JP5597980B2

JP5597980B2 - 熱間プレス部材およびその製造方法

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Publication number: JP5597980B2
Application number: JP2009275412A
Authority: JP
Inventors: 清次中島; 裕樹中丸; 達也三好; 弘之増岡
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2029-12-03
Also published as: JP2011117036A

Description

本発明は、加熱された鋼板をプレス加工して製造する熱間プレス部材、特に、自動車の足廻り部や車体構造部などで用いられる熱間プレス部材およびその製造方法に関する。

従来から、自動車の足廻り部材や車体構造部材などの多くは、所定の強度を有する鋼板をプレス加工して製造されている。近年、地球環境の保全という観点から、自動車車体の軽量化が熱望され、使用する鋼板を高強度化して、その板厚を低減する努力が続けられている。しかし、鋼板の高強度化に伴ってそのプレス加工性が低下するため、鋼板を所望の部材形状に加工することが困難になる場合が多くなっている。

そのため、特許文献1には、ダイとパンチからなる金型を用いて加熱された鋼板を加工すると同時に急冷することにより加工の容易化と高強度化の両立を可能にした熱間プレスと呼ばれる加工技術が提案されている。しかし、この熱間プレスでは、熱間プレス前に鋼板を950℃前後の高い温度に加熱するため、鋼板表面にはスケール(Fe酸化物)が生成し、そのスケールが熱間プレス時に剥離して、金型を損傷させる、または熱間プレス後の部材表面を損傷させるという問題がある。また、部材表面に残ったスケールは、外観不良、塗装密着性の低下、耐食性の低下などの原因にもなる。このため、通常は酸洗やショットブラストなどの処理を行って部材表面のスケールは除去されるが、これは製造工程を複雑にし、生産性の低下を招く。

このようなことから、熱間プレス前の加熱時にスケールの生成を抑制でき、塗装密着性や耐食性に優れた熱間プレス部材が要望され、表面にめっき層などの被膜を設けた鋼板を用いた熱間プレス部材およびその製造方法が提案されている。例えば、特許文献2には、合金化溶融Zn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て、表面にFe-Zn固溶相を含むめっき層を形成させた耐食性や溶接性に優れた熱間プレス成形品(部材)が開示されている。また、特許文献3には、シラノール基を有するシリコーン樹脂皮膜で被覆された溶融Znめっき鋼板をAc₃変態点以上に加熱してから熱間プレスを行って製造したりん酸塩処理性、塗装密着性およびZn揮発抑制性に優れた熱間プレス成形材(部材)が開示されている。

英国特許第1490535号公報特許第4039548号公報特開2007-63578号公報

しかしながら、特許文献2に記載の熱間プレス部材では、塗装密着性に著しく劣るという問題がある。また、特許文献3に記載の熱間プレス部材でも、必ずしも優れた塗装密着性が得られないという問題がある。

本発明は、優れた塗装密着性が確実に得られる熱間プレス部材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、上記の目的とする熱間プレス部材について鋭意検討を行った結果、以下の知見を得た。

i) 耐食性を確保するには、部材を構成する鋼板の表面にZn-Fe合金層を設けることが効果的である。

ii) このZn-Fe合金層上にSi含有層を介してZnO層を設けると、優れた塗装密着性が確実に得られる。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、部材を構成する鋼板の表面に、順に、Zn-Fe合金層、Si含有層、ZnO層を有することを特徴とする熱間プレス部材を提供する。

本発明の熱間プレス部材は、表面にSi含有化合物層を有する合金化溶融Znめっき鋼板を800〜1000℃で3分超え15分以下加熱して熱間プレスを行うことにより製造できる。

本発明により、優れた塗装密着性が確実に得られる熱間プレス部材を製造できるようになった。本発明の熱間プレス部材は、自動車の足廻り部材や車体構造部材に好適である。

本発明例である熱間プレス部材における厚み方向断面の層構造を模式的に示す図である。比較例である熱間プレス部材における厚み方向断面の層構造を模式的に示す図である。本実施例で用いたプレス方法を模式的に示す図である。

1) 熱間プレス部材
図1(a)や図1(b)に示すように、本発明例である熱間プレス部材には、部材を構成する鋼板の表面に、順に、Zn-Fe合金層、Si含有層、ZnO層が設けられている。

部材を構成する鋼板の表面直上にZn-Fe合金層を設けると優れた耐食性が得られる。これは、Zn-Fe合金層の腐食電位が鋼に対する犠牲防食効果を有する範囲にあるためと考えられる。なお、Zn-Fe合金層の厚みは5〜30μmが好ましく、鋼板断面を光学顕微鏡、SEM(Scanning Electron Microscopy)、EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)などにより観察することにより測定可能である。また、Zn-Fe合金層は、Zn-Fe金属間化合物でもよく、あるいはZnが固溶したFe、またはFeが固溶したZnでもよく、ZnとFeの両者が同一領域に存在してさえいればその構造は問わない。ZnとFeの両者が同一領域に存在していることの確認は、鋼板断面埋込みしたサンプルを、SEMまたはEPMAによって点分析あるいは面分析することによって確認可能である。

このZn-Fe合金層上にSi含有層を介してZnO層を設けると優れた塗装密着性が確実に得られる。これは、次のように考えられる。すなわち、ZnO層は、塗装下地処理時に形成される化成処理皮膜との密着性に優れるが、Zn-Fe合金層との密着性に劣るため、Zn-Fe合金層上に直接設けられても優れた塗装密着性が得られない。そこで、ZnO層とZn-Fe合金層の両層との密着性に優れるSi含有層を両層の間に設ければ優れた塗装密着性が得られることになる。

なお、Zn-Fe合金層上にSi含有層を介して設けたZnO層は、図1(a)に示すように連続層であっても、図1(b)に示すように不連続(島状)層であってもよいが、図2に示すようにZn-Fe合金層と接するように設けられていると塗装密着性の劣化を招く。

Si含有層の厚みは0.5〜5μm、ZnO層の厚みは0.1〜10μmであることが好ましく、鋼板断面を光学顕微鏡、SEM、EPMAなどにより観察することにより測定可能である。

2) 製造方法
上述したように、本発明の熱間プレス部材は、表面にSi含有化合物層を有する合金化溶融Znめっき鋼板を800〜1000℃で3分超え15分以下加熱して熱間プレスを行うことにより製造できる。

表面にSi含有化合物層を有する合金化溶融Znめっき鋼板を800〜1000℃で加熱することにより、めっき層と下地鋼板の界面ではめっき層中のZnと鋼板中のFeが相互拡散し、Zn-Fe合金層が形成される。また、めっき層上層部にあるZnはSi含有化合物層を通過して表面まで拡散し、雰囲気中のOと反応して、図1(a)や図1(b)に示すようにSi含有層上にZnO層が形成される。このとき、Znと雰囲気中のOとの反応は均一には生じにくいため、加熱時間が3分以下の反応初期では局部的にZnOが激しく生成し、図2に示すようなSi含有層中にZnO層が混在し、ZnO層とZn-Fe層の接触部が形成される。しかし、3分を超えて加熱するとSi含有層が脱水縮合反応等によって層状化が進み、図1(a)や図1(b)に示すようなZnO層とZn-Fe層の接触部がない状態となる。

なお、800℃未満の加熱ではSi含有層の層状化が不十分であり、図2に示すようなZnO層とZn-Fe層の接触部が形成される。1000℃以上に加熱するとZnの蒸発が激しくなり、局部的にZnOが激しく生成し、同様に図2に示すようなZnO層とZn-Fe層の接触部が形成される。また、15分を超えて加熱してもSi含有層の層状化の効果は飽和し、コスト増や生産性の低下を招く。

780MPa以上の強度を有する熱間プレス部材を得るには、本発明に用いる合金化溶融Znめっき鋼板の下地鋼板として、例えば、質量%で、C:0.1〜0.5%、Si:0.05〜2.0%、Mn:0.5〜3%、P:0.1%以下、S:0.05%以下、Al:0.1%以下、N:0.01%以下、Cr:0.4〜0.5%、B:0.0015〜0.0025%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼板を用いることが好ましい。なお、必要に応じて、Ti、Nb、Mo、V、Ni、Cu、Wのうちの少なくとも1種を含有させることができる。

下地鋼板上の合金化溶融Znめっき層の組成は特に限定されず、公知の組成がすべて適用可能である。例えば、Fe含有量が5〜15質量%、Al含有量が0.1〜0.5質量%の組成を挙げられる。また、合金化溶融Znめっき層の片面あたりの付着量についても、通常広く用いられている30〜90g/m²を適用できる。合金化溶融Znめっき層の形成方法については、公知の方法がすべて適用可能であるが、溶融めっき浴に浸漬した後に450〜600℃程度に加熱して合金化処理を行う方法が特に好ましい。

合金化溶融Znめっき鋼板上のSi含有化合物層としては、例えば、シリコーン樹脂、リチウムシリケート、コロイダルシリカ、シランカップリング剤などからなる層を挙げられる。また、こうしたSi含有化合物層を形成するには、ロールコーター、スクイズコーター、ダイコーターなどによる塗布法、浸漬法、スプレー法などを用いてSi含有化合物を塗布後、加熱乾燥すればよい。このとき、スクイズコーターなどによる塗布処理、浸漬処理、スプレー処理の後に、エアナイフ法やロール絞り法により塗布量の調整、外観の均一化、付着量の均一化を行うことも可能である。また、加熱乾燥にはドライヤー、熱風炉、高周波誘導加熱炉、赤外線炉などを用いることができるが、その温度は到達板温で40〜200℃が好ましく、50〜160℃がより好ましい。この到達板温を40℃以上とするとSi含有化合物層中に溶剤や水分などの溶媒が残存することがなく、塗装密着性が十分となる。また、到達板温を200℃以下とすると経済的であるばかりでなく、Si含有化合物層に欠陥が生じることがなく、塗装密着性が向上する。

Si含有化合物層の片面あたりの付着量は、0.5g/m²以上とすると塗装密着性を十分に向上でき、5.0g/m²以下とするとSi含有化合物層が脆くなることがなく、塗装密着性が向上するので、0.5〜5.0g/m²が好ましい。

なお、Si含有層とその下層のZn-Fe合金層の密着性をさらに向上させる目的で、Si含有層の下層に複合酸化物皮膜を設けることができる。それには、例えば、合金化溶融Znめっき鋼板にSi含有化合物層を形成する前に、シリカなどの酸化物微粒子、リン酸および／またはリン酸化合物、MnやAlなどの金属成分、のうち少なくとも1種を含有する複合酸化物皮膜を片面あたり5〜4000mg/m²形成すればよい。

素材の鋼板として、質量%で、C:0.23%、Si:0.12%、Mn:1.5%、P:0.02%、S:0.002%、Al:0.03%、N:0.002%、Cr:0.4%、B:0.0022%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有する板厚1.6mmの冷延鋼板に、Feを10質量%、Alを0.3質量%含有した合金化溶融Znめっき層を、表1に示す片面あたりのめっき付着量で両面に形成した合金化溶融Znめっき鋼板を用いた。まず、これらの合金化溶融Znめっき鋼板に、表1に示すSi含有化合物を塗布後、到達板温が140℃となる条件で乾燥し、表1に示す片面あたりの付着量のSi含有化合物層を両面に形成した。次に、Si含有化合物層を形成した鋼板から200mm×220mmのブランクを採取し、大気雰囲気の電気炉内で表1に示す加熱条件(到達板温、時間)で加熱後、炉内から取り出し、直ちに図3に模式的に示したようなプレス方法で絞り加工し、熱間プレス部材No.1〜17を作製した。このとき、ポンチ幅は70mm、加工高さは30mmとした。そして、部材頭部の平坦部から試料を採取し、非ポンチ接触面の厚み方向断面の層構造をSEMにより調査した。また、次の方法により非ポンチ接触面の塗装密着性を調査した。
塗装密着性：部材頭部の平坦部から試料を採取し、日本パーカライジング株式会社製PB-L3020を使用して標準条件で化成処理を施した後、関西ペイント株式会社製GT-10を膜厚20μm電着塗装して試験片を作製した。そして、作製した試験片に対してカッターナイフで鋼素地まで達する1mm角の碁盤目状傷を100個入れ、セロハン粘着テープにより貼着・剥離する碁盤目テープ剥離試験を行った。以下の基準で評価し、○であれば本発明の目的を満足しているとした。
○：塗膜残存率=100%
△：70%≦塗膜残存率<100%
×：塗膜残存率<70%
結果を表1に示す。本発明である熱間プレス部材No.1〜12は、塗装密着性に優れていることがわかる。

Claims

表面にシリコーン樹脂、リチウムシリケート、コロイダルシリカ、シランカップリング剤のいずれかからなる層であるSi含有化合物層を有する合金化溶融Znめっき鋼板を熱間プレスして得られる熱間プレス部材であって、部材を構成する鋼板の表面に、順に、Zn-Fe合金層、層状化したSi含有層、ZnO層を有することを特徴とする熱間プレス部材。
表面にシリコーン樹脂、リチウムシリケート、コロイダルシリカ、シランカップリング剤のいずれかからなる層であるSi含有化合物層を有する合金化溶融Znめっき鋼板を、800〜1000℃で3分超え15分以下加熱して熱間プレスを行うことを特徴とする熱間プレス部材の製造方法。