WO2012121399A1 - 熱間プレス用鋼板およびそれを用いた熱間プレス部材の製造方法 - Google Patents

熱間プレス用鋼板およびそれを用いた熱間プレス部材の製造方法 Download PDF

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Abstract

熱間プレス時にスケールやZnOの生成が十分に抑制されて耐酸化性に優れるとともに、めっき層中の元素に起因する液体金属脆性割れが起こることのない耐液体金属脆性に優れた熱間プレス用鋼板およびそれを用いた熱間プレス部材の製造方法を提供する。鋼板表面に、融点が800℃以上であり、片面当たりの付着量が10～90g/m2のめっき層を有することを特徴とする熱間プレス用鋼板。

Description

熱間プレス用鋼板およびそれを用いた熱間プレス部材の製造方法
　本発明は、自動車の足廻り部材や車体構造部材などを熱間プレスで製造するのに適した熱間プレス用鋼板およびそれを用いた熱間プレス部材の製造方法に関する。
　従来から、自動車の足廻り部材や車体構造部材などの多くは、所定の強度を有する鋼板をプレス加工して製造されている。近年、地球環境の保全という観点から、自動車車体の軽量化が熱望され、使用する鋼板を高強度化して、その板厚を低減する努力が続けられている。しかし、鋼板の高強度化に伴ってそのプレス加工性が低下するため、鋼板を所望の部材形状に加工することが困難になる場合が多くなっている。
　そのため、特許文献１には、ダイとパンチからなる金型を用いて加熱された鋼板を加工すると同時に急冷することにより加工の容易化と高強度化の両立を可能にした熱間プレスと呼ばれる加工技術が提案されている。しかし、この熱間プレスでは、熱間プレス前に鋼板を９５０℃前後の高い温度に加熱するため、鋼板表面にはスケール（鉄酸化物）が生成し、そのスケールが熱間プレス時に剥離して、金型を損傷させる、または熱間プレス後の部材表面を損傷させるという問題がある。また、部材表面に残ったスケールは、外観不良や塗装密着性の低下の原因にもなる。このため、通常は酸洗やショットブラストなどの処理を行って部材表面のスケールは除去されるが、これは製造工程を複雑にし、生産性の低下を招く。さらに、自動車の足廻り部材や車体構造部材などには優れた耐食性も必要とされるが、上述のような工程により製造された熱間プレス部材ではめっき層などの防錆皮膜が設けられていないため、耐食性が甚だ不十分である。
　このようなことから、熱間プレス前の加熱時にスケールの生成を抑制するとともに、熱間プレス後の部材の耐食性を向上させることが可能な熱間プレス技術が要望され、表面にめっき層などの皮膜を設けた鋼板やそれを用いた熱間プレス方法が提案されている。例えば、特許文献２には、ＺｎまたはＺｎベース合金で被覆された鋼板を熱間プレスし、Ｚｎ−Ｆｅベース化合物またはＺｎ−Ｆｅ−Ａｌベース化合物を表面に設けた耐食性に優れる熱間プレス部材の製造方法が開示されている。
　また、特許文献３には、熱間プレス前の加熱などの高温熱処理時に、めっき層に含まれる溶融Ｚｎが下地鋼板に侵入して起こる液体金属脆性割れを抑制すべく、所定の鋼組成を有する鋼板表面に、Ｆｅ含有率が１３~８０質量％で、Ａｌ含有率が０．４質量％以下のＦｅ−Ｚｎ合金からなり、かつＺｎ付着量が１０~６５ｇ／ｍ２であるＺｎめっき層を備える熱処理用鋼板が開示されている。
英国特許第１４９０５３５号公報 特許第３６６３１４５号公報 特許第４３２９６３９号公報
　しかしながら、特許文献２に記載の方法で製造された熱間プレス部材では、スケールの生成はある程度抑制されるものの、ＺｎＯが多量に生成し、外観不良や塗装密着性低下を引き起こすため、耐酸化性は必ずしも良好とはいえない。また、めっき層中のＺｎに起因する液体金属脆性割れが起こる場合がある。特許文献３に記載の熱処理用鋼板では、熱間プレスのように高温で加工を受ける場合には、めっき層中のＺｎに起因する液体金属脆性割れを完全には抑制できない。
　本発明は、熱間プレス時にスケールやＺｎＯの生成が十分に抑制されて耐酸化性に優れるとともに、めっき層中の元素に起因する液体金属脆性割れが起こることのない耐液体金属脆性に優れた熱間プレス用鋼板およびそれを用いた熱間プレス部材の製造方法を提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記の目的とする熱間プレス用鋼板について鋭意検討を行った結果、優れた耐酸化性および耐液体金属脆性を図るには、融点が８００℃以上で、付着量が１０ｇ／ｍ２以上のめっき層を設けることが効果的であることが明らかになった。
　本発明は、このような知見に基づきなされたもので、鋼板表面に、融点が８００℃以上であり、片面当たりの付着量が１０~９０ｇ／ｍ２のめっき層を有することを特徴とする熱間プレス用鋼板を提供する。
　本発明の熱間プレス用鋼板では、めっき層が電気めっき層であることが好ましい。
　本発明は、また、上記のような熱間プレス用鋼板を、昇温速度を３℃／ｓ以上で、Ａｃ３変態点~１０００℃の温度範囲に加熱後、熱間プレスすることを特徴とする熱間プレス部材の製造方法を提供する。
　本発明に係る熱間プレス部材の製造方法では、めっき層の融点以上の温度に鋼板が滞在する時間を２００ｓ以下にしたり、昇温速度を３０℃／ｓ以上とすることが好ましい。
　本発明により、熱間プレス時にスケールやＺｎＯの生成が十分に抑制されて耐酸化性に優れるとともに、めっき層中の元素に起因する液体金属脆性割れが起こることのない耐液体金属脆性に優れた熱間プレス用鋼板を製造できるようになった。本発明に係る熱間プレス用鋼板を用い、本発明に係る熱間プレス部材の製造方法で製造した熱間プレス部材は、外観や塗装密着性が良好であるとともに、めっき層中の元素に起因する液体金属脆性割れも起こらず、自動車の足廻り部材や車体構造部材に好適である。
図１は、本発明に係る実施例で作製したハット型部品の形状を示す図である。
　１）熱間プレス用鋼板
　１−１）めっき層
　本発明に係る熱間プレス用鋼板は、熱間プレス時の耐酸化性および耐液体金属脆性を確保するために、鋼板表面に、融点が８００℃以上であり、片面当たりの付着量が１０~９０ｇ／ｍ２のめっき層を設ける。
　めっき層の融点を８００℃以上とする理由は、耐液体金属脆性を確保するためである。液体金属脆化による母材の割れは、めっき層中の金属成分が溶融して、母材である鋼板の粒界に浸入することによって引き起こされる。特に、加熱と同時に曲げなどの加工も行われる場合には、溶融金属（液体金属）の粒界への侵入がより起こりやすくなる。本発明においては、熱間プレス前の加熱はＡｃ３変態点~１０００℃の温度範囲で行われるため、めっき層の融点が熱間プレス前の加熱温度より低い場合には、なるべく加熱温度に近い８００℃以上の高融点であるほど溶融金属と母材鋼板とが接触する時間が短いため、耐液体金属脆性は良好となる。さらに、溶融金属は、温度が高いほど低粘性となって濡れが拡がりやすくなり、母材鋼板の粒界に侵入しやすくなるため、なるべく加熱温度に近い８００℃以上の高融点であるほど高粘性となって耐液体金属脆性は良好となる。以上のことから、めっき層の融点は８００℃以上とする。なお、めっき層の融点が熱間プレス前の加熱温度より高い場合は、液体金属脆性は全く問題とならない。
　また、めっき層がＺｎを含有する場合には、めっき層の融点が８００℃以上であれば、ＺｎＯの生成が抑制され、耐酸化性も良好となる。
　融点が８００℃以上のめっき層としては、Ｃｒめっき（融点：１９００℃）、Ｎｉめっき（融点：１４５５℃）、Ｚｎ−Ｎｉめっき（融点：８８１℃）などが例示される。これらのめっき層の形成方法は、特に限定されるものでないが、公知の電気めっき法が好適である。電気めっき法の場合は、通常５~８０℃の温度域でめっき層を形成できるため、熱間プレス用鋼板としての素材の段階では、溶融金属と鋼板とが接触することがない。よって、めっき金属が母材鋼板の粒界に侵入したり、ＺｎＯの生成などのめっき金属の酸化が起こることもない。したがって、めっき層を電気めっき層とすることは、耐液体金属脆性や耐酸化性にとって有利といえる。
　Ｚｎ−Ｎｉめっき層を電気めっき法で行う場合は、めっき層中のＮｉ含有率を１０~２５質量％とすることによりＮｉ２Ｚｎ１１、ＮｉＺｎ３、Ｎｉ５Ｚｎ２１のいずれかの結晶構造を有するγ相が形成される。γ相の融点は平衡状態図から８８１℃である。Ｎｉ量が１０~２５質量％におけるγ相の形成は、Ｎｉ−Ｚｎ合金の平衡状態図とは必ずしも一致しない。これは電気めっき法などで行われるめっき層の形成反応が非平衡で進行するためと考えられる。Ｎｉ２Ｚｎ１１、ＮｉＺｎ３、Ｎｉ５Ｚｎ２１のγ相は、Ｘ線回折法やＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いた電子線回折法により確認できる。
　めっき層の片面当たりの付着量を１０~９０ｇ／ｍ２とする理由は、１０ｇ／ｍ２未満ではスケール生成抑制効果が不十分で、耐酸化性が劣り、９０ｇ／ｍ２を超えるとその効果が飽和し、コストアップを招くためである。
　１−２）下地鋼板
　９８０ＭＰａ以上の強度を有する熱間プレス部材を得るには、めっき層の下地鋼板として、例えば、質量％で、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％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する熱延鋼板や冷延鋼板を用いることができる。各成分元素の限定理由を、以下に説明する。ここで、成分の含有量を表す「％」は、特に断らない限り「質量％」を意味する。
　Ｃ：０．１５~０．５％
　Ｃは、鋼の強度を向上させる元素であり、熱間プレス部材のＴＳを９８０ＭＰａ以上にするには、その量を０．１５％以上とする必要がある。一方、Ｃ量が０．５％を超えると、素材の鋼板のブランキング加工性が著しく低下する。したがって、Ｃ量は０．１５~０．５％とする。
　Ｓｉ：０．０５~２．０％
　Ｓｉは、Ｃ同様、鋼の強度を向上させる元素であり、熱間プレス部材のＴＳを９８０ＭＰａ以上にするには、その量を０．０５％以上とする必要がある。一方、Ｓｉ量が２．０％を超えると、熱間圧延時に赤スケールと呼ばれる表面欠陥の発生が著しく増大するとともに、圧延荷重が増大したり、熱延鋼板の延性の劣化を招く。さらに、Ｓｉ量が２．０％を超えると、ＺｎやＡｌを主体としためっき皮膜を鋼板表面に形成するめっき処理を施す際に、めっき処理性に悪影響を及ぼす場合がある。したがって、Ｓｉ量は０．０５~２．０％とする。
　Ｍｎ：０．５~３％
　Ｍｎは、フェライト変態を抑制して焼入れ性を向上させるのに効果的な元素であり、また、Ａｃ３変態点を低下させるので、熱間プレス前の加熱温度を低下するにも有効な元素である。このような効果の発現のためには、その量を０．５％以上とする必要がある。一方、Ｍｎ量が３％を超えると、偏析して素材の鋼板および熱間プレス部材の特性の均一性が低下する。したがって、Ｍｎ量は０．５~３％とする。
　Ｐ：０．１％以下
　Ｐ量が０．１％を超えると、偏析して素材の鋼板および熱間プレス部材の特性の均一性が低下するとともに、靭性も著しく低下する。したがって、Ｐ量は０．１％以下とする。
　Ｓ：０．０５％以下
　Ｓ量が０．０５％を超えると、熱間プレス部材の靭性が低下する。したがって、Ｓ量は０．０５％以下とする。
　Ａｌ：０．１％以下
　Ａｌ量が０．１％を超えると、素材の鋼板のブランキング加工性や焼入れ性を低下させる。したがって、Ａｌ量は０．１％以下とする。
　Ｎ：０．０１％以下
　Ｎ量が０．０１％を超えると、熱間圧延時や熱間プレス前の加熱時にＡｌＮの窒化物を形成し、素材の鋼板のブランキング加工性や焼入れ性を低下させる。したがって、Ｎ量は０．０１％以下とする。
　残部はＦｅおよび不可避的不純物であるが、以下の理由により、Ｃｒ：０．０１~１％、Ｔｉ：０．２％以下、Ｂ：０．０００５~０．０８％のうちから選ばれた少なくとも一種や、Ｓｂ：０．００３~０．０３％が、個別にあるいは同時に含有されることが好ましい。
　Ｃｒ：０．０１~１％
　Ｃｒは、鋼を強化するとともに、焼入れ性を向上させるのに有効な元素である。こうした効果の発現のためには、Ｃｒ量を０．０１％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｒ量が１％を超えると、著しいコスト高を招くため、その上限は１％とすることが好ましい。
　Ｔｉ：０．２％以下
　Ｔｉは、鋼を強化するとともに、細粒化により靭性を向上させるのに有効な元素である。また、次に述べるＢよりも優先して窒化物を形成して、固溶Ｂによる焼入れ性の向上効果を発揮させるのに有効な元素でもある。しかし、Ｔｉ量が０．２％を超えると、熱間圧延時の圧延荷重が極端に増大し、また、熱間プレス部材の靭性が低下するので、その上限は０．２％とすることが好ましい。
　Ｂ：０．０００５~０．０８％
　Ｂは、熱間プレス時の焼入れ性や熱間プレス後の靭性向上に有効な元素である。こうした効果の発現のためには、Ｂ量を０．０００５％以上とすることが好ましい。一方、Ｂ量が０．０８％を超えると、熱間圧延時の圧延荷重が極端に増大し、また、熱間圧延後にマルテンサイト相やベイナイト相が生じて鋼板の割れなどが生じるので、その上限は０．０８％とすることが好ましい。
　Ｓｂ：０．００３~０．０３％
　Ｓｂは、熱間プレス前に鋼板を加熱してから熱間プレスの一連の処理によって鋼板を冷却するまでの間に鋼板表層部に生じる脱炭層を抑制する効果を有する。このような効果の発現のためにはその量を０．００３％以上とする必要がある。一方、Ｓｂ量が０．０３％を超えると、圧延荷重の増大を招き、生産性を低下させる。したがって、Ｓｂ量は０．００３~０．０３％とすることが好ましい。
　２）熱間プレス部材の製造方法
　上記した本発明の熱間プレス用鋼板は、Ａｃ３変態点~１０００℃の温度範囲に加熱後熱間プレスされて熱間プレス部材となる。熱間プレス前にＡｃ３変態点以上に加熱するのは、熱間プレス時の急冷でマルテンサイト相などの硬質相を形成し、部材の高強度化を図るためである。また、加熱温度の上限を１０００℃としたのは、１０００℃を超えると耐酸化性が劣化するためである。なお、ここでいう加熱温度とは鋼板の最高到達温度のことをいう。
　熱間プレス時の耐液体金属脆性や耐酸化性を向上させる上では、熱間プレス時の加熱前や加熱時に、めっき層の金属が母材鋼板の粒界に侵入したり、酸化したりすることを極力抑制することが好ましいが、それには、素材の熱間プレス用鋼板のめっき層に合金化処理などを施すことなく、かつ、下記のように、加熱時に、めっき層の融点以上の温度に鋼板が滞在する時間を短時間にしたり、昇温速度を速くすることが効果的である。
　めっき層の融点が８００℃以上である本発明の鋼板では、めっき層の融点以上の温度に鋼板が滞在する時間が２００ｓを超えても、耐液体金属脆性が劣化することはない。しかし、めっき層の欠陥部における局所的なスケールの生成や、めっき層がＺｎを含有する場合におけるＺｎＯの生成は、鋼板が高温条件下に晒されている時間が長くなるほど増大し、特にめっき層の融点を超えた温度に鋼板が長時間晒された場合に著しい。このため、めっき層の融点以上の温度に鋼板が滞在する時間は短いほど好ましく、２００ｓ以下にすることが好ましい。より好ましくは１５０ｓ以下である。
　熱間プレス前の加熱時の昇温速度は、耐酸化性を向上させるには３℃／ｓ以上にする必要があるが、速いほど好ましく、特に、３０℃／ｓ以上にすることがより好ましい。また、最高到達板温における保持時間についても、上記と同じ理由により、短時間とする方が好適であり、好ましくは３００ｓ以下、より好ましくは１５０ｓ以下、さらに好ましくは１０ｓ以下とする。
　熱間プレス前の加熱方法としては、電気炉やガス炉などによる加熱、火炎加熱、通電加熱、高周波加熱、誘導加熱などを例示できる。
　下地鋼板として、質量％で、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％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、Ａｃ３変態点が８２０℃で、板厚１．６ｍｍの冷延鋼板を用いた。冷延鋼板の表面に、電気めっき法により、Ｃｒめっき、Ｎｉめっき、Ｚｎ−Ｎｉめっきを施して鋼板Ｎｏ．１~２３を作製した。このとき、Ｃｒめっきは、２５０ｇ／Ｌのクロム酸、２．５ｇ／Ｌの硫酸を含有する浴温５０℃のめっき浴中で、電流密度を２５Ａ／ｄｍ２としてめっきを行い、通電時間を変化させることによりめっき付着量を調整した。Ｎｉめっきは、２４０ｇ／Ｌの硫酸ニッケル六水和物、３０ｇ／Ｌのホウ酸を含有するｐＨ３．６、浴温５０℃のめっき浴中で、電流密度を５Ａ／ｄｍ２としてめっきを行い、通電時間を変化させることによりめっき付着量を調整した。Ｚｎ−Ｎｉめっきは、２００ｇ／Ｌの硫酸ニッケル六水和物、１０~１００ｇ／Ｌの硫酸亜鉛七水和物を含有するｐＨ１．５、浴温５０℃のめっき浴中で、電流密度を５~１００Ａ／ｄｍ２としてめっきを行い、硫酸亜鉛七水和物の添加量と電流密度を変化させることによりＮｉ含有率を調整し（１０、１２、２５質量％）、通電時間を変化させることによりめっき付着量を調整した。また、上記冷延鋼板の表面に、溶融めっき法により、Ｚｎめっき、Ｚｎ−Ｆｅめっき、Ａｌ−Ｓｉめっきを施して鋼板Ｎｏ．２４~３９を作製した。このとき、Ｚｎめっきは、通常の溶融Ｚｎめっき処理で行った。Ｚｎ−Ｆｅめっきは、溶融Ｚｎめっき処理を施した後に温度と時間を変化させて合金化処理を行い、Ｆｅ含有率を調整した（１０、２５質量％）。Ａｌ−Ｓｉめっきは、１０質量％のＳｉを含有する溶融Ａｌめっき浴を使用して行った。このようにして作製した鋼板Ｎｏ．１~３９のめっき層の詳細を表１、２に示す。
　鋼板Ｎｏ．１~３９から１００ｍｍ×２００ｍｍの試験片を採取し、電気炉または直接通電により表１、２に示す加熱条件で加熱後、直ちにハット型金型を用いて熱間プレスを行って、図１に示す形状のハット型部品を作製した。このときの熱間プレス時の冷却速度を表１、２に示す。ハット型金型は、上面平坦部長さ３０ｍｍ、上面の両肩半径５ｍｍ、側面の平坦部長さ１０ｍｍ、下面の両肩半径５ｍｍ、残部が底面となる蒲鉾形状をしたハット型金型を使用し、しわ押え圧２０トン、加工速度１５ショット／分の条件で成形を行った。
　作製したハット型部品について、以下の方法により耐酸化性および耐液体金属脆性の評価を行った。
耐酸化性：ハット型部品の重量を測定し、加熱前に測定した鋼板重量との差を算出した。この重量の差は、スケールやＺｎＯの生成による重量増加を示しており、その差が小さいほど耐酸化性に優れるとし、以下の基準で評価し、○であれば本発明の目的を満足しているとした。
○：重量の差≦５ｇ／ｍ２
×：５ｇ／ｍ２＜重量の差
耐液体金属脆性：ハット型部品の上面の肩Ｒ部の外側より断面観察用のサンプルを採取し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、断面長さ４ｍｍの視野における母材に侵入しているクラックの発生本数を求め、単位長さあたりのクラック本数、すなわちクラック密度（本／ｍｍ）を算出した。このクラック密度が小さいほど耐液体金属脆性に優れるとし、以下の基準で評価し、○であれば本発明の目的を満足しているとした。
○：クラック密度＝０
△：０＜クラック密度＜３
×：３≦クラック密度
　結果を表１、２に示す。本発明の熱間プレス用鋼板である鋼板Ｎｏ．１~１２、１４、１６~２０は、耐酸化性および耐液体金属脆性に優れていることがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002

Claims (5)

  1. 　鋼板表面に、融点が８００℃以上であり、片面当たりの付着量が１０~９０ｇ／ｍ２のめっき層を有することを特徴とする熱間プレス用鋼板。
  2. 　めっき層が電気めっき層であることを特徴とする請求項１に記載の熱間プレス用鋼板。
  3. 　請求項１または２に記載の熱間プレス用鋼板を、昇温速度を３℃／ｓ以上で、Ａｃ３変態点~１０００℃の温度範囲に加熱後、熱間プレスすることを特徴とする熱間プレス部材の製造方法。
  4. 　めっき層の融点以上の温度に鋼板が滞在する時間を２００ｓ以下にすることを特徴とする請求項３に記載の熱間プレス部材の製造方法。
  5. 　昇温速度を３０℃／ｓ以上とすることを特徴とする請求項３または４に記載の熱間プレス部材の製造方法。
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