JPWO2018180979A1 - Al系めっき鋼板 - Google Patents

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Abstract

母材(101)と、母材(101)の少なくとも片面に形成されたAl系めっき層(103)と、Al系めっき層(103)の表面に形成された中間皮膜層(105)と、中間皮膜層(105)の表面に形成され、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子(109)と、有機樹脂(111)とを含有し、上記ZnO粒子(109)の付着量が0.5g/m2以上、10.0g/m2以下である表面皮膜層(107)と、を備える。中間皮膜層(105)は、以下の(A)から(C)のいずれかの条件を満たす。(A)厚みが10nm以上、1000nm以下であり、SとAlとOを主成分とし、[S]/[Al]が0.0008以上、0.49以下、[S]/[O]が0.001以上、0.55以下。(B)オキソ酸塩を含み、付着厚みが10nm以上、500nm以下。(C)フッ化物塩であり、含まれるフッ素の量が20mg/m2以上。

Description

本発明は、熱間プレス時の加工性(潤滑性)及び耐食性(塗装後耐食性)等を十分に発現することができる、熱間プレス用として好適なAl系めっき鋼板に関する。
近年、環境保護及び地球温暖化の抑制のために、化石燃料の消費を抑制する要請が高まっており、この要請は、様々な製造業に対して影響を与えている。日々の生活等に欠かせない移動手段を製造する自動車産業についても例外ではなく、車体の軽量化などによって燃料の消費を抑制することが求められている。自動車部品の多くは、鉄、特に鋼板により形成されているため、使用される鋼板の総重量を低減することが、車体の軽量化、ひいては燃料の消費の抑制にとって重要である。
しかしながら、自動車には安全性の確保が必要であるため、単に鋼板の板厚を低減することは許されず、鋼板の機械的強度の維持が求められる。このような鋼板に対する要請は、自動車産業のみならず、様々な製造業でも同様に高まっている。従って、鋼板の機械的強度を高めることにより、従来使用されていた鋼板より薄くしても、機械的強度の維持又は向上が可能な鋼板について、研究開発が行われている。
一般に、優れた機械的強度を有する材料は、曲げ加工等の成形加工において、成形性、形状凍結性が低下する傾向にあり、複雑な形状に加工する場合、加工そのものが困難となる。この成形性についての問題を解決する手段の一つとして、いわゆる「熱間プレス方法(ホットスタンプ法、ホットプレス法、ダイクエンチ法、プレスハードニングとも呼ばれる。)」が挙げられる。この熱間プレス方法では、成形対象である材料を一旦高温(オーステナイト域)に加熱して、加熱により軟化した鋼板に対してプレス加工を行って成形した後に、冷却する。
この熱間プレス方法によれば、材料を一旦高温に加熱して軟化させるので、その材料を容易にプレス加工することができ、さらに、成形後の冷却による焼入れ効果により、材料の機械的強度を高めることができる。従って、この熱間プレスにより、良好な形状凍結性と高い機械的強度とを両立した成形品を得ることができる。
しかしながら、鋼板を熱間プレスする場合、例えば、800℃以上の高温に加熱すると、表面の鉄が酸化してスケール(酸化物)が生成する。このため、熱間プレスの後に、スケールを除去する工程(デスケーリング工程)が必要となり、生産性が低下する。さらに、耐食性が求められる成形品の場合には、熱間プレスの後に成形品表面へ防錆処理を施し、或いは金属皮膜を形成するため、表面清浄化工程や表面処理工程が必要となり、さらに一層生産性が低下する。
このような生産性の低下を抑制する例として、鋼板に皮膜を形成する方法が挙げられる。一般に、鋼板上の皮膜としては、有機系材料や無機系材料など様々な材料が使用される。なかでも鋼板に対して犠牲防食作用のある亜鉛系めっき鋼板が、その防食性能と鋼板生産技術の観点から、自動車用鋼板等に広く使われている(特許文献1)。
しかしながら、熱間プレスにおける加熱温度(700℃以上、1000℃以下)は、有機系材料の分解温度やZn(亜鉛)の沸点などよりも高い。このため、熱間プレスのために鋼板を加熱すると、鋼板表面のめっき層が酸化したり蒸発したりするため、表面性状が著しく劣化し、熱間プレス時の摺動性も悪化するおそれがある。これを防ぐためには亜鉛めっき層にアルミニウムを所定の範囲で含有させ、さらに亜鉛めっき層上にプレス温度で溶融する皮膜を形成する等の対策が必要となる(特許文献2)。
そのため、熱間プレスに際して高温に加熱する鋼板に対しては、例えば、有機系材料皮膜やZn系の金属皮膜に比べて沸点が高いAl(アルミニウム)系の金属皮膜を形成し、いわゆるAl系めっき鋼板とすることが望ましい。Al系の金属皮膜を形成することにより、鋼板表面へのスケールの付着を防止することができ、デスケーリング工程などの工程が不要となるため生産性が向上する。また、Al系の金属皮膜には防錆効果もあるため、塗装後の耐食性も向上する。
このような、Al系の金属皮膜を所定の鋼成分を有する鋼に形成したAl系めっき鋼板を熱間プレスに用いる方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。特許文献3に開示されているような熱間プレス用アルミニウム系めっき材の課題の一つに、熱間プレス時の加工性の改善がある。熱間プレス時の加工性については、加熱時に生成するFe−Al−Siめっき層が硬質であるために金型に噛みこんだり、摩擦係数が大きいために金型に堆積したりする、などの懸念事項がある。これらの懸念事項により、製品表面に傷が付き、外観品位を低下させるおそれがある。
上記の課題を解決する手段の一つとして、酸化亜鉛(ZnO)を含有する皮膜層をめっき表面に付着させる方法が提案されている(例えば、特許文献4参照)。特許文献4に開示の方法は、具体的には、ZnOの脱落抑制のために樹脂成分やシランカップリング剤等をバインダとして含む皮膜層を鋼板表面に付着させ、熱間プレス時に300℃以上、500℃以下でバインダの有機溶剤成分を揮発させてZnOのみを残存させる方法である。かかる方法により、有機溶剤が燃焼、蒸発して生成した空隙によりZnOと金型金属とが点接触となり、潤滑性が向上するとされている。
また、熱間プレス時の潤滑性に加えて、加熱炉内での加熱や赤外線による加熱を行う際の昇温特性や、熱間プレス後の化成処理性、塗装後の耐食性を向上させるために、ZnO等を被覆する方法が提案されている(例えば、特許文献5乃至8参照)。
特開2010−242188号公報 特開2011−32498号公報 特開2000−38640号公報 国際公開第2009/131233号 特開2012−92365号公報 特開2013−227620号公報 特開2013−221202号公報 国際公開第2014/181653号
特許文献5乃至8に開示されているように、ZnOを含有する表面皮膜層をAl系めっきの上に形成することにより、熱間プレス時の摺動性は向上する。しかしながら、本発明者らが検討した結果、Al系めっき鋼板を熱間プレス前に予熱、搬送のためにコンベアに載せて加熱すると、コンベアと接触した重ね合わせ部のZnO皮膜が消失するため、予熱後に熱間プレスを行うと、その部位の熱間摺動性が低下し、全体として十分な加工性(潤滑性)を得ることができないという問題があることが判明した。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、加熱中にコンベアとの接触部におけるZnOの消失を抑制し、熱間プレス時の加工性(潤滑性)及び耐食性(塗装後耐食性)等を十分に発現させることが可能な、熱間プレス用として好適なAl系めっき鋼板を提供することを目的とする。
[1]
母材と、前記母材の少なくとも片面に形成されたAl系めっき層と、
前記Al系めっき層の表面に形成された中間皮膜層と、
前記中間皮膜層の表面に形成され、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子と、有機樹脂とを含有し、前記ZnO粒子の付着量が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下である表面皮膜層と、
を備え、前記中間皮膜層は、以下の(A)から(C)のいずれか1つの条件を満たすことを特徴とするAl系めっき鋼板。
(A)厚みが10nm以上、1000nm以下であり、SとAlとOを主成分とし、S及びAlの質量比[S]/[Al]が0.0008以上、0.49以下、かつ、S及びOの質量比[S]/[O]が0.001以上、0.55以下。
(B)ホウ酸塩、ケイ酸塩、スルホン酸塩、スルフィン酸塩、過マンガン酸塩、リン酸塩の1種または2種以上からなるオキソ酸塩を含み、付着厚みが10nm以上、500nm以下。
(C)アルミニウム、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの少なくとも1種の、フッ化物塩であり、含まれるフッ素の量が20mg/m2以上。
[2]
前記中間皮膜層は、前記(A)に規定する条件を満たし、
前記中間皮膜層の厚みが20nm以上、400nm以下であることを特徴とする[1]に記載のAl系めっき鋼板。
[3]
前記中間皮膜層は、前記(A)に規定する条件を満たし、
前記中間皮膜層に含まれるS及びAlの質量比[S]/[Al]が0.005以上、0.1以下、かつ、S及びOの質量比[S]/[O]が0.005以上、0.12以下であることを特徴とする[1]又は[2]に記載のAl系めっき鋼板。
[4]
前記中間皮膜層に含まれるS及びAlの質量比[S]/[Al]が0.008以上、0.05以下、かつ、S及びOの質量比[S]/[O]が0.01以上、0.08以下であることを特徴とする[1]乃至[3]の何れか1つに記載のAl系めっき鋼板。
[5]
前記中間皮膜層は、前記(B)に規定する条件を満たし、
前記オキソ酸塩が、ホウ酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸リチウム、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸アルミニウム、スルホン酸亜鉛、スルフィン酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム、オルトケイ酸亜鉛、ケイ酸リチウム、過マンガン酸亜鉛のいずれかから選ばれる1種または2種以上であることを特徴とする[1]に記載のAl系めっき鋼板。
[6]
前記中間皮膜層は、前記(B)に規定する条件を満たし、
前記オキソ酸塩が、過マンガン酸塩とケイ酸塩との混合物であり、かつ混合比がMn/Si質量比で1以上、50以下であることを特徴とする[1]または[5]に記載のAl系めっき鋼板。
[7]
前記中間皮膜層は、前記(C)に規定する条件を満たし、
前記中間皮膜層に含まれるフッ素の量が2000mg/m2以下であることを特徴とする[1]に記載のAl系めっき鋼板。
[8]
前記中間皮膜層は、前記(C)に規定する条件を満たし、
前記フッ化物塩は、AlF3、AlOF、LiF、NaF、KF、MgF2、CaF2の少なくとも1種または2種であることを特徴とする、[1]または[7]に記載のAl系めっき鋼板。
[9]
前記母材の両面にそれぞれ、前記Al系めっき層、前記中間皮膜層、および前記表面皮膜層の三層が形成されたことを特徴とする[1]乃至[8]の何れか1項に記載のAl系めっき鋼板。
[10]
前記Al系めっき層に含まれるAlが、質量%で70%以上であることを特徴とする請求項1乃至9の何れか1項に記載のAl系めっき鋼板。
[11]
前記母材は、質量%で、
C:0.01%以上、0.5%以下、
Si:2.0%以下、
Mn:0.01%以上、3.5%以下、
P:0.1%以下、
S:0.05%以下、
Al:0.001%以上、0.1%以下、
N:0.01%以下、
残部がFeおよび不可避的不純物であることを特徴とする[1]乃至[10]の何れか1つに記載のAl系めっき鋼板。
[12]
前記母材は、さらに、質量%で、
Ti:0.005%以上、0.1%以下、
B:0.0003%以上、0.01%以下、
Cr:0.01%以上、1.0%以下、
Ni:0.01%以上、5.0%以下、
Mo:0.005%以上、2.0%以下、
Cu:0.005%以上、1.0%以下のうち、1種または2種以上を含有することを特徴とする[11]に記載のAl系めっき鋼板。
片面にAl系めっき層、中間皮膜層、および表面皮膜層を設けた本発明のAl系めっき鋼板の断面概念図。 両面にそれぞれ、Al系めっき層、中間皮膜層、および表面皮膜層を設けた本発明のAl系めっき鋼板の断面概念図。
以下に、熱間プレス用として好適な、本発明に係るAl系めっき鋼板(以下、単に「鋼板」と称する場合がある)の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を限定するものではない。また、上記実施形態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。さらに、上記実施形態に含まれる各種形態は、当業者が自明の範囲内で任意に組み合わせることができる。
図1に本発明のAl系めっき鋼板の一例を示した。本発明のAl系めっき鋼板100は、母材101の表面にAl系めっき層103を形成し、Al系めっき層103の表面に中間皮膜層105を形成し、中間皮膜層105の表面に表面皮膜層107を形成することにより、構成される。そして、表面皮膜層107は、有機樹脂111により接合したZnO粒子109からなる。
また、中間皮膜層105は熱間プレス時のAl系めっき層103中のAlの酸化防止、及び表面皮膜層107中のZnO粒子109の還元防止の層である。より具体的には、熱間プレス時に、表面皮膜層107中のZnO粒子109が、Al系めっき層103中のAlに還元されてZnとなり、Znがプレス時の高温で蒸発して消失するのを防止する。
このような効果を得るためには、中間皮膜層105に、ある程度の絶縁性と酸素バリア性が求められる。また、プレス時の摺動に耐えるように、Al系めっき層103との間の密着性も要求される。本発明者は、このような条件を満たす中間皮膜層105として、以下の(A)から(E)のいずれか1つの条件を満たすものを確認した。
(A)厚みが10nm以上、1000nm以下であり、SとAlとOを主成分とし、S及びAlの質量比[S]/[Al]が0.0008以上、0.49以下、かつ、S及びOの質量比[S]/[O]が0.001以上、0.55以下。
(B)ホウ酸塩、ケイ酸塩、スルホン酸塩、スルフィン酸塩、過マンガン酸塩、リン酸塩の1種または2種以上からなるオキソ酸塩を含み、付着厚みが10nm以上、500nm以下。
(C)アルミニウム、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの少なくとも1種の、フッ化物塩であり、含まれるフッ素の量が20mg/m2以上。
(D)化学式(1)で表わされるAl系層状複水酸化物を金属M換算で10mg/m2以上、1000mg/m2以下含む。
[M2+ 1-xAl3+ x(OH)2][An- x/n・mH2O] ・・・(1)
ここで、M2+は二価の金属イオン(Zn2+を除く)であり、An-はn価の陰イオンであり、xは1未満の正数、nは陰イオンの価数、mは正数である。
(E)Al、ZrO、TiO、SiO、AlN、TiN、Si、TiC、SiCのいずれか1種からなるセラミックス蒸着膜、もしくはAl、ZrO、TiO、SiO、AlN、TiN、Si、TiC、SiCの2種以上から成る複合セラミックス蒸着膜から成り、厚さが10nm以上、1000nm以下。
以下、条件(A)から(E)について、第1から第5の実施形態として、それぞれ説明する。
第1の実施形態:
まず、第1の実施形態の各層について、以下に詳細に説明する。第1の実施形態は、中間皮膜層105が、条件(A)を満たすものである。
<Al系めっき鋼板100>
[母材101]
第1の実施形態のAl系めっき鋼板100に用いる母材101(Al系めっき層103を形成するための部材)としては、めっき層形成後に熱間プレスを行っても、優れた機械的強度(引張強さ、降伏点、伸び、絞り、硬さ、衝撃値、疲れ強さ、クリープ強さ等の機械的な変形及び破壊に関する諸性質を意味する)を有するような部材を使用する。例えば、C(炭素)や合金元素の添加によって焼入れ性を高めた部材を用いる。これにより、後述するようなAl系めっき層103、中間皮膜層105及び表面皮膜層107を形成して得たAl系めっき鋼板100に対して、熱間プレスを施して得られた自動車部品においては、優れた機械的強度が発現される。
即ち、第1の実施形態のAl系めっき鋼板100用の母材101は、優れた機械的強度を有するものであれば公知のものを利用することができる。例えば、以下の成分を有するものを母材101として利用することができるが、母材101の成分はこれに限られない。
第1の実施形態の母材101は、例えば、質量%で、C:0.01%以上、0.5%以下、Si:2.0%以下、Mn:0.01%以上、3.5%以下、P:0.1%以下、S:0.05%以下、Al:0.001%以上、0.1%以下、N:0.01%以下を含有し、Ti:0.005%以上、0.1%以下、B:0.0003%以上、0.01%以下、Cr:0.01%以上、1.0%以下、Ni:0.01%以上、5.0%以下、Mo:0.005%以上、2.0%以下、Cu:0.005%以上、1.0%以下の1種または2種以上を任意選択的に含有することができ、さらにW、V、Nb、Sb等の元素を含有でき、残部は、Fe及び不可避的不純物からなる。以下、母材101中に添加される各成分について、詳述する。以下の記載において各成分の単位%は全て質量%を意味する。
(C:0.01%以上、0.5%以下)
炭素(C)は、鋼に不可避的に含まれ、また、母材101の目的とする機械的強度を確保するために含有させる。Cの含有量を過剰に低減させることは、製錬コストを増大させるため、0.01%以上含有させることが好ましい。さらに、Cの含有量が0.1%以上であると、機械的強度を向上するために多量に他の合金元素を添加する必要がなくなるため、Cを添加することによる強度向上の効果が大きい。一方、Cの含有量が0.5%超であると、母材101をさらに硬化させることができるものの、溶融割れが生じ易くなる。従って、Cは、0.01%以上、0.5%以下で含有させることが好ましく、強度向上と溶融割れ防止の観点からは、0.1%以上、0.4%以下の含有量で添加することがより好ましい。なお、Cの含有量は0.15%以上、0.35%以下とすることがさらに好ましい。
(Si:2.0%以下)
珪素(Si)は、脱酸剤として添加されるなど、鋼の精錬過程において不可避的に含まれる元素である。しかしながら、Siの過度な添加は鋼板製造時の熱延工程での延性低下やその結果として表面性状などを損ねるため、2.0%以下とすることが好ましい。
また、Siは、母材101の機械的強度を向上させる強化元素の一つであり、Cと同様に、目的とする機械的強度を確保するために添加してもよい。Siの含有量が0.01%未満であると、強度向上効果を発揮しにくく、十分な機械的強度の向上が得られにくい。一方、Siは、易酸化性元素でもあるため、Siの含有量が0.6%超であると、溶融Al系めっきを行う際に、濡れ性が低下し、不めっきが生じる可能性がある。従って、Siは、0.01%以上、0.6%以下の含有量で添加することがより好ましい。なお、Siの含有量は0.05%以上、0.5%以下とすることがさらに好ましい。
(Mn:0.01%以上、3.5%以下)
マンガン(Mn)は、脱酸剤として添加されるなど、鋼の精錬過程において不可避的に含まれる元素である。しかしながら、Mnの過度な添加は、鋳造時のMnの偏析による品質の均一性を損ない、鋼板が過剰に硬化し、熱間、冷間加工時の延性の低下を招くため、3.5%以下とすることが好ましい。一方、Mnの含有量を0.01%未満に低下させると、Mnを除去する工程やコストが増加するため、Mnの含有量は0.01%以上が好ましい。よって、Mnは、0.01%以上、3.5%以下とすることが好ましい。
加えて、Mnは、母材101の強化元素の1つであり、焼入れ性を高める元素の1つでもある。さらに、Mnは、不可避的不純物の1つであるS(硫黄)による熱間脆性を低く抑えるのにも有効である。そのため、Mnの含有量を0.5%以上とすることにより、焼入れ性向上や、熱間脆性抑制の効果を得ることができる。一方、Mnの含有量が3%超であると、残留γ相が多くなり過ぎて強度が低下するおそれがある。従って、Mnは、0.5%以上、3%以下の含有量で添加されることがより好ましい。なお、Mnの含有量は1%以上、2%以下とすることがさらに好ましい。
(P:0.1%以下)
りん(P)は、不可避的に含有される元素である一方で固溶強化元素でもあり、比較的安価に母材101の強度を向上させる元素である。しかしながら、経済的な精錬限界から含有量の下限を0.001%とすることが好ましい。一方、Pの含有量が0.1%超であると、母材101の靭性が低下するおそれがある。従って、Pの含有量は、0.001%以上、0.1%以下であることが好ましい。なお、Pの含有量は0.01%以上、0.08%以下とすることがさらに好ましい。
(S:0.05%以下)
硫黄(S)は、不可避的に含有される元素であり、MnSとして母材101中の介在物となって破壊の起点となり、延性や靭性を阻害して加工性劣化の要因となる。このため、Sの含有量は低いほど好ましく、含有量の上限を0.05%とすることが好ましい。一方、Sの含有量を低下させるためには製造コストの上昇が見込まれるため、含有量の下限は0.001%とすることが好ましい。なお、Sの含有量は0.01%以上、0.02%以下とすることがさらに好ましい。
(Al:0.001%以上、0.1%以下)
アルミニウム(Al)は、脱酸剤として母材101中に含有される成分であるが、めっき性阻害元素でもある。このため、Alの含有量の上限は0.1%とすることが好ましい。一方、Alの含有量の下限は特に規定するものではないが、経済的な精錬限界から、例えば0.001%とすることが好ましい。なお、Alの含有量は0.01%以上、0.08%以下とすることがさらに好ましい。
(N:0.01%以下)
窒素(N)は、不可避的に含有される元素であって、母材101の各種の特性を安定化させる観点からは、その含有量を固定することが好ましく、具体的には、Ti、Al等の元素の含有量に基づいて固定することが可能である。一方、Nの含有量が多過ぎると、Ti、Al等の含有量が多くなり、母材101の製造コストの増加が見込まれるため、Nの含有量の上限は0.01%とすることが好ましい。
(Ti:0.005%以上、0.1%以下、B:0.0003%以上、0.01%以下、Cr:0.01%以上、1.0%以下、Ni:0.01%以上、5.0%以下、Mo:0.005%以上、2.0%以下、Cu:0.005%以上、1.0%以下の1種または2種以上)
(Ti:0.005%以上、0.1%以下)
チタン(Ti)は、母材101の強化元素の1つであり、母材101表面に形成されるAl系めっき層103の耐熱性を向上させる元素でもある。Tiの含有量が0.005%未満であると、強度向上効果や耐熱性を十分に得ることができない。一方、Tiは、添加し過ぎると、例えば炭化物や窒化物を形成して、母材101を軟質化させるおそれがある。特に、Tiの含有量が0.1%超であると、目的とする機械的強度を得られない可能性が高い。従って、Tiは、0.005%以上、0.1%以下の含有量で添加されることが好ましい。なお、Tiの含有量は0.03%以上、0.08%以下とすることがさらに好ましい。
(B:0.0003%以上、0.01%以下)
ホウ素(B)は、焼入れ時に作用して母材101の強度を向上させる効果を有する元素である。
Bの含有量が0.0003%未満であると、このような強度向上効果が十分に得られない。一方、Bの含有量が0.01%超であると、母材101中に介在物(例えば、BN、炭硼化物、など)が形成されて脆化し、疲労強度を低下させるおそれがある。従って、Bは、0.0003%以上、0.01%以下の含有量で添加されることが好ましい。なお、Bの含有量は0.001%以上、0.008%以下とすることがさらに好ましい。
(Cr:0.01%以上、1.0%以下)
クロム(Cr)は、Al系めっき層103を合金化してAl−Fe合金層を形成する際に、Al系めっき層103を母材101との界面に生成することで、Al系めっき層103が剥離する原因となるAlNの生成を抑制する効果がある。また、Crは、耐摩耗性を向上させる元素の一つであり、焼入れ性を高める元素の一つでもある。Crの含有量が0.01%未満であると、上記の効果を十分に得ることができない。一方、Crの含有量が1.0%超であると、上記の効果が飽和するだけでなく鋼板の製造コストも上昇する。従って、Crは、0.01%以上、1.0%以下の含有量で添加されることが好ましい。なお、Crの含有量は0.5%以上、1.0%以下とすることがさらに好ましい。
(Ni:0.01%以上、5.0%以下)
ニッケル(Ni)は、熱間プレス時の焼き入れ性を向上させる効果がある。また、Niには母材101の耐食性を高める効果もある。ただし、Niの含有量が0.01%未満であると、上記の効果を十分に得ることができない。一方、Niの含有量が5.0%超であると、上記の効果が飽和するだけでなく鋼板の製造コストも上昇する。従って、Niは、0.01%以上、5.0%以下の含有量で添加されることが好ましい。
(Mo:0.005%以上、2.0%以下)
モリブデン(Mo)は、熱間プレス時の焼き入れ性を向上させる効果がある。また、Moには母材101の耐食性を高める効果もある。ただし、Moの含有量が0.005%未満であると、上記の効果を十分に得ることができない。一方、Moの含有量が2.0%超であると、上記の効果が飽和するだけでなく鋼板の製造コストも上昇する。従って、Moは、0.005%以上、2.0%以下の含有量で添加されることが好ましい。
(Cu:0.005%以上、1.0%以下)
銅(Cu)は、熱間プレス時の焼き入れ性を向上させる効果がある。また、Cuには母材101の耐食性を高める効果もある。Cuの含有量が0.005%未満であると、上記の効果を十分に得ることができない。一方、Cuの含有量が1.0%超であると、上記の効果が飽和するだけでなく鋼板の製造コストも上昇する。従って、Cuは、0.005%以上、1.0%以下の含有量で添加されることが好ましい。
(W、V、Nb、Sb)
なお、第1の実施形態の母材101は、上述した複数の元素に加えて、タングステン(W)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、アンチモン(Sb)等の元素を選択的に添加してもよい。これらの元素についての添加量は、公知の範囲であれば、いずれの添加量についても採用することができる。
(残部)
母材101の残部は、鉄(Fe)と不可避的不純物のみである。不可避的不純物とは、原材料に含まれる成分、或いは製造の過程で混入される成分であって、母材101に意図的に含有させた成分ではない成分をいう。
このような成分で形成される母材101は、熱間プレスなどによる加熱により焼入れすることで、約1500MPa以上の機械的強度を有することができる。このように優れた機械的強度を有する鋼板ではあるが、熱間プレスによって加工すれば、加熱により軟化した状態でプレスを行うことができるので、容易に成形することができる。また、プレス後、高温から冷却された母材101は、高い機械的強度を実現でき、ひいては軽量化のために薄くしたとしても機械的強度を維持又は向上させることができる。
[Al系めっき層103]
Al系めっき層103は、母材101の少なくとも片面に形成される。Al系めっき層103は、例えば、溶融めっき法により形成することができるが、当該形成方法はこれに限定されない。Al系めっき層103は、主成分としてAlを含有していればよい。ここでいう、「主成分」とは、Alを50質量%以上含むことをいう。好ましい主成分量は、Alが70質量%以上であり、Al系めっき層103はAlを70質量%以上含むものが好ましい。Al以外の成分は、特に限定しないが、Siを任意の量添加してもよい。
Al系めっき層103は、母材101の腐食を防止する。また、Al系めっき層103は、熱間プレス前の加熱の際に、鋼板表面にスケール(鉄の酸化物)が生成することを防止する。このため、母材101の少なくとも片面にAl系めっき層103が存在することで、スケール除去工程、表面清浄化工程及び表面処理工程などを省略することができ、ひいては自動車部品等の生産性を向上させることができる。さらに、Al系めっき層103は、有機系材料による皮膜や、他の金属系材料(例えば、Zn系材料)による皮膜よりも融点が高いので、熱間プレスの際、高温での加工が可能となる。
なお、Al系めっき層103に含まれるAlの一部又は全部は、溶融めっき時や、熱間プレス時に、母材101中のFeと合金化することがある。よって、Al系めっき層103は、必ずしも成分が一定である単一の層で形成されるとは限らず、部分的に合金化した層(合金層)、あるいは、表面より濃度勾配が変化する鋼−アルミニウム傾斜合金層を含むものとなる場合がある。
[中間皮膜層105]
中間皮膜層105は、Al系めっき層103の表面に形成され、めっき層中のAlの酸化防止及び表面皮膜層107中のZnOの還元防止に作用する。中間皮膜層105は、厚みが10nm以上、1000nm以下であり、SとAlとOを主成分とするものである。ここでいう「主成分とする」とは、S、Al、Oの合計質量で、中間皮膜層105中の85質量%以上を占めることをいう。典型的には、S、Al、O以外の成分元素は原料、製造工程に由来して不可避に混入する元素である。
母材101の両面にAl系めっき層103が形成されている場合には、少なくとも片側の当該Al系めっき層103上に中間皮膜層105を形成することができる。もちろん母材101の片面のみにAl系めっき層103が形成されている場合には、その上に直接形成する(図1参照)。さらに、Al系めっき層103が母材101の両面に形成されている場合は、当該両面のAl系めっき層103の各々の上に隣接して直接形成して、Al系めっき層103、中間皮膜層105、表面皮膜層107の三層を形成する(図2参照)。
中間皮膜層105は、Al系めっき層103を陽極としてSイオンを含む電解質溶液中、例えば、硫酸などを含む溶液中で通電する、陽極酸化を施すことによって形成することができる。また、硫酸アルミニウム(Al(SO)及び/或いはその水和物などを塗布して加熱することによっても、中間皮膜層105を形成することは可能である。
第1の実施形態の中間皮膜層105は、Al、Oの他に、Sを含むことを最大の特徴とする。Sは、Sを含有するAl酸化物(アルミナ)の形態で前記中間皮膜層105を構成することが典型的に考えられるが、前記Sを含有するAl酸化物及び他の硫酸塩との混合物の形態で前記中間皮膜層105に含有されていても良い。例えば、硫酸アルミニウム、或いは硫酸アルミニウム及び他の硫酸塩との混合物の形態で、Sは前記中間皮膜層105に含有されていても良い。尚、前記硫酸塩は、硫酸マグネシウム、硫酸銅であっても良い。SとAlとO以外の含有許容量については後述する。また、中間皮膜層105は、硫酸アルミニウムそのもので構成されていてもよい。
中間皮膜層105がSを含まない場合、例えば、大気酸化によってAl系酸化物を形成しても、Sを含有しないAlが形成されるに過ぎず、めっき層中のAlの酸化防止及び表面皮膜層107中のZnOの還元防止という効果を得ることができない。また、Sを含まない溶液中での陽極酸化によってAl系酸化物を形成しても、ポーラスな構造のAl層が形成されて緻密な構造が形成されないため、当該陽極酸化皮膜は、Alの酸化防止及びZnOの還元防止の効果が得られない。この理由は必ずしも明らかではないが、Sを含む場合に、中間皮膜層105の緻密性が増すためではないかと推定している。例えば、Al系めっき層103を陽極としてSイオンを含む電解質溶液中で陽極酸化を施した場合、Sを含有する緻密な層が前記Al系めっき層103上に形成される。このことから、Sが硫酸アルミニウムとして中間皮膜層105に取り込まれることによって、前記中間皮膜層105は緻密化されたと推定される。
以上のようなことからして、中間皮膜層105中のS量を規定する必要がある。第1の実施形態においては、中間皮膜層105中S量を、S及びAlの質量比[S]/[Al](S/Al比)が0.0008以上、0.49以下、かつ、S及びOの質量比[S]/[O](S/O比)が0.001以上、0.55以下とすることで規定した。S及びAlの質量比[S]/[Al]が0.0008未満、または、S及びOの質量比[S]/[O]が0.001未満であると、中間皮膜層105中のS量が少なすぎて、ZnOの還元を防止することができない。一方、S及びAlの質量比[S]/[Al]が0.49超、または、S及びOの質量比[S]/[O]が0.55超であると、中間皮膜層105中のS量が多量になりすぎ、O、Alと形成する化合物が分解して消失しやすくなるため、ZnOの還元を防止できない。
さらに、めっき層中のAlの酸化防止及び表面皮膜層107中のZnOの還元防止という効果を高めるには、中間皮膜層105に含まれるS/Al比、および、S/O比の下限を制御することが好ましい。S/Al比、S/O比の下限は、中間皮膜層105の緻密性と相関関係があると推定されており、S/Al比は、好ましくは0.005以上、より好ましくは0.008以上、S/O比は、好ましくは0.005以上、より好ましくは0.01以上とする。一方、表面皮膜層107による潤滑性の向上という効果を維持するために、S/Al比、S/O比の上限を制御することが好ましい。S/Al比、S/O比の上限は、表面皮膜層107の形態と相関関係があると推定されており、S/Al比、S/O比が高すぎると表面皮膜層107に多数の空孔が形成され、塗装後の耐食性や密着性が低下する場合がある。そのため、S/Al比の上限は、0.1以下が好ましく、より好ましくは0.05以下、S/O比の上限は、0.12以下が好ましく、より好ましくは0.08以下とする。
中間皮膜層105に含まれるS及びAlの質量比[S]/[Al]、S及びOの質量比[S]/[O]は、オージェ電子分光法(Auger Electron Spectroscopy、AES)、X線光電子分光法(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis、ESCA)、高周波グロー放電発光分析法(Glow Discharge Spectroscopy、GDS)により、Al系めっき鋼板100の表面から深さ方向に測定して求めた、Al、O及びSの濃度換算プロファイルから算出することができる。また、陽極酸化によって中間皮膜層105を形成する場合、S/O比は、陽極電解の条件、特に、電解液に含まれるSイオンの濃度によって制御することができる。
第1の実施形態の中間皮膜層105は、SとAlとOの他、必要に応じてその他の成分を残りの15質量%未満含んでも良い。また、第1の実施形態の中間皮膜層105は、S及びアルミナからなることが好ましいが、中間皮膜層105の内部や、表面皮膜層107との界面に処理液残渣等の不純物を含む場合がある。前記不純物として、Al、AlOF、AlH、AlO(OH)、Al三水和物、Al一水和物等が含まれていても良い。不純物の許容量は、10質量%以下が好ましい。
中間皮膜層105の厚みは、10nm未満では、酸素の拡散を防止するバリアとして十分に機能せず、めっき層中のAlの酸化防止及び表面皮膜層107中のZnOの還元防止という効果を得ることができない。また、Zn残存量が少ないと化成処理(りん酸亜鉛処理)した際にりん酸亜鉛付着量が不十分となるため塗膜密着性が確保できずに塗装後耐食性が十分に確保できない。したがって、中間皮膜層105の厚みの下限を10nm以上とし、好ましくは20nm以上とする。一方、中間皮膜層105の厚みが1000nmを超えると、溶接性が阻害される。したがって、中間皮膜層105の厚みの上限を1000nm以下とし、好ましくは400nm以下とする。中間皮膜層105の厚みは、Al系めっき鋼板100の表面に形成された、Al系めっき層103、中間皮膜層105及び表面皮膜層107の断面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、SEM)又は透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope、TEM)によって観察し、測定することができる。中間皮膜層105と、Al系めっき層103は、そのコントラストの違いにより、電子顕微鏡写真において、両者の界面(境界)が明確に観察できるので、中間皮膜層105から、境界までの距離を測定することにより、中間皮膜層105の厚さを決定することができる。また、陽極酸化によって中間皮膜層105を形成する場合、厚みは、陽極電解の条件、特に、電流密度と電気量によって制御することができる。
[表面皮膜層107]
表面皮膜層107は、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子109と、有機樹脂111を含有するとともに、上記ZnO粒子109の付着量が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下であることが必要である。なお、母材101の両面にAl系めっき層103が形成されている場合には、少なくとも片側の当該Al系めっき層103上の中間皮膜層105の上に、表面皮膜層107を形成することができる。
表面皮膜層107は、例えば、水や有機溶剤などの各種溶剤中に上記の各成分を混合させた液を用いて形成することができる。
(ZnO粒子109)
熱間プレスで良好な加工性及び耐食性を得るためには、中間皮膜層105上に、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子109が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下の付着量で形成されていることが必要である。ZnO粒子109は金型と点接触し、動摩擦係数を低下させて加工性を向上させる。しかしながら、ZnO粒子109の平均粒径が0.10μm未満では、プレス加工時にZnO粒子109と金型との接触点が多過ぎるため、加工性が十分に向上しない。
一方、ZnO粒子109の平均粒径が5.00μmを超えると、溶接性が悪化する。ZnOは絶縁性であるが、粒径が小さいときには溶接圧加時につぶれることで通電点を十分確保することができる。しかしながら、ZnO粒子109の平均粒径が大きくなり5μmを超えると溶接圧加時にZnO粒子109がつぶれにくくなる。その結果、通電点を十分確保することができず、チリが出やすくなるため溶接性が悪化する。
尚、ZnO粒子109の平均粒径の測定方法は、特に限定されない。例えば、走査型電子顕微鏡(SEM、Scanning Electron Microscope)等によって、任意の10個以上のZnO粒子109を2000倍で観察して各粒子の最大粒径を測定し、平均値を算出して求めればよい。或いは、粒度分布測定装置を用いて、ZnO粒子109の平均粒径を求めても良い。
また、表面皮膜層107の全てのZnO粒子109の付着量が金属Zn換算で0.5g/m未満では、熱間プレス時に十分な加工性を得ることができない。また、ZnO粒子109の付着量が増大するほど、鋼板の加工性や耐食性は増加するものの、表面皮膜層107の皮膜電気抵抗が上昇することから、鋼板の抵抗溶接性(例えば、スポット溶接性)が低下する。即ち、表面皮膜層107の全てのZnO粒子109の付着量が金属Zn換算で10.0g/mを超えると、鋼板の抵抗溶接性を十分に得ることが難しい。
なお、ここでいう付着量とは、熱間プレス時に、コンベアに載せて加熱する前の付着量である。
(有機樹脂111)
第1の実施形態のAl系めっき鋼板100において、表面皮膜層107の構成要素である有機樹脂111は、ZnO粒子109を当該皮膜中に保持するバインダとして機能するものであれば、特に限定されない。有機樹脂111は、熱間プレス前の加熱時に燃焼して消失し、その後の処理であるプレス加工や溶接等に影響しないためである。有機樹脂111を水系の薬剤とする場合には、ZnOと同様に弱アルカリ性で安定なカチオン樹脂を用いることが好ましく、例えば、カチオン系ウレタン樹脂やカチオン系アクリル樹脂を用いることができる。なお、第1の実施形態においては、薬剤中の有機樹脂の濃度(g/kg)比率については、特に規定しない。また、第1の実施形態の有機樹脂111として使用できる樹脂は、カチオン系ウレタン樹脂(第一工業製薬社製、製品名スーパーフレックス650)などである。
有機樹脂111にバインダとしての作用を十分に発現させるためには、表面皮膜層107全体に対する有機樹脂111の含有量を、質量%で、10%以上、60%以下とすることが好ましい。上記含有量が10%未満であると、バインダとしての作用が十分に発現されず、加熱前の塗膜が剥離し易くなる。なお、バインダとしての作用を安定して得るためには、有機樹脂111の上記含有量を、15%以上とすることがより好ましい。一方、有機樹脂111の含有量が60%超であると、加熱時の不快臭の発生が顕著になる。
なお、Al系めっき層103上へのZnO粒子109の付着量は、XRF(蛍光X線、X−ray Fluorescence)を用いた検量線法によって測定することができる。
Al系めっき層103上への中間皮膜層105及び表面皮膜層107の形成方法は、特に限定されない。中間皮膜層105はSイオンを含む溶液中で陽極酸化することによって形成することができる。また、Sイオンを含む溶液を塗布して、熱処理を施してもよい。陽極酸化によって中間皮膜層105を形成する場合、陽極電解の条件、特に、電気量によって厚みを制御することができる。熱処理を施す場合は、加熱温度や保持時間によって中間皮膜層105の厚みを制御することができる。中間皮膜層105のS/O比は溶液に含まれるSイオンの濃度によって制御することができる。表面皮膜層107は上記の各主成分を溶解させた水溶液や溶剤を、Al系めっき層103上に、ロールコーターやスプレー等の公知の手法で塗布し、乾燥させることによって、形成することができる。
電解液の濃度は、硫酸溶液を使用する場合、陽極酸化の場合は、溶媒に対して1vol%以上、10vol%以下の濃度の硫酸水溶液が使用できる。また、硫酸アルミニウム水溶液の焼き付けによっても形成できる。その場合の硫酸アルミニウム水溶液の濃度は、溶媒に対して20vol%以上、35vol%以下が好ましく、塗布量は0.5ml/m以上、5ml/m以下が好ましい。電流密度は、酸溶液を使用する場合、陽極酸化の場合は、10mA/cm以上、500mA/cm以下とすることができ、電気量は、15C以上、1500C(クーロン)以下とすることができる。
また、表面皮膜層107を形成する際には、塗布後の乾燥方法についても特に限定されないが、熱風、IH(誘導加熱、Induction Heating)、NIR(近赤外、Near InfraRed)、通電加熱等の、各方式を用いることができる。さらに、乾燥の際の昇温温度については、バインダである有機樹脂111のガラス転移温度(Tg)を考慮して、適宜設定することが好ましい。
以上説明したように、第1の実施形態のAl系めっき鋼板100(鋼板)によれば、表面皮膜層107及び中間皮膜層105により、コンベアとの接触部でZnO皮膜が消失することなく熱間プレスでの優れた潤滑性を発現するため、熱間プレス時の優れた加工性や熱間プレス後の優れた耐食性等を実現することができる。また、第1の実施形態のAl系めっき鋼板100によれば、潤滑性に優れる表面皮膜層107の存在により、金型への凝着を抑制することができる。仮に、Al系めっき層103が加熱によってパウダリングした場合であっても、潤滑性に優れる表面皮膜層107の存在により、後続のプレスに使用される金型にパウダ(Al−Fe粉など)が凝着することが抑制される。従って、第1の実施形態のAl系めっき鋼板100を熱間プレスする場合には、金型に凝着したAl−Fe粉を除去する工程などが不要であり、優れた生産性を実現することができる。
第2の実施形態:
次に、第2の実施形態の各層について、以下に詳細に説明する。第2の実施形態は、中間皮膜層105が、条件(B)を満たすものである。
[母材101]
第2の実施形態のAl系めっき鋼板100に用いる母材101は、めっき層形成後に熱間プレスを行っても、優れた機械的強度(引張強さ、降伏点、伸び、絞り、硬さ、衝撃値、疲れ強さ、クリープ強さ等の機械的な変形および破壊に関する諸性質を意味する)を有する部材を使用する。例えば、C(炭素)や合金元素の添加によって焼入れ性を高めた部材を用いる。これにより、Al系めっき層103および表面皮膜層107を形成して得た鋼板に対して、熱間プレスを施して得られた自動車部品においては、優れた機械的強度が発現される。
第2の実施形態の母材101は、優れた機械的強度を有するものであれば公知のものを利用することができる。例えば、第1の実施形態と同じ組成を有するものを母材101として利用することができるが、母材101の成分はこれに限られない。
[Al系めっき層103]
Al系めっき層103は、母材101の少なくとも片面に形成される。Al系めっき層103は、例えば、第1の実施形態と同じ製法、組成のものが挙げられる。
[中間皮膜層105]
中間皮膜層105は、Al系めっき層103の表面に形成され、酸化剤として作用する。中間皮膜層105はホウ酸塩、ケイ酸塩、スルホン酸塩、スルフィン酸塩、過マンガン酸塩、リン酸塩の1種または2種以上からなるオキソ酸塩を含み、付着厚みが10nm以上、500nm以下であることが必要である。母材101の両面にAl系めっき層103が形成されている場合には、少なくとも片側のAl系めっき層103の表面に中間皮膜層105を形成することができる。中間皮膜層105は、例えば、水や有機溶媒などの各種溶媒中に、上記の各成分を混合させた液を塗布、乾燥して、形成することができる。中間皮膜層105は、オキソ酸塩を主成分(50質量%超)として含有することが好ましい。より好ましくは、中間皮膜層105は、不可避不純物を除き、オキソ酸塩からなる。
中間皮膜層105の付着厚みが10nm未満では、Al系めっき層103と表面皮膜層107のZnO粒子109とが、接触する部位が存在してしまうため、熱間プレスの加熱時にZnOの消失を抑制することができない。また、耐食性も悪化する。一方、中間皮膜層105の付着厚みが500nmを超えると、皮膜形成時の体積収縮量が多くなるため、中間皮膜層105の機械的強度が低下し、塗料密着性が低下する。中間皮膜層105の付着厚み(膜厚)の測定は、断面を走査型電子顕微鏡にて観察し、中間皮膜層105の厚みを任意に10点測定してその平均値を膜厚とすればよい。
(オキソ酸塩)
ホウ酸塩、ケイ酸塩、スルホン酸塩、スルフィン酸塩、過マンガン酸塩、リン酸塩の1種または2種以上からなるオキソ酸塩を含む中間皮膜層105は、形成時に均一な皮膜となり、Al系めっき層103と、表面皮膜層107に含まれるZnO(ZnO粒子109)との接触を防止する。さらに、中間皮膜層105に含まれるオキソ酸塩は、熱間プレスの加熱時にAlの酸化を促進させる酸化剤として作用し、ZnOの還元に伴う消失を抑制する。
オキソ酸塩は、ZnO消失の抑制効果をより顕著にするために、ホウ酸塩、ケイ酸塩、スルホン酸塩、スルフィン酸塩、過マンガン酸塩、リン酸塩の1種または2種以上である必要がある。さらに、このうち、過マンガン酸塩は酸化剤としての効果が非常に大きいものの、素地との密着性が弱く、一方、ケイ酸塩は、酸化剤としての効果は、過マンガン酸塩には及ばないものの、素地との密着性が高い。そのため、過マンガン酸塩とケイ酸塩とを適正な比率で混合した混合物とすることにより、ZnO消失抑制と皮膜の素地との密着性を高位に両立することができる。本発明者らによる検討の結果、過マンガン酸塩とケイ酸塩との混合比をMn/Si質量比で1以上、50以下とすることにより、ZnO消失を抑制する効果と密着性とのバランスが極めて良好になることがわかった。各種オキソ酸塩はX線回折法(XRD)にて同定でき、Mn/Si比率は蛍光X線分析装置(XRF)を用いた検量線法での測定結果より算出する。
オキソ酸塩の例としては、ホウ酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸リチウムリン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸アルミニウム、スルホン酸亜鉛、スルフィン酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム、オルトケイ酸亜鉛、ケイ酸リチウム、過マンガン酸亜鉛が挙げられるが、これらに限定されない。
[表面皮膜層107]
表面皮膜層107は、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子109と、有機樹脂111を含有するとともに、ZnO粒子109の付着量が金属Zn換算で0.5g/m2以上、10.0g/m2以下であることが必要である。なお、母材101の両面にAl系めっき層103が形成されている場合には、少なくとも、片側のAl系めっき層103上の中間皮膜層105の表面に、表面皮膜層107を形成することができる。
表面皮膜層107は、例えば、水や有機溶媒などの各種溶媒中に、上記の各成分を混合させた液を用いて形成することができる。
(ZnO粒子109)
熱間プレスで良好な加工性および耐食性を得るためには、Al系めっき層103の表面に、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子109が、金属Zn換算で0.5g/m2以上、10.0g/m2以下の付着量で形成されていることが必要である。ZnO粒子109は金型と点接触し、摺動摩擦係数を低下させて加工性を向上させる。しかしながら、ZnO粒子109の平均粒径が0.10μm未満では、プレス加工時にZnO粒子109と金型との接触点が多過ぎるため、加工性が十分に向上しない。
一方、ZnOは絶縁体であり、ZnO粒子109の平均粒径が5.00μmを超えると、溶接圧加時につぶれにくくなるため、通電点を十分確保することができず、チリが出やすくなって溶接性が悪化する。
なお、ZnO粒子109の平均粒径の測定方法は、特に限定されない。例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)等によって、任意の10個以上のZnO粒子109を2000倍で観察して粒径を測定し、平均値を算出して求めればよい。或いは、粒度分布測定装置を用いて、ZnO粒子109の平均粒径を求めても良い。
また、表面皮膜層107の全てのZnO粒子109の付着量が、金属Zn換算で0.5g/m2未満では、熱間プレス時に十分な加工性を得ることができない。ZnO粒子109の付着量が増大するほど、鋼板の加工性や耐食性は増加するものの、表面皮膜層107の皮膜抵抗が上昇することから、鋼板の抵抗溶接性(例えば、スポット溶接性)が低下する。即ち、表面皮膜層107の全てのZnO粒子109の付着量が、金属Zn換算で10.0g/m2を超えると、鋼板の抵抗溶接性を十分に得ることが難しい。
Al系めっき層103上へのZnO粒子109の付着量は、XRF(蛍光X線、X-ray Fluorescence)を用いた検量線法によって測定することができる。
(有機樹脂111)
第2の実施形態の鋼板において、表面皮膜層107の構成要素である有機樹脂111は、ZnO粒子109を表面皮膜層107中に保持するバインダとして機能するものであれば、特に限定されない。有機樹脂111は、熱間プレス前の加熱時に燃焼して消失し、その後の処理であるプレス加工や溶接等に影響しないためである。有機樹脂111を水系の薬剤とする場合には、ZnOと同様に弱アルカリ性で安定なカチオン樹脂を用いることが好ましく、例えば、カチオン系ウレタン樹脂やカチオン系アクリル樹脂を用いることができる。なお、第2の実施形態においては、薬剤中の有機樹脂111の濃度(g/kg)比率については、特に規定しない。
有機樹脂111にバインダとしての作用を十分に発現させるためには、表面皮膜層107全体に対する有機樹脂111の含有量を、質量%で、10%以上、60%以下とすることが好ましい。上記含有量が10%未満であると、バインダとしての作用が十分に発現されず、加熱前の塗膜が剥離し易くなる。なお、バインダとしての作用を安定して得るためには、有機樹脂111の上記含有量を、15%以上とすることがより好ましい。一方、有機樹脂111の含有量が60%超であると、加熱時の匂い発生が顕著になる。
次に、Al系めっき層103上への中間皮膜層105および表面皮膜層107の形成方法は、それぞれ、特に限定されないが、上記の各主成分を溶解させた水溶液や溶剤を、Al系めっき層の表面に、ロールコーターやスプレー等の公知の手法で塗布し、乾燥させることにより形成することができる。また、塗布後の乾燥方法についても特に限定されないが、熱風、IH(誘導加熱)、NIR(近赤外)、通電加熱等の、各方式を用いることができる。さらに、乾燥の際の昇温温度については、バインダである有機樹脂111のガラス転移温度(Tg)を考慮して、適宜設定することが好ましい。
以上説明したように、第2の実施形態のAl系めっき鋼板100によれば、表面皮膜層107および中間皮膜層105により、コンベアとの接触部でZnOが消失することなく、熱間プレスでの優れた潤滑性を発現するため、熱間プレス時の優れた加工性や熱間プレス後の優れた耐食性等を実現することができる。また、第2の実施形態の鋼板によれば、潤滑性に優れる表面皮膜層107の存在により、金型への凝着を抑制することができる。仮に、Al系めっき層103が加熱によってパウダリングした場合であっても、潤滑性に優れる表面皮膜層107の存在により、後続のプレスに使用される金型にパウダ(Al−Fe粉など)が凝着することが抑制される。従って、第2の実施形態の鋼板を熱間プレスする場合には、金型に凝着したAl−Fe粉を除去する工程などが不要であり、優れた生産性を実現することができる。
第3の実施形態:
次に、第3の実施形態の各層について、以下に詳細に説明する。第3の実施形態は、中間皮膜層が、条件(C)を満たすものである。
[母材101]
第3の実施形態のAl系めっき鋼板100に用いる母材101としては、めっき層形成後に熱間プレスを行っても、優れた機械的強度(引張強さ、降伏点、伸び、絞り、硬さ、衝撃値、疲れ強さ、クリープ強さ等の機械的な変形および破壊に関する諸性質を意味する)を有する部材を使用する。例えば、C(炭素)や合金元素の添加によって焼入れ性を高めた部材を用いる。これにより、Al系めっき層103、および表面皮膜層107を形成して得た鋼板に対して、熱間プレスを施して得られた自動車部品においては、優れた機械的強度が発現される。
第3の実施形態の鋼板用の母材101は、優れた機械的強度を有するものであれば公知のものを利用することができる。例えば、第1の実施形態と同じ組成を有するものを母材101として利用することができるが、母材101の成分はこれに限られない。
[Al系めっき層103]
Al系めっき層103は、母材101の少なくとも片面に形成される。Al系めっき層103は、例えば、第1の実施形態と同じ製法、組成のものが挙げられる。
[中間皮膜層105]
Al系めっき層103の表面には、アルミニウム、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの少なくとも1種の、フッ化物塩である中間皮膜層105が形成される。中間皮膜層105は、例えば水や有機溶媒などの各種溶媒中に、各成分を混合させた液を用いて形成することができる。
具体的なフッ化物塩としては、AlF3、AlOF、LiF、NaF、KF、MgF2、CaF2のうち、1種または2種以上が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
中間皮膜層105をアルミニウム、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のフッ化物塩で構成することにより、中間皮膜層105がその形成時に均一な皮膜となり、Al系めっき層103と、表面皮膜層107のZnOが接触する部位が存在しなくなり、熱間プレスの加熱時にZnOの消失を抑制することができる。
なお、中間皮膜層105がアルミニウム、アルカリ金属およびアルカリ土類金属以外のフッ化物塩で構成されていると、ホットスタンプの加熱時に、中間皮膜層105がAl系めっき層103と反応するため、皮膜の均一性が失われ、Al系めっき層103とZnOとが接触する部位が存在し、ZnOの消失を抑制できない恐れがある。
中間皮膜層105に含まれるフッ化物塩は、中間皮膜層105の均一性に寄与する。中間皮膜層105に含まれるフッ素(F)の量(付着量とも言う)を20mg/m2以上とすることにより、十分な潤滑性と耐食性を得ることができる。
一方、フッ化物塩が増えるほど潤滑性や耐食性は増加するものの、皮膜の電気抵抗が上がるためスポット溶接性が低下する。中間皮膜層105に含まれるフッ素(F)の量が2000mg/m2以下であれば、十分なスポット溶接性を得ることができる。
フッ素(F)の量は、電子線マイクロアナライザを用いた検量線法によって、測定できる。
なお、中間皮膜層105に含まれるフッ化物塩については、フッ素(F)の量が100mg/m2以上、1000mg/m2以下であると、上記効果がそれぞれより高いレベルで奏さるため、より好ましい。
[表面皮膜層107]
表面皮膜層107は、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子109と、有機樹脂111を含有するとともに、上記ZnO粒子109の付着量が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下であることが必要である。なお、母材101の両面にAl系めっき層103が形成されている場合には、少なくとも片側の当該Al系めっき層103上の中間皮膜層105の表面に、表面皮膜層107を形成することができる。
表面皮膜層107は、例えば、水や有機溶媒などの各種溶媒中に、上記の各成分を混合させた液を用いて形成することができる。
(ZnO粒子109)
ZnO粒子109は金型と点接触し、動摩擦係数を低下させて加工性を向上させる。しかしながら、ZnO粒子109の平均粒径が0.10μm未満では、プレス加工時にZnO粒子109と金型との接触点が多過ぎるため、加工性が十分に向上しない。
一方、ZnOは絶縁体であり、ZnO粒子109の平均粒径が5.00μmを超えると、溶接圧加時につぶれにくくなるため、通電点を十分確保することが出来ず、チリが出やすくなって溶接性が悪化する。
よって、ZnO粒子109の平均粒径は0.10μm以上、5.00μm以下が好ましい。
なお、ZnO粒子109の平均粒径の測定方法は、特に限定されない。例えば、走査型電子顕微鏡(SEM、Scanning Electron Microscope)等を用いて、任意の10個以上のZnO粒子109を2000倍で観察して粒径を測定し、平均値を算出して求めればよい。或いは、粒度分布測定装置を用いて、ZnO粒子109の平均粒径を求めても良い。
また、熱間プレス時の加工性を高めるには、ある程度のZnO粒子109の量を確保することが必要であり、Zn量(付着量とも言う)を0.5g/m2以上とすることが好ま
しい。一方、ZnO粒子109の量が増大するにつれて、潤滑性や耐食性は増加するものの、皮膜の電気抵抗が上昇する。このため、スポット溶接性を確保するには、ZnO粒子109の量の上限値をZn量で10.0g/m2とすることが好ましい。
なお、ZnO粒子109の量を、Zn量で1.0g/m2以上、7.0g/m2とした場合には、上記効果がそれぞれさらに高いレベルで発揮されるため、さらに好ましい。
なお、ここでいうZnO粒子109の量とは、熱間プレス時に、コンベアに載せて加熱する前の付着量である。
ZnO粒子109の付着量は、XRF(蛍光X線、X-ray Fluorescence)を用いた検量線法によって測定することができる。
(有機樹脂111)
表面皮膜層107は、上記のとおり有機樹脂111を含有させることができるが、有機樹脂111は、ZnOを表面皮膜層107中に保持する、バインダとして機能すれば良いので、特に限定するものではない。これは、熱間プレス前の加熱時に有機樹脂111が燃焼して消失し、その後の処理である加工や溶接に影響しないためである。有機樹脂111の代わりに水系の薬剤を用いる場合には、ZnOと同様に弱アルカリ性で安定なカチオン樹脂を用いることが望ましく、例えば、カチオン系ウレタン樹脂やカチオン系アクリル樹脂が挙げられる。なお、第3の実施形態においては、薬剤中の有機樹脂111の濃度(g/kg)比率については、特に規定しない。
有機樹脂111にバインダとしての作用を十分に発現させるためには、表面皮膜層107全体に対する有機樹脂111の含有量を、質量%で、10%以上、60%以下とすることが好ましい。
上記含有量が10%未満である場合には、バインダ効果が十分得られず、加熱前の塗膜が剥離し易くなる。換言すれば、樹脂111の含有量を質量比で10%以上とすれば、バインダ効果を安定して得ることができる。一方、樹脂111の含有量が質量比で60%超となる場合には、加熱時の匂い発生が顕著になるため好ましくない。
表面皮膜層107の形成方法は特に限定されないが、水や有機溶媒などの各種溶媒中に上記の各成分を混合させた液を、中間皮膜層の表面にロールコーターやスプレー等の公知の手法で塗布し、乾燥することにより形成することができる。塗布後の乾燥方法についても特に限定されないが、熱風、IH(誘導加熱)、NIR(近赤外)、通電加熱方式等を用いることができる。但し、乾燥時の昇温温度は、バインダである樹脂111のガラス転移温度(Tg)を考慮して、適宜設定することが好ましい。
以上説明したように、第3の実施形態のAl系めっき鋼板100によれば、最表層の表面皮膜層107について、コンベアとの接触部でZnOが消失することなく、熱間プレスでの優れた潤滑性を発現するため、熱間プレス時の優れた加工性や熱間プレス後の優れた耐食性等を実現することができる。また、第3の実施形態の鋼板によれば、潤滑性に優れる表面皮膜層107の存在により、金型への凝着を抑制することができる。仮に、Al系めっき層103が加熱によってパウダリングした場合であっても、潤滑性に優れる表面皮膜層107の存在により、後続のプレスに使用される金型にパウダ(Al−Fe粉など)が凝着することが抑制される。従って、第3の実施形態の鋼板を熱間プレスする場合には、金型に凝着したAl−Fe粉を除去する工程などが不要であり、優れた生産性を実現することができる。
第4の実施形態:
次に、第4の実施形態の各層について、以下に詳細に説明する。第4の実施形態は、中間皮膜層が、条件(D)を満たすものである。
[母材101]
第4の実施形態のAl系めっき鋼板100に用いる母材101としては、めっき層形成後に熱間プレスを行っても、優れた機械的強度(引張強さ、降伏点、伸び、絞り、硬さ、衝撃値、疲れ強さ、クリープ強さ等の機械的な変形および破壊に関する諸性質を意味する)を有するような部材を使用する。例えば、C(炭素)や合金元素の添加によって焼入れ性を高めた部材を用いる。これにより、Al系めっき層103、中間皮膜層105および表面皮膜層107を形成して得た鋼板に対して、熱間プレスを施して得られた自動車部品においては、優れた機械的強度が発現される。
第4の実施形態の鋼板用の母材101は、優れた機械的強度を有するものであれば公知のものを利用することができる。例えば、第1の実施形態と同じ組成を有するものを用いることができるが、母材101の成分はこれに限られない。
[Al系めっき層103]
Al系めっき層103は、母材101の少なくとも片面に形成される。Al系めっき層103は、例えば、第1の実施形態と同じ製法、組成のものが挙げられる。
[中間皮膜層105]
中間皮膜層105は、Al系めっき層103の表面に形成され、Al系めっき層103中のAlの酸化防止、および表面皮膜層107中のZnOの還元防止に作用する。中間皮膜層105は、以下の化学式(1)で表されるAl系層状複水酸化物を、金属M換算で10mg/m2以上、1000mg/m2以下含むことが必要である。
[M2+ 1-xAl3+ x(OH)2][An- x/n・mH2O] ・・・(1)
ここで、化学式(1)におけるM2+は二価の金属イオンであり、An-はn価の陰イオンである。
Aは一種類の元素に限定されず、複数元素を含んでもよい。また、Aを複数種類含む場合は、価数が同じである必要もない。この場合、化学式(1)におけるnは、1以上、3以下とする。
一般に、層状複水酸化物は、二価の金属水酸化物に三価の金属イオンが固溶した複水酸化物であり、水酸化物の層間に陰イオンを挟んだ積層構造の化合物である。Al系層状複水酸化物は、三価の金属イオンがAlであり、任意の二価の金属イオンM2+を含む。
母材101の両面にAl系めっき層103が形成されている場合には、少なくとも片側の当該めっき層の表面に中間皮膜層105を形成することができる。中間皮膜層105は、例えば、水や有機溶媒などの各種溶媒中に上記の各成分(Al3+、M2+、An-)を含有する液を、Al系めっき層103に塗布して乾燥させたり、M2+イオンおよびAn-イオンを含有するアルカリ溶液中に、Al系めっき鋼板100を浸漬したりした後、水洗し、乾燥することにより形成することができる。
また、化学式1におけるxは1未満の正数であり、例えば1/3であるが、1/5以上、1/3以下であるのがより望ましい。
さらに、化学式1におけるmは正数であり、例えば2/3であるが、2/3以上、2以下であるのがより望ましい。
第4の実施形態の中間皮膜層105は、Al系層状複水酸化物の他、必要に応じてその他の成分を含んでも良い。また、第4の実施形態の中間皮膜層105は、Al系層状複水酸化物からなることが好ましく、中間皮膜層105の内部や、表面皮膜層107との界面に処理液残渣等の不純物を含む場合がある。
中間皮膜層105に含まれるAl系層状複水酸化物が、金属M換算で10mg/m未満であると、Al系めっき層103と、表面皮膜層107のZnO粒子109とが接触する部位が存在してしまうため、熱間プレスの加熱時にZnOの消失を抑制することができない。一方、中間皮膜層105に含まれるAl系層状複水酸化物が、金属M換算で1000mg/mを超えると、接触抵抗が増大し、スポット溶接性が悪化する。
以下では、中間皮膜層105に含まれるAl系層状複水酸化物の金属M換算での量を、中間皮膜層105の金属M換算の付着量という場合がある。中間皮膜層105の金属M換算の付着量の測定は、蛍光X線分析の検量線法により測定することが可能である。中間皮膜層105がAl系層状複水酸化物になっているかどうかは、広角XRD(X‐Ray Diffraction)解析により確認することができる。
Al系層状複水酸化物の金属イオンM2+として、アルカリ土類金属イオン、Fe2+、Ni2+、Co2+、Cu2+等を例示できるが、2族から11族の金属イオン、あるいはアルカリ土類金属イオンが好ましい。また、An-は、水酸基(OH-)およびOH-以外の陰イオンを含んでいても良いが、塩化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオンのいずれか1種又は2種以上を含むことが望ましい。M2+がアルカリ土類金属イオン、An-が塩化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオンのいずれか1種又は2種以上を含むことにより緻密性が増し、Al系めっき層103に含まれるAlの酸化をより抑制することができる。なお、M2+がZn2+の場合、Al系層状複水酸化物が加熱により容易にZnOとZnAlに分解してしまい、層状複水酸化物としての構造を維持できないためZn2+は除外する。
さらに、Al系層状複水酸化物の金属イオンM2+がカルシウムイオン、陰イオンが塩化物イオンとなる組成(Ca2Al(OH)6Cl・2H2O)の場合、中間皮膜層105の緻密性が最も向上するので、ZnOの還元およびAlの酸化を抑制することができ、好ましい。
[表面皮膜層107]
表面皮膜層107は、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子109と、有機樹脂111を含有するとともに、上記ZnO粒子109の付着量が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下であることが必要である。なお、母材101の両面にAl系めっき層103が形成されている場合には、少なくとも片側の当該Al系めっき層103上の中間皮膜層105の表面に、表面皮膜層107を形成することができる。
表面皮膜層107は、例えば、水や有機溶媒などの各種溶媒中に、上記の各成分を混合させた液を用いて形成することができる。
(ZnO粒子109)
熱間プレスで良好な加工性および耐食性を得るためには、Al系めっき層103の表面に、平均粒径0.10μm以上、5.00μmのZnO粒子109が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下の付着量で形成されていることが必要である。ZnO粒子109は金型と点接触し、動摩擦係数を低下させて加工性を向上させる。しかしながら、ZnO粒子109の平均粒径が0.10μm未満では、プレス加工時にZnO粒子109と金型との接触点が多過ぎるため、加工性が十分に向上しない。
一方、ZnOは絶縁体であり、ZnO粒子109の平均粒径が5.00μmを超えると、溶接圧加時につぶれにくくなるため、通電点を十分確保することが出来ず、チリが出やすくなって溶接性が悪化する。
なお、ZnO粒子109の平均粒径の測定方法は、特に限定されない。例えば、走査型電子顕微鏡(SEM、Scanning Electron Microscope)等を用いて、任意の10個以上のZnO粒子109を2000倍で観察して粒径を測定し、平均値を算出して求めればよい。或いは、粒度分布測定装置を用いて、ZnO粒子109の平均粒径を求めても良い。
また、表面皮膜層107の全てのZnO粒子109の付着量が、金属Zn換算で0.5g/m未満では、熱間プレス時に十分な加工性を得ることができない。また、ZnO粒子109の付着量が増大するほど、鋼板の加工性や耐食性は増加するものの、表面皮膜層107の皮膜の電気抵抗が上昇することから、鋼板の抵抗溶接性(例えば、スポット溶接性)が低下する。即ち、表面皮膜層107の全てのZnO粒子109の付着量が、金属Zn換算で10.0g/mを超えると、鋼板の抵抗溶接性を十分に得ることが難しい。
なお、ここでいう付着量とは、熱間プレス時に、コンベアに載せて加熱する前の付着量である。
Al系めっき層103上へのZnO粒子109の付着量は、XRF(蛍光X線、X-ray Fluorescence)を用いた検量線法によって測定することができる。
(有機樹脂111)
第4の実施形態の鋼板において、表面皮膜層107の構成要素である有機樹脂111は、ZnO粒子109を当該皮膜中に保持するバインダとして機能するものであれば、特に限定されない。有機樹脂111は、熱間プレス前の加熱時に燃焼して消失し、その後の処理であるプレス加工や溶接等に影響しないためである。有機樹脂111を水系の薬剤とする場合には、ZnOと同様に弱アルカリ性で安定なカチオン樹脂を用いることが好ましく、例えば、カチオン系ウレタン樹脂やカチオン系アクリル樹脂を用いることができる。なお、第4の実施形態においては、薬剤中の有機樹脂111の濃度(g/kg)比率については、特に規定しない。
有機樹脂111にバインダとしての作用を十分に発現させるためには、表面皮膜層107全体に対する有機樹脂111の含有量を、質量%で、10%以上、60%以下とすることが好ましい。上記含有量が10%未満であると、バインダとしての作用が十分に発現されず、加熱前の塗膜が剥離し易くなる。なお、バインダとしての作用を安定して得るためには、有機樹脂111の上記含有量を、15%以上とすることがより好ましい。一方、有機樹脂111の含有量が60%超であると、加熱時の不快臭の発生が顕著になる。
次に、Al系めっき層103上への中間皮膜層105および表面皮膜層107の形成方法は、それぞれ、特に限定されないが、上記の各主成分を溶解させた水溶液や溶剤を、Al系めっき層の表面に、ロールコーターやスプレー等の公知の手法で塗布し、乾燥させることにより形成することができる。また、塗布後の乾燥方法についても特に限定されないが、熱風、IH(誘導加熱、Induction Heating)、NIR(近赤外、Near InfraRed)、通電加熱等の、各方式を用いることができる。さらに、乾燥の際の昇温温度については、バインダである有機樹脂111のガラス転移温度(Tg)を考慮して、適宜設定することが好ましい。
以上説明したように、第4の実施形態のAl系めっき鋼板100(鋼板)によれば、表面皮膜層107および中間皮膜層105を備えることにより、コンベアとの接触部でZnOが消失することなく、熱間プレスでの優れた潤滑性を発現するため、熱間プレス時の優れた加工性や熱間プレス後の優れた耐食性等を実現することができる。また、第4の実施形態の鋼板によれば、潤滑性に優れる表面皮膜層107の存在により、金型への凝着を抑制することができる。仮に、Al系めっき層103が加熱によってパウダリングした場合であっても、潤滑性に優れる表面皮膜層107の存在により、後続のプレスに使用される金型にパウダ(Al−Fe粉など)が凝着することが抑制される。従って、第4の実施形態の鋼板を熱間プレスする場合には、金型に凝着したAl−Fe粉を除去する工程などが不要であり、優れた生産性を実現することができる。
第5の実施形態:
次に、第5の実施形態の各層について、以下に詳細に説明する。第5の実施形態は、中間皮膜層が、条件(E)を満たすものである。
[母材101]
第5の実施形態のAl系めっき鋼板100に用いる母材101(Al系めっき層103を形成するための部材)としては、めっき層形成後に熱間プレスを行っても、優れた機械的強度(引張強さ、降伏点、伸び、絞り、硬さ、衝撃値、疲れ強さ、クリープ強さ等の機械的な変形及び破壊に関する諸性質を意味する)を有するような部材を使用する。例えば、C(炭素)や合金元素の添加によって焼入れ性を高めた部材を用いる。これにより、後述するようなAl系めっき層103、中間皮膜層105及び表面皮膜層107を形成して得たAl系めっき鋼板100に対して、熱間プレスを施して得られた自動車部品においては、優れた機械的強度が発現される。
即ち、第5の実施形態のAl系めっき鋼板100用の母材101は、優れた機械的強度を有するものであれば公知のものを利用することができる。例えば、第1の実施形態と同じ組成を有するものを用いることができるが、母材101の成分はこれに限られない。
[Al系めっき層103]
Al系めっき層103は、母材101の少なくとも片面に形成される。Al系めっき層103は、例えば、第1の実施形態と同じ製法、組成のものが挙げられる。
[中間皮膜層105]
母材101の両面にAl系めっき層103が形成されている場合には、少なくとも片側の当該Al系めっき層103上に中間皮膜層105を形成することができる。もちろん母材101の片面のみにAl系めっき層103が形成されている場合には、その上に直接形成する(図1参照)。さらに、Al系めっき層103が母材101の両面に形成されている場合は、当該両面のAl系めっき層103の各々の上に隣接して直接形成する(図2参照)。
中間皮膜層105は、Al系めっき層103の表面に形成され、Al系めっき層103中のAlの酸化防止及び表面皮膜層107中のZnOの還元防止に作用する。中間皮膜層105はAl、ZrO、TiO、SiO、AlN、TiN、Si、TiC、SiCのいずれか1種からなるセラミックス蒸着膜、もしくはAl、ZrO、TiO、SiO、AlN、TiN、Si、TiC、SiCの2種以上から成る複合セラミックス蒸着膜から成り、厚さが10nm以上、1000nm以下である。
母材101の両面にAl系めっき層103が形成されている場合には、少なくとも片側の当該めっき層上に中間皮膜層105を形成することができる。中間皮膜層105は、例えば、化学蒸着法もしくは物理蒸着法によって形成することができる。
中間皮膜層105の厚みは、10nm未満では、酸素の拡散を防止するバリアとして十分に機能せず、めっき層中のAlの酸化防止及び表面皮膜層107中のZnOの還元防止という効果を得ることができない。また、Zn残存量が少ないと化成処理(りん酸亜鉛処理)した際にりん酸亜鉛付着量が不十分となるため塗膜密着性が確保できずに塗装後耐食性が十分に確保できない。従って、中間皮膜層105の厚みの下限を10nm以上とし、好ましくは20nm以上とする。一方、中間皮膜層105の厚みが1000nmを超えると、溶接性が阻害される。従って、中間皮膜層105の厚みの上限を1000nm以下とし、好ましくは400nm以下とする。中間皮膜層105の厚みは、Al系めっき鋼板100の表面に形成された、Al系めっき層103、中間皮膜層105及び表面皮膜層107の断面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、SEM)又は透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope、TEM)によって観察し、測定することができる。中間皮膜層105と、Al系めっき層103は、そのコントラストの違いにより、電子顕微鏡写真において、両者の界面(境界)が明確に観察できるので、中間皮膜層105から、境界までの距離を測定することにより、中間皮膜層105の厚さを決定することができる。
中間皮膜層105としては、加熱温度に耐えられるAl、ZrO、TiO、SiO、AlN、TiN、Si、TiC、SiCのいずれか1種からなるセラミックス蒸着膜、もしくはAl、ZrO、TiO、SiO、AlN、TiN、Si、TiC、SiCの2種以上から成る複合セラミックス蒸着膜とする。ただし、加熱時にAlによって還元され機能低下が生じたり、酸素を透過し、ZnOの還元が進んだりするのを防止する観点から、上記のうち、特に酸化物がよい。
また、酸化物のうち、加熱時割れ低減のため、熱膨張係数が低いものがよい。
中間皮膜層105が蒸着膜ではない場合、例えば、大気酸化によってAl層を形成しても、めっき層中のAlの酸化防止及び表面皮膜層107中のZnOの還元防止という効果を得ることができない。また、溶液中での陽極酸化によってAl層を形成しても、ポーラスな構造のAl層が形成されて緻密な構造が形成されないため、当該陽極酸化皮膜は、Alの酸化防止及びZnOの還元防止の効果が得られない。例えば、CVD(化学蒸着)によって蒸着膜を形成する事によって、前記中間皮膜層105は緻密化されたと推定される。
[表面皮膜層107]
表面皮膜層107は、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子109と、有機樹脂111を含有するとともに、上記ZnO粒子109の付着量が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下であることが必要である。なお、母材101の両面にAl系めっき層103が形成されている場合には、少なくとも片側の当該Al系めっき層103上の中間皮膜層105の上に、表面皮膜層107を形成することができる。
表面皮膜層107は、例えば、水や有機溶剤などの各種溶剤中に上記の各成分を混合させた液を用いて形成することができる。
(ZnO粒子109)
熱間プレスで良好な加工性及び耐食性を得るためには、中間皮膜層105上に、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子109が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下の付着量で形成されていることが必要である。ZnO粒子109は金型と点接触し、動摩擦係数を低下させて加工性を向上させる。しかしながら、ZnO粒子109の平均粒径が0.10μm未満では、プレス加工時にZnO粒子109と金型との接触点が多過ぎるため、加工性が十分に向上しない。
一方、ZnO粒子109の平均粒径が5.00μmを超えると、溶接性が悪化する。ZnOは絶縁性であるが、粒径が小さいときには溶接圧加時につぶれることで通電点を十分確保することができる。しかしながら、ZnO粒子109の平均粒径が大きくなり5μmを超えると溶接圧加時にZnO粒子109がつぶれにくくなる。その結果、通電点を十分確保することができず、チリが出やすくなるため溶接性が悪化する。
なお、ZnO粒子109の平均粒径の測定方法は、特に限定されない。例えば、走査型電子顕微鏡(SEM、Scanning Electron Microscope)等によって任意の10個以上のZnO粒子109を2000倍で観察して各粒子の最大粒径を測定し、平均値を算出して求めればよい。或いは、粒度分布測定装置を用いて、ZnO粒子109の平均粒径を求めても良い。
また、表面皮膜層107の全てのZnO粒子109の付着量が金属Zn換算で0.5g/m未満では、熱間プレス時に十分な加工性を得ることができない。また、ZnO粒子109の付着量が増大するほど、鋼板の加工性や耐食性は増加するものの、表面皮膜層107の皮膜電気抵抗が上昇することから、鋼板の抵抗溶接性(例えば、スポット溶接性)が低下する。即ち、表面皮膜層107の全てのZnO粒子109の付着量が金属Zn換算で10.0g/mを超えると、鋼板の抵抗溶接性を十分に得ることが難しい。
なお、ここでいう付着量とは、熱間プレス時に、コンベアに載せて加熱する前の付着量である。
(有機樹脂111)
第5の実施形態のAl系めっき鋼板100において、表面皮膜層107の構成要素である有機樹脂111は、ZnO粒子109を当該皮膜中に保持するバインダとして機能するものであれば、特に限定されない。有機樹脂111は、熱間プレス前の加熱時に燃焼して消失し、その後の処理であるプレス加工や溶接等に影響しないためである。有機樹脂111を水系の薬剤とする場合には、ZnOと同様に弱アルカリ性で安定なカチオン樹脂を用いることが好ましく、例えば、カチオン系ウレタン樹脂やカチオン系アクリル樹脂を用いることができる。なお、第5の実施形態においては、薬剤中の有機樹脂の濃度(g/kg)比率については、特に規定しない。また、第5の実施形態の有機樹脂111として使用できる樹脂は、カチオン系ウレタン樹脂(第一工業製薬社製、製品名スーパーフレックス650)などである。
有機樹脂111にバインダとしての作用を十分に発現させるためには、表面皮膜層107全体に対する有機樹脂111の含有量を、質量%で、10%以上、60%以下とすることが好ましい。上記含有量が10%未満であると、バインダとしての作用が十分に発現されず、加熱前の塗膜が剥離し易くなる。なお、バインダとしての作用を安定して得るためには、有機樹脂111の上記含有量を、15%以上とすることがより好ましい。一方、有機樹脂111の含有量が60%超であると、加熱時の不快臭の発生が顕著になる。
なお、Al系めっき層103上へのZnO粒子109の付着量は、XRF(蛍光X線、X-ray Fluorescence)を用いた検量線法によって測定することができる。
次に、Al系めっき層103上への中間皮膜層105の形成方法は、蒸着膜を形成できれば特に限定されない。比較的蒸着膜を容易に形成できる化学蒸着法や物理蒸着法を適用することができる。
一方、表面皮膜層107の形成方法は、特に限定されない。表面皮膜層107は上記の各主成分を溶解させた水溶液や溶剤を、Al系めっき層103上に、ロールコーターやスプレー等の公知の手法で塗布し、乾燥させることによって、形成することができる。
また、表面皮膜層107を形成する際には、塗布後の乾燥方法についても特に限定されないが、熱風、IH(誘導加熱、Induction Heating)、NIR(近赤外、Near InfraRed)、通電加熱等の、各方式を用いることができる。さらに、乾燥の際の昇温温度については、バインダである有機樹脂111のガラス転移温度(Tg)を考慮して、適宜設定することが好ましい。
以上説明したように、第5の実施形態のAl系めっき鋼板100(鋼板)によれば、表面皮膜層107及び中間皮膜層105によりコンベアとの接触部でZnOが消失することなく熱間プレスでの優れた潤滑性を発現するため、熱間プレス時の優れた加工性や熱間プレス後の優れた耐食性等を実現することができる。また、第5の実施形態のAl系めっき鋼板100によれば、潤滑性に優れる表面皮膜層107の存在により、金型への凝着を抑制することができる。仮に、Al系めっき層103が加熱によってパウダリングした場合であっても、潤滑性に優れる表面皮膜層107の存在により、後続のプレスに使用される金型にパウダ(Al−Fe粉など)が凝着することが抑制される。従って、第5の実施形態のAl系めっき鋼板100を熱間プレスする場合には、金型に凝着したAl−Fe粉を除去する工程などが不要であり、優れた生産性を実現することができる。
以下、本発明の効果を発明例により具体的に説明する。なお、本発明は、以下の発明例に用いた条件に限定されるものではない。
実施例A:
表1に示す化学成分(残部はFeおよび不可避的不純物)の冷延鋼板(板厚1.4mm)を使用し、その両面にゼンジマー法で、通常のAlめっき浴を用いてAl系めっき層103を形成した。
なお、母材101に対するAl系めっき層103の付着量は、ガスワイピング法で、片面160g/mに調整した。
Figure 2018180979
次いで、Al系めっき層103が形成された母材101を冷却後、表2、表3に示す形成条件で、各構成要素を含む中間皮膜層105と表面皮膜層107を形成した。試料番号A1乃至A5、A7乃至A15、試料番号A17乃至A23、A27の中間皮膜層105は、表2、表3に示す条件で陽極酸化を行うことによって形成した。尚、試料番号A1乃至A5、A8、A12乃至A15、A18乃至A23、A27の場合、硫酸水溶液が用いられ、試料番号A17の場合、塩酸水溶液が用いられ、試料番号A7、A9乃至11の場合、塩酸及び硫酸の混合水溶液が用いられている。試料番号A6及び試料番号A24は、表2、表3に示す条件にて水溶液を塗布して熱処理を行い、その後焼き付けを行うことにより作製した。試料番号A16は、前記Al系めっき層103を表3に示す条件にて大気酸化を施して作製した。試料番号A25、A26は、前記Al系めっき層103に対して何ら処理を行わないものである。尚、表3の空欄部分は、中間皮膜層105及び表面皮膜層107のうち該当する皮膜層が形成されていないことを示す。
その後、ZnO粒子109の分散剤(堺化学工業社製、製品名DIF−3ST4S)及び有機樹脂111としてカチオン系ウレタン樹脂(第一工業製薬社製、製品名スーパーフレックス650)を混合して調整した溶液を、ロールコーターで中間皮膜層105を形成させたAl系めっき層103上に塗布し、到達板温度80℃で乾燥させ、表面皮膜層107を形成した。表面皮膜層107の有機樹脂111は30質量%(ZnOを70質量%)とした。また、試料番号A24、A25については、有機樹脂111を用いず、ZnO粒子を分散させたシクロペンタシロキサンを塗布した後に80℃で乾燥させた。
このようにして、各試験例のAl系めっき鋼板100を得た。なお、表2、表3に示す表面皮膜層107を形成するための上記溶液は、市販の試薬を使用し、蒸留水と混合することで調整した。尚、表2、表3における「Zn付着量」とは、中間皮膜層105の1平方メートル当たりのZnO粒子109の全付着量を、金属Znの質量に換算して得られた値(単位は、「g/m」)である。
[測定条件]
また、中間皮膜層105の組成、ZnO粒子109の粒径、ZnO付着量は以下のように特定した。
1.中間皮膜層105の組成:
中間皮膜層105は、ほぼAl、O、Sで構成されていた。S/Al比、S/O比は、Al、O、Sのそれぞれについて、HORIBA社製高周波グロー放電発光表面分析装置(製品名:GD−Profiler2)を用い、600Pa、出力35W、アルゴンガス使用条件で2μm深さを測定し、最もS濃度の高い面でのS、Al、O質量%を出力した。5本測定し、その平均値をとった。
2.ZnO粒子109の粒径
日本電子社製走査型電子顕微鏡(製品名:JSM−7800F)を用い、ZnO粒子109を倍率2000倍で観察し、20個のZnO粒子109の最大粒径を測定し、平均値を算出してZnO粒子109の粒径とした。
3.ZnO付着量
Rigaku社製蛍光X線分析装置(製品名:ZSX Primus)を用い、以下の条件でZnO付着量を測定した。測定にあたっては、予め、金属Zn量換算で蛍光X線強度との関係を表す検量線を作成しておき、この検量線に基づき、付着量を決定した。
測定径:30mm
測定雰囲気:真空
スペクトル:Zn−Kα
上記条件により測定した蛍光X線分析のZn−Kαのピークカウント数を用いた。
次に、このようにして製造した各試験例の鋼板の各種特性等を、以下の方法で評価した。
(1)熱間潤滑性(潤滑性)
各試験例の鋼板に対して、熱間で金型引き抜き試験を行うことで、熱間潤滑性を評価した。より詳細には、30mm×350mmの各試験例の鋼板を炉内に挿入して、2枚の幅60mm×長200mm×厚30mmのSiC製板で挟み込み、900℃で6分加熱し、炉から取り出した後、約700℃でSKD11製の平金型(幅50mm×長40mm)を鋼板の両側から押し付け、引き抜き加工をした。SiC製板によって鋼板の両面を挟むことにより、表面からの酸素の供給を十分に防止し、コンベアと接触した重ね合わせ部のZnO皮膜が消失する状況をより過酷な条件で模擬している。押し付け荷重と引き抜き荷重とを測定し、引き抜き荷重/(2×押し付け荷重)で得られる値を熱間摩擦係数とした。なお、動摩擦係数の値は小さいほど熱間潤滑性が優れていることを意味し、表4に示す評価では、0.52未満を合格とした。
(2)塗装後耐食性
120mm×200mmの各試験例の鋼板を炉内に挿入して、SiC製の炉内台座上に評価面を接触させる向きで設置し、900℃に加熱した50mm×50mm×70mmのSUS304ブロックを載せた状態で、900℃で在炉6分加熱し、炉から取り出した後、直ちにステンレス製金型に挟んで急冷した。このときの冷却速度は、約150℃/秒であった。次に、冷却後の各鋼板の中央部より70mm×150mmに剪断し、日本パーカライジング(株)社製化成処理液(PB−SX35)で化成処理後、日本ペイント(株)社製電着塗料(パワーニクス110)を膜厚が20μmとなるように塗装し、170℃で焼き付けた。なお、900℃に設定した大気炉内に熱電対を溶接した70mm×150mmの各鋼板を挿入し、900℃になるまでの温度を計測し、平均昇温速度を算出したところ、5℃/秒であった。
塗装後耐食性評価は、自動車技術会制定のJASO M609に規定する方法で行った。即ち、塗膜に予めカッターでクロスカットを入れ、腐食試験180サイクル(60日)後のクロスカットからの塗膜膨れの幅(片側最大値)を計測した。塗膜膨れの幅の値は小さいほど耐食性が優れていることを意味し、表4に示す評価では、5mm以下を合格とした。
(3)スポット溶接性
スポット溶接性は、次のように評価した。
作製した各試験例の鋼板を加熱炉内に入れ、900℃で在炉6分加熱し、取り出した後直ちにステンレス製の金型で挟んで急冷した。このときの冷却速度は、約150℃/秒であった。次に、冷却後の各鋼板を30×50mmに剪断し、スポット溶接適正電流範囲(上限電流−下限電流)を測定した。測定条件は、以下に示す通りである。下限電流は、ナゲット径3×(t)0.5となったときの電流値とし、上限電流は、散り発生電流とした。
電流:直流
電極:クロム銅製、DR(先端6mmφが40R)
加圧:400kgf(1kgfは、9.8Nである。)
通電時間:240ミリ秒
上記の値は大きいほどスポット溶接性が優れていることを意味し、表4に示す評価では、1.0kA以上を合格とした。
(4)ZnO消失試験
各試験例の鋼板を30mmφに打ち抜き、70mm×70mmのSiC製炉内台座に重ね合わせて、900℃に加熱した50mm×50mm×70mmのSUS304ブロックを載せた状態で、900℃で在炉6分加熱し、取り出した後、直ちにステンレス製金型に挟んで急冷した。加熱前後でのZn付着量をXRFにより測定してZn換算のZn付着量を測定し、Zn換算のZnO残存率を算出した。
表4に示す評価では、Zn残存率で75%以上、Zn残存量で0.40g/m以上を合格とした。
表4から明らかなように、Al系めっき層103の直上に形成された、中間皮膜層105がSとAl系酸化物とを含むものであり、その厚みが10nm以上、1000nm以下であり、中間皮膜層105の直上に形成された表面皮膜層107が平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子109及び有機樹脂111を含有し、前記ZnO粒子109の付着量が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下である本発明の範囲内のAl系めっき鋼板100(各発明例)については、いずれも、上記の4つの評価(各種特性及びZnO消失試験)の全てについて、良好な結果が得られていることが判る。
Figure 2018180979
Figure 2018180979
Figure 2018180979
これに対し、試料番号A16乃至A27は、中間皮膜層105又は有機樹脂111が無いか、中間皮膜層105がSを含まないか又は中間皮膜層105の厚みが不適切である、或いはZnO粒子109の平均粒径、ZnO粒子109の付着量等のうちのいずれかが本発明の所定の範囲から外れている。本発明の範囲外のAl系めっき鋼板(各試料番号A16乃至A27)については、いずれも、上記の4つの評価(各種特性及びZnO消失試験)のうちの少なくとも1つについて、良好な結果が得られていないことが判る。試料番号A16及びA17は、Al系酸化物以外にSを含まないものであり、それぞれ、大気酸化及びSを含まない溶液中での陽極酸化によって形成された。特に、中間皮膜層105がSを含まない試料番号A16及びA17、並びに、中間皮膜層105が無い試料番号A25、A26、中間皮膜層105の厚さを満たない試料番号A18、A27の溶接性の評価は良好であるが、ZnO消失試験の評価が劣り、耐食性も劣るため、ZnOが消失した部位での加工性及び耐食性の劣化が懸念される。
実施例B:
表5に示す化学成分(残部はFeおよび不可避的不純物)の冷延鋼板(板厚1.4mm)を母材101として使用し、その両面にゼンジマー法で通常のAlめっき浴を用いてAl系めっき層103を形成した。Al系めっき層103形成時の焼鈍温度は、約800℃であった。母材101に対するAl系めっき層103の付着量を、ガスワイピング法で、片面160g/m2に調整した。
Figure 2018180979
次いで、Al系めっき層103が形成された母材101を冷却後、表6に示す中間皮膜層105および表面皮膜層107を形成した。中間皮膜層105、表面皮膜層107の形成に際しては、いずれも、表6に示す成分を溶媒中に混合して調整した溶液を、ロールコーターでAl系めっき層103の表面に順次塗布し、約80℃で焼きつけた。ただし、試料番号B26、B27は中間皮膜層105を形成しなかった。
なお、具体的な溶液の組成は以下の通りであり、市販の試薬を使用し、蒸留水と混合することにより以下の組成に調整した。
試料番号B1:
2.0%Na247水溶液、pH10
試料番号B2:
10%珪酸ナトリウム水溶液、pH12
試料番号B3:
10%Na3PO4・12H2O水溶液、pH12
試料番号B4:
2%AlPO4水溶液+HNO3、pH3
試料番号B5:
2%ビス(4-ヒドロキシベンゼンスルホン酸)亜鉛水溶液+HNO3、pH3
試料番号B6:
2% P-トルエンスルフィン酸ナトリウム水溶液+HNO3、pH3
試料番号B7:
5% KMnO4水溶液、pH6
試料番号B8、B10、B11:
2.5%KMnO4+2.5%珪酸ナトリウム水溶液、pH12
試料番号B9、B12からB25:
2.5% KMnO4+2.5%Zn2SiO4水溶液+CH3COOH、pH4
その後、ZnO粒子109の分散剤(堺化学工業社製、製品名DIF-3ST4S)および有機樹脂111として、カチオン系ウレタン樹脂(第一工業製薬社製、製品名スーパーフレックス650;液体)を混合して調整した溶液を、ロールコーターで中間皮膜層105を形成させたAl系めっき層103の表面に塗布し、中間皮膜層105の形成時と同様に到達板温度80℃で乾燥させ、有機樹脂111を30質量%(ZnOを70質量%)にした表面皮膜層107を形成した。また、試料番号B27については、ZnO粒子109の分散剤のみを塗布した後に80℃で乾燥させた。
[測定条件]
また、中間皮膜層105の組成、膜厚、ZnO粒子109の粒径、ZnO付着量は以下のように特定した。
1.中間皮膜層105の組成:
Rigaku社製X線回折装置(製品名:SmartLab 3)を用い、Cu−Kα線を用い、入射角度を90度に設定して、薄膜法により得られるピークをICDDデータと比較して、層状複水酸化物の組成を特定した。
2.中間皮膜層105の膜厚:
断面を走査型電子顕微鏡にて観察し、中間皮膜層105の厚みを任意に10点測定してその平均値を膜厚とした。
3.Mn/Si質量比
Rigaku社製蛍光X線分析装置(製品名:ZSX Primus)を用い、以下の条件でMnとSiの付着量を測定し、付着量から質量比を求めた。測定にあたっては、予め、Mn、Si量と蛍光X線強度との関係を表す検量線を作成しておき、この検量線に基づき、付着量を決定した。
・測定径:30mm
・測定雰囲気:真空
・スペクトル:Mn−Kα(Si―Kα)
上記条件により測定した蛍光X線分析のMn−Kα(Si―Kα)のピークカウント数を用いた。
4.ZnO粒子109の粒径:
日本電子社製走査型電子顕微鏡(製品名:JSM-7800F)を用い、ZnO粒子109を倍率2000倍で観察し、20個のZnO粒子109の最大径を測定し、平均値を算出してZnO粒子109の粒径とした。
5.ZnO付着量
Rigaku社製蛍光X線分析装置(製品名:ZSX Primus)を用い、以下の条件でZnO付着量を測定した。測定にあたっては、予め、Zn量と蛍光X線強度との関係を表す検量線を作成しておき、この検量線に基づき、付着量を決定した。
・測定径:30mm
・測定雰囲気:真空
・スペクトル:Zn−Kα
上記条件により測定した蛍光X線分析のZn−Kαのピークカウント数を用いた。
[試料の評価]
次に、このようにして製造した各試験例の鋼板の各種特性等を、以下の方法で評価した。
(1)熱間潤滑性:
試料に対して熱間で金型引き抜き試験を行うことで、熱間潤滑性を評価した。
30mm×350mmの各試験例を炉内に挿入して、2枚の幅60mm×長200mm×厚30mmのSiC製板で挟み込み、900℃で6分加熱し、炉から取り出した後、約700℃でSKD11製の平金型(50mm幅×40mm長さ)を鋼板の両側から押し付け、引き抜き加工をした。押し付け荷重と引き抜き荷重とを測定し、引き抜き荷重/(2×押え付け荷重)で得られる値を熱間摩擦係数とした。熱間摩擦係数は0.52未満を合格とした。
(2)塗装後耐食性:
120mm×200mmの各試験例の試料を炉内に挿入して、SiC製の炉内台座上に評価面を接触させる向きで設置し、900℃に加熱した、50mm×50mm×70mmのSUS304ブロックを載せた状態で、900℃で在炉6分加熱し、炉から取り出した後、直ちにステンレス製金型に挟んで急冷した。このときの冷却速度は、約150℃/秒であった。次に、冷却後の各鋼板の中央部より70mm×150mmに剪断し、日本パーカライジング(株)社製化成処理液(PB−SX35)で化成処理後、日本ペイント(株)社製電着塗料(パワーニクス110)を膜厚が20μmとなるように塗装し、170℃で焼き付けた。なお、900℃に設定した大気炉内に、熱電対を溶接した70mm×150mmの各試料を挿入し、900℃になるまでの温度を計測し、平均昇温速度を算出したところ、5℃/秒であった。
塗装後耐食性評価は、自動車技術会制定のJASO M609に規定する方法で行った。即ち、塗膜に予めカッターでクロスカットを入れ、腐食試験180サイクル(60日)後のクロスカットからの塗膜膨れの幅(片側最大値)を計測した。幅5mm以下を合格とした。
(3)スポット溶接性:
スポット溶接性は、次のように評価した。
作製した各試験例の試料を加熱炉内に入れ、900℃で在炉6分加熱し、取り出した後直ちにステンレス製金型に挟んで急冷した。このときの冷却速度は、約150℃/秒であった。次に、冷却後の各鋼板を30mm×50mmに剪断し、スポット溶接適正電流範囲(上限電流−下限電流)を測定した。測定条件は、以下に示すとおりである。下限電流はナゲット径3×(t)0.5となったときの電流値とし、上限電流は、散り発生電流とした。電流範囲は1.0A以上を合格とした。
・電流:直流
・電極:クロム銅製、DR(先端6mmφが40R)
・加圧:400kgf(1kgfは、9.8Nである。)
・通電時間:240ミリ秒
(4)ZnO消失試験(ZnO残存率、残存量):
各試験例の試料を30mmφに打ち抜き、70mm×70mmのSiC製炉内台座に重ね合わせて、900℃に加熱した50mm×50mm×70mmの、SUS304ブロックを載せた状態で、900℃で在炉6分加熱し、取り出した後、直ちにステンレス製金型に挟んで急冷した。加熱前後でのZn付着量をXRFにより測定して、ZnO付着量とともにZnO残存率を算出した。残存量は0.4g/m2以上を合格とした。
結果を表6に示す。
Figure 2018180979
表6から明らかなように、Al系めっき層103の表面に形成された中間皮膜層105がオキソ酸塩を含み、皮膜で付着厚みが10nm以上、500nm以下であり、中間皮膜層105の表面に形成された表面皮膜層107が、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子109および有機樹脂111を含有し、ZnO粒子109の付着量が0.5g/m2以上、10.0g/m2以下の、本願の範囲内のAl系めっき鋼板100(試料番号B1からB19)については、いずれも、上記の4つの評価の全てについて、良好な結果が得られていることが判る。
これに対し、中間皮膜層105が無い場合や、ZnO粒子109の平均粒径、ZnO粒子109の付着量等のうちのいずれかが本願所定の範囲から外れている、本願の範囲外のAl系めっき鋼板100(試料番号B20からB27)については、いずれも、上記の4つの評価(各種特性およびZnO消失試験)のうちの少なくとも1つについて、良好な結果が得られていないことが判る。
具体的には、試料番号B20は中間皮膜層105の膜厚が薄すぎてZnO残存量、熱間潤滑性、塗装後耐食性が劣っていた。
試料番号B21は、中間皮膜層105の膜厚が厚すぎて塗装後耐食性が劣っていた。
試料番号B22は、ZnO粒子109の平均粒径が小さすぎて熱間潤滑性が劣っていた。
試料番号B23は、ZnO粒子109の平均粒径が大きすぎてスポット溶接性が劣っていた。
試料番号B24は、ZnO粒子109の付着量が少なすぎて、熱間潤滑性と塗装後耐食性が劣っていた。
試料番号B25は、ZnO粒子109の付着量が多すぎて、スポット溶接性が劣っていた。
試料番号B26は、中間皮膜層105を設けなかったので、ZnO残存量、熱間潤滑性、塗装後耐食性が劣っていた。
試料番号B27は、中間皮膜層105と有機樹脂111を設けなかったので、ZnO残存量、熱間潤滑性、塗装後耐食性が劣っていた。
実施例C:
表7に示す化学成分の冷延鋼板(残部はFeおよび不可避的不純物、板厚1.4mm)を母材101として用意し、冷延鋼板の両面にゼンジマー法で通常のAlめっき浴を用いてAl系めっき層103を形成した。Al系めっき層103形成時の焼鈍温度は、約800℃であった。
母材101に付着しているAl系めっき層103の量を、ガスワイピング法で、片面160g/m2に調整した。
Figure 2018180979
次いで、Al系めっき層103が形成された母材101を冷却後、表8に示す中間皮膜層105および表面皮膜層107を形成した。中間皮膜層105、表面皮膜層107の形成に際しては、いずれも、表8に示す成分を溶媒中に混合して調整した溶液を、ロールコーターでAl系めっき層103の表面に順次塗布し、約80℃で焼きつけた。ただし、試料番号C22、C23は中間皮膜層105を形成しなかった。
なお、具体的な溶液の組成は以下の通りであり、市販の試薬を使用し、蒸留水と混合することにより以下の組成に調整した。
試料番号C1、C7からC14、C18からC21:
0.5% AlF3水溶液
試料番号C2:
0.2% LiF水溶液
試料番号C3:
3%NaF水溶液
試料番号C4:
5%KF水溶液
試料番号C5:
0.1%MgF+HNO3水溶液、pH2
試料番号C6:
0.1%CaF+HNO3水溶液、pH2
試料番号C15:
0.5%FeF2水溶液
試料番号C16:
1%ZnF2・4H2O水溶液
試料番号C17:
0.5%NiF2水溶液
その後、ZnO粒子109の分散剤(堺化学工業社製、製品名DIF-3ST4S)および有機樹脂111として、カチオン系ウレタン樹脂(第一工業製薬社製、製品名スーパーフレックス650;液体)を混合して調整した溶液を、ロールコーターで中間皮膜層105を形成させたAl系めっき層103の表面に塗布し、中間皮膜層105の形成時と同様に到達板温度80℃で乾燥させ、有機樹脂111を30質量%(ZnOを70質量%)にした表面皮膜層107を形成した。また、試料番号C23については、ZnO粒子109の分散剤のみを塗布した後に80℃で乾燥させた。
[測定条件]
また、中間皮膜層105の組成、F付着量、ZnO粒子109の粒径、ZnO付着量は以下のように特定した。
1.中間皮膜層105の組成:
Rigaku社製X線回折装置(製品名:SmartLab 3)を用い、Cu−Kα線を用い、入射角度を90度に設定して、薄膜法により得られるピークをICDDデータと比較して、層状複水酸化物の組成を特定した。
2.F付着量:
Rigaku社製走査型蛍光X線分析装置(製品名:ZSX Primes)を用い、検量線法により単位面積当たりのF付着量を測定した。測定にあたっては、予め、F付着量と特性X線強度との関係を表す検量線を作成しておき、この検量線に基づき、付着量を決定した。
3.ZnO粒子109の粒径:
日本電子社製走査型電子顕微鏡(製品名:JSM-7800F)を用い、ZnO粒子109を倍率2000倍で観察し、20個のZnO粒子109の最大径を測定し、平均値を算出してZnO粒子109の粒径とした。
4.ZnO付着量
Rigaku社製蛍光X線分析装置(製品名:ZSX Primus)を用い、以下の条件でZnO付着量を測定した。測定にあたっては、予め、Zn量と蛍光X線強度との関係を表す検量線を作成しておき、この検量線に基づき、付着量を決定した。
・測定径:30mm
・測定雰囲気:真空
・スペクトル:Zn−Kα
上記条件により測定した蛍光X線分析のZn−Kαのピークカウント数を用いた。
[試料の評価]
次に、このようにして製造した各試験例の試料の各種特性等を、以下の方法で評価した。
(1)熱間潤滑性
試料に対して熱間で金型引き抜き試験を行うことで、熱間潤滑性を評価した。
30mm×350mmの各試験例の鋼板を炉内に挿入して、2枚の幅60mm×長200mm×厚30mmのSiC製板で挟み込み、900℃で6分加熱し、炉から取り出した後、約700℃でSKD11製の平金型(50mm幅×40mm長さ)を鋼板の両側から押し付け、引き抜き加工をした。押し付け荷重と引き抜き荷重とを測定し、引き抜き荷重/(2×押え付け荷重)で得られる値を熱間摩擦係数とした。熱間摩擦係数は0.52未満を合格とした。
(2)塗装後耐食性
120mm×200mmの各試料を炉内に挿入して、SiC製の炉内台座上に評価面を接触させる向きで設置し、900℃に加熱した、50mm×50mm×70mmのSUS304ブロックを載せた状態で、900℃で在炉6分加熱し、炉から取り出した後、直ちにステンレス製金型に挟んで急冷した。このときの冷却速度は、約150℃/秒であった。次に、冷却後の各鋼板の中央部より70mm×150mmに剪断し、日本パーカライジング(株)社製化成処理液(PB−SX35)で化成処理後、日本ペイント(株)社製電着塗料(パワーニクス110)を膜厚が20μmとなるように塗装し、170℃で焼き付けた。なお、900℃に設定した大気炉内に、熱電対を溶接した70mm×150mmの各試料を挿入し、900℃になるまでの温度を計測し、平均昇温速度を算出したところ、5℃/秒であった。
塗装後耐食性評価は、自動車技術会制定のJASO M609に規定する方法で行った。即ち、塗膜に予めカッターでクロスカットを入れ、腐食試験180サイクル(60日)後のクロスカットからの塗膜膨れの幅(片側最大値)を計測した。幅5.0mm以下を合格とした。
(3)スポット溶接性
スポット溶接性は、次のように評価した。
作製した試料を加熱炉内に入れ、900℃で在炉6分加熱し、取り出した後直ちにステンレス製金型に挟んで急冷した。このときの冷却速度は、約150℃/秒であった。次に、冷却後の各鋼板を30mm×50mmに剪断し、スポット溶接適正電流範囲(上限電流−下限電流)を測定した。測定条件は、以下に示すとおりである。下限電流はナゲット径3×(t)0.5となったときの電流値とし、上限電流は、地理発生電流とした。電流範囲は1.0A以上を合格とした。
・電流:直流
・電極:クロム銅製、DR(先端6mmφが40R)
・加圧:400kgf(1kgfは、9.8Nである。)
・通電時間:240ミリ秒
(4)ZnO消失試験(ZnO残存率、残存量)
各試験例の試料を30mmφに打ち抜き、70mm×70mmのSiC製炉内台座に重ね合わせて、900℃に加熱した、50mm×50mm×70mmのSUS304ブロックを載せた状態で、900℃で在炉6分加熱し、取り出した後、直ちにステンレス製金型に挟んで急冷した。加熱前後でのZn付着量をXRFにより測定してZnO付着量(残存量)と、ZnO残存率を算出した。残存量は0.4g/m2以上を合格とした。
結果を表8に示す。
Figure 2018180979
表8から明らかなように、Al系めっき層103の表面に、アルミニウム、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの少なくとも1種の、フッ化物塩である中間皮膜層105と、少なくともZnOを含有する表面皮膜層107とが順次形成された、本願の範囲内のAl系めっき鋼板(試料番号C1からC13)については、いずれも、上記の4つの評価(各種特性およびZnO消失試験)について、良好な結果が得られた。
これに対し、本願の範囲外のAl系めっき鋼板(試料番号C14からC23)については、いずれも、上記の4つの評価について、良好な結果が得られていないことが判った。
具体的には、試料番号C14はF付着量が少なすぎて、熱間潤滑性、塗装後耐食性が劣っていた。
試料番号C15、C16、C17は、中間皮膜層105として、アルミニウム、アルカリ金属およびアルカリ土類金属以外のフッ化物塩を用いており、ZnO残存量、熱間潤滑性、塗装後耐食性が劣っていた。
試料番号C18はZnO付着量が少なすぎてZnO残存量、熱間潤滑性、塗装後耐食性が劣っていた。
試料番号C19は、ZnO付着量が多すぎてスポット溶接性が劣っていた。
試料番号C20は、ZnO平均粒径が小さすぎて、熱間潤滑性が劣っていた。
試料番号C21は、ZnO平均粒径が大きすぎて、スポット溶接性が劣っていた。
試料番号C22は中間皮膜層105がないため、ZnO残存量、熱間潤滑性、塗装後耐食性が劣っていた。
試料番号C23は中間皮膜層105と樹脂111がないため、ZnO残存量、熱間潤滑性、塗装後耐食性が劣っていた。
なお、フッ素の量が20mg/m2以上、2000mg/m2以下である場合(試料番号C1からC12)、または表面皮膜層107のZnOの量が、Zn量で、0.5g/m2以上、10.0g/m2以下である場合(試料番号C1からC14)には、さらに優れた結果が得られていることが判る。
実施例D:
まず、以下の条件にて試料番号D1〜D26を付した試料を作製した。
表9に示す化学成分(残部はFeおよび不可避的不純物)の冷延鋼板(板厚1.4mm)を母材101として使用し、その両面にゼンジマー法で通常のAlめっき浴を用いてAl系めっき層103を60μm形成した。Al系めっき層103形成時の焼鈍温度は、約800℃であった。
なお、母材101に対するAl系めっき層103の付着量は、ガスワイピング法で、片面160g/mに調整した。
Figure 2018180979
次いで、Al系めっき層103が形成された母材101を冷却後、Al系めっき層103の表面に中間皮膜層105を形成した。中間皮膜層105の形成に際しては、表10に示すAn-イオンおよびM2+イオンを含有する、pH8以上の水溶液に2〜30秒浸漬するか(試料番号D1〜D14、D18〜D24)、又は、当該水溶液をバーコーターにて塗布して、200℃の炉内で、到達板温度80℃になるように乾燥するか(試料番号D15〜D17)、いずれかの方法で形成した。ただし、試料番号D25、D26は中間皮膜層105を形成しなかった。
なお、具体的な溶液の組成は以下の通りであり、市販の試薬を使用し、蒸留水と混合することにより以下の組成に調整した。
試料番号D1〜D3、D18〜D24:
飽和水酸化カルシウムおよび5%NaCl水溶液、pH12.5
試料番号D4:
飽和水酸化マグネシウム、5%希釈アンモニア水(含有率20%以上30%以下)および5%NaCl水溶液、pH11
試料番号D5:
飽和水酸化バリウムおよび5%NaCl水溶液、pH13
試料番号D6:
塩化鉄を10-6モル/Lとアンモニア水をpH8.5に調整した水溶液
試料番号D7:
飽和水酸化ニッケル、5%アンモニア水(含有率20%以上30%以下)および5%NaCl水溶液、pH11
試料番号D8:
飽和水酸化銅、5%アンモニア水(含有率20%以上30%以下)、5%NaCl水溶液、pH11
試料番号D9:
飽和水酸化カルシウム、5%Na2SO4水溶液、pH12.5
試料番号D10:
飽和炭酸カルシウム、5%炭酸水素アンモニウム水溶液、pH10.5
試料番号D11〜D14:
飽和水酸化カルシウム水溶液、pH12.5
試料番号D15:
濃度10g/LのCaCO3水溶液
試料番号D16:
濃度10g/LのCaSO4水溶液
試料番号D17:
飽和MgCO3水溶液
その後、ZnO粒子109の分散剤(堺化学工業社製、製品名DIF-3ST4S)および有機樹脂111として、カチオン系ウレタン樹脂(第一工業製薬社製、製品名スーパーフレックス650;液体)を混合して調整した溶液を、ロールコーターで中間皮膜層105を形成させたAl系めっき層103の表面に塗布し、中間皮膜層105の形成時と同様に到達板温度80℃で乾燥させ、有機樹脂111を30質量%(ZnOを70質量%)にした表面皮膜層107を形成した。また、試料番号D22、D26については、ZnO粒子109の分散剤のみを塗布した後に80℃で乾燥させた。
このようにして、各試験例のAl系めっき鋼板100を得た。
Figure 2018180979
なお、表10における「ZnO付着量」とは、中間皮膜層105の1平方メートル当たりのZnO粒子109の全付着量を、金属Znの質量に換算して得られた値(単位は、「g/m」)である。
[測定条件]
また、中間皮膜層105の組成、M付着量、ZnO粒子109の粒径、ZnO付着量は以下のように特定した。
1.中間皮膜層105の組成:
Rigaku社製X線回折装置(製品名:SmartLab 3)を用い、Cu−Kα線を用い、入射角度を90度に設定して、薄膜法により得られるピークをICDDデータと比較して、層状複水酸化物の組成を特定した。
2.M付着量:
Rigaku社製蛍光X線分析装置(製品名:ZSX Primus)を用い、以下の条件でM付着量を測定した。測定にあたっては、予め、M量と蛍光X線強度との関係を表す検量線を作成しておき、この検量線に基づき、付着量を決定した。
・測定径:30mm
・測定雰囲気:真空
・スペクトル:M−Kα
上記条件により測定した蛍光X線分析のM−Kαのピークカウント数を用いた。
3.ZnO粒子109の粒径:
日本電子社製走査型電子顕微鏡(製品名:JSM-7800F)を用い、ZnO粒子109を倍率2000倍で観察し、20個のZnO粒子109の最大径を測定し、平均値を算出してZnO粒子109の粒径とした。
4.ZnO付着量
Rigaku社製蛍光X線分析装置(製品名:ZSX Primus)を用い、以下の条件でZnO付着量を測定した。測定にあたっては、予め、Zn量と蛍光X線強度との関係を表す検量線を作成しておき、この検量線に基づき、付着量を決定した。
・測定径:30mm
・測定雰囲気:真空
・スペクトル:Zn−Kα
上記条件により測定した蛍光X線分析のZn−Kαのピークカウント数を用いた。
[試料の評価]
次に、このようにして製造した各試験例の試料の各種特性等を、以下の方法で評価した。
(1)熱間潤滑性
試料に対して熱間で金型引き抜き試験を行うことで、熱間潤滑性を評価した。
30mm×350mmの各試験例の試料を炉内に挿入して、2枚の幅60mm×長200mm×厚30mmのSiC製板で挟み込み、900℃で6分加熱し、炉から取り出した後、約700℃でSKD11製の平金型(50mm幅×40mm長さ)を鋼板の両側から押し付け、引き抜き加工をした。押し付け荷重と引き抜き荷重とを測定し、引き抜き荷重/(2×押え付け荷重)で得られる値を熱間摩擦係数とした。熱間摩擦係数は0.52未満を合格とした。
(2)塗装後耐食性
120mm×200mmの各試験例の試料を炉内に挿入して、SiC製の炉内台座上に評価面を接触させる向きで設置し、900℃に加熱した、50mm×50mm×70mmのSUS304ブロックを載せた状態で、900℃で在炉6分加熱し、炉から取り出した後、直ちにステンレス製金型に挟んで急冷した。このときの冷却速度は、約150℃/秒であった。次に、冷却後の各鋼板の中央部より70mm×150mmに剪断し、日本パーカライジング(株)社製化成処理液(PB−SX35)で化成処理後、日本ペイント(株)社製電着塗料(パワーニクス110)を膜厚が20μmとなるように塗装し、170℃で焼き付けた。なお、900℃に設定した大気炉内に、熱電対を溶接した70mm×150mmの各試料を挿入し、900℃になるまでの温度を計測し、平均昇温速度を算出したところ、5℃/秒であった。
塗装後耐食性評価は、自動車技術会制定のJASO M609に規定する方法で行った。即ち、塗膜に予めカッターでクロスカットを入れ、腐食試験180サイクル(60日)後のクロスカットからの塗膜膨れの幅(片側最大値)を計測した。幅5.0mm以下を合格とした。
(3)スポット溶接性
作製した試料を加熱炉内に入れ、900℃で在炉6分加熱し、取り出した後直ちにステンレス製の金型で挟んで急冷した。このときの冷却速度は、約150℃/秒であった。次に、冷却後の試料を30×50mmに剪断し、スポット溶接適正電流範囲(上限電流−下限電流)を測定した。測定条件は、以下に示す通りである。下限電流は、ナゲット径3×(t)0.5となったときの電流値とし、上限電流は、散り発生電流とした。電流範囲は1.0A以上を合格とした。
・電流:直流
・電極:クロム銅製、DR(先端6mmφが40R)
・加圧:400kgf(1kgfは、9.8Nである)
・通電時間:240ミリ秒
(4)ZnO消失試験(ZnO残存率、残存量):
各試験例の試料を30mmφに打ち抜き、70mm×70mmのSiC製炉内台座に重ね合わせて、900℃に加熱した、50mm×50mm×70mmのSUS304ブロックを乗せた状態で、900℃で在炉6分加熱し、取り出した後、直ちにステンレス製金型に挟んで急冷した。加熱前後でのZn付着量をXRFにより測定してZn付着量とともに残存率を算出した。残存量は0.4g/m2以上を合格とした。
以上の結果を表11に示す。
Figure 2018180979
表11から明らかなように、Al系めっき層103の表面に形成された、Al系層状複水酸化物([M2+ 1-xAl3+ x(OH)2][An- x/n・mH2O])からなる中間皮膜層105の付着量が、金属M換算で10mg/m以上、1000mg/m以下であり、中間皮膜層105の表面に形成された表面皮膜層107が平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子109および有機樹脂111を含有し、前記ZnO粒子109の付着量が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下である本願の範囲内のAl系めっき鋼板100(試料番号D1〜D14)については、いずれも、上記の4つの評価の全てについて、良好な結果が得られていることが判る。
これに対し、中間皮膜層105が無い場合(試料番号D25、D26)や、ZnO粒子109の平均粒径、ZnO粒子109の付着量等のうちのいずれかが本願所定の範囲から外れている、本願の範囲外のAl系めっき鋼板100(試料番号D18〜D24)については、いずれも、上記の4つの評価のうちの少なくとも1つについて、良好な結果が得られていないことが判った。
具体的には、試料番号D15、D16、D17は、Al系層状複水酸化物の代わりに、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、炭酸マグネシウムを、Al系めっき層103の表面に形成したものであり、熱間潤滑性、塗装後耐食性、ZnO残存量が劣っていた。
試料番号D18は、ZnO平均粒径が小さすぎて熱間潤滑性が劣っていた。
試料番号D19は、ZnO平均粒径が大きすぎて、スポット溶接性が劣っていた。
試料番号D20はZnO付着量が少なすぎてZnO残存量、熱間潤滑性が劣っていた。
試料番号D21は、ZnO付着量が多すぎてスポット溶接性が劣っていた。
試料番号D22は樹脂111がないため、ZnO残存量、熱間潤滑性が劣っていた。
試料番号D23はM付着量が少なすぎてZnO残存量、熱間潤滑性が劣っていた。
試料番号D24は、M付着量が多すぎてスポット溶接性が劣っていた。
試料番号D25は中間皮膜層105を設けなかったため、ZnO残存量、塗装後耐食性、熱間潤滑性が劣っていた。
試料番号D26は樹脂111がなく、中間皮膜層105も設けなかったため、ZnO残存量、塗装後耐食性、熱間潤滑性が劣っていた。
実施例E:
表12に示す化学成分(残部はFe及び不可避的不純物)の冷延鋼板(板厚1.4mm)を使用し、その冷延鋼板両面にゼンジマー法で通常のAlめっき浴を用いてAl系めっき層103を形成した。Al系めっき層103形成時の焼鈍温度は、約800℃であった。
なお、母材101に付着しているAl系めっき層103の量を、ガスワイピング法で、片面160g/mに調整した。
Figure 2018180979
次いで、Al系めっき層103が形成された母材101を冷却後、表13に示す中間皮膜層105を表面に形成した。試料番号E1乃至E23のAl系めっき層103表面への中間皮膜層105の形成は、化学蒸着法で行い、形成条件は表13に示すような条件で行った。皮膜厚さは蒸着時間で制御した。試料番号E24、E25は、中間皮膜層105の形成を行わなかった。試料番号E26は、蒸着以外の中間皮膜層105の形成手段として、300℃、24時間の大気中での酸化によりAl皮膜を形成した。
その後、試料番号E1乃至E23、E26について、ZnO粒子109の分散剤(堺化学工業社製、製品名DIF−3ST4S)及び有機樹脂111としてカチオン系ウレタン樹脂(第一工業製薬社製、製品名スーパーフレックス650)を混合して調整した溶液を、ロールコーターでAl系めっき層103上に形成させた中間皮膜層105上に塗布し、到達板温度80℃で乾燥させ、表面皮膜層107を形成した。表面皮膜層107の有機樹脂111は30質量%(ZnOを70質量%)とした。また、試料番号E24、E25については、中間皮膜層105上ではなく、Al系めっき層103上に直接同様に表面皮膜層107を形成した。
このようにして、各試験例のAl系めっき鋼板100を得た。なお、表13に示す表面皮膜層107を形成するための上記溶液は、市販の試薬を使用し、蒸留水と混合することで調整した。なお、表13における「Zn付着量」とは、中間皮膜層105の1平方メートル当たりのZnO粒子109の全付着量を金属Znの質量に換算して得られた値(単位は、「g/m」)である。
なお、表13の空欄部分は、中間皮膜層105が形成されていないことを示す。
[測定条件]
ZnO粒子109の粒径、ZnO付着量は以下のように特定した。
1.ZnO粒子109の粒径
日本電子社製走査型電子顕微鏡(製品名:JSM−7800F)を用い、ZnO粒子109を倍率2000倍で観察し、20個のZnO粒子109の最大粒径を測定し、平均値を算出してZnO粒子109の粒径とした。
2.ZnO付着量
Rigaku社製蛍光X線分析装置(製品名:ZSX Primus)を用い、以下の条件でZnO付着量を測定した。測定にあたっては、予め、金属Zn量換算で蛍光X線強度との関係を表す検量線を作成しておき、この検量線に基づき、付着量を決定した。
測定径:30mm
測定雰囲気:真空
スペクトル:Zn−Kα
上記条件により測定した蛍光X線分析のZn−Kαのピークカウント数を用いた。
Figure 2018180979
皮膜構造は、SEM断面観察によって母材/めっき層/中間皮膜層/表面皮膜層が存在すること、SEM−EDSによって成分を確認した。
次に、このようにして製造した各試験例の鋼板の各種特性等を、以下の方法で評価した。
(1)熱間潤滑性(潤滑性)
各試験例の鋼板に対して、熱間で金型引き抜き試験を行うことで、熱間潤滑性を評価した。30mm×350mmの各試験例の鋼板を炉内に挿入して、2枚の幅60mm×長200mm×厚30mmのSiC製板で挟み込み、900℃で6分加熱し、炉から取り出した後、約700℃でSKD11製の平金型(幅50mm×長40mm)を鋼板の両側から押し付け、引き抜き加工をした。SiC製板によって鋼板の両面を挟むことにより、表面からの酸素の供給を十分に防止し、コンベアと接触した重ね合わせ部のZnO皮膜が消失する状況をより過酷な条件で模擬している。押し付け荷重と引き抜き荷重とを測定し、引き抜き荷重/(2×押し付け荷重)で得られる値を熱間摩擦係数とした。なお、動摩擦係数の値は小さいほど熱間潤滑性が優れていることを意味し、表14に示す評価では、0.52未満を合格とした。
(2)塗装後耐食性
120mm×200mmの各試験例の鋼板を炉内に挿入して、SiC製の炉内台座上に評価面を接触させる向きで設置し、900℃に加熱した50mm×50mm×70mmのSUS304ブロックを載せた状態で、900℃で在炉6分加熱し、炉から取り出した後、直ちにステンレス製金型に挟んで急冷した。このときの冷却速度は、約150℃/秒であった。次に、冷却後の各鋼板の中央部より70mm×150mmに剪断し、日本パーカライジング(株)社製化成処理液(PB−SX35)で化成処理後、日本ペイント(株)社製電着塗料(パワーニクス110)を膜厚が20μmとなるように塗装し、170℃で焼き付けた。なお、900℃に設定した大気炉内に熱電対を溶接した70mm×150mmの各鋼板を挿入し、900℃になるまでの温度を計測し、平均昇温速度を算出したところ、5℃/秒であった。
塗装後耐食性評価は、自動車技術会制定のJASO M609に規定する方法で行った。即ち、塗膜に予めカッターでクロスカットを入れ、腐食試験180サイクル(60日)後のクロスカットからの塗膜膨れの幅(片側最大値)を計測した。塗膜膨れの幅の値は小さいほど耐食性が優れていることを意味し、表14に示す評価では、5mm以下を合格とした。
(3)スポット溶接性
スポット溶接性は、次のように評価した。
作製した各試験例の鋼板を加熱炉内に入れ、900℃で在炉6分加熱し、取り出した後直ちにステンレス製の金型で挟んで急冷した。このときの冷却速度は、約150℃/秒であった。次に、冷却後の各鋼板を30×50mmに剪断し、スポット溶接適正電流範囲(上限電流−下限電流)を測定した。測定条件は、以下に示す通りである。下限電流は、ナゲット径3×(t)0.5となったときの電流値とし、上限電流は、散り発生電流とした。
電流:直流
電極:クロム銅製、DR(先端6mmφが40R)
加圧:400kgf(1kgfは、9.8Nである。)
通電時間:240ミリ秒
表14に示す評価では、1.0kA以上を合格とした。
(4)ZnO消失試験
各試験例の鋼板を30mmφに打ち抜き、70mm×70mmのSiC製炉内台座に重ね合わせて、900℃に加熱した50mm×50mm×70mmのSUS304ブロックを載せた状態で、900℃で在炉6分加熱し、取り出した後、直ちにステンレス製金型に挟んで急冷した。加熱前後でのZn付着量をXRFにより測定してZn換算のZn付着量を測定し、Zn換算のZnO残存率を算出した。
表14に示す評価では、Zn残存率で75%以上、Zn残存量で0.40g/m以上を合格とした。
表14から明らかなように、Al系めっき層103の表面に形成された、中間皮膜層105がAl、ZrO、TiO、SiO、AlN、TiN、Si、TiC、SiCのいずれか1種からなるセラミックス蒸着膜であり、その厚みが10nm以上、1000nm以下であり、中間皮膜層105の表面に形成された表面皮膜層107が平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子109及び有機樹脂111を含有し、ZnO粒子109の付着量が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下である本発明の範囲内のAl系めっき鋼板100(各発明例)については、いずれも、上記の4つの評価(各種特性及びZnO消失試験)の全てについて、良好な結果が得られていることが判る。
Figure 2018180979
これに対し、試料番号E1、E7、E18、E19、E22乃至E26は、中間皮膜層105が無いか、中間皮膜層105が蒸着膜でないか、中間皮膜層105の厚みが不適切である、或いはZnO粒子109の平均粒径、ZnO粒子109の付着量等のうちのいずれかが本発明の所定の範囲から外れている。本発明の範囲外のAl系めっき鋼板(各試料番号E1、E7、E18、E19、E22乃至E26)については、いずれも、上記の4つの評価(各種特性及びZnO消失試験)のうちの少なくとも1つについて、良好な結果が得られていないことが判る。
100…Al系めっき鋼板
101…母材
103…Al系めっき層
105…中間皮膜層
107…表面皮膜層
109…ZnO粒子
111…有機樹脂
[1]
母材と、前記母材の少なくとも片面に形成されたAl系めっき層と、
前記Al系めっき層の表面に形成された中間皮膜層と、
前記中間皮膜層の表面に形成され、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子と、有機樹脂とを含有し、前記ZnO粒子の付着量が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下である表面皮膜層と、
を備え、前記中間皮膜層は、以下の(A)から(C)のいずれか1つの条件を満たすことを特徴とするAl系めっき鋼板。
(A)厚みが10nm以上、1000nm以下であり、SとAlとOを主成分とし、S及びAlの質量比[S]/[Al]が0.0008以上、0.49以下、かつ、S及びOの質量比[S]/[O]が0.001以上、0.55以下。
(B)ホウ酸塩、ケイ酸塩、スルホン酸塩、スルフィン酸塩、過マンガン酸塩、リン酸塩の1種または2種以上からなるオキソ酸塩を含み、付着厚みが10nm以上、500nm以下。
(C)アルミニウム、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの少なくとも1種の、フッ化物塩であり、含まれるフッ素の量が20mg/m2以上。
[2]
前記中間皮膜層は、前記(A)に規定する条件を満たし、
前記中間皮膜層の厚みが20nm以上、400nm以下であることを特徴とする[1]に記載のAl系めっき鋼板。
[3]
前記中間皮膜層は、前記(A)に規定する条件を満たし、
前記中間皮膜層に含まれるS及びAlの質量比[S]/[Al]が0.005以上、0.1以下、かつ、S及びOの質量比[S]/[O]が0.005以上、0.12以下であることを特徴とする[1]又は[2]に記載のAl系めっき鋼板。
[4]
前記中間皮膜層に含まれるS及びAlの質量比[S]/[Al]が0.008以上、0.05以下、かつ、S及びOの質量比[S]/[O]が0.01以上、0.08以下であることを特徴とする[1]乃至[3]の何れか1つに記載のAl系めっき鋼板。
[5]
前記中間皮膜層は、前記(B)に規定する条件を満たし、
前記オキソ酸塩が、ホウ酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸リチウム、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸アルミニウム、スルホン酸亜鉛、スルフィン酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム、オルトケイ酸亜鉛、ケイ酸リチウム、過マンガン酸亜鉛のいずれかから選ばれる1種または2種以上であることを特徴とする[1]に記載のAl系めっき鋼板。
[6]
前記中間皮膜層は、前記(B)に規定する条件を満たし、
前記オキソ酸塩が、過マンガン酸塩とケイ酸塩との混合物であり、かつ混合比がMn/Si質量比で1以上、50以下であることを特徴とする[1]または[5]に記載のAl系めっき鋼板。
[7]
前記中間皮膜層は、前記(C)に規定する条件を満たし、
前記中間皮膜層に含まれるフッ素の量が2000mg/m2以下であることを特徴とする[1]に記載のAl系めっき鋼板。
[8]
前記中間皮膜層は、前記(C)に規定する条件を満たし、
前記フッ化物塩は、AlF3、AlOF、LiF、NaF、KF、MgF2、CaF2の少なくとも1種または2種であることを特徴とする、[1]または[7]に記載のAl系めっき鋼板。
[9]
前記母材の両面にそれぞれ、前記Al系めっき層、前記中間皮膜層、および前記表面皮膜層の三層が形成されたことを特徴とする[1]乃至[8]の何れか1項に記載のAl系めっき鋼板。
[10]
前記Al系めっき層に含まれるAlが、質量%で70%以上であることを特徴とする乃至の何れか1項に記載のAl系めっき鋼板。
[11]
前記母材は、質量%で、
C:0.01%以上、0.5%以下、
Si:2.0%以下、
Mn:0.01%以上、3.5%以下、
P:0.1%以下、
S:0.05%以下、
Al:0.001%以上、0.1%以下、
N:0.01%以下、
残部がFeおよび不可避的不純物であることを特徴とする[1]乃至[10]の何れか1つに記載のAl系めっき鋼板。
[12]
前記母材は、さらに、質量%で、
Ti:0.005%以上、0.1%以下、
B:0.0003%以上、0.01%以下、
Cr:0.01%以上、1.0%以下、
Ni:0.01%以上、5.0%以下、
Mo:0.005%以上、2.0%以下、
Cu:0.005%以上、1.0%以下のうち、1種または2種以上を含有することを特徴とする[11]に記載のAl系めっき鋼板。
オキソ酸塩の例としては、ホウ酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸リチウムリン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸アルミニウム、スルホン酸亜鉛、スルフィン酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム、オルトケイ酸亜鉛、ケイ酸リチウム、過マンガン酸亜鉛が挙げられるが、これらに限定されない。
母材101の両面にAl系めっき層103が形成されている場合には、少なくとも片側の当該めっき層の表面に中間皮膜層105を形成することができる。中間皮膜層105は、例えば、水や有機溶媒などの各種溶媒中に上記の各成分(Al3+、M2+、An-)を含有する液を、Al系めっき層103に塗布して乾燥させたり、M2+イオンおよびAn-イオンを含有するアルカリ溶液中に、Al系めっき鋼板100を浸漬したりした後、水洗し、乾燥することにより形成することができる。
また、化学式におけるxは1未満の正数であり、例えば1/3であるが、1/5以上、1/3以下であるのがより望ましい。
さらに、化学式におけるmは正数であり、例えば2/3であるが、2/3以上、2以下であるのがより望ましい。
(ZnO粒子109)
熱間プレスで良好な加工性および耐食性を得るためには、Al系めっき層103の表面に、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子109が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下の付着量で形成されていることが必要である。ZnO粒子109は金型と点接触し、動摩擦係数を低下させて加工性を向上させる。しかしながら、ZnO粒子109の平均粒径が0.10μm未満では、プレス加工時にZnO粒子109と金型との接触点が多過ぎるため、加工性が十分に向上しない。
次いで、Al系めっき層103が形成された母材101を冷却後、表2、表3に示す形成条件で、各構成要素を含む中間皮膜層105と表面皮膜層107を形成した。試料番号A1乃至A5、A7乃至A15、試料番号A17乃至A23、A27の中間皮膜層105は、表2、表3に示す条件で陽極酸化を行うことによって形成した。尚、試料番号A1乃至A5、A8、A12乃至A15、A18乃至A23、A27の場合、硫酸水溶液が用いられ、試料番号A17の場合、塩酸水溶液が用いられ、試料番号A7、A9乃至11の場合、塩酸及び硫酸の混合水溶液が用いられている。試料番号A6及び試料番号A24は、表2、表3に示す条件にて水溶液を塗布して熱処理を行い、その後焼き付けを行うことにより作製した。試料番号A16は、前記Al系めっき層103を表3に示す条件にて大気酸化を施して作製した。試料番号A25、A26は、前記Al系めっき層103に対して何ら処理を行わないものである。尚、表3の空欄部分は、中間皮膜層105及び表面皮膜層107のうち該当する皮膜層が形成されていないことを示す。
(3)スポット溶接性
スポット溶接性は、次のように評価した。
作製した試料を加熱炉内に入れ、900℃で在炉6分加熱し、取り出した後直ちにステンレス製金型に挟んで急冷した。このときの冷却速度は、約150℃/秒であった。次に、冷却後の各鋼板を30mm×50mmに剪断し、スポット溶接適正電流範囲(上限電流−下限電流)を測定した。測定条件は、以下に示すとおりである。下限電流はナゲット径3×(t)0.5となったときの電流値とし、上限電流は、散り発生電流とした。電流範囲は1.0A以上を合格とした。
・電流:直流
・電極:クロム銅製、DR(先端6mmφが40R)
・加圧:400kgf(1kgfは、9.8Nである。)
・通電時間:240ミリ秒
なお、具体的な溶液の組成は以下の通りであり、市販の試薬を使用し、蒸留水と混合することにより以下の組成に調整した。
試料番号D1〜D3、D18〜D24:
飽和水酸化カルシウムおよび5%NaCl水溶液、pH12.5
試料番号D4:
飽和水酸化マグネシウム、5%希釈アンモニア水(含有率20%以上30%以下)および5%NaCl水溶液、pH11
試料番号D5:
飽和水酸化バリウムおよび5%NaCl水溶液、pH13
試料番号D6:
塩化鉄を10-6モル/Lとアンモニア水をpH8.5に調整した水溶液
試料番号D7:
飽和水酸化ニッケル、5%アンモニア水(含有率20%以上30%以下)および5%NaCl水溶液、pH11
試料番号D8:
飽和水酸化銅、5%アンモニア水(含有率20%以上30%以下)、5%NaCl水溶液、pH11
試料番号D9:
飽和水酸化カルシウム、5%Na 2 SO 4 水溶液、pH12.5
試料番号D10:
飽和炭酸カルシウム、5%炭酸水素アンモニウム水溶液、pH10.5
試料番号D11〜D14:
飽和水酸化カルシウム水溶液、pH12.5
試料番号D15:
濃度10g/LのCaCO3水溶液
試料番号D16:
濃度10g/LのCaSO4水溶液
試料番号D17:
飽和MgCO3水溶液

Claims (12)

  1. 母材と、前記母材の少なくとも片面に形成されたAl系めっき層と、
    前記Al系めっき層の表面に形成された中間皮膜層と、
    前記中間皮膜層の表面に形成され、平均粒径0.10μm以上、5.00μm以下のZnO粒子と、有機樹脂とを含有し、前記ZnO粒子の付着量が金属Zn換算で0.5g/m以上、10.0g/m以下である表面皮膜層と、
    を備え、前記中間皮膜層は、以下の(A)から(C)のいずれか1つの条件を満たすことを特徴とするAl系めっき鋼板。
    (A)厚みが10nm以上、1000nm以下であり、SとAlとOを主成分とし、S及びAlの質量比[S]/[Al]が0.0008以上、0.49以下、かつ、S及びOの質量比[S]/[O]が0.001以上、0.55以下。
    (B)ホウ酸塩、ケイ酸塩、スルホン酸塩、スルフィン酸塩、過マンガン酸塩、リン酸塩の1種または2種以上からなるオキソ酸塩を含み、付着厚みが10nm以上、500nm以下。
    (C)アルミニウム、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの少なくとも1種の、フッ化物塩であり、含まれるフッ素の量が20mg/m2以上。
  2. 前記中間皮膜層は、前記(A)に規定する条件を満たし、
    前記中間皮膜層の厚みが20nm以上、400nm以下であることを特徴とする請求項1に記載のAl系めっき鋼板。
  3. 前記中間皮膜層は、前記(A)に規定する条件を満たし、
    前記中間皮膜層に含まれるS及びAlの質量比[S]/[Al]が0.005以上、0.1以下、かつ、S及びOの質量比[S]/[O]が0.005以上、0.12以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のAl系めっき鋼板。
  4. 前記中間皮膜層に含まれるS及びAlの質量比[S]/[Al]が0.008以上、0.05以下、かつ、S及びOの質量比[S]/[O]が0.01以上、0.08以下であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載のAl系めっき鋼板。
  5. 前記中間皮膜層は、前記(B)に規定する条件を満たし、
    前記オキソ酸塩が、ホウ酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸リチウム、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸アルミニウム、スルホン酸亜鉛、スルフィン酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム、オルトケイ酸亜鉛、ケイ酸リチウム、過マンガン酸亜鉛のいずれかから選ばれる1種または2種以上であることを特徴とする請求項1に記載のAl系めっき鋼板。
  6. 前記中間皮膜層は、前記(B)に規定する条件を満たし、
    前記オキソ酸塩が、過マンガン酸塩とケイ酸塩との混合物であり、かつ混合比がMn/Si質量比で1以上、50以下であることを特徴とする請求項1または請求項5に記載のAl系めっき鋼板。
  7. 前記中間皮膜層は、前記(C)に規定する条件を満たし、
    前記中間皮膜層に含まれるフッ素の量が2000mg/m2以下であることを特徴とする請求項1に記載のAl系めっき鋼板。
  8. 前記中間皮膜層は、前記(C)に規定する条件を満たし、
    前記フッ化物塩は、AlF3、AlOF、LiF、NaF、KF、MgF2、CaF2の少なくとも1種または2種であることを特徴とする、請求項1または請求項7に記載のAl系めっき鋼板。
  9. 前記母材の両面にそれぞれ、前記Al系めっき層、前記中間皮膜層、および前記表面皮膜層の三層が形成されたことを特徴とする請求項1乃至8の何れか1項に記載のAl系めっき鋼板。
  10. 前記Al系めっき層に含まれるAlが、質量%で70%以上であることを特徴とする請求項1乃至9の何れか1項に記載のAl系めっき鋼板。
  11. 前記母材は、質量%で、
    C:0.01%以上、0.5%以下、
    Si:2.0%以下、
    Mn:0.01%以上、3.5%以下、
    P:0.1%以下、
    S:0.05%以下、
    Al:0.001%以上、0.1%以下、
    N:0.01%以下、
    残部がFeおよび不可避的不純物であることを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項に記載のAl系めっき鋼板。
  12. 前記母材は、さらに、質量%で、
    Ti:0.005%以上、0.1%以下、
    B:0.0003%以上、0.01%以下、
    Cr:0.01%以上、1.0%以下、
    Ni:0.01%以上、5.0%以下、
    Mo:0.005%以上、2.0%以下、
    Cu:0.005%以上、1.0%以下のうち、1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項11に記載のAl系めっき鋼板。
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