JP6470266B2 - プレス焼入れ用亜鉛めっき鋼材およびその製造方法 - Google Patents

プレス焼入れ用亜鉛めっき鋼材およびその製造方法 Download PDF

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Description

本出願は、２０１３年５月１７日付で出願された同発明の名称の米国特許仮出願第６１／８２４，７９１号に基づく優先権を主張するものである。この参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする。
プレス焼入れ用鋼材は、典型的には強度が高く、自動車用途で安全性を向上させつつ重量を減らすために用いられている。ホットスタンプ部品は主に、無塗装鋼材、またはアルミめっきコーティングされた鋼材のいずれかから作られている。無塗装剛材の場合はスタンピングの後に酸化物を除去しなければならない。前記アルミめっきコーティングは腐食防止のためのバリア形態を提供する。亜鉛ベースのめっきコーティングは、さらにホットスタンプ部品に活性または陰極腐食防止を提供する。例えば、溶融亜鉛めっき鋼材は典型的にはＺｎ−Ａｌコーティングを含み、また溶融亜鉛合金めっき鋼材はＺｎ−Ｆｅ−Ａｌコーティングを含む。亜鉛の融点のために、ホットスタンピングプロセス中、液体亜鉛が存在する場合があり、当該液体亜鉛は液体金属脆化（ｌｉｑｕｉｄ ｍｅｔａｌ ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ：ＬＭＥ）のために割れ性をもたらす。ホットスタンピング前の鋼基材のオーステナイト化に必要な高温度の時間により、亜鉛合金めっきコーティング中への鉄の拡散が可能となりＬＭＥが防止される。しかしながら、前記鉄が十分に拡散するのに必要な時間中、前記コーティング中の亜鉛は蒸発および酸化のために失われてしまうことがある。また、この酸化物はスタンプピングの間、付着不良を呈することがあり、また剥離する傾向にある。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１） 独国特許出願公開第１０２０１２０２１０３１号明細書
（特許文献２） 米国特許出願公開第２０１２／１１８４３７号明細書
本願は、亜鉛合金めっき後かつ前記ホットスタンピング・オーステナイト化工程の前に行われる予合金化熱処理（ｐｒｅ−ａｌｌｏｙｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を開示するものである。前記予合金化は、鉄の密度を増加させることにより前記オーステナイト化温度の時間を短縮して前記コーティング中で所望のα―Ｆｅフェーズを形成することを可能にする。また、これにより前記亜鉛の消失が減り、またホットスタンピング後により多くの付着酸化物が存在する。
本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付の図面は、実施形態を例示するものであり、上述した一般的な説明および後述する実施形態の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つものである。
図１は、０時間の予合金化処理後、または"コートされた状態"の亜鉛合金めっき鋼板のグロー放電分光分析スキャンのグラフを示す。 図２は、１時間の予合金化処理後の亜鉛合金めっき鋼板のグロー放電分光分析スキャンのグラフを示す。 図３は、４時間の予合金化処理後の亜鉛合金めっき鋼板のグロー放電分光分析スキャンのグラフを示す。 図４Ａは、ホットスタンピング後の図１の亜鉛合金めっき鋼板のグロー放電分光分析スキャンのグラフを示す。 図４Ｂは、図４Ａの亜鉛合金めっき鋼板の断面の光学顕微鏡写真を示す。 図５Ａは、ホットスタンピング後の図２の亜鉛合金めっき鋼板のグロー放電分光分析スキャンのグラフを示す。 図５Ｂは、図５Ａの亜鉛合金めっき鋼板の断面の光学顕微鏡写真を示す。 図６Ａは、ホットスタンピング後の図３の亜鉛合金めっき鋼板のグロー放電分光分析スキャンのグラフを示す。 図６Ｂは、図６Ａの亜鉛合金めっき鋼板の断面の光学顕微鏡写真を示す。 図７は、図４Ａの条件において処理された亜鉛合金めっき鋼板の光学顕微鏡写真を示し、クロスハッチ領域を表している。 図８は、図５Ａの条件において処理された亜鉛合金めっき鋼板の光学顕微鏡写真を示し、クロスハッチ領域を表している。 図９は、図６Ａの条件において処理された亜鉛合金めっき鋼板の光学顕微鏡写真を示し、クロスハッチ領域を表している。
プレス焼入れ鋼材は２２ＭｎＢ５合金のようなボロン含有鋼材から形成することができる。このような２２ＭｎＢ５合金は、典型的には、約０．２０〜約０．２５Ｃ、約１．０〜約１．５Ｍｎ、約０．１〜約０．３Ｓｉ、約０．１〜約０．２Ｃｒ、および約０．０００５〜約０．００５Ｂを有する。本願の教示を考慮すれば当業者に明らかであるように、他の適切な合金を用いてもよい。他の適切な合金としては、任意の適切なプレス焼入れ可能な合金を含んでもよく、当該プレス可能な焼入れ合金は、ホットスタンプのための所望の強度および伸度の組み合わせをもたらす十分な焼入れ性を有するものである。例えば、自動車ホットスタンピング用途に一般的に使用される同様の合金を用いることができる。前記合金は、典型的な一体成形、熱間圧延、酸洗い、および冷間圧延処理によって冷延鋼帯に処理される。
前記冷延鋼帯は、その後、溶融亜鉛合金めっきされて、前記鋼帯上にＺｎ−Ｆｅ−Ａｌコーティングを生じる。前記コーティングの重量は典型的には、一面あたり約４０〜約９０ｇ／ｍ２の範囲である。前記合金化炉の温度は、約９００〜約１２００°Ｆ（約４８２〜約６４９℃）の範囲であり、前記コーティング中のＦｅレベルが約５〜約１５ｗｔ％となる。前記亜鉛ポット中のアルミニウムレベルは、約０．１０〜約０．２０ｗｔ％の範囲であり、前記コーティング中の前記分析されたＡｌレベルが典型的に前記ポット中の量の２倍である。鋼帯を亜鉛合金めっきする他の適切な方法は、本願の教示を考慮すれば当業者に明らかであろう。
前記亜鉛合金めっきコーティングを処理する鋼帯には、その後、前記コーティング中の前記Ｆｅレベルを約１５〜約２５ｗｔ％に増加させるように設計された予合金化熱処理が施される。この熱処理は、約８５０〜約９５０°Ｆ（約４５４〜約５１０℃）のピーク温度と、約１〜１０時間、例えば約２〜約６時間の滞留時間とを有する。前記予合金化熱処理は、オープンコイル焼なましを通じて行われてよい。前記予合金化熱処理は、さらに保護雰囲気下で行われてよい。このような保護雰囲気としては、窒素雰囲気が含まれる。いくつかの例において、前記窒素雰囲気は約１００％Ｎ２を含む。他の例において、前記窒素雰囲気は約９５％Ｎ２と約５％Ｈ２を含む。予合金化熱処理を提供する他の適切な方法は、本願の教示を考慮すれば当業者に明らかであろう。
前記亜鉛合金めっき鋼帯に予合金化熱処理が施されると、当該鋼帯はホットスタンピング・オーステナイト化工程に従う。ホットスタンピングは周知である。温度は、典型的には、約１６１６〜約１７４２°Ｆ（約８８０〜約９５０℃）の範囲である。予合金化熱処理のため、このオーステナイト化温度の必要時間は減らされてもよい。例えば、前記オーステナイト化温度の時間は、約２〜約１０分、または約４〜６分とすることができる。これにより、前記コーティング中に単一フェーズα−Ｆｅを約３０％Ｚｎと共に形成する。他の適切なホットスタンプ法が本願の教示を考慮すれば当業者に明らかであろう。
亜鉛合金めっき鋼コイルが上述したプロセスを用いて生成された。約１．５ｍｍの厚みを有する２２ＭｎＢ５鋼コイルが用いられた。前記亜鉛合金めっきコーティングの重量は約５５ｇ／ｍ２であった。この実施例では、前記亜鉛合金めっき鋼の複数の小さなパネルに予合金化熱処理が窒素雰囲気下において約９００°Ｆで施された。第１のパネルは、予合金化熱処理されていない、すなわち予合金化処理が０時間または"コートされた状態"のものである。第２のパネルは、約１時間、予合金化熱処理が施されたものである。第３のパネルは、約４時間、予合金化熱処理が施されたものである。前記予合金化されたパネルは、その後、約１６５０°Ｆで約４分間オーステナイト化され且つ水冷平金敷間で冷却されて、ホットスタンピングプロセスがシミュレートされた。
前記予合金化処理の効果が、グロー放電分光分析（ｇｌｏｗ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ： ＧＤＳ）スキャンにおいて示された。当該スキャンは、前記コーティングの厚みの化学成分を示す。０、１、４時間の予合金化処理後の前記ＧＤＳスキャンが図１〜３にそれぞれ示されている。図に示すように、前記コーティング中の前記Ｆｅ含有量は約９００°Ｆで時間と共に増加する。
図４Ａ、５Ａ、および６Ａは、それぞれ、ホットスタンピングシミュレート後における前記３つのパネルのＧＤＳスキャンを示す。図４Ｂ、５Ｂ、６Ｂは、それぞれ、ホットスタンピングシミュレート後の前記３つのパネルの微細構造の顕微鏡写真を示す。前記合金化処理時間の長さが０から１、４時間と増加するにつれ、前記コーティング中のＦｅ含有量が増加する。前記顕微鏡写真には、前記％Ｆｅが増加するにつれ、前記コーティング中の粒子間の隙間が減少することが示されている。前記コーティング粒子間の隙間は高温での粒子境界上の液体を示しており、従って、前記予合金化熱処理がホットスタンピング時に存在する液体Ｚｎの量を減少させることを示す。液体の量の減少に伴い、ＬＭＥ割れ性の可能性も減る。
前記オーステナイト化処理中に形成される酸化亜鉛は、ホットスタンピングの間、前記コーティングへの付着不良のために剥離しやすい可能性がある。オーステナイト化およびホットスタンピングの前に前記予合金化熱処理を行うことにより、剥離に耐えるより多くの付着酸化物をもたらす。この効果を計測するために、上述した条件において０、１、及び４時間の予合金化時間で処理されたパネルが、実験システム中でリン酸処理され且つｅコーティングされた。前記コーティングされたパネルに対してクロスハッチおよびテープ引き出し試験が行われ、付着性が試験された。図７〜９は、前記３つのパネルのクロスハッチ領域の顕微鏡写真をそれぞれ示す。図７および８に示すように、約０および１時間の予合金化熱処理を行ったパネルは、コーティングが前記クロスハッチ内の升目から失われており、付着性が低いことを示す。図９では、コーティングが前記クロスハッチ内の升目からわずかにしか、または全く失われておらず、４時間の予合金化処理を行なった前記パネルに付着性の増加が見られることが示されている。
本開示は、複数の実施形態における説明によって例示され、また当該例示的な実施形態が非常に詳細に説明されてきたが、本出願人が添付の請求の範囲をこのような詳細に制限し、または任意の方法で限定すること意図するものではない。追加の利点および修正が当業者であれば容易に理解されよう。

Claims (16)

  1. 鋼材を製造する方法であって、
    前記鋼材上にコーティングを形成するために前記鋼材を亜鉛合金めっきする工程と、
    ホットスタンピングの前に８５０°Ｆ〜９５０°Ｆの温度で、前記亜鉛合金めっきされた鋼材に対して予合金化熱処理を行う工程であって、前記鋼材は、処理時間の間、前記予合金化熱処理の対象となる、前記予合金化熱処理を行う工程と、
    前記予合金化熱処理の後、前記コーティング中のＦｅ含有量が１５ｗｔ％〜２５ｗｔ％となるように前記予合金化熱処理の処理時間を決定する工程と、
    を有する方法。
  2. 請求項１に記載の方法において、前記コーティングは、亜鉛、鉄、およびアルミニウムを有するものである方法。
  3. 請求項１に記載の方法において、前記コーティングの重量は、４０〜９０ｇ／ｍ２の範囲である方法。
  4. 請求項１に記載の方法において、前記亜鉛合金めっきする工程は９００°Ｆ〜１２００°Ｆで行われるものである方法。
  5. 請求項１に記載の方法において、前記予合金化熱処理する工程は、オープンコイル焼きなましプロセスにおいて行われるものである方法。
  6. 請求項１に記載の方法において、前記予合金化熱処理は、１時間〜１０時間の滞留時間を有するものである方法。
  7. 請求項６に記載の方法において、前記予合金化熱処理は、２時間〜６時間の滞留時間を有するものである方法。
  8. 請求項１に記載の方法において、前記予合金化熱処理は、保護雰囲気下で行われるものである方法。
  9. 請求項８に記載の方法において、前記保護雰囲気は窒素を有するものである方法。
  10. 請求項９に記載の方法において、前記保護雰囲気は１００％Ｎ２を有するものである方法。
  11. 請求項９に記載の方法において、前記保護雰囲気はさらに水素を有するものである方法。
  12. 請求項１１に記載の方法において、前記保護雰囲気は９５％のＮ２ と５％のＨ２を有するものである方法。
  13. 請求項１に記載の方法において、この方法は、さらに、前記予合金化熱処理後にホットスタンピングする工程を有するものである方法。
  14. 請求項１３に記載の方法において、前記ホットスタンピングする工程は、１６１６°Ｆ〜１７４２°Ｆの温度を有するものである方法。
  15. 請求項１３に記載の方法において、前記ホットスタンピングする工程は、２分〜１０分の時間を有するものである方法。
  16. 請求項１３に記載の方法において、ホットスタンピングする工程の後、前記コーティングは、３０％Ｚｎを伴う単一フェーズα―Ｆｅを有するものである方法。
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