JP6645635B1 - 鋼板、テーラードブランク、熱間プレス成形品、鋼管、中空状焼入れ成形品、及び鋼板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2018年6月22日に日本に出願された特願2018−119189号、2018年6月22日に日本に出願された特願2018−119190号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本開示の課題は、継手の疲労強度に優れ、かつ、突合せ溶接する際に形成される溶接部に塗装した後であっても、溶接部の塗装後耐食性に優れる鋼板、テーラードブランク、熱間プレス成形品、鋼管、中空状焼入れ成形品及び鋼板の製造方法を提供するものである。
母材鋼板と、前記母材鋼板の表面上に、前記母材鋼板側から順に金属間化合物層、アルミニウムめっき層が設けられためっき部と、前記母材鋼板が露出した露出部と、を有する鋼板であって、前記鋼板の厚み方向に垂直であり、前記めっき部から前記鋼板の一の端縁に向かう第1方向において、前記母材鋼板の両方の表面上に、少なくとも前記めっき部、前記露出部、前記鋼板の前記端縁が、この順で配置され、前記第1方向、及び、前記鋼板の厚み方向にそれぞれ平行な断面から見たとき、前記鋼板の前記端縁側かつ、前記母材鋼板の内部から前記母材鋼板の表面に向かって外部側の前記めっき部の端部の形状が、曲率半径R1で表される前記第1方向側に凸状の曲線であり、前記R1が下記式(1)を満たす鋼板。
式(1) 5μm≦R1
<2>
前記断面において、前記露出部の前記めっき部側の端部の形状が曲率半径R2で表される凹上の曲線であり、前記R2が下記式(2)を満たす<1>に記載の鋼板。
式(2) 260μm≦R2
<3>
前記断面において、前記めっき部の前記アルミニウムめっき層の表面を前記第1方向に延長させた仮想線から前記母材鋼板の表面までの前記厚み方向の深さのうち、前記露出部の深さをDとしたとき、前記D、前記R1、及び前記R2の関係が下記式(3)を満たす<2>に記載の鋼板。
式(3) D≦(R1+R2)
<4>
前記母材鋼板が、質量%で、C:0.02%〜0.58%、Mn:0.20%〜3.00%、Al:0.005%〜0.06%、P:0.03%以下、S:0.010%以下、N:0.010%以下、Ti:0%〜0.20%、Nb:0%〜0.20%、V:0%〜1.0%、W:0%〜1.0%、Cr:0%〜1.0%、Mo:0%〜1.0%、Cu:0%〜1.0%、Ni:0%〜1.0%、B:0%〜0.0100%、Mg:0%〜0.05%、Ca:0%〜0.05%、REM:0%〜0.05%、Sn:0%〜0.5%、Bi:0%〜0.05%、Si:0%〜2.00%、並びに残部:Feおよび不純物からなる化学組成を有する<1>〜<3>のいずれか1つに記載の鋼板。
<5>
前記アルミニウムめっき層の平均厚みが8μm〜35μmであり、前記金属間化合物層の平均厚みが3μm〜10μmである<1>〜<4>のいずれか1つに記載の鋼板。
<6>
<1>〜<5>のいずれか1つに記載の鋼板の前記露出部と隣接する溶接金属部を有するテーラードブランク。
<7>
<1>〜<5>のいずれか1つに記載の少なくとも2枚の鋼板を有し、前記露出部と隣接する溶接金属部を有するテーラードブランクであって、前記少なくとも2枚の鋼板のうち、鋼板の板厚と熱間プレス成形後の鋼板の引張強度との積が小さいほうの鋼板Aにおいて、
前記鋼板Aを前記めっき部から前記溶接金属部に向かう第2方向及び、前記鋼板の厚み方向にそれぞれ平行な断面から見たときに、
前記めっき部における前記アルミニウムめっき層の表面を前記第2方向に延長させた仮想線から前記母材鋼板の表面までの前記厚み方向の長さを露出部の深さとしたとき、
前記鋼板Aの第1の面の表面に形成された露出部の深さD1(μm)と、
前記鋼板Aの第2の面の表面に形成された露出部の深さD2(μm)と、
前記鋼板Aの板厚t(μm)とが、下記式(4)を満たすテーラードブランク。
式(4) ((D1+D2)/t)×100≦20
<8>
<6>又は<7>に記載のテーラードブランクを用いた熱間プレス成形品。
<9>
<1>〜<5>のいずれか1つに記載の鋼板の前記露出部と隣接する溶接金属部を有する鋼管。
<10>
<9>に記載の鋼管を用いた中空状焼入れ成形品。
<11>
<1>〜<5>のいずれか1項に記載の鋼板の製造方法であって、
エンドミルによる切削で前記露出部を形成する工程を有する鋼板の製造方法。
なお、本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
本明細書中において、成分(元素)の含有量について、例えば、C(炭素)の含有量の場合、「C量」と表記することがある。また、他の元素の含有量についても同様に表記することがある。
本明細書中において、「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
本開示において、「厚み方向」の用語は、鋼板の板幅中央部の板厚を測定する方向を意味する。
本開示において、「鋼板の端面」の用語は、鋼板の表面のうち、厚み方向に直交する方向に向けて露出している面を意味する。
本開示において、「鋼板の端縁」の用語は、鋼板の端面と隣接する部位を意味する。
本明細書中において、「鋼板の端部」との用語は、鋼板の周囲に位置しており、鋼板の端面から板幅全体寸法(つまり、対向する鋼板の端縁から端縁までの長さ)の20%以内までの範囲の領域を表す。すなわち、「端部」は、板幅全体寸法の両端20%ずつの領域(計40%)の領域を占めている。
本明細書中において、「鋼板の中央部」との用語は、領域端面から板幅全体寸法((つまり、対向する鋼板の端縁から端縁までの長さ)の20%以内までの範囲の領域を除く領域を表す。すなわち、鋼板の「中央部」は、鋼板の端部以外の領域であり、板幅全体寸法の60%を占める。
本明細書中において、「めっき部の端部」とは、めっき部の周囲に位置しており、めっき部の端面からめっき部の幅全体寸法(つまり、対向するめっき部の端縁から端縁までの長さ)の20%以内までの範囲の領域を表す。
本明細書中において、「露出部の端部」とは、露出部の端から露出部の幅の20%以内までの範囲の領域を表す。
本明細書中において、鋼板の「断面」との用語は、板厚方向に切断した断面を表す。具体的には、図1及び図5において、鋼板100の厚み方向をZとし、露出部22の長手方向(図1及び図5の表示面に直交する方向)をXとする。そして、方向Zおよび方向Xにそれぞれ直交する方向を、Yとする。このとき、断面は、YZ平面により切断した断面を意味する。
本明細書中において、「溶接部」との用語は、溶接金属部、溶接金属部の周囲に位置する鋼板の露出部、およびめっき部の溶接金属側周辺までを含む領域を表す。
本開示の鋼板は、母材鋼板と、母材鋼板の両面に設けられたアルミニウムめっき層と、母材鋼板とアルミニウムめっき層との間に形成された金属間化合物層と、を有する。
また、本開示の鋼板は、鋼板の端部の両面に、母材鋼板が露出している露出部と、露出部よりも中央側に形成された残存部(以下、めっき部とも称する場合がある)であって、露出部以外の領域に、アルミニウムめっき層および金属間化合物層が残存しているめっき部とを有する。即ち、本開示の鋼板は、第1方向において、母材鋼板の両方の表面上に、少なくともめっき部、露出部、鋼板の端縁が、この順で配置される。
さらに、露出部とめっき部との境界を断面から見たとき、露出部とめっき部との境界における鋼板の外面側に、曲率半径R1で表される凸状の曲線で形成されためっき部を有している。そして、R1が下記式(1)を満たしている。即ち、本開示の鋼板は、第1方向、及び、鋼板の厚み方向にそれぞれ平行な断面から見たとき、鋼板の端縁側かつ、母材鋼板の内部から母材鋼板の表面に向かって外部側のめっき部の端部の形状が、曲率半径R1で表される第1方向側に凸状の曲線であり、前記R1が下記式(1)を満たしている。また、本開示の鋼板は、露出部のめっき部側の端部の形状が曲率半径R2で表される凹状の曲線であってもよい。また、露出部の端部が曲率半径R2で表される凹状の曲線である場合は、R2は下記式(2)を満たしている。
式(1)5μm≦R1
式(2)260μm≦R2
なお、鋼板の形状は特に限定されるものではない。
図1、図2、図5、図6において、100は鋼板、12は母材鋼板、14はアルミニウムめっき層、16は金属間化合物層、22は露出部、26はめっき部を示す。
また、100Aは鋼板100の端面、100Bは露出部22とめっき部26との境界を示す。Dは、アルミニウムめっき層14の表面(鋼板100の外面側の表面)を露出部22の方向(第1方向)に延長させた仮想線から母材鋼板12の表面までの垂直方向(鋼板の厚み方向)の深さ(以下、「除去深さ」と称する場合がある。)を示す。Wは、露出部22の幅を示す。ここで、F1は、鋼板の厚み方向に垂直であり、めっき部から鋼板の一の端縁に向かう方向(Y方向)である第1方向(第1向き)を示す。
また、図1、図2、図5及び図6に示すように、鋼板100の端部では、両面に、母材鋼板12が露出している露出部22が形成され、露出部22よりも中央側であって、露出部22以外の領域に、めっき部26が形成されている。つまり、露出部22は、鋼板100の端面100Aの端縁から、露出部22とめっき部26との境界100Bまでの間の領域で形成されている。
なお、図1、図2、図5及び図6を参照して、本開示の鋼板100を説明したが、本開示の鋼板100はこれらに限定されるものではない。
溶接予定部に金属間化合物層16を残存させた鋼板の場合、硬質で脆い金属間化合物層16が残存しているため、溶接金属部とアルミニウムめっき層14を取り除かない領域との間(応力集中部)に残存した金属間化合物層16の影響を受ける。その結果、特許文献1に開示される鋼板からテーラードブランクを形成し、このテーラードブランクを用いたホットスタンプ成形品は、繰り返しの荷重を受けると、継手の疲労強度が低下する。したがって、溶接予定部のアルミニウムめっき層14のみを取り除き、金属間化合物層16を残した鋼板は、疲労特性が重視される部位への適用は不十分であった。
しかしながら、特許文献7に開示される技術では、レーザ切断による穴あけ加工をしている。この技術は、レーザ光の照射方向により溶融切断して形状を得る手法であるため、金属間化合物層16およびアルミニウムめっき層14の両層の除去には適する技術ではない。
ただし、R2が小さすぎる場合は、継手に応力の負荷が加えられたとき、応力集中が高くなる。そのため、R2を260μm以上とすることで、継手の疲労強度が確保される。なお、本開示の鋼板100は上記構成を有することで、本開示の鋼板100を用いた突合せ溶接部材の継手の静的強度にも優れる。
R1が5μm以上かつR2が260μm以上であれば、R1の条件のみを満たす場合よりもさらに塗装後耐食性が向上するため、好ましい。
母材鋼板12は、アルミニウムめっき層14を設ける前の鋼板である。母材鋼板12は、通常の方法により得られたものであればよく、特に限定されるものではない。母材鋼板12は熱延鋼板または冷延鋼板のいずれでもよい。また、母材鋼板12の厚みは目的に応じた厚みとすればよく、特に限定されるものではない。例えば、母材鋼板12の板厚は、アルミニウムめっき層14を設けた後の鋼板全体の板厚として、0.8mm〜4mmとなるような板厚が挙げられ、さらに、1mm〜3mmとなるような板厚が挙げられる。
質量%で、C:0.02%〜0.58%、Mn:0.20%〜3.00%、Al:0.005%〜0.06%、P:0.03%以下、S:0.010%以下、N:0.010%以下、Ti:0%〜0.20%、Nb:0%〜0.20%、V:0%〜1.0%、W:0%〜1.0%、Cr:0%〜1.0%、Mo:0%〜1.0%、Cu:0%〜1.0%、Ni:0%〜1.0%、B:0%〜0.0100%、Mg:0%〜0.05%、Ca:0%〜0.05%、REM:0%〜0.05%、Sn:0%〜0.5%、Bi:0%〜0.05%、Si:0%〜2.00%、並びに残部:Feおよび不純物からなる化学組成を有する。
なお、以下、成分(元素)の含有量を示す「%」は、「質量%」を意味する。
Cは、母材鋼板12の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後強度を主に決定する重要な元素である。さらにCは、A3点を下げ、焼入れ処理温度の低温化を促進する元素である。C量が0.02%未満では、その効果は十分ではない場合がある。したがって、C量は0.02%以上とすることがよい。一方、C量が0.58%を超えると、焼入れ部の靭性劣化が著しくなる。したがって、C量は0.58%以下とすることがよい。好ましくは、C量は0.45%以下である。
Mnは、母材鋼板12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。Mn量が0.20%未満ではその効果は十分ではない場合がある。したがって、Mn量は0.20%以上とすることがよい。好ましくは、Mn量は0.80%以上である。一方、Mn量が3.00%を超えると、その効果は飽和するばかりか、却って焼入れ後に安定した強度の確保が困難となる場合がある。したがって、Mn量は3.00%以下とすることがよい。好ましくは、Mn量は2.40%以下である。
Alは、脱酸元素として機能し、母材鋼板12を健全化する作用を有する。Al量が0.005%未満では上記作用による効果を得ることが困難である場合がある。したがって、Al量は0.005%以上とすることがよい。一方、Al量が0.06%超では、上記作用による効果は飽和して、コスト的に不利になる。したがって、Al量は0.06%以下とすることがよい。好ましくは、Al量は0.05%以下である。又、Al量は0.01%以上であることが好ましい。
Pは、不純物として含有される元素である。Pは過剰に含有すると、母材鋼板12の靱性が低下しやすくなる。したがって、P量は0.03%以下とすることがよい。好ましくはP量は、0.01%以下である。P量の下限は特に規定する必要はないが、コストの観点からは下限は0.0002%とすることが好ましい。
Sは、不純物として含有される元素である。Sは、MnSを形成し、母材鋼板12を脆化させる作用を有する。したがって、S量は0.010%以下とすることがよい。より望ましいS量は0.004%以下である。S量の下限は特に規定する必要はないが、コストの観点からは下限は、0.0002%とすることが好ましい。
Nは、母材鋼板12中にて不純物として含有される元素である。さらにNは、母材鋼板12中にて介在物を形成し、熱間プレス成形後の靱性を劣化させる元素である。したがって、N量は0.010%以下とすることがよい。好ましくはN量は0.008%以下、さらに好ましくは0.005%以下である。N量の下限は特に規定する必要はないが、コストの観点からは下限は0.0002%とすることが好ましい。
Ti、Nb、V、およびWは、アルミニウムめっき層14と母材鋼板12におけるFeおよびAlの相互拡散を促進する元素である。したがって、Ti、Nb、V、およびWのうちの少なくとも1種または2種以上を母材鋼板12に含有させてもよい。しかし、1)Ti量およびNb量が0.20%を超える、又は、2)V量およびW量が1.0%を超えると、上記作用による効果は飽和し、コスト的に不利となる。したがって、Ti量およびNb量は0.20%以下とすることがよく、V量およびW量は1.0%以下とすることがよい。Ti量およびNb量は0.15%以下が好ましく、V量およびW量は0.5%以下が好ましい。上記作用による効果をより確実に得るにはTi量およびNb量の下限値を0.01%、V量およびW量の下限値を0.1%とすることが好ましい。
Cr、Mo、Cu、Ni、およびBは、母材鋼板12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、効果のある元素である。したがって、これらの元素のうちの1種または2種以上を母材鋼板12に含有させてもよい。しかし、Cr、Mo、Cu、およびNiの含有量については1.0%超、B量については0.0100%超としても、上記効果は飽和して、コスト的に不利となる。したがって、Cr、Mo、Cu、およびNiの含有量は1.0%以下とすることがよい。また、B量は0.0100%以下とすることがよく、0.0080%以下とすることが好ましい。上記効果をより確実に得るには、Cr、Mo、Cu、およびNiの含有量が0.1%以上、並びにBの含有量が0.0010%以上のいずれかを満足させることが好ましい。
Ca、Mg、およびREMは、鋼中の介在物の形態を微細化し、介在物による熱間プレス成形時の割れの発生を防止する作用を有する。したがって、これらの元素の1種または2種以上を母材鋼板12に含有させてもよい。しかし、過剰に添加すると、母材鋼板12中の介在物の形態を微細化する効果は飽和し、コスト増を招くだけとなる。したがって、Ca量は0.05%以下、Mg量は0.05%以下、REM量は0.05%以下とする。上記作用による効果をより確実に得るには、Ca量を0.0005%以上、Mg量を0.0005%以上、およびREM量を0.0005%以上のいずれかを満足させることが好ましい。
Snは、露出部22の耐食性を向上する元素である。したがって、母材鋼板12にSnを含有させてもよい。しかし、0.5%を超えて母材鋼板12にSnを含有させると母材鋼板12の脆化を招く。したがって、Sn量は0.5%以下とする。好ましくは、Sn量は0.3%以下である。なお、上記作用による効果をより確実に得るには、Sn量を0.02%以上とすることが好ましい。さらに好ましくはSn量は0.04%以上である。
Biは、溶鋼の凝固過程において凝固核となり、デンドライトの2次アーム間隔を小さくすることにより、デンドライトの2次アーム間隔内に偏析するMn等の偏析を抑制する作用を有する元素である。したがって、母材鋼板12にBiを含有させてもよい。特に熱間プレス用鋼板のように多量のMnを含有させることがよく行われる鋼板については、Mnの偏析に起因する靭性の劣化を抑制するのにBiは効果がある。したがって、そのような鋼種にはBiを含有させることが好ましい。しかし、0.05%を超えて母材鋼板12にBiを含有させても、上記作用による効果は飽和してしまい、コストの増加を招く。したがって、Bi量は0.05%以下とする。好ましくはBi量は0.02%以下である。なお、上記作用による効果をより確実に得るには、Bi量を0.0002%以上とすることが好ましい。さらに好ましくはBi量は0.0005%以上である。
Siは、固溶強化元素であり、2.00%まで母材鋼板12に含有させたときには有効に活用できる。しかし、Siは2.00%を超えて母材鋼板12に含有させると、めっき性に不具合が生じることが懸念される。したがって、母材鋼板12がSiを含有する場合、Si量は2.00%以下とすることがよい。好ましい上限は1.40%以下、さらに好ましくは1.00%以下である。下限は特に限定されないが、上記作用による効果をより確実に得るには、下限は0.01%が好ましい。
残部は、Feおよび不純物である。ここで、不純物とは、鉱石やスクラップ等の原材料に含まれる成分、または、製造の過程で母材鋼板12に混入する成分が例示される。不純物とは意図的に鋼板に含有させたものではない成分を意味する。
アルミニウムめっき層14は、母材鋼板12の両面に形成される。アルミニウムめっき層14を形成する方法は、特に限定されるものではない。例えば、アルミニウムめっき層14は、溶融めっき法(アルミニウムを主体として含む溶融金属浴中に母材鋼板12を浸漬させ、アルミニウムめっき層14を形成させる方法)により母材鋼板12の両面に形成してもよい。
上記範囲でアルミニウムめっき層14にSiを含有させると、加工性及び耐食性の低下が抑制され得る。また、金属間化合物層16の厚みを低減し得る。
金属間化合物層16は、母材鋼板12上にアルミニウムめっきを設ける際に、母材鋼板12とアルミニウムめっき層14との間の境界部に形成される層である。具体的には、金属間化合物層16は、アルミニウムを主体として含む溶融金属浴中での母材鋼板12の鉄(Fe)とアルミニウム(Al)を含む金属との反応によって形成される。金属間化合物層16は、主にFexAly(x、yは1以上を表す)で表される化合物の複数種で形成されている。アルミニウムめっき層14がSi(シリコン)を含む場合は、金属間化合物層16は、FexAlyおよびFexAlySiz(x、y、zは1以上を表す)で表される化合物の複数種で形成されている。
なお、金属間化合物層16の厚みは、アルミニウムを主体として含む溶融金属浴の温度と浸漬時間によって制御し得る。
鋼板100の断面のアルミニウム濃度の測定値として、アルミニウム(Al)濃度が0.06質量%未満である領域を母材鋼板12、アルミニウム濃度が0.06質量%以上である領域を金属間化合物層16またはアルミニウムめっき層14と判断する。また、金属間化合物層16およびアルミニウムめっき層14のうち、鉄(Fe)濃度が4質量%超である領域を金属間化合物層16、鉄濃度が4質量%以下である領域をアルミニウムめっき層14と判断する。
なお、母材鋼板12と金属間化合物層16との境界から、金属間化合物層16とアルミニウムめっき層14との境界までの距離を金属間化合物層16の厚みとする。また、金属間化合物層16とアルミニウムめっき層14との境界からアルミニウムめっき層14が形成された鋼板100の表面までの距離をアルミニウムめっき層14の厚みとする。
アルミニウムめっき層14の厚みは、前述の判断基準にしたがって、アルミニウムめっき層14を有する鋼板100表面から金属間化合物層16までの厚みを、端部以外の領域における板幅を5等分した5箇所の位置で求め、求めた値の平均値をアルミニウムめっき層14の厚みとする。
例えば、めっき部26の厚みを測定する場合では、図1及び図5のめっき部26を例にとれば、露出部22の長手方向(図1及び図5におけるX方向とする、以下第3方向と称する)について、めっき部26の第3方向の全長(以下の全長の規定も同様とする)を5等分した5箇所の位置のアルミニウムめっき層14の厚みを求め、求めた値を平均した値をアルミニウムめっき層14の厚みとしてもよい。ここで、第1方向F1における厚みの測定位置は、5箇所の断面視のそれぞれにおいてめっき部26の幅の1/2の位置で行う(以下、厚みの測定は同様に行う)。なお、めっき部26の幅とは、第1方向F1におけるめっき部26の端縁間の距離を示し、以下、単にめっき部26の幅とも言う。
厚み測定の際のアルミニウムめっき層14、金属間化合物層16、母材鋼板12の区別については、前述の判断基準にしたがって判断する。なお、露出部22が曲線上に延設される場合、曲線に沿った全長を5等分した箇所で厚みを求めてもよい。
同様に、金属間化合物層16の厚みを測定する場合、第3方向について、金属間化合物層16の全長(以下の全長の規定も同様とする)を5等分した5箇所の位置で金属間化合物層16の厚みを求め、求めた値を平均した値を金属間化合物層16の厚みとする。めっき部26の金属間化合物層16の厚みを測定する場合、アルミニウムめっき層14の厚みを測定するときと同様に、めっき部26の幅の1/2の位置で行う。又、厚み測定の際のアルミニウムめっき層14、金属間化合物層16、母材鋼板12の区別については、前述の判断基準にしたがって判断する。
本開示の鋼板100は、鋼板100の端部の両面において、母材鋼板12が露出している露出部22を有している。露出部22は、端部の少なくとも一部に存在している。また、露出部22よりも鋼板100の中央部側に、めっき部26を有する。めっき部26は、端部以外の領域における構造と同様の構造を備えている。
露出部22は、鋼板100の溶接を予定している端部の両面に形成され、鋼板100の端縁に沿って形成される。つまり、露出部22は、溶接を予定している端部において、鋼板100の端縁から露出部22とめっき部26との境界までの範囲に形成される。ここで図2及び図6を例にすると、露出部22は、鋼板100の端面100Aから境界100Bまでの範囲で形成されている。図2及び図6の場合は、この露出部22の幅はWとなる。
ここで、図2を参照すると、露出部22の幅は、鋼板100の端面100Aの端縁から露出部22とめっき部26との境界100Bまでの距離であり、Wで表される。露出部22の幅は、例えば露出部22の第3方向(X方向)における全長を5等分した5か所の断面から露出部22の幅を顕微鏡でスケールを用いて測定し、その平均値とする。
式(3)D≦(R1+R2)
次に、露出部22とめっき部26との境界に位置する露出部22を除く部分における母材鋼板12の厚み(厚みB)を求める。厚みBは、露出部22とめっき部26との境界における母材鋼板12側の終点(露出部22のめっき部26側の端)から、鋼板100の端縁側の露出部22の終点までの範囲を測定した平均値とする。ただし、この範囲の全幅に対して、鋼板100の端縁側の露出部22の終点から中央部に向かって10%の範囲、及び露出部22とめっき部26との境界における母材鋼板12側の終点から鋼板100の端縁側に向かって10%の範囲は、測定から除外する。この除外した範囲において、5等分した5箇所における位置で測定し、その平均値を厚みBとする。
そして、上記で求めた厚みAから厚みBを差し引くことで、深さDが求められる(つまり、深さDは、下記式で求められる 式:深さD=厚みA−厚みB)。
なお、後述の深さD1およびD2も同様にして測定すればよい。
まず、鋼板100の端部における露出部22の全幅が観察可能な断面を含む測定用試料を5箇所採取する。次に、鋼板100の断面が露出するように切断を行い、樹脂に埋め込み、研磨を行い、断面を光学顕微鏡で拡大する。鋼板100の端縁を基準とし、鋼板100の端縁からめっき部26までの距離(露出部22の幅)を測定する。5箇所で測定した平均値を露出部22の幅とする。
露出部22とめっき部26との境界の断面形状は、露出部22とめっき部26との境界を断面から見たとき、境界の鋼板100外面側が、曲率半径R1で表される凸状の曲線で形成されためっき部26を有する。即ち、鋼板100の端面100A側かつ、母材鋼板12の内部から母材鋼板12の表面に向かって外部側のめっき部26の端部の形状が、曲率半径R1で表される第1方向F1側に凸状の曲線である。また、境界の他端側に、曲率半径R2で表される凹状の曲線で形成された露出部を有していてもよい。即ち、露出部22のめっき部26側の端部の形状が曲率半径R2で表される凹状の曲線であってもよい。凸状の曲線で形成されためっき部26はアルミニウムめっき層14である。そして、曲率半径R1は、5μm≦R1の関係を満たしている。また、曲率半径R2は、260≦R2の関係を満たしている。
また、継手の疲労強度の点で、R2は大きければ大きいほど、応力の負荷が加えられたときの応力集中が緩和される。そのため、R2は、260μm≦R2を満たしていてもよく、400μm≦R2を満たしていてもよく、1000μm≦R2を満たしていてもよい。なお、R2の上限は特に限定されず、例えば、R2≦100000μmが挙げられる。
レーザ溶接線に直交する方向で切断し、樹脂に埋め込み、研磨を行い電子線マイクロアナライザ(FE−EPMA)により、鋼板100の表面から母材鋼板12までをマッピング分析し、アルミニウム濃度を測定する。測定条件は、加速電圧15kV、ビーム径100nm程度、照射時間1000ms、測定ピッチは格子状に5μmピッチとする。溶接金属部のアルミニウム濃度の測定値を平均化して、平均濃度を求める。
以下、露出部22を形成する好ましい方法の一例について具体的に説明する。
鋼板100の端部の少なくとも一部において、母材鋼板12の両面上に形成された金属間化合物層16およびアルミニウムめっき層14を切削により両面除去して、母材鋼板12が露出する露出部22を形成する工程を有していてもよい(形成法Aとする)。
一方で、機械加工により露出部22を形成する場合、露出部22が形成される部分の母材鋼板12は、温度上昇が抑えられマルテンサイトが生じない。また、水素も入らないため遅れ破壊の発生が抑制される。この点で、露出部22を形成するための方法としては、機械加工による切削を採用することが好ましい。
さらに、機械加工により露出部22を形成する場合、レーザガウジング等のレーザ加工を行うときのレーザ光に対する遮光対策を行うことが無く、コスト等の点でも有利である。
機械加工の中でも、露出部22は、エンドミルによる切削で形成されることが好ましい。エンドミルによる切削は、回転運動による切削である。そのため、エンドミルによって形成された露出部22は、切削面(露出部22における母材鋼板12の露出面、露出部22とめっき部26と境界におけるめっき部26の断面)に、微細な凹凸形状をした切削痕が生じている。
鋼板100の端部の少なくとも一部の両面に露出部22を形成する他の好ましい方法の一例としては、例えば、次の方法が挙げられる。
上記の形成法Bのように形成した鋼板100の切断前での母材鋼板12の露出部22の幅は、鋼板100を突合せ溶接した後の溶融領域(溶接金属部)の幅の半分より10%から50%大きいことがよい。
これらの範囲であると、鋼板100を突合せ溶接した後の溶接金属部に、アルミニウムの混入が抑えられるため、溶接部の塗装後耐食性に優れたものとなるとともに、引張強度の低下も抑制される。また、溶接金属部とめっき部26との間に、硬質で脆い金属間化合物層16を有していないためホットスタンプ後の鋼板100の疲労強度の低下が抑制される。
次に、突き合わせ溶接部材(テーラードブランク)について説明する。
突合せ溶接部材(テーラードブランク)は、本開示の鋼板100を少なくとも1枚有し、本開示の鋼板100の露出部22を有する端部を介して、少なくとも2枚の鋼板を突合せ溶接したテーラードブランクである。本開示の鋼板100を少なくとも1枚有していれば、2枚の鋼板の端面どうしを突合せた状態で溶接してもよく、3枚の鋼板の端面どうしを突合せた状態で溶接してもよい。例えば、テーラードブランクは、露出部22を有する本開示の鋼板100の端部の端面と、他の鋼板の溶接予定部の端部の端面とを突合せた状態で溶接した溶接部材でもよい。突き合わせ溶接するもう一方の鋼板は、熱間プレス後の引張強度が400〜2700MPaとなる亜鉛系めっき鋼板(亜鉛、亜鉛-鉄、亜鉛-ニッケル、亜鉛-マグネシウム)でもよい。亜鉛系めっき鋼板は露出部22を形成せず溶接することが望ましい。
また、テーラードブランクは、例えば、本開示の2枚の鋼板100における露出部22を有する端部の端面どうしを突合せた状態で溶接してもよく、本開示の3枚の鋼板100における露出部22を有する端部の端面どうしを突合せた状態で溶接してもよい。さらに、本開示の3枚以上の鋼板100における露出部22の端面どうしを突合せた状態で溶接してもよい。
さらに、テーラードブランクを得るための2枚以上の鋼板は、鋼板の端部の露出部22の幅が同じ鋼板でもよく、異なる鋼板でもよい。また、鋼板の露出部22とめっき部26との境界の態様が同じ鋼板でもよく、異なる鋼板でもよい。
例えば、鋼板の露出部22とめっき部26との境界の態様が異なる組み合わせとしては、露出部22とめっき部26との境界の鋼板外面側に有するR1が異なる態様の組み合わせが挙げられる。また、R1とR2を有する鋼板100の組合せは、例えば1)R1が異なり、R2が同じである態様の組み合わせ、2)R1が同じであり、R2が異なる態様の組み合わせ、3)R1が異なり、R2も異なる態様の組み合わせが挙げられる。
本開示の少なくとも2枚の鋼板100のうち、鋼板100の板厚と熱間プレス成形後の鋼板100の引張強度との積が小さいほうの鋼板100(以下、鋼板Aと称する場合もある)の板厚をt(μm)とする。また、鋼板Aをめっき部26から溶接金属部に向かう第2方向F2及び、鋼板の厚み方向にそれぞれ平行な断面から見たとき、めっき部26におけるアルミニウムめっき層14の表面を第2方向F2に延長させた仮想線から母材鋼板12の表面までの鋼板100の厚み方向の長さを露出部の深さとする。鋼板Aの端部の両面に形成されている露出部22のうち、一方の面(第1の面)に形成された露出部22での垂直方向の露出部の深さをD1(以下、「除去深さD1」と称する場合がある。)、他方の面(第2の面)に形成された露出部22での垂直方向の露出部の深さをD2(以下、「除去深さD2」と称する場合がある。)とする。このとき、t(μm)、D1(μm)、およびD2(μm)の関係が下記式(4)の関係を満たしていることがよい。下記式(4)を満たす場合、疲労強度が向上する。なお、通常、板厚の単位は、mmであるが、tに代入する数値は、μmに換算した値として代入する。
式(4)((D1+D2)/t)×100≦20
また、「鋼板の板厚と熱間プレス成形後の鋼板の引張強度との積」において、板厚は、熱間プレス成形後の鋼板の板厚を、引張強度は、熱間プレス成形後の引張強度を、それぞれ用いる。
また、溶接は、必要に応じて、フィラーワイヤを供給しながら溶接してもよい。
次に、熱間プレス成形品について説明する。
熱間プレス成形品(ホットスタンプ成形品)は、本開示の鋼板100を少なくとも1枚有するテーラードブランク200を熱間プレス成形して得られた成形品である。すなわち、熱間プレス成形して得られた熱間プレス成形品は、本開示の鋼板100を少なくとも1枚含み、少なくとも2枚の鋼板の端部が対向して配置された鋼板と、少なくとも2枚の鋼板の端部を接合する溶接金属部30であって、本開示の鋼板100の母材鋼板12が露出している露出部22に隣接して備える溶接金属部30と、を有する。例えば、具体的には、露出部22は、溶接金属部30により接合された2枚の鋼板の両面のうち、溶接金属部30の周囲に位置する両面に有している。
ホットスタンプ成形品は、継手の疲労強度と溶接部の塗装後耐食性の点で、本開示の少なくとも2枚の鋼板を、露出部22を有する端部を介して突合せ溶接した溶接部材を熱間プレス成形して得られた成形品であることがよい。
まず、テーラードブランク200を高温に加熱してテーラードブランク200を軟化させる。そして、金型を用いて、軟化したテーラードブランク200をホットスタンプにより成形および冷却して焼き入れられ、目的とする形状のホットスタンプ成形品が得られる。ホットスタンプ成形品は、加熱、及び冷却により焼入れされることで、例えば、約1500MPa以上の高い引張強度を有する成形品が得られる。
まず、母材鋼板12の両面に、アルミニウムめっき層14を形成して鋼板を得る。このとき、母材鋼板12とアルミニウムめっき層14との間には、金属間化合物層16が形成される。
ここで、鋼板100の端部に形成される露出部22は、鋼板をコイル状に巻き取った後、コイル状に巻かれた鋼板を引き出した状態で形成してもよい。この場合、露出部22を形成したあと、露出部22が鋼板100の端部に有するように打ち抜き加工を施して打ち抜き部材を得る。
また、鋼板100の端部に形成される露出部22は、コイル状に巻かれた鋼板を引き出し、引き出した鋼板に打ち抜き加工を施して、打ち抜き部材を形成した後に形成してもよい。この場合、打ち抜き部材の端部に露出部22を形成してもよい。また、打ち抜き部材の端部以外の部分に、例えば一方向に延びるように、露出領域を形成した後、鋼板100の端部に露出部22が形成されるように、打ち抜き部材の露出領域を切断してもよい。
次に、打ち抜き部材の端部を突合せた状態で、突合わせ溶接を行い、テーラードブランクを得る。具体的には、露出部22が形成された打ち抜き部材を2枚準備した場合、露出部22を有する端部を突合せた状態で、突合わせ溶接を行い、テーラードブランク200を得る。
次に、上型及び下型の一対の金型により、加熱されたテーラードブランク200をプレスし、成形及び焼入れする。
そして、金型から取り外すことで、目的とするホットスタンプ成形品が得られる。
次に、鋼管について説明する。
鋼管は、本開示の鋼板100によるオープン管の端部を介して溶接したものである。つまり、鋼管は、本開示の鋼板100をオープン管とし、露出部22を有する端部の端面どうしを突合せた状態で溶接して得られた鋼管である。すなわち、鋼管は、溶接金属部(つまり、鋼板のオープン管の端部を接合する溶接金属部)を少なくとも一つ有し、溶接金属部に隣接する本開示の鋼板100による管状体の両面に、母材鋼板12が露出している露出部22を有する。
1)第1の端部に、第1の露出部22を設け、第2の端部に、第2の露出部22を設けた鋼板100を1枚準備する。この1枚の鋼板100を管状に成形してオープン管とする。その後、得られたオープン管において、第1の露出部22を備える端部の端面と、第2の露出部22を備える端部の端面とを突合せた状態で溶接して得られた鋼管でもよい。
2)第1の端部に、第1の露出部22を設け、第2の端部に、第2の露出部22を設けた鋼板100を2枚以上の鋼板100を準備する。この鋼板100が2枚である場合は、第1の露出部22を備える第1の鋼板100の端部の端面と、第2の露出部22を備える端部の第2の鋼板100の端面とを、突合せた状態で溶接してテーラードブランク200とする。そして、このテーラードブランク200を管状に成形してオープン管とする。その後、得られたオープン管において、溶接を行っていない第2の露出部22を備える第1の鋼板100部分での端部の端面と、溶接を行っていない第1の露出部22を備える第2の鋼板100部分での端部の端面とを突合せた状態で溶接して得られた鋼管でもよい。なお、オープン管は、オープン管を形成する前のテーラードブランク200における溶接線に対して、平行な方向に形成してもよく、交差する方向に形成してもよい。
また、管状に成形した後の溶接は、特に限定されず、例えば、レーザ溶接;プラズマ溶接;電気抵抗溶接または高周波誘導加熱溶接により溶接する電縫溶接が挙げられる。
次に、中空状焼入れ成形品について説明する。
中空状焼入れ成形品(以下、「中空状ホットスタンプ成形品」と称する場合がある。)は、本開示の鋼板100、又は本開示の鋼板100を突合せ溶接して得られたテーラードブランク200から形成した鋼管を、焼入れして得られた中空状の成形品である。
すなわち、鋼管をホットスタンプすることにより得られた中空状焼入れ成形品は、溶接金属部(つまり、鋼板100の端部を接合する溶接金属部)を少なくとも一つを有し、溶接金属部に隣接する本開示の鋼板100による中空成形体の両面に、母材鋼板12が露出している露出部22を有する。
本開示の鋼板100を用いて得られた鋼管を、ベンダーで成形する。次に加熱炉、通電加熱、または高周波誘導加熱により加熱する。鋼管を加熱する温度としては、オーステナイト領域とする必要があることから、例えば、850℃〜1100℃とすることがよく、900℃〜1000℃程度の温度とすることがよい。次に、加熱した鋼管を、水冷等により冷却し、焼入れを行う。
なお、成形と焼入れとを同時に行ってもよい。これは3次元熱間曲げ焼き入れ(3DQ)と呼ばれ、例えば、鋼管を加熱するとともに、荷重を加えて変形させ、直後に水冷等により冷却することによって焼入れられる。これらの過程を経ることによって、目的とする中空状焼入れ成形品が得られる。なお、中空状焼入れ成形品は、そのまま部品として用いてもよい。また、必要に応じて溶接部に脱スケール処理(例えば、ショットブラスト、ブラッシング、レーザクリーニングなど)を行ってから用いてもよい。
なお、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
まず、表1に示す化学組成を有する母材鋼板(ホットスタンプ後の強度クラス1300〜1800MPa)及び低強度鋼板(ホットスタンプ後の強度クラス590〜980MPa)を用いて、表2に示す厚みとなるように、アルミニウムめっきを施した鋼板を準備した。そして、この鋼板を切り出し、1辺10cmの四角形の鋼板とした。次に、準備した母材鋼板の端部の両面に、エンドミルで切削して露出部を形成した。
一部の鋼板は、アルミニウムめっき層および金属間化合物層16の除去を行わなかった。また、一部の鋼板は、アルミニウムめっき層のみの除去を行い、金属間化合物層16の除去は行わなかった。なお、番号18に用いた鋼板は、図10のような形状になるようにアルミニウムめっき層、金属間化合物層を除去した。
作製したテーラードブランクを、920℃に加熱した炉で4分間保持後、水冷した金型で、成形して、焼入れを行い、平板のホットスタンプ成形品を作製した。
なお、溶接金属部のビッカース硬さはHV500以上であった。また、表1〜表3において、HS(ホットスタンプ)後の強度クラスとは、ホットスタンプ後の強度クラスを表す。
(疲労強度試験および継手静的強度)
得られたホットスタンプ成形品から、引張強度試験用の試験片および疲労強度試験用の試験片として、溶接部を持つダンベル状の形状の試験片を採取した。
試験片は、平行部距離20mm、平行部の幅15mmとし、平行部の中央部に、長手方向に対して直交方向になるように幅全長にわたって、溶接線を有するように採取した。この試験片を用いて疲労強度試験および継手静的強度試験を行った。
継手静的強度(静的強度と表記)として、破断荷重を引張強度×板厚の小さい側の断面積で除して算出した。表6中の静的強度比率は、継手静的強度試験で得られた継手静的強度を、表3中の鋼板1及び2のうち強度の低い鋼板2の静的強度で割った値に100を掛けた値である。静的強度比率を下記の判定基準で評価を行い、A及びBを合格、Cを不合格とした。
−判定基準−
A:静的強度比率が100%以上
B:静的強度比率が90%以上100%未満
C:静的強度比率が90%未満
疲労強度試験(疲労限と表記)は、電磁共振型疲労強度試験機を用い、室温大気中で荷重制御軸力完全片振り引張、応力比0.1、応力繰り返し回数107回、繰返し速度約80Hzの試験条件で行った。これらの結果を表6に示す。表6中の疲労限比率は、表6中の疲労限比率は、疲労強度試験で得られた疲労限を、表3中の鋼板1及び2のうち強度の低い鋼板2の疲労限で割った値に100を掛けた値である。疲労限比率を下記の判定基準で評価を行い、A及びBを合格、Cを不合格とした。
−判定基準−
A:疲労限比率が100%以上
B:疲労限比率が90%以上100%未満
C:疲労限比率が90%未満
上記で得られたホットスタンプ成形品を化成処理した後、電着塗装を行い、塗装後耐食性試験を行った。化成処理は日本パーカライジング(株)製化成処理液PB−SX35Tで施した。その後、電着塗料として、日本ペイント(株)製カチオン電着塗料パワーニクス110を使用し、電着膜厚約15μmを目標として電着塗装を施した。水洗後、170℃で20分間加熱して焼き付け、試験板を作製した。試験板のサイズは65mm長さ、100mm幅(幅中央部に溶接部がある。)とした。
この試験板を用いて、自動車部品外観腐食試験JASO M610−92を用い、360サイクル(120日)経過後の腐食状況で塗装後耐食性を評価した。
−判定基準−
A:最大腐食深さが0.1mm未満
B:最大腐食深さが0.1mm以上0.2mm未満
C:最大腐食深さが0.2mm以上
「A」:アルミニウムめっき層および金属間化合物層を除去
「B」:アルミニウムめっき層を除去(金属間化合物層が残存)
「C」:アルミニウムめっき層および金属間化合物層が残存(除去しない)
表6中、突き合わせ溶接部材欄の「((D1+D2)/t)×100」は、突き合わせ溶接を行う2枚の鋼板のうち、鋼板の板厚とホットスタンプ後の鋼板の強度との積が小さくなるほうの鋼板について求めた値である。tは板厚(μmに換算)、D1は第1の面に形成された深さ(μm)、D2は第2の面に形成された深さ(μm)を表す。
アルミニウムめっき層を取り除き、金属間化合物層を残存させ、母材鋼板の露出部を有さない鋼板を用いた番号2は、R1が5μm以上を満たしているため、塗装後耐食性は優れている。しかし、金属間化合物層が残存しているため、疲労強度が劣位である。
アルミニウムめっき層および金属間化合物層の両層を除去した鋼板を用いた番号3は、疲労強度は優れている。しかし、R1が5μm未満であるため、塗装後耐食性が劣位である。
図10に示す形状を有する鋼板を用いた番号18は、めっき部側の端部が曲線ではなく直線であり、露出部側のR2が100000超であるため、母材鋼板と金属間化合物層との硬度差による応力集中が起き、疲労強度が劣位である。また、R1が5μm未満であるため、塗装後耐食性も劣位である。
一方、表3〜表6に示すように、アルミニウムめっき層および金属間化合物層の両層を除去して、R1が5μm以上を満たす鋼板を用いた番号4〜番号17、及び番号19〜番号23は、疲労強度および塗装後耐食性が優れている。
14 アルミニウムめっき層
16 金属間化合物層
22 露出部
26 めっき部
100 鋼板
F1 第1方向
Claims (11)
- 母材鋼板と、
前記母材鋼板の表面上に、前記母材鋼板側から順に金属間化合物層、アルミニウムめっき層が設けられためっき部と、
前記母材鋼板が露出した露出部と、
を有する鋼板であって、
前記鋼板の厚み方向に垂直であり、前記めっき部から前記鋼板の一の端縁に向かう第1方向において、前記母材鋼板の両方の表面上に、少なくとも前記めっき部、前記露出部、前記鋼板の前記端縁が、この順で配置され、
前記第1方向、及び、前記鋼板の厚み方向にそれぞれ平行な断面から見たとき、前記鋼板の前記端縁側かつ、前記母材鋼板の内部から前記母材鋼板の表面に向かって外部側の前記めっき部の端部の形状が、曲率半径R1で表される前記第1方向側に凸状の曲線であり、前記R1が下記式(1)を満たす鋼板。
式(1) 5μm≦R1 - 前記断面において、前記露出部の前記めっき部側の端部の形状が曲率半径R2で表される凹上の曲線であり、前記R2が下記式(2)を満たす請求項1に記載の鋼板。
式(2) 260μm≦R2 - 前記断面において、前記めっき部の前記アルミニウムめっき層の表面を前記第1方向に延長させた仮想線から前記母材鋼板の表面までの前記厚み方向の深さのうち、前記露出部の深さをDとしたとき、前記D、前記R1、及び前記R2の関係が下記式(3)を満たす請求項2に記載の鋼板。
式(3) D≦(R1+R2) - 前記母材鋼板が、質量%で、
C:0.02%〜0.58%、
Mn:0.20%〜3.00%、
Al:0.005%〜0.06%、
P:0.03%以下、
S:0.010%以下、
N:0.010%以下、
Ti:0%〜0.20%、
Nb:0%〜0.20%、
V:0%〜1.0%、
W:0%〜1.0%、
Cr:0%〜1.0%、
Mo:0%〜1.0%、
Cu:0%〜1.0%、
Ni:0%〜1.0%、
B:0%〜0.0100%、
Mg:0%〜0.05%、
Ca:0%〜0.05%、
REM:0%〜0.05%、
Sn:0%〜0.5%、
Bi:0%〜0.05%、
Si:0%〜2.00%、並びに
残部:Feおよび不純物からなる化学組成を有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の鋼板。 - 前記アルミニウムめっき層の平均厚みが8μm〜35μmであり、前記金属間化合物層の平均厚みが3μm〜10μmである請求項1〜4のいずれか1項に記載の鋼板。
- 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の鋼板の前記露出部と隣接する溶接金属部を有するテーラードブランク。
- 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の鋼板の少なくとも2枚を有し、前記露出部と隣接する溶接金属部を有するテーラードブランクであって、前記少なくとも2枚の鋼板のうち、鋼板の板厚と熱間プレス成形後の鋼板の引張強度との積が小さいほうの鋼板Aにおいて、
前記鋼板Aを前記めっき部から前記溶接金属部に向かう第2方向及び、前記鋼板の厚み方向にそれぞれ平行な断面から見たとき、
前記めっき部における前記アルミニウムめっき層の表面を前記第2方向に延長させた仮想線から前記母材鋼板の表面までの前記厚み方向の長さを露出部の深さとしたときに、
前記鋼板Aの第1の面の表面に形成された露出部の深さD1(μm)と、
前記鋼板Aの第2の面の表面に形成された露出部の深さD2(μm)と、
前記鋼板Aの板厚t(μm)とが、下記式(4)を満たすテーラードブランク。
式(4) ((D1+D2)/t)×100≦20 - 請求項6又は7に記載のテーラードブランクを用いた熱間プレス成形品。
- 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の鋼板の前記露出部と隣接する溶接金属部を有する鋼管。
- 請求項9に記載の鋼管を用いた中空状焼入れ成形品。
- 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の鋼板の製造方法であって、
エンドミルによる切削で前記露出部を形成する工程を有する鋼板の製造方法。
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