製造方法において、前記酸性溶液は、Ｚｎ、ＴｉおよびＺｒから選ばれる1種以上である金属イオンと、尿素および／またはヘキサメチレンテトラミンを含有し、pHが１〜６であり、液温が２０〜７０℃であることを特徴とする表面処理鋼板の製造方法。
前記金属イオンの濃度は合計で０．０１〜０．５０mol/lであり、前記尿素および／またはヘキサメチレンテトラミンの濃度は合計で０．０１〜０．５０mol/lであることを特徴とする請求項1に記載の表面処理鋼板の製造方法。
請求項1または２に記載の表面処理鋼板の製造方法により製造され、鋼板表面に、Ｚｎ、ＴｉおよびＺｒから選ばれる1種以上を含み平均厚さが１０nm以上の酸化物層を有することを特徴とする表面処理鋼板。
前記鋼板が亜鉛系めっき層を有することを特徴とする請求項３に記載の表面処理鋼板。