TWI605136B - 熱壓鋼板及使用熱壓鋼板的熱壓構件的製造方法 - Google Patents

熱壓鋼板及使用熱壓鋼板的熱壓構件的製造方法 Download PDF

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Description

熱壓鋼板及使用熱壓鋼板的熱壓構件的製造方法
本發明是有關於一種適合於藉由熱壓來製造汽車的底盤構件或車體構造構件等構件的熱壓鋼板、及使用熱壓鋼板的熱壓構件的製造方法。
先前，汽車的底盤構件或車體構造構件等構件多數是藉由對具有規定的強度的鋼板進行壓製加工來製造。近年來，就保護地球環境的觀點而言，熱切期望汽車車體的輕量化，而不斷進行將所使用的鋼板高強度化，且降低其板厚的努力。但是，伴隨鋼板的高強度化，其壓製加工性會下降，因此難以將鋼板加工成所期望的構件形狀的情況增多。
因此，於專利文獻1中提出有被稱為熱壓的加工技術，該加工技術是與使用包含模頭與衝頭的模具對經加熱的鋼板進行加工的同時急速冷卻，藉此可使加工的容易化與高強度化並存的技術。但是，於該熱壓中，因在熱壓前將鋼板加熱至950℃左右的高溫，故於鋼板表面會生成銹皮(鐵氧化物)。因於熱壓時剝離鋼板表面所生成的銹皮，故會使模具受損。或者，使熱壓後的構件表面受損。另外，殘留於構件表面的銹皮成為外觀不良或塗佈密著性下降的原因。因此，通常進行酸洗或噴砂等處理來去除構件表面的銹皮，但這會使製造步驟變得複雜，而導致生產性下降。再者，汽車的底盤構件或車體構造構件等構件亦需要優異 的耐蝕性，但於藉由如上所述的步驟所製造的熱壓構件中未設置有鍍覆層等防銹皮膜，因此耐蝕性非常不充分。
因此種背景，故迫切期望一種可於熱壓前的加熱時抑制銹皮的生成，並且提昇熱壓後的構件的耐蝕性的熱壓技術，已提出有表面設置有鍍覆層等皮膜的鋼板及使用其的熱壓方法。例如，於專利文獻2中揭示有一種對由Zn或Zn基合金包覆的鋼板進行熱壓，並將Zn-Fe基化合物或Zn-Fe-Al基化合物設置於表面而成的耐蝕性優異的熱壓構件的製造方法。
先前技術文獻
專利文獻
專利文獻1：英國專利第1490535號公報
專利文獻2：日本專利第3663145號公報
但是，於藉由專利文獻2中記載的方法所製造的熱壓構件中，有時會因銹皮的生成而引起外觀不良或塗佈密著性下降、或者因ZnO的生成而導致耐蝕性劣化。
本發明的目的在於提供一種於熱壓時可抑制銹皮或ZnO的生成且耐氧化性優異的熱壓鋼板、及使用熱壓鋼板的熱壓構件的製造方法。
本發明者等人對達成上述目的之熱壓鋼板進行努力研究的結果，獲得了以下的發現。
(1)銹皮的生成容易於如下的局部的部位產生：鍍覆層的缺陷部、或者因熱壓而以加熱時所形成的Zn-Fe金屬 化合物為起點所產生的裂紋等。
(2)銹皮或ZnO的生成容易於熔點未滿700℃的低Zn系鍍覆層中產生。
(3)當要抑制銹皮或ZnO的生成時，形成含有10質量%~25質量%的Ni、且殘部包含Zn及不可避免的雜質的熔點高的鍍覆層較有效。
本發明是基於上述發現而完成的發明，其提供一種熱壓鋼板，該熱壓鋼板的特徵在於：於鋼板表面具有含有10質量%~25質量%的Ni、殘部包含Zn及不可避免的雜質、且附著量為10g/m2~90g/m2的鍍覆層。
於本發明的熱壓鋼板中，較佳為於鍍覆層上更具有選自含Si的化合物層、含Ti的化合物層、含Al的化合物層及含Zr的化合物層中的至少一種化合物層。
作為本發明的熱壓鋼板中的設置鍍覆層前的鋼板，即鍍覆層的基底鋼板，可使用具有以質量%計含有C：0.15%~0.5%、Si：0.05%~2.0%、Mn：0.5%~3%、P：0.1%以下、S：0.05%以下、Al：0.1%以下、N：0.01%以下、且殘部包含Fe及不可避免的雜質的成分組成的鋼板。於該基底鋼板中，較佳為以質量%計個別地或同時更含有選自Cr：0.01%~1%、Ti：0.2%以下及B：0.0005%~0.08%中的至少一種或Sb：0.003%~0.03%。
另外，本發明提供一種熱壓構件的製造方法，其特徵在於：將本發明的熱壓鋼板加熱至Ac3變態點~1000℃的溫度範圍內之後，進行熱壓。
根據本發明，可製造於熱壓時能夠抑制銹皮或ZnO的生成且耐氧化性優異的熱壓鋼板。使用本發明的熱壓鋼板，藉由本發明的熱壓構件的製造方法所製造的熱壓構件的外觀良好，且具有優異的塗佈密著性或耐蝕性，因此適合於汽車的底盤構件或車體構造構件等構件。
(1)熱壓鋼板
(1-1)鍍覆層
於本發明中，為了於熱壓時抑制銹皮或ZnO的生成，在鋼板表面設置含有10質量%~25質量%的Ni、且殘部包含Zn及不可避免的雜質的鍍覆層。藉由將鍍覆層的Ni含有率設為10質量%~25質量%，而形成具有Ni2Zn11、NiZn3、Ni5Zn21任一者的結晶結構，且熔點高達881℃的γ相，因此可將加熱時的銹皮或ZnO的生成抑制為最小限度。另外，因於加熱時不形成Zn-Fe金屬化合物，故伴隨裂紋的產生的銹皮的生成亦得到抑制。再者，此種組成的鍍覆層於熱壓完成後亦作為γ相而殘存，因此藉由Zn的犧牲防蝕效果而發揮優異的耐蝕性。再者，Ni含有率為10質量%~25質量%時的γ相的形成未必與Ni-Zn合金的平衡狀態圖一致。可認為其原因在於：藉由電鍍法等所進行的鍍覆層的形成反應非平衡地進行。Ni2Zn11、NiZn3、Ni5Zn21的γ相可藉由X射線繞射法或利用穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy，TEM)的電子束繞射法來確認。另外，藉由將鍍覆層的Ni含有率設為10質 量%~25質量%，雖然如上述般形成γ相，但有時因電鍍的條件等而混合存在少許η相。此時，為了將加熱時的銹皮或ZnO的生成抑制為最小限度，較佳為η相含有率為5質量%以下。η相含有率是以η相對於鍍覆層的總重量的重量比來定義，可藉由例如陽極溶解法等來進行定量。
將鍍覆層的每一面的附著量設為10g/m2~90g/m2。 其原因在於：若附著量未滿10g/m2，則Zn的犧牲防蝕效果未充分地發揮，若附著量超過90g/m2，則該效果飽和，而導致成本上升。
鍍覆層的形成方法並無特別限定，但較佳為公知的電鍍法。
若於鍍覆層上更設置選自含Si的化合物層、含Ti的化合物層、含Al的化合物層及含Zr的化合物層中的至少一種化合物層，則可獲得優異的塗佈密著性。為了獲得此種效果，較佳為將化合物層的厚度設為0.1μm以上。另外，較佳為設為3.0μm以下。其原因在於：若化合物層的厚度超過3.0μm，則存在化合物層變脆而導致塗佈密著性下降的可能性。更佳為可將化合物層的厚度設為0.4μm~2.0μm的範圍內。
作為含Si的化合物，例如可應用：矽酮樹脂、矽酸鋰、矽酸鈉、膠體二氧化矽、矽烷偶合劑等。作為含Ti的化合物，例如可應用：鈦酸鋰或鈦酸鈣等鈦酸鹽、將烷氧化鈦或螯合型鈦化合物作為主劑的鈦偶合劑等。作為含Al的化合物，例如可應用：鋁酸鈉或鋁酸鈣等鋁酸鹽、將烷氧化 鋁或螯合型鋁化合物作為主劑的鋁偶合劑等。作為含Zr的化合物，例如可應用：鋯酸鋰或鋯酸鈣等鋯酸鹽、將烷氧化鋯或螯合型鋯化合物作為主劑的鋯偶合劑等。
為了於鍍覆層上形成上述化合物層，只要於將選自上述含Si的化合物、含Ti的化合物、含Al的化合物及含Zr的化合物中的至少一種化合物在鍍覆層上進行附著處理後，不進行水洗而進行加熱乾燥即可。該些化合物的附著處理可為塗佈法、浸漬法、噴霧法中的任一種，只要利用輥塗機、壓擠塗佈機、狹縫塗佈機等即可。此時，亦可於利用壓擠塗佈機等的塗佈處理、浸漬處理、噴霧處理後，藉由氣刀法或輥擠壓法來進行塗佈量的調整、外觀的均一化、厚度的均一化。另外，加熱乾燥可於鋼板的最高到達溫度為40℃~200℃的範圍內，較佳為60℃~160℃的範圍內進行。
另外，於鍍覆層上形成上述化合物層的方法並不限定於上述方法。例如，藉由在進行將具有鍍覆層的鋼板浸漬於含有選自Si、Ti、Al及Zr中的至少一種陽離子，且含有選自磷酸離子、氟酸離子、氟化物離子中的至少一種陰離子的酸性水溶液中的反應型處理後，進行水洗或不進行水洗而進行加熱乾燥的方法，亦可於鍍覆層上形成上述化合物層。
再者，可使上述化合物層中含有無機系固態潤滑劑。 其原因在於：藉由含有無機系固態潤滑劑，熱壓時的動摩擦係數降低，可提昇壓製加工性。
作為無機系固態潤滑劑，可應用選自金屬硫化物(二硫化鉬、二硫化鎢等)、硒化合物(硒化鉬、硒化鎢等)、石墨、氟化物(氟化石墨、氟化鈣等)、氮化物(氮化硼、氮化矽等)、硼砂、雲母、金屬錫及鹼金屬硫酸鹽(硫酸鈉、硫酸鉀等)中的至少一種。上述無機系固態潤滑劑於化合物層中的含有率較佳為設為0.1質量%~20質量%。其原因在於：若含量為0.1質量%以上，則可獲得潤滑效果，若含量為20質量%以下，則塗料密著性不會下降。
(1-2)基底鋼板
為了獲得具有980MPa以上的強度(Tensile Strength，TS)的熱壓構件，作為鍍覆層的基底鋼板，例如可使用具有以質量%計含有C：0.15%~0.5%、Si：0.05%~2.0%、Mn：0.5%~3%、P：0.1%以下、S：0.05%以下、Al：0.1%以下、N：0.01%以下、且殘部包含Fe及不可避免的雜質的成分組成的熱延鋼板或冷軋鋼板。以下對限定各成分元素的含量的理由進行說明。此處，表示成分的含量的「%」只要事先無特別說明，則是指「質量%」。
C：0.15%~0.5%
C是提昇鋼的強度的元素，當要使熱壓構件的TS為980MPa以上時，必需將C量設為0.15%以上。另一方面，若C量超過0.5%，則素材的鋼板的切坯加工性顯著下降。因此，將C量設為0.15%~0.5%。
Si：0.05%~2.0%
Si與C同樣，是提昇鋼的強度的元素，為了使熱壓構 件的TS為980MPa以上，必需將Si量設為0.05%以上。另一方面，若Si量超過2.0%，則於熱壓時被稱為紅色銹皮的表面缺陷的產生顯著增多，並且軋製負荷增大、或者導致熱壓鋼板的延展性劣化。再者，若Si量超過2.0%，則當實施將以Zn或Al為主體的鍍覆皮膜形成於鋼板的表面的鍍覆處理時，有時會對鍍覆處理性帶來不良影響。因此，將Si量設為0.05%~2.0%。
Mn：0.5%~3%
Mn是對於抑制肥粒鐵變態並提昇淬火性有效的元素，另外，因使Ac3變態點下降，故Mn是對於降低熱壓前的加熱溫度亦有效的元素。為了表現出此種效果，必需將Mn量設為0.5%以上。另一方面，若Mn量超過3%，則Mn偏析且素材的鋼板及熱壓構件的特性的均一性下降。因此，將Mn量設為0.5%~3%。
P：0.1%以下
若P量超過0.1%，則P偏析且素材的鋼板及熱壓構件的特性的均一性下降，並且靭性亦顯著下降。因此，將P量設為0.1%以下。
S：0.05%以下
若S量超過0.05%，則熱壓構件的靭性下降。因此，將S量設為0.05%以下。
Al：0.1%以下
若Al量超過0.1%，則素材的鋼板的切坯加工性或淬火性下降。因此，將Al量設為0.1%以下。
N：0.01%以下
若N量超過0.01%，則於熱壓時或熱壓前的加熱時形成AlN等氮化物，素材的鋼板的切坯加工性或淬火性下降。因此，將N量設為0.01%以下。
基底鋼板的上述成分的殘部是Fe及不可避免的雜質，但根據以下的理由，較佳為個別地或同時含有選自Cr：0.01%~1%、Ti：0.2%以下及B：0.0005%~0.08%中的至少一種或Sb：0.003%~0.03%。
Cr：0.01%~1%
Cr是對鋼進行強化，並且對於提昇淬火性有效的元素。為了表現出此種效果，較佳為將Cr量設為0.01%以上。 另一方面，若Cr量超過1%，則導致成本顯著變高，因此較佳為將Cr量的上限設為1%。
Ti：0.2%以下
Ti是對鋼進行強化，並且對於藉由晶粒的細粒化來提昇靭性有效的元素。另外，Ti亦為先於以下所述的B形成氮化物，且對於使由經固溶的B所產生的淬火性的提昇效果發揮有效的元素。但是，若Ti量超過0.2%，則熱壓時的軋製負荷極端地增大，另外，熱壓構件的靭性下降，因此較佳為將Ti量的上限設為0.2%。
B：0.0005%~0.08%
B是對於提昇熱壓時的淬火性或熱壓後的靭性有效的元素。為了表現出此種效果，較佳為將B量設為0.0005%以上。另一方面，若B量超過0.08%，則熱壓時的軋製負 荷極端地增大，另外，熱壓後生成麻田散鐵相或變靭鐵相而產生鋼板的破損等，因此較佳為將B量的上限設為0.08%。
Sb：0.003%~0.03%
Sb具有抑制自熱壓前對鋼板進行加熱至藉由熱壓的一連串的處理來冷卻鋼板為止的期間內於鋼板表層部所產生的脫碳層的效果。為了表現出此種效果，必需將Sb量設為0.003%以上。另一方面，若Sb量超過0.03%，則導致軋製負荷增大，而使生產性下降。因此，較佳為將Sb量設為0.003%~0.03%。
(2)熱壓構件的製造方法
上述本發明的熱壓鋼板於加熱至Ac3變態點~1000℃的溫度範圍內之後，經熱壓而成為熱壓構件。於熱壓前加熱至Aｃ3變態點以上是為了藉由熱壓時的急速冷卻來形成麻田散鐵相等硬質相，而謀求構件的高強度化。另外，將加熱溫度的上限設為1000℃的原因在於：若加熱溫度超過1000℃，則會於鍍覆層表面生成大量的ZnO。此外，此處所述的加熱溫度是指鋼板的最高到達溫度。
熱壓前的加熱時的平均昇溫速度並無特別限定，但較佳為例如2℃/秒(℃/s)~200℃/s。鋼板暴露於高溫條件下的高溫滯留時間變得越長，鍍覆層表面上的ZnO的生成或鍍覆層的缺陷部處的局部的銹皮的生成越增多。因此，平均昇溫速度越快，越可抑制銹皮的生成，故較佳。另外，鋼板的最高到達溫度下的保持時間亦無特別限定，但根據 與上述相同的理由，設為短時間較合適，較佳為設為300秒(s)以下，更佳為設為120秒以下，更佳為設為10秒以下。
作為熱壓前的加熱方法，可例示：利用電爐或煤氣爐等的加熱、火焰加熱、通電加熱、高頻加熱、感應加熱等。
[實例1]
作為基底鋼板，使用具有以質量%計含有C：0.23%、Si：0.25%、Mn：1.2%、P：0.01%、S：0.01%、Al：0.03%、N：0.005%、Cr：0.2%、Ti：0.02%、B：0.0022%、Sb：0.008%、殘部包含Fe及不可避免的雜質的成分組成、Ac3變態點為820℃、且板厚為1.6mm的冷軋鋼板。於含有200g/L的硫酸鎳六水合物及10g/L~100g/L的硫酸鋅七水合物的pH為1.5、溫度為50℃的鍍浴中，使電流密度變化為5A/dm2~100A/dm2來對該冷軋鋼板的表面實施電鍍處理，如表1所示，製作具有Ni含有率(殘部為Zn及不可避免的雜質)、附著量及η相含有率不同的鍍覆層的鋼板No.1~鋼板No.19。另外，為了進行比較，製作對上述冷軋鋼板實施熔融鍍覆處理而成的熔融鍍Zn鋼板(GI)、合金化熔融鍍Zn鋼板(GA)、熔融鍍Zn-5%Al鋼板(GF)、熔融鍍Zn-55%Al鋼板(GL)及無鍍覆層的維持冷軋鋼板原樣的鋼板(鋼板No.20~鋼板No.24)。將以上述方式製作的鋼板No.1~鋼板No.24示於表1。
藉由電爐或直接通電而於表1所示的加熱條件下對以上述方式所獲得的鋼板No.1~鋼板No.24進行加熱後，利 用Al製模具夾持並以冷卻速度50℃/s進行冷卻，且進行以下所示的耐氧化性的評價。表1表示各鋼板的鍍覆層的組成、加熱條件、以及耐氧化性的評價結果。
耐氧化性：於表1所示的加熱條件下進行加熱後，測定鋼板的重量，並測定與加熱前的重量變化。此處，重量變化是由銹皮或ZnO的生成所引起的重量增加與由所生成的ZnO的飛散所引起的重量減少的和，其絕對值越小，耐氧化性越優異，按以下的基準進行評價。若評價的結果為◎或○，則認為滿足本發明的目的。
◎：重量變化的絕對值≦3g/m2
○：3g/m2<重量變化的絕對值≦5g/m2
×：5g/m2<重量變化的絕對值
如表1所示，可知本發明的鋼板No.1~鋼板No.16的重量變化的絕對值均較小，耐氧化性均優異。
再者，雖然本實例中未實際進行利用熱壓的加工，但如上所述，耐氧化性受到由熱壓前的加熱所引起的鍍覆層的變化，特別是鍍覆層中的Zn的舉動的影響，因此可藉由本實例的結果來評價熱壓構件的耐氧化性。
[實例2]
在與實例1相同的基底鋼板的表面，以與實例1相同的方法形成Ni含有率、附著量及η相含有率不同的鍍覆層。其後，於鍍覆層上塗佈含有下述所示的含Si的化合物、含Ti的化合物、含Al的化合物、含Zr的化合物、含Si與Zr的化合物中的任一種化合物、且殘部包含溶劑的組成物(固體成分比例為15質量%)。其後，於鋼板的最高到達溫度成為140℃的條件下進行加熱乾燥，如表2、表3所示，形成厚度不同的含Si的化合物層、含Ti的化合物層、含Al的化合物層、含Zr的化合物層、含Si與Zr的化合物層中的任一種化合物層，從而製成鋼板No.1~鋼板No.32。將以上述方式製作的鋼板No.1~鋼板No.32示於表2、表3中。
再者，作為含Si的化合物、含Ti的化合物、含Al的化合物及含Zr的化合物，使用以下的化合物。
矽酮樹脂：信越化學(股)製造KR-242A
矽酸鋰：日產化學工業(股)製造 矽酸鋰45
膠體二氧化矽：日產化學工業(股)製造Snowtex OS
矽烷偶合劑：信越化學(股)製造KBE-403
鈦偶合劑：Matsumoto Fine Chemical(股)製造Orgatix TA-22
鈦酸鋰：鈦工業(Titan Kogyo)(股)製造 鈦酸鋰
鋁酸鈉：朝日化學工業(股)製造NA-170
鋁偶合劑：味之素精密技術(Ajinomoto Fine-Techno)(股)製造Plenact AL-M
乙酸鋯：三榮化工(股)製造 乙酸鋯
鋯偶合劑：Matsumoto Fine Chemical(股)製造Orgatix ZA-65
另外，將使用矽酮樹脂作為化合物時的溶劑設為乙二醇單丁醚：石腦油=55：45(質量比)的稀釋劑。另外，將使用矽酮樹脂以外者作為化合物時的溶劑設為去離子水。
藉由電爐或直接通電而於表2、表3所示的加熱條件下，對以上述方式所獲得的表面依次具有鍍覆層與化合物層的表2、表3所示的鋼板No.1~鋼板No.32進行加熱後，利用Al製模具夾持並以冷卻速度50℃/s進行冷卻。其後，進行與實例1相同的耐氧化性的評價及以下所示的塗佈密著性的評價。表2、表3表示各鋼板的鍍覆層的組成與化合物層的組成、加熱條件、耐氧化性及塗佈密著性的評價結果。
塗佈密著性：自熱處理後的鋼板中選取樣品，使用巴卡萊近沽(Nihon Parkerizing)股份有限公司製造的PB-SX35於標準條件下實施化成處理後，於170℃×20分鐘的燒附條件下使關西塗料(Kansai Paint)股份有限公司 製造的電沈積塗料GT-10HT(灰色)以20μm的膜厚成膜，從而製成塗佈試驗片。然後，利用切刀對所製作的試驗片的實施了化成處理及電沈積塗佈的面進行到達網格(10個×10個，1mm間隔)的鋼基體為止的切割，並實施利用黏著膠帶進行貼附、剝離的網格膠帶剝離試驗。按以下的基準進行評價，若評價的結果為◎或○，則認為塗佈密著性優異。
◎：無剝離
○：於1個~10個網格上產生剝離
△：於11個~30個網格上產生剝離
×：於31個以上的網格上產生剝離
如表2、表3所示，可知於本發明例中，藉由設置化合物層，不僅耐氧化性優異，塗佈密著性亦優異。
再者，雖然本實例中未實際進行利用熱壓的加工，但與耐氧化性同樣地，亦可藉由本實例的結果來評價熱壓構件的塗佈密著性。
本發明可應用於汽車的底盤構件或車體構造構件等構件的利用熱壓的製造。

Claims (4)

  1. 一種熱壓鋼板，其特徵在於：於基底鋼板表面具有含有10質量%~25質量%的Ni、殘部包含Zn及不可避免的雜質、且附著量為10g/m2~90g/m2的鍍覆層，其中上述鍍覆層中的η相含有率為5質量%以下，上述基底鋼板具有以質量%計含有C：0.15%~0.5%、Si：0.05%~2.0%、Mn：0.5%~3%、P：0.1%以下、S：0.05%以下、Al：0.1%以下、N：0.01%以下、Sb：0.008%~0.03%、且殘部包含Fe及不可避免的雜質的成分組成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱壓鋼板，其中於上述鍍覆層上更具有選自含Si的化合物層、含Ti的化合物層、含Al的化合物層及含Zr的化合物層中的至少一種化合物層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之熱壓鋼板，其中上述基底鋼板以質量%計更含有選自Cr：0.01%~1%、Ti：0.2%以下及B：0.0005%~0.08%中的至少一種。
  4. 一種熱壓構件的製造方法，其特徵在於：將如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之熱壓鋼板加熱至Ac3變態點~1000℃的溫度範圍內之後，進行熱壓。
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