JPWO2010005121A1 - 急速加熱ホットプレス用アルミめっき鋼板、その製造方法、及びこれを用いた急速加熱ホットプレス方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このような状況で、高強度及び高成形性を両立するものとして最近注目を浴びているのが、ホットプレス(熱間プレス、ホットスタンプ、ダイクエンチ、プレスクエンチ等とも呼称される。)である。このホットプレスは、鋼板を800℃以上のオーステナイト域になるまで加熱した後に、熱間で成形することにより高強度鋼板の成形性を向上させ、成形後の冷却により焼きを入れて所望の材質を得るというものである。
これを改善する技術として、ホットプレス用の鋼板としてAl(アルミ)めっき鋼板を使用することにより、加熱時のスケールの生成を抑制する技術が提案されている(例えば、特許文献1〜3を参照)。また、ホットプレスの加熱時にAlめっきが溶融して垂れ(めっき部分が溶融流動すること)を生じるために、Al(アルミ)の融点以下の温度で保定することで垂れを回避する技術についても開示されている(特許文献4を参照)。
しかし、コイル状のまま焼鈍加熱すると図1(a)に示す様にコイルの幅方向中央部の表面に粉状の付着物が生成し、その周囲に白い筋が生じる現象が起き、コイルが使用できないと言う問題があった。
(1)片面当たりのアルミめっき付着量が30〜100g/m2であるアルミめっき鋼板を、コイル状のままボックス焼鈍炉内で焼鈍するに際し、その保定時間及び焼鈍温度をそれぞれX軸、Y軸とし、X軸を対数表示するXY平面において、座標(600℃、5時間)、(600℃、200時間)、(630℃、1時間)、(750℃、1時間)、(750℃、4時間)の5点を頂点とする5角形の各辺を含む内部領域にある保定時間及び焼鈍温度の組み合わせで焼鈍することを特徴とする急速加熱ホットプレス用アルミめっき鋼板の製造方法。
C:0.1〜0.4%、
Si:0.01〜0.6%、
Mn:0.5〜3%、
P:0.005〜0.05%、
S:0.002〜0.02%、
Al:0.005〜0.1%を含有し、
更に、
Ti:0.01〜0.1%、
B:0.0001〜0.01%、
Cr:0.01〜0.4%のうち1種または2種以上を含有し、
残部がFe及び不可避的不純物より成ることを特徴とする(1)に記載の急速加熱ホットプレス用アルミめっき鋼板の製造方法。
C:0.1〜0.4%、
Si:0.01〜0.6%、
Mn:0.5〜3%、
P:0.005〜0.05%、
S:0.002〜0.02%、
Al:0.005〜0.1%を含有し、
更に、
Ti:0.01〜0.1%、
B:0.0001〜0.01%、
Cr:0.01〜0.4%のうち1種または2種以上を含有し、
残部がFe及び不可避的不純物より成ることを特徴とする(4)に記載の急速加熱ホットプレス用アルミめっき鋼板。
図1(a)は、ボックス焼鈍後に発生するAlめっき鋼板の表面異常の典型的な例を写真で示す。
図1(b)は、この表面異常のメカニズムを説明する概念図である。
図1(c)は、焼鈍により得られる理想的なAlめっき層の合金化を説明する概念図である。
図2は、Alめっき鋼板を加熱合金化した後の断面組織の構造の一般的な例を示す光学顕微鏡写真である。めっき鋼板表層部に1層から5層までの層が確認される。
図3は、Fe−Alの二元系状態図を示す説明図である。
図4は、本発明に係る被覆層の断面組織の構造の一例を示す光学顕微鏡写真である。
図5は、本発明に係るボックス焼鈍の適正焼鈍条件の範囲を示す図である。
[本発明に係る生産性と遅れ破壊特性に優れたホットプレス方法の概要]
上述したように、上記特許文献1〜3に記載された技術では、加熱に約200秒以上を掛けるような低生産性プロセスであった。ホットプレスの生産性を向上させるために、通電加熱等により急速加熱を行うと、特許文献4に記載されているように鋼板表面に溶融しためっきの垂れが発生するという問題もあった。ここで電気を用いた加熱方法における垂れについて述べる。高周波加熱、通電加熱のいずれも、鋼板を電流が流れることで鋼板の抵抗発熱を利用した加熱方法である。ところが、鋼板に電流が流れると、磁界が生じ、電流と磁界との相互作用で力が生じる。この力のために溶融した金属が移動する。加熱方法により電流の方向は様々に変わるため一概には言えず、鋼板の中央部が厚くなる場合や、逆に鋼板の端部が厚くなる場合がありうる。またブランク材を縦置きにした場合、重力が働いてブランク下部のめっきが厚くなる場合もある。
そこで、本発明者らは、優れた耐食性と優れた生産性を兼ね備える急速加熱ホットプレス用めっき鋼板を得るために鋭意検討を行った結果、表面までAl−Fe合金化させることが有効との知見を得た。そして、優れた塗装後耐食性を得るためには、一定以上の付着量が必要となる。
(Alめっき材の一般的な合金層の構造について)
図2を参照しながら、Alめっき鋼板を加熱することにより得られる一般的な合金層の構造について説明する。なお、図2は、Alめっき鋼板を加熱合金化した後の断面組織の構造の一般的な例を示す光学顕微鏡写真である。
ホットプレス前のAlめっき鋼板のめっき層は、表層よりAl−Si層及びAlFeSi合金層から成る。このめっき層は、ホットプレス工程で900℃程度に加熱されることでAl−Siと鋼板中Feとの相互拡散が起こり、全体がAl−Fe化合物へ変化する。このとき、Al−Fe化合物中に部分的にSiを含有する相も生成する。
次に、本発明に係るボックス焼鈍炉内で合金化させたホットプレス用めっき鋼板を、通電加熱法を用いて50℃/秒で900℃まで昇温した後、直ちに金型焼入れした試料の合金層(以下、「被覆層」と称する。)の構造について説明する。
以下、上述したようなホットプレス用めっき鋼板の製造に用いられるAlめっき鋼板の構成について詳細に説明する。
ホットプレスが金型によるプレスと焼入を同時に行うものであることから、本発明に係る急速加熱ホットプレス用めっき鋼板としては、焼入されやすい成分である必要がある。具体的には、鋼板中の鋼成分として、質量%で、C:0.1〜0.4%、Si:0.01〜0.6%、Mn:0.5〜3%、P:0.005〜0.05%、S:0.002〜0.02%、Al:0.005〜0.1%を含有し、更にTi:0.01〜0.1%、B:0.0001〜0.01%、Cr:0.01〜0.4%の1種または2種以上を含有することが好ましい。
本発明に係る鋼板へのAlめっきの方法については特に限定するものでなく、溶融めっき法、電気めっき法、真空蒸着法、クラッド法等が適用可能である。現在工業的に最も普及しているのは溶融めっき法であり、通常、めっき浴として、Alに3質量%〜15質量%のSiを含有するものを使用する。これに不可避的不純物のFe等が混入している。これ以外の添加元素として、Mn、Cr、Mg、Ti、Zn、Sb、Sn、Cu、Ni、Co、In、Bi、ミッシュメタル等があり得る。Zn、Mgの添加は赤錆を発生し難くするという意味で有効であるが、蒸気圧の高いこれら元素の過剰な添加はZn、Mgのヒューム発生、表面へのZn、Mg起因の粉体状物質の生成等の問題がある。そのため、Zn:60質量%以上、Mg:10質量%以上の添加は好ましくない。
本発明に係るホットプレス用めっき鋼板は、鋼成分として、上述した成分の鋼に付着量が30〜100g/m2以下となるようにAlめっきが施されたAlめっき鋼板を合金化処理することで製造される。この合金化処理により、Alめっき層が母材中のFeと合金化して、Al−Fe合金層となる。
(600℃、5時間)、(630℃、1時間)を結ぶ線はほぼ表面まで合金化する条件に対応する。
(600℃、200時間)、(750℃、4時間)を結ぶ線はほぼ良好な塗装後耐食性を得られる線に対応する。
なお、ボックス焼鈍条件はめっき付着量も影響し、めっき付着量が少ないと低温でも表面まで合金化可能であるが、付着量が多いと高温あるいは長時間の条件が必要となる。
なお、上述したようにして得られたAlめっき鋼板は、その後のホットプレス工程において平均の昇温速度40℃/秒以上の昇温速度で急速加熱されることが望ましい。従来の電気炉内で加熱した場合の平均昇温速度は4〜5℃/秒である。本発明は生産性と遅れ破壊特性に優れたホットプレス方法を提供するものであるので、平均の昇温速度を40℃/秒以上とすることで昇温するまでの時間が20秒以下と従来の1/5以下に低減できる。加えて、700℃以上の時間を極力短くすることでこの間の鋼板への水素吸蔵を抑制することができる。この際の加熱方式については特に限定しない。輻射加熱による場合、1300℃程度の高温の炉で急速に昇温させた後に900℃程度の炉にブランクを移動させることで急速加熱が可能であるし、合金化して表面の放射率が高いため近赤外線方式の加熱方式を使用することで50℃/秒程度の昇温速度が可能である。
また、この加熱工程において、最高到達板温を850℃以上とすることが好ましい。最高到達板温をこの温度とするのは、鋼板をオーステナイト域まで加熱するためである。
通常の熱延工程及び冷延工程を経た、表1に示すような鋼成分の冷延鋼板(板厚1.2mm)を材料として、溶融Alめっきを行った。溶融Alめっきは無酸化炉−還元炉タイプのラインを使用し、めっき後ガスワイピング法でめっき付着量を片面20〜100g/m2まで調節し、その後冷却した。この際のめっき浴組成としてはAl−9%Si−2%Feであった。浴中のFeは、浴中のめっき機器やストリップから供給される不可避のものである。めっき外観は不めっき等がなく良好であった。
塗装後耐食性の評価は次の方法で行った。まず、日本パーカライジング(株)製化成処理液PB−SX35Tで化成処理を施し、その後、日本ペイント(株)製カチオン電着塗料パワーニクス110を約20μm厚みで塗装した。その後、カッターで塗膜にクロスカットを入れ、自動車技術会で定めた複合腐食試験(JASO M610−92)を180サイクル(60日)行ない、クロスカットからの膨れ幅(片側最大膨れ幅)を測定した。このときGA(付着量片面45g/m2)の膨れ幅は5mmであった。従って、膨れ幅が5mm以下であれば、塗装後耐食性は良好と判断した。表2の塗装後耐食性欄には、この膨れ幅値を記載した。表2中に−を記載している部分は、垂れが発生し、めっきが局部的となったため耐食性評価ができなかったものを示す。
表2に、加熱条件と組織並びに特性評価結果をまとめた。
次に通電加熱により平均の昇温速度60℃/秒,到達温度900℃で加熱し、その後金型焼入した。焼入後の硬度(ビッカース硬度、荷重10kg)を測定した結果も第3表に示している。鋼中C量が低いと焼入後の硬度が低下するため、C量として0.10質量%以上であることが好ましいことがわかる。なおこのときには、全ての試験片で垂れは起こっていなかった。
2 ボックス焼鈍後の健全部(合金化部分)
3 ボックス焼鈍後の表面異常部(剥離部)
4 ボックス焼鈍後の表面異常部(粉状物付着部)
10 Alめっき鋼板の基材となる鋼板
11 Al−Fe合金層
12 Alめっき層(Al−Siめっき層)
13 Si
14 AlN
Claims (9)
- 片面当たりのアルミめっき付着量が30〜100g/m2であるアルミめっき鋼板を、コイル状のままボックス焼鈍炉内で焼鈍するに際し、その保定時間及び焼鈍温度をそれぞれX軸、Y軸とし、X軸を対数表示するXY平面において、座標(600℃、5時間)、(600℃、200時間)、(630℃、1時間)、(750℃、1時間)、(750℃、4時間)の5点を頂点とする5角形の各辺を含む内部領域にある保定時間及び焼鈍温度の組み合わせで焼鈍することを特徴とする急速加熱ホットプレス用アルミめっき鋼板の製造方法。
- 前記アルミめっき鋼板の基材となる鋼板の成分が質量%で
C:0.1〜0.4%、
Si:0.01〜0.6%、
Mn:0.5〜3%、
P:0.005〜0.05%、
S:0.002〜0.02%、
Al:0.005〜0.1%を含有し、
更に、
Ti:0.01〜0.1%、
B:0.0001〜0.01%、
Cr:0.01〜0.4%のうち1種または2種以上を含有し、
残部がFe及び不可避的不純物より成ることを特徴とする請求項1に記載の急速加熱ホットプレス用アルミめっき鋼板の製造方法。 - 前記アルミめっき鋼板において、表面に付着しているアルミめっき中にSiを3〜15質量%含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の急速加熱ホットプレス用アルミめっき鋼板の製造方法。
- 片面当たりのアルミめっき付着量が30〜100g/m2であるアルミめっき鋼板を、コイル状のままボックス焼鈍炉内で焼鈍するに際し、その保定時間及び焼鈍温度をそれぞれX軸、Y軸とし、X軸を対数表示するXY平面において、座標(600℃、5時間)、(600℃、200時間)、(630℃、1時間)、(750℃、1時間)、(750℃、4時間)の5点を頂点とする5角形の各辺を含む内部領域にある保定時間及び焼鈍温度の組み合わせで焼鈍したことを特徴とする急速加熱ホットプレス用アルミめっき鋼板。
- 前記アルミめっき鋼板の基材となる鋼板の成分が質量%で
C:0.1〜0.4%、
Si:0.01〜0.6%、
Mn:0.5〜3%、
P:0.005〜0.05%、
S:0.002〜0.02%、
Al:0.005〜0.1%を含有し、
更に、
Ti:0.01〜0.1%、
B:0.0001〜0.01%、
Cr:0.01〜0.4%のうち1種または2種以上を含有し、
残部がFe及び不可避的不純物より成ることを特徴とする請求項4に記載の急速加熱ホットプレス用アルミめっき鋼板。 - 前記アルミめっき鋼板表面のL*値が10〜60であることを特徴とする請求項4又は5に記載の急速加熱ホットプレス用アルミめっき鋼板。
- 前記アルミめっき鋼板において、表面に付着しているアルミめっき中にSiを3〜15質量%含有することを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の急速加熱ホットプレス用アルミめっき鋼板。
- 前記アルミめっき鋼板において、基材となる鋼板の表面にAl濃度換算で40〜70%質量%であるAl−Fe合金層があることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の急速加熱ホットプレス用アルミめっき鋼板。
- 請求項4〜8のいずれか1項に記載のアルミめっき鋼板からプレス加工用ブランクを切出し、そのブランクをホットプレス前加熱において昇温速度が平均40℃/秒以上、且つ700℃以上の環境に曝される時間が20秒以下となるように加熱し、ホットプレス加工することを特徴とする急速加熱ホットプレス方法。
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