JP7248889B2 - ホットスタンピング用表面処理鋼板およびホットスタンピング用表面処理鋼板の加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面処理鋼板および表面処理鋼板の加工方法に関する。

鋼板の加工方法の一つとして、ホットスタンピングが知られている。ホットスタンピングは、鋼板を９００℃前後のオーステナイト域まで加熱し、成形と焼き入れとを金型内で同時に行う加工方法である。

たとえば自動車のキャビンなどに用いられる超高張力鋼板（超ハイテン）などは、冷間でのプレス加工を行おうとすると、金型から外される際の応力の開放によって弾性変形する、いわゆるスプリングバックが生じてしまい、寸法精度が低下しやすいという問題を有する。これに対し、ホットスタンピングでは、９００℃前後に加熱して軟質化させた鋼を金型に入れてプレス加工し、同時に金型との接触によって鋼を冷却させて焼き入れを行う。ホットスタンピングは、成形性に優れ、かつ、スプリングバックも少ないという特長を有する。

なお、鋼を加熱すると、鋼中のＦｅなどが酸化してなる酸化物が、加工後の鋼板の表面に生成することがある。加工鋼板の生産性を高める観点からは、この酸化物が生成しにくいような、鋼板の加工方法が求められている。

たとえば、特許文献１には、ステンレス鋼の表面の不動態皮膜の構造を、Ｃｒ、またはＣｒとＳｉがリッチな構造とし、その表面にアルカリケイ酸塩を付着した、ステンレス鋼材が記載されている。特許文献１によれば、上記ステンレス鋼材は、表面の到達温度が６５０℃以上となるような高温に曝されても、大気中の酸素の侵入およびステンレス鋼素地からの金属元素の拡散が防止されるため、これらが反応して生成する酸化物によるテンパーカラーの発生を抑止できるとされている。

また、特許文献２には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、ＣｒおよびＮｉの量を調整した熱処理用鋼板が記載されている。特許文献２によれば、上記熱処理用鋼板は、Ｃｒの量を０．１～２重量％とすることで、Ｃの量が０．３～１．２重量％である中～高炭素鋼板に対して、熱処理時の酸化スケールの剥離を防止できるとされている。

特開２００８－２３１５５１号公報 特開平９－２５６１０７号公報

特許文献１によれば、表面の到達温度が６５０℃以上となるような高温にステンレス鋼を曝しても、Ｃｒ－Ｆｅ－Ｏ系の酸化物によるテンパーカラーを抑制できるとされている。

これに対し、９００℃前後というさらに高温の領域にまで鋼板を加熱するホットスタンピングでは、７００℃前後までしか加熱していない特許文献１の試験条件よりも酸化物がさらに生じやすい。たとえば、ホットスタンピングでは、より厚く堆積して灰色となったスケールが鋼板表面に生じやすい。そのため、ホットスタンピングによる鋼板の加工には、上記スケールを除去するためのショットブラストなどの処理が必要であり、これによって生産性が低下しかねない。そのため、ホットスタンピング用の鋼板には、酸化物の発生をさらに抑制することが求められる。

また、特許文献２では、プレステンパーなどの工程においてスケールが剥離して、押込み疵を発生させることを抑制するために、スケールの剥離を防止しようとしている。しかし、そもそもスケールの発生を抑制すれば、押込み疵の発生も抑制できる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ホットスタンピングによる鋼板の加工を行ったときにスケールが発生しにくい表面処理鋼板、および当該表面処理鋼板の加工方法を提供することをその目的とする。

上記課題を解決するための本発明の一実施形態に関する表面処理鋼板は、Ｃｒの含有量が０．２質量％以上２．０質量％以下である鋼板と、前記鋼板の表面に接して配置された、アルカリケイ酸塩皮膜と、を有する。

また、上記課題を解決するための本発明の一実施形態に関する表面処理鋼板の加工方法は、上記表面処理鋼板を、前記鋼板のＡｃ３点以上１１００℃以下の温度範囲にまで加熱する工程と、前記加熱された表面処理鋼板を金型の内部に配置して熱間プレスし、かつ、前記金型によって前記表面処理鋼板を冷却する工程と、を有する。

本発明によれば、ホットスタンピングによる鋼板の加工を行ったときにスケールが発生しにくい表面処理鋼板、当該表面処理鋼板の加工方法、および当該表面処理鋼板を加工して得られる加工された表面処理鋼板が提供される。

１．表面処理鋼板
本発明の一実施形態は、Ｃｒの含有量が０．２質量％以上２．０質量％以下である鋼板と、上記鋼板の表面に接して形成されたアルカリケイ酸塩皮膜と、を有する、ホットスタンピング用の表面処理鋼板に関する。

１－１．鋼板
上記鋼板は、Ｃｒの含有量が０．２質量％以上２．０質量％以下である鋼板であればよい。上記鋼板の例には、ニッケルクロム鋼板、クロムモリブデン鋼板、およびニッケルクロムモリブデン鋼板（ＪＩＳ Ｇ ４０５３：機械構造用合金鋼鋼材）などが含まれる。上記鋼板は、冷延鋼板であってもよいし、熱延鋼板であってもよい。

上記鋼板に含まれるＣｒは、ホットスタンピング時に、アルカリケイ酸塩皮膜に含まれるアルカリケイ酸塩（Ｍ_ＸＯ・ｎＳｉＯ_２：Ｍは、アルカリ金属またはアルカリ土類金属である。Ｘは、Ｍがアルカリ金属であるときは２であり、Ｍがアルカリ土類金属であるときは１である。ｎは、たとえば１以上８以下の任意の数である。）と反応して、Ｓｉ－Ｃｒ－Ｍ－Ｏ系の反応層を形成する。

上記反応層は、高温時の安定性が高い。そのため、上記反応層は、ホットスタンピング時に、鋼板からアルカリケイ酸塩皮膜への、鋼板に含まれる原子（特にはＦｅ）の拡散を好適に抑制する。これにより、上記反応層は、ホットスタンピング時に鋼板から拡散したＦｅが空気中の酸素（Ｏ_２）と反応することによる、ＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４およびＦｅ_２Ｏ_３などの酸化物の生成を抑制し、これらの酸化物が堆積することによるスケールの発生を抑制することができる。

本発明者らの新たな知見によると、このとき、鋼板中のＣｒの含有量が０．２質量％以上２．０質量％以下であると、ホットスタンピング時に上記スケールの発生を抑制する効果が顕著に高まる。この理由は定かではないが、本発明者らは、以下のように考えている。

つまり、鋼板中のＣｒの含有量が０．２質量％以上であると、鋼板の表面に十分な厚みの上記反応層が形成され、鋼板からのＦｅの拡散を十分に抑制できるため、スケールの発生も十分に抑制される。一方で、鋼板中のＣｒの含有量が２．０質量％を越えるとその効果は飽和する。上記観点からは、鋼板中のＣｒの含有量は０．４質量％以上１．７質量％以下であることが好ましく、０．６質量％以上１．６質量％以下であることがより好ましい。

上記鋼板は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、ＢｉおよびＷなどの、ＦｅおよびＣｒ以外の元素を含んでもよい。これらの元素の含有量は、上記鋼板に要求される特性などに応じて任意に定めることができる。

たとえば、Ｃの含有量は、０．１質量％以上１．２質量％以下とすることができ、０．２質量％以上１．２質量％以下であることが好ましく、０．４質量％以上１．０質量％以下であることがより好ましい。

また、Ｓｉの含有量は、０．１質量％以上２．５質量％以下とすることができ、０．１質量％以上１．５質量％以下とすることが好ましい。

また、Ｍｎの含有量は、０．４質量％以上３．０質量％以下とすることができ、０．４質量％以上２．０質量％以下とすることが好ましい。

上記鋼板の厚さは、ホットスタンピングによる加工ができる程度であればよく、たとえば０．５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下程度であればよい。

１－２．アルカリケイ酸塩皮膜
上記アルカリケイ酸塩皮膜は、上記鋼板の表面を被覆する、アルカリケイ酸塩を含む皮膜である。上記アルカリケイ酸塩皮膜は、上記鋼板の表面に接して形成されている。上記アルカリケイ酸塩皮膜は、上記鋼板の一方の表面にのみ形成されていてもよいし、上記鋼板の両方の表面に形成されていてもよい。

上記アルカリケイ酸塩皮膜は、ホットスタンピング時に、上記鋼板に含まれるＣｒと反応して上述したＳｉ－Ｃｒ－Ｍ－Ｏ系の反応層を形成する。これにより、上記アルカリケイ酸塩皮膜は、ホットスタンピング時に、鋼板からアルカリケイ酸塩皮膜へのＦｅの拡散を抑制して、上記拡散したＦｅが空気中の酸素（Ｏ_２）と反応することによる酸化物の生成を抑制し、これらの酸化物が堆積することによるスケールの発生を抑制することができる

また、上記アルカリケイ酸塩皮膜は、ホットスタンピング時に、空気中に含まれる酸素（Ｏ_２）の鋼板中への侵入を抑制する。これにより、上記アルカリケイ酸塩皮膜は、上記鋼板中へ侵入した酸素が鋼板中のＦｅと反応することによる、ＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４およびＦｅ_２Ｏ_３などの酸化物の生成を抑制し、これらの酸化物が堆積することによるスケールの発生を抑制することもできる。

上記アルカリケイ酸塩は、一般式Ｍ_ＸＯ・ｎＳｉＯ_２ で表される化合物であればよい。

上記一般式において、Ｍは、アルカリ金属またはアルカリ土類金属であり、アルカリ金属としてはＬｉ、Ｎａ、およびＫなどを、アルカリ土類金属としてはＭｇおよびＣａなどを、用いることができる。これらのうち、理由は明確ではないがＭがＬｉであると最も効果的であり好ましい。さらには焼成によるアルカリケイ酸塩皮膜の形成がより低温でも可能であり、かつ、溶融温度がより高いためより高温でのホットスタンピング時にもスケールを効率的に抑制できることから、ＭはＬｉであることがより好ましい。

なお、上記アルカリケイ酸塩は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のうち異なる２種類の原子をＭとして含む化合物であってもよい。

上記一般式において、Ｘは、Ｍがアルカリ金属であるときは２であり、Ｍがアルカリ土類金属であるときは１である。

上記一般式において、ｎは、たとえば３．５以上７．５以下の任意の数である。

ｎが３．５以上であると、アルカリケイ酸塩皮膜中に十分な量のＳｉが存在するため、鋼板の表面に十分な厚みの上記反応層が形成され、鋼板からのＦｅの拡散によるスケールの発生をより抑制することができる。また、ｎが３．５以上であると、アルカリケイ酸塩皮膜中のアルカリ成分量が多すぎることがないため、ホットスタンピング後の鋼板表面に残留したアルカリ成分が空気中の水分および炭酸ガスなどを反応して生成される反応生成物による、白化現象をより抑制することもできる。

一方で、ｎが７．５以下であると、アルカリケイ酸塩皮膜中に十分な量のアルカリ成分が存在するため、鋼板の表面に十分な厚みの上記反応層が形成され、鋼板からのＦｅの拡散によるスケールの発生をより抑制することができる。また、ｎが７．５以下であると、アルカリケイ酸塩皮膜中に十分な量のアルカリ成分が存在するため、アルカリケイ酸塩の強度をより高めることができる。

上記アルカリケイ酸塩皮膜の付着量は、Ｓｉ換算で０．０５ｇ／ｍ^２以上１ｇ／ｍ^２以下であることが好ましい。上記付着量が０．０５ｇ／ｍ^２以上であると、スケールの発生を十分に抑制することができる。一方で、上記付着量が１ｇ／ｍ^２以上であると、アルカリケイ酸塩皮膜の鋼板への密着性を十分に高めることができる。

上記アルカリケイ酸塩皮膜は、上記アルカリケイ酸塩を含む水溶液を鋼板の表面上に塗布し、焼成して形成することができる。このようにして形成されたアルカリケイ酸塩皮膜は、一般式Ｍ_ＸＯ・ｎＳｉＯ_２・ｙＨ_２Ｏで表される化合物を主体とした皮膜である。

このとき、皮膜中の分子同士の結合力を高めて、アルカリケイ酸塩皮膜の密着性をより高める観点からは、アルカリケイ酸塩皮膜中が保持する水の量はより少ない（上記一般式中のｙがより小さい）ことが好ましい。上記水の量をより低減させたアルカリケイ酸塩皮膜を形成するためには、鋼板の表面上に塗布された上記水溶液を、３５０℃以上の温度で焼成させることが好ましい。

なお、このとき塗布する水溶液中のアルカリケイ酸塩の含有量や、水溶液の塗布量などを調整することで、鋼板表面への上記アルカリケイ酸塩皮膜の付着量を調整することができる。

また、上記水溶液を塗布する前に、鋼板の表面に対して、脱脂、酸洗などの公知の前処理を施してもよい。

２．表面処理鋼板の加工方法
本発明の他の実施形態は、上述した表面処理鋼板を熱処理する、表面処理鋼板の加工方法に関する。上記熱処理は、表面処理鋼板を高熱処理すればよく、ホットスタンピングや、焼入れ、焼なまし（焼鈍）、焼きならしなどの公知の熱処理であればよい。本実施形態は、鋼板として上記表面処理鋼板を用いるほかは、公知の熱処理と同様に実施することができる。

具体的には、まず、上記表面処理鋼板を、鋼板中のフェライトがオーステナイトに変態する温度領域まで加熱する。具体的には、上記表面処理鋼板を、８００℃以上１１００℃以下、好ましくは上記鋼板のＡｃ３点以上１１００℃以下の温度範囲にまで加熱する。このときの昇温速度は、２℃／ｓ以上の範囲で調整すればよい。

次に、上記加熱した表面処理鋼板を金型の内部に配置して、熱間プレスする。そして、熱間プレスと同時に、上記金型によって上記表面処理鋼板を冷却する。具体的には、上記表面処理鋼板を、上記鋼板のＭｆ点（マルテンサイト変態終了点）以下にまで冷却すればよい。また、このときの冷却速度は、５℃／ｓ以上４０℃／ｓ以下の範囲で調整すればよい。

このようにして加工された表面処理鋼板は、鋼板とアルカリケイ酸塩皮膜との間に、Ｓｉ－Ｃｒ－Ｍ－Ｏ系の反応層を有する。上記鋼板は、その断面におけるマルテンサイトの面積率が９０％以上であることが好ましい。

以下、本発明について実施例を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。

１．鋼板の作製
表１に記載の組成を有する、いずれも板厚が１．２ｍｍの鋼板１～鋼板１４を用意した。

それぞれの鋼板を、オルソ珪酸ソーダによってｐＨを１４とした４０℃のアルカリ水溶液に３０秒間浸漬して、アルカリ脱脂した。その後、アルカリ脱脂した鋼板の表面に、アルカリケイ酸塩として日本化学工業株式会社製のリチウムシリケート（Ｌｉ_２Ｏ・ｎＳｉＯ_２：ｎは３～８）またはキシダ化学株式会社製の水ガラス３号（Ｎａ_２Ｏ・ｎＳｉＯ_２：ｎは３～８）を濃度５％に希釈した水溶液を、バーコート＃３で塗布した。塗布後、大気中で１８０℃に加熱して焼成し、付着量がＳｉ換算で０．２～０．５ｇ／ｍ^２であるアルカリケイ酸塩皮膜を形成して、それぞれ表面処理鋼板１～表面処理鋼板１４を得た。

その後、それぞれの表面処理鋼板から５０ｍｍ×５０ｍｍの試験片を切り出し、雰囲気温度を８５０℃または９００℃として加熱炉にて大気加熱試験を実施した。このときの均熱時間は、１０分とした。加熱後、試験片を炉から取出して常温にて放冷した。

十分に冷却された試験片の断面を、ＳＥＭおよびＧＤＳ（グロー放電発光分光分析）により観察し、大気加熱試験により形成された酸化皮膜の厚さを測定して、以下の基準でそれぞれの表面処理鋼板を評価した。
◎ 酸化皮膜の厚さは０．３μｍ以下である
○ 酸化皮膜の厚さは０．３μｍより大きく１．０μｍ以下である
× 酸化皮膜の厚さは１．０μｍより大きい
×× 酸化皮膜が剥がれ落ちる状態

試験に供した表面処理鋼板、アルカリケイ酸塩の種類、大気加熱試験における加熱条件、および評価結果を、表２および表３に示す。

Ｃｒの含有量が０．２質量％以上２．０質量％以下である鋼板を表面処理して得られた表面処理鋼板１～表面処理鋼板４、表面処理鋼板６～表面処理鋼板８、および表面処理鋼板１０～表面処理鋼板１３は、８５０℃および９００℃の大気加熱試験に供しても、１．０μｍ以下の厚さの酸化皮膜しか形成されなかった。

特に、Ｃｒの含有量が０．４質量％以上１．７質量％以下である鋼板を表面処理して得られた表面処理鋼板１、表面処理鋼板２、表面処理鋼板６、表面処理鋼板７、表面処理鋼板１２、および表面処理鋼板１３は、８５０℃および９００℃の大気加熱試験に供しても、０．３μｍ以下の厚さの酸化皮膜しか形成されなかった。

一方で、Ｃｒの含有量が０．２質量％未満である鋼板を表面処理して得られた表面処理鋼板５、表面処理鋼板９、および表面処理鋼板１４は、８５０℃または９００℃の大気加熱試験に供したときに、１．０μｍより厚い酸化皮膜が形成された。

本発明の表面処理鋼板は、ホットスタンピングによる加工を行ったときにスケールが発生しにくい。そのため、スケール除去などの工程を短縮化あるいは不要とし、ホットスタンピングによる鋼板の加工をより容易かつ安価に行うことを可能とする。そのため、本発明の表面処理鋼板は、ホットスタンピングによる鋼板の加工のさらなる普及に貢献すると期待される。

Claims (4)

1. Ｃｒの含有量が０．２質量％以上２．０質量％以下である、めっき層を備えない鋼板と、
   前記鋼板の表面に接して配置された、アルカリケイ酸塩皮膜と、
   を有する、ホットスタンピング用表面処理鋼板。
2. 前記アルカリケイ酸塩皮膜の付着量は、Ｓｉ換算で０．０５ｇ／ｍ^２以上１ｇ／ｍ^２以下である、請求項１に記載のホットスタンピング用表面処理鋼板。
3. 前記鋼板のＣｒの含有量は、０．４質量％以上１．７質量％以下である、請求項１または２に記載のホットスタンピング用表面処理鋼板。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のホットスタンピング用表面処理鋼板を、前記鋼板のＡｃ３点以上１１００℃以下の温度範囲にまで加熱する工程と、
   前記加熱された表面処理鋼板を金型の内部に配置して熱間プレスし、かつ、前記金型によって前記表面処理鋼板を冷却する工程と、
   を有する、ホットスタンピング用表面処理鋼板の加工方法。