WO2022215448A1 - ホットスタンプ成形体 - Google Patents

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WO2022215448A1
WO2022215448A1 PCT/JP2022/011331 JP2022011331W WO2022215448A1 WO 2022215448 A1 WO2022215448 A1 WO 2022215448A1 JP 2022011331 W JP2022011331 W JP 2022011331W WO 2022215448 A1 WO2022215448 A1 WO 2022215448A1
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教史 土井
憲司 小林
尚美 稲富
優貴 鈴木
宗士 藤田
雅裕 布田
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日本製鉄株式会社
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    • C21D9/46Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals

Definitions

  • the present invention relates to a hot-stamped molded product.
  • Hot stamping (also called hot pressing, hot pressing, die quenching, press quenching, etc.) is known as a method of forming high-strength steel with high dimensional accuracy. Hot stamping involves heating a steel material such as a steel plate to an austenite region, performing hot forming, and obtaining desired properties by cooling after forming.
  • scale may form on the surface of the steel material during heating, which must be removed in the post-process.
  • a technique is known in which a steel material for hot stamping is plated with Al to suppress the formation of scale.
  • Japanese Patent Publication No. 63-3929 discloses a method for producing a hot-dip aluminum plated steel sheet that exhibits a low oxidation weight gain during high-temperature oxidation.
  • Japanese Patent No. 2943021 after coating the surface of an austenitic stainless steel plate strip with Al, diffusion heat treatment is performed in a non-oxidizing atmosphere within a temperature range of 700 to 800 ° C. Austenitic stainless steel having a NiAl intermetallic compound on the surface layer A method of manufacturing a steel strip is disclosed.
  • This hot stamping member has a steel material, an Al—Fe intermetallic compound layer, and an oxide film layer, and contains Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Ti, V, Cr, and Mn in the oxide film layer. , Fe, Co, Ni, Cu, and Zn are contained in an amount of 0.01 atomic % or more and 80 atomic % or less, excluding oxygen.
  • Japanese Patent Publication No. 2017-536472 discloses a flat steel product for hot forming, which consists of a steel base material and a protective coating containing Al as a main component.
  • the protective coating contains at least one alkaline earth metal or transition metal in a total amount of 0.1% to 0.5% by weight, and the oxide of the alkaline earth metal or transition metal is hot It is said to be formed on the outer surface of the protective coating during molding.
  • An object of the present invention is to provide a hot-stamped article with excellent delayed fracture resistance.
  • a hot stamped compact comprises a steel substrate and an Al coating formed on the steel substrate, the Al coating being formed at an interface with the steel substrate, an interface layer having a structure in which part of ⁇ Fe is replaced with Al and Si; an intermediate layer formed on the interface layer; and an oxide film layer formed on the intermediate layer,
  • the layer thickness is 15 ⁇ m or more
  • the intermediate layer includes an Fe—Al—Si phase having a structure in which part of ⁇ Fe is replaced with Al and Si
  • the Fe—Al—Si phase contains Zr
  • the oxide film layer contains one or more elements selected from the group consisting of Be, Mg,
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a plated steel material before hot stamping.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of an example of a hot-stamped body formed by hot-stamping a plated steel material.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a hot-stamped body according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional photograph of the Al coating with the symbol a1.
  • FIG. 5 is a cross-sectional photograph of the Al coating of A13.
  • the present inventors conducted various studies on hydrogen absorption when hot stamping Al-plated steel materials, especially Al-Si-plated steel materials.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a plated steel material 1A before hot stamping.
  • the plated steel material 1A includes a steel base material 10 and an Al—Si plating layer 30.
  • the plated steel material 1A further includes an Al-Si-Fe alloy layer 35 formed between the steel base 10 and the Al-Si plating layer 30 by diffusing Fe of the steel base 10 into the plating layer.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a hot stamped body 9, which is an example of a hot stamped body formed by hot stamping the plated steel material 1A.
  • the hot-stamped body 9 comprises a steel base 10 and an Al coating 20 formed on the steel base 10 .
  • the Al coating 20 consists of multiple layers. Specifically, the Al coating 20 includes an interface layer 21 formed at the interface with the steel substrate 10, an intermediate layer 22 formed on the interface layer 21, and an oxide film formed on the intermediate layer 22. and layer 23 .
  • the intermediate layer 22 contains an Fe--Al--Si phase 22a and an Al--Fe phase 22b having different structures, and the Fe--Al--Si phase 22a and the Al--Fe phase 22b are distributed in layers.
  • the above classification is based on how it looks when observed with an optical microscope or scanning electron microscope (SEM), and when observed with a transmission electron microscope (TEM), each layer consists of several crystals. It may be observed as an aggregate of phases.
  • the interface layer 21 is a portion derived from the Al—Si—Fe alloy layer 35 of the plated steel material 1A (FIG. 1), and has a structure in which a part of the ⁇ Fe bcc structure is mainly replaced with Al and Si. there is
  • the interfacial layer 21 may contain an intermediate phase such as the ⁇ phase.
  • the intermediate layer 22 contains an Fe--Al--Si phase 22a and an Al--Fe phase 22b.
  • the Fe--Al--Si phase 22a like the interfacial layer 21, has a structure in which a part of the bcc structure of ⁇ Fe is replaced with Al and Si.
  • the Al--Fe phase 22b has a structure of Fe4Al13 and Fe2Al5 . As shown in FIG. 2, the Fe--Al--Si phase 22a is formed in a layered (strip-like) manner sandwiched between upper and lower Al--Fe phases 22b at an intermediate position in the thickness direction of the intermediate layer 22.
  • the oxide film layer 23 is a layer mainly composed of Al oxide.
  • group A elements specific elements in the Fe—Al—Si phase 22a, specifically Zr, Ce, Y, Ta, Ni, Cu, Nb, Cr, Co, V, and Ti.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a hot-stamped body 1, which is an example of a hot-stamped body containing a predetermined amount of A group elements in the Fe--Al--Si phase 22a.
  • the size of the Fe--Al--Si phase 22a is smaller than in the case of the hot-stamped body 9 (FIG. 2).
  • the Fe--Al--Si phase 22a in the hot-stamped body 9 (FIG. 2) is layered (band-shaped), whereas in the hot-stamped body 1 the Fe--Al--Si phase 22a is discontinuous.
  • the A group elements are selectively distributed in the Fe--Al--Si phase 22a.
  • the group A elements are selectively distributed in the Fe--Al--Si phase 22a during heating and have the effect of hindering the stabilization of the Fe--Al--Si phase 22a.
  • the growth of the Al-Fe phase 22b is promoted by hindering the stabilization of the Fe-Al-Si phase 22a.
  • By increasing the thickness of the Al—Fe phase 22b the diffusion of Al to the surface of the Al coating 20 is suppressed, and the oxidation of Al is suppressed. Hydrogen absorption of the steel substrate 10 is thereby suppressed.
  • hydrogen absorption of the steel substrate 10 is suppressed by fixing hydrogen atoms by the Al—Fe phase 22b.
  • group B elements Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, and Zn (these seven elements are hereinafter referred to as "group B elements") to the oxide film layer 23. It has been clarified that hydrogen absorption of the steel substrate 10 can be further suppressed by containing the above elements in predetermined amounts. Group B elements have the property of being more easily oxidized than Al, and have the effect of suppressing the hydrogen absorption of the steel base 10 by suppressing the oxidation of Al.
  • the hot stamp molded body 1 is a molded body formed by hot stamping a steel material.
  • a hot stamped body 1 includes a steel base 10 and an Al coating 20 formed on the steel base 10 .
  • the Al coating 20 comprises an interface layer 21 formed at the interface with the steel substrate 10, an intermediate layer 22 formed on the interface layer 21, and an oxide film layer 23 formed on the intermediate layer 22. I have.
  • An interface layer 21 is formed at the interface with the steel substrate 10 .
  • the interface layer 21 has a structure in which a part of the bcc structure of ⁇ Fe is replaced with Al and Si.
  • the chemical composition of the interface layer 21 has a distribution that changes along the thickness direction.
  • the chemical composition of the interface layer 21 is, for example, Fe: 60 to 98 mass %, Al: 1 to 40 mass %, and Si: 1 to 20 mass % on average in the thickness direction.
  • the interface layer 21 may contain small amounts of elements other than Si, Fe, and Al.
  • the upper limit of the total content of elements other than Si, Fe, and Al contained in the interface layer 21 is preferably 3.0% by mass, more preferably 1.5% by mass.
  • the boundary between the interface layer 21 and the steel substrate 10 is not clear, but in this case, the interface layer 21 is defined as having a depth of 10 ⁇ m from the interface of the intermediate layer 22, and the average chemical composition of this range is obtained. shall be
  • the chemical composition of the interface layer 21 can be measured by analyzing the cross section of the Al coating 20 with an electron probe microanalyzer (EPMA) or an energy resolving spectrometer (EDS) of an SEM.
  • EPMA electron probe microanalyzer
  • EDS energy resolving spectrometer
  • the thickness of the interface layer 21 is not particularly limited, it is, for example, 5 to 15 ⁇ m.
  • An intermediate layer 22 is formed on the interfacial layer 21 .
  • the intermediate layer 22 contains an Fe--Al--Si phase 22a and an Al--Fe phase 22b.
  • the Fe--Al--Si phase 22a like the interfacial layer 21, has a structure in which a part of the bcc structure of ⁇ Fe is replaced with Al and Si.
  • the Al--Fe phase 22b has a structure of Fe4Al13 and Fe2Al5 . Note that the Al—Fe phase 22b may also contain Si in a solid solution.
  • the Fe--Al--Si phase 22a and the Al--Fe phase 22b can be distinguished by analyzing the chemical composition of the cross section of the Al coating 20 with EPMA or SEM EDS.
  • the Fe--Al--Si phase 22a and the Al--Fe phase 22b can also be distinguished by analyzing the crystal structure by X-ray diffraction or electron beam diffraction.
  • the interfacial layer 21 and the Fe--Al--Si phase 22a have structures similar to each other, they can be distinguished by their positions. That is, the interfacial layer 21 is formed at the interface with the steel base 10, while the Fe--Al--Si phase 22a is formed at an intermediate position of the intermediate layer 22 in the thickness direction.
  • the Si content in the Fe--Al--Si phase 22a is 1-20% by mass. If the Si content is lower than 1% by mass, the oxide film layer 23 grows and as a result the amount of hydrogen absorbed into the steel substrate 10 increases. If the Si content is higher than 20% by mass, the intermediate layer 22 will not grow sufficiently, and the amount of hydrogen absorbed by the steel substrate 10 will also increase.
  • the lower limit of the Si content in the Fe--Al--Si phase 22a is preferably 5% by mass, more preferably 8% by mass.
  • the upper limit of the Si content in the Fe--Al--Si phase 22a is preferably 18% by mass, more preferably 16% by mass.
  • the Fe content in the Fe--Al--Si phase 22a is not particularly limited, but is, for example, 30-80% by mass.
  • the Al content in the Fe--Al--Si phase 22a is not particularly limited, but is, for example, 5-50% by mass.
  • the Fe—Al—Si phase 22a is one selected from the group consisting of Zr, Ce, Y, Ta, Ni, Cu, Nb, Cr, Co, V, and Ti in addition to Fe, Al, and Si. or contains two or more elements.
  • the eleven elements of Zr, Ce, Y, Ta, Ni, Cu, Nb, Cr, Co, V, and Ti are hereinafter referred to as group A elements.
  • group A elements Zr, Ce, Ni, Cr, Co, V, and Ti are preferred, and Ni and Cr are particularly preferred.
  • the total content of group A elements in the Fe--Al--Si phase 22a is 0.10-5.0% by mass.
  • the A group elements prevent stabilization of the Fe—Al—Si phase 22a, promote growth of the Al—Fe phase 22b, and suppress hydrogen absorption of the steel base 10. If the total content of group A elements is less than 0.1% by mass, this effect cannot be sufficiently obtained. On the other hand, if the total content of group A elements is higher than 5.0% by mass, the Fe--Al--Si phase 22a may rather become enlarged.
  • the lower limit of the total content of group A elements in the Fe--Al--Si phase 22a is preferably 0.20% by mass, more preferably 0.30% by mass.
  • the upper limit of the content of the group A element in the Fe--Al--Si phase 22a is preferably 4.0% by mass, more preferably 3.0% by mass.
  • the Fe--Al--Si phase 22a may contain small amounts of elements other than Si, Fe, Al, and A group elements.
  • the upper limit of the total content of elements other than Si, Fe, Al, and A group elements contained in the Fe—Al—Si phase 22a is preferably 1.0% by mass, more preferably 0.5% by mass. is.
  • the chemical composition of the Fe-Al-Si phase 22a can be measured by analyzing the cross section of the Al coating 20 with EPMA or SEM EDS, as in the case of the interfacial layer 21. Specifically, the content of the element is measured at a plurality of locations, and the average value is taken as the content of the element.
  • the chemical composition of the Al—Fe phase 22b described below can also be measured in a similar manner.
  • the chemical composition of the Al—Fe phase 22b is not particularly limited, but is, for example, Fe: 15-70% by mass, Al: 30-85% by mass, and Si: 0-20% by mass.
  • the Al--Fe phase 22b basically has the structure of Fe 4 Al 13 and Fe 2 Al 5 , but may contain Si in a solid solution.
  • the Al—Fe phase 22b may contain small amounts of elements other than Si, Fe, and Al.
  • the upper limit of the total content of elements other than Si, Fe, and Al contained in the Al—Fe phase 22b is preferably 1.0% by mass, more preferably 0.5% by mass.
  • the area ratio of the Fe--Al--Si phase 22a in the intermediate layer 22 is preferably 5-35%.
  • the upper limit of the area ratio of the Fe--Al--Si phase 22a in the intermediate layer 22 is more preferably 30%, more preferably 25%.
  • the intermediate layer 22 may contain a small amount of other phases in addition to the Fe--Al--Si phase 22a and the Al--Fe phase 22b.
  • Phases other than the Fe--Al--Si phase 22a and the Al--Fe phase 22b are, for example, the ⁇ phase.
  • the area ratio of the phases other than the Fe--Al--Si phase 22a and the Al--Fe phase 22b in the intermediate layer 22 is preferably 10.0% or less, more preferably 5.0% or less.
  • the thickness of the intermediate layer 22 is 15 ⁇ m or more.
  • the lower limit of the thickness of the intermediate layer 22 is preferably 20 ⁇ m, more preferably 25 ⁇ m.
  • the upper limit of the thickness of the intermediate layer 22 is not particularly limited, it is, for example, 50 ⁇ m.
  • An oxide layer 23 is formed over the intermediate layer 22 .
  • the oxide film layer 23 is a layer mainly composed of Al oxide.
  • the oxide film layer 23 may contain elements other than Al and O.
  • the oxide film layer 23 may contain, for example, Si, Fe, and the group A elements described above.
  • the oxide film layer 23 further contains one or more elements selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, and Zn.
  • the seven elements of Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, and Zn are hereinafter referred to as group B elements.
  • group B elements Mg, Ca, Sr and Ba are preferred, and Mg is particularly preferred.
  • the group B element preferably exists in the form of an oxide.
  • the total proportion of the group B elements in the components excluding oxygen in the oxide film layer 23 (hereinafter simply referred to as "the proportion of group B elements") is 0.01 to 80.0% by mass.
  • Group B elements have the property of being more easily oxidized than Al, and have the effect of suppressing the hydrogen absorption of the steel base 10 by suppressing the oxidation of Al. If the proportion of the group B element is less than 0.01% by mass, this effect cannot be sufficiently obtained. If the proportion of the B group element is higher than 80.0% by mass, the oxide film layer 23 may rather become thicker.
  • the lower limit of the ratio of the group B elements is preferably 1.0% by mass, more preferably 3.0% by mass, still more preferably 10% by mass, still more preferably 15% by mass.
  • the upper limit of the ratio of the group B elements is preferably 60.0% by mass, more preferably 40.0% by mass, and still more preferably 35% by mass.
  • the chemical composition of the oxide film layer 23 can be measured by analyzing the cross section of the Al coating 20 with EPMA or SEM EDS, as with the interface layer 21 and the intermediate layer 22 . EDS of TEM is also possible.
  • the chemical composition of oxide layer 23 can also be measured by depth profiling composition analysis by glow discharge spectroscopy (GDS) or Auger electron spectroscopy (AES).
  • the thickness of the oxide film layer 23 is preferably 0.01 to 1.00 ⁇ m. Hydrogen absorption of the steel base 10 tends to be suppressed more as the oxide film layer 23 is thinner.
  • the upper limit of the thickness of the oxide film layer 23 is preferably 0.50 ⁇ m, more preferably 0.30 ⁇ m.
  • the interface between the oxide film layer 23 and the intermediate layer 22 can be determined by observing the oxygen concentration distribution.
  • the interface between the oxide film layer 23 and the intermediate layer 22 is determined to be the position where the detected intensity of oxygen has decreased to 1/6 of the maximum value using the GDS.
  • the Fe--Al--Si phase 22a contains one or two elements selected from the group consisting of Ni and Cr, and the total content of Ni and Cr in the Fe--Al--Si phase 22a is 0.5. 10 to 5.0% by mass, the oxide film layer 23 contains Mg, and the ratio of Mg in the components other than oxygen in the oxide film layer 23 is particularly 0.01 to 80.0% by mass. preferable.
  • the steel base material 10 is not particularly limited as long as it is a steel material suitable for hot stamping.
  • a steel base material applicable to the hot stamped body 1 has, for example, a chemical composition in mass % of C: 0.1 to 0.6%, Si: 0.01 to 0.60%, Mn: 0.50. ⁇ 3.00%, P: 0.05% or less, S: 0.020% or less, Al: 0.10% or less, Ti: 0.01-0.10%, B: 0.0001-0.0100 %, N: 0.010% or less, Cr: 0 to 1.0%, Mo: 0 to 1.0%, Cu: 0 to 1.0%, Ni: 0 to 1.0%, the balance: Fe and A steel material that is an impurity can be exemplified.
  • Examples of the form of the steel base material before hot stamping include steel sheets such as hot-rolled steel sheets and cold-rolled steel sheets.
  • the chemical composition of the steel base material 10 will be described below. In the following description, "%" of element content means % by mass.
  • C 0.1-0.6% Carbon (C) is contained to ensure the desired mechanical strength. If the C content is too low, a sufficient improvement in mechanical strength may not be obtained. On the other hand, if the C content is too high, the elongation and reduction in area of drawing will tend to decrease.
  • the upper limit of the C content is more preferably 0.4%.
  • Si 0.01-0.60% Silicon (Si) is an element that improves mechanical strength, and like C, is contained to ensure the desired mechanical strength. If the Si content is too low, a sufficient improvement in mechanical strength may not be obtained. On the other hand, if the Si content is too high, the influence of Si oxides formed on the surface layer of the steel substrate may reduce the wettability during plating, resulting in non-plating.
  • Mn 0.50-3.00%
  • Mn Manganese
  • S which is one of the impurities. If the Mn content is too low, these effects may not be obtained sufficiently. On the other hand, if the Mn content is too high, the amount of retained austenite will be too large, possibly resulting in a decrease in strength.
  • P 0.05% or less Phosphorus (P) is an impurity contained in the steel base material.
  • P contained in the steel base may segregate at the grain boundaries of the steel base and reduce the toughness of the steel base. It is preferable to reduce the P content as much as possible.
  • S 0.020% or less Sulfur (S) is an impurity contained in the steel base material.
  • S contained in the steel substrate may form sulfides and reduce the toughness of the steel substrate. It is preferable to reduce the S content as much as possible.
  • Al 0.10% or less
  • Aluminum (Al) is generally used for the purpose of deoxidizing steel. However, when the Al content is high, the Ac 3 point of the steel substrate increases, so it is necessary to raise the heating temperature necessary to ensure the hardenability of the steel during hot stamping. Therefore, the Al content is preferably 0.10% or less.
  • the Al content is more preferably 0.05% or less, still more preferably 0.01% or less.
  • Titanium is one of strength enhancing elements. If the Ti content is too low, the effect of improving strength and the effect of improving oxidation resistance may not be sufficiently obtained. On the other hand, if the Ti content is too high, carbides and nitrides are formed, which may soften the steel.
  • B 0.0001 to 0.0100% Boron (B) acts during quenching and has the effect of improving strength. If the B content is too low, a sufficient strength improvement effect may not be obtained. On the other hand, if the B content is too high, inclusions may be formed to embrittle the steel base material and reduce the fatigue strength.
  • N 0.010% or less Nitrogen (N) is an impurity contained in the steel base material.
  • N contained in the steel substrate may form nitrides and reduce the toughness of the steel substrate.
  • N contained in the steel base material may combine with B to reduce the amount of solid solution B, thereby reducing the hardenability improvement effect of B. It is preferable to reduce the N content as much as possible.
  • the steel base material 10 may contain Cr, Mo, Cu and Ni.
  • Cr 0-1.0% Mo: 0-1.0%
  • Cu 0-1.0%
  • Ni 0-1.0%
  • Cr chromium
  • Mo molybdenum
  • Cu copper
  • Ni nickel
  • a preferred lower limit for the content of these elements is 0.01%.
  • the rest of the chemical composition of the steel base 10 is Fe and impurities.
  • impurities refers to elements mixed in from ores and scraps used as raw materials for steel, or elements mixed in from the environment during the manufacturing process. Impurities include, for example, Zn, Co, Sn, Nb, V, As, Zr, Ca, Mg, etc., in addition to the elements listed above.
  • a plating layer is formed on the surface of the steel material by hot dip plating.
  • the temperature of the plating bath is preferably 600-700°C. If the temperature of the plating bath is lower than 600° C., the viscosity of the plating bath will be low, making uniform plating difficult. If the temperature of the plating bath is higher than 700° C., the components change in a short time due to volatilization, making process control difficult.
  • the content of the group A element in the plating bath is preferably 0.05-5.0% by mass.
  • the higher the content of the group A element in the plating bath the higher the content of the group A element in the Fe—Al—Si phase 22a.
  • the lower limit of the content of the group A element in the plating bath is more preferably 0.2% by mass, still more preferably 0.5% by mass.
  • the upper limit of the content of the group A element in the plating bath is more preferably 3.0% by mass, still more preferably 2.0% by mass.
  • Addition of B group elements is also performed by addition to the plating bath.
  • the content of the group B element in the plating bath is preferably 0.01 to 1.0% by mass.
  • the lower limit of the content of the group B element in the plating bath is more preferably 0.05% by mass, still more preferably 0.08% by mass.
  • the upper limit of the content of the B group element in the plating bath is more preferably 0.8% by mass, still more preferably 0.6% by mass.
  • the Si content in the plating bath is, for example, 1.0 to 20.0% by mass.
  • the balance of the plating bath is primarily Al.
  • the plating bath may contain small amounts of elements other than Al, Si, A group elements, and B group elements.
  • the total content of elements other than Al, Si, A group elements, and B group elements contained in the plating bath is preferably 5.0% by mass or less, more preferably 3.0% by mass or less, It is more preferably 2.0% by mass or less, and still more preferably 1.0% by mass or less.
  • Plating is preferably performed so that the plating layer has a thickness of 20 to 30 ⁇ m.
  • the thickness of the plating layer is adjusted so that the intermediate layer 22 has a thickness of 15 ⁇ m or more after the hot stamping process.
  • the thickness of the plating layer can be adjusted by the temperature, viscosity, immersion time, gas spraying, etc. of the plating bath.
  • the heating method may be either a high-temperature furnace or electric heating.
  • the heating rate is, for example, 1 to 50° C./s. It is preferable that the holding temperature is 850 to 950° C. and the holding time is 2 minutes or more.
  • the temperature drop (cooling) rate is, for example, 30 to 1000° C./s.
  • the upper limit of the retention time is preferably 30 minutes, more preferably 10 minutes.
  • the hot stamped body 1 can be manufactured through the above steps. Although the method of hot stamping the plated steel material has been described above, instead of this, an Al coating layer is formed by depositing Al or the like on the surface of the steel base 10 by vapor deposition or thermal spraying, and this Al coating layer is provided.
  • the hot-stamped body 1 may be produced by hot-stamping the steel substrate 10 .
  • a hot-stamped article having excellent delayed fracture resistance can be obtained.
  • an Al-Si plating layer was formed on both sides of the steel sheet by hot dip plating.
  • a plating bath having a chemical composition shown in Table 2 was used.
  • the temperature of the plating bath during hot-dip plating was 700°C.
  • the coating weight was adjusted to 70 g/m 2 per side by gas wiping.
  • the plated steel sheet was heated in an electric resistance furnace at a furnace temperature of 900°C under a synthetic air stream with a dew point of 20°C so that the soaking time was 5 minutes. After that, it was molded in a mold and simultaneously cooled in the mold to obtain a hot-stamped product.
  • the content of Si in the Fe-Al-Si phase, the content of group A elements in the Fe-Al-Si phase, the area ratio of the Fe-Al-Si phase in the intermediate layer, The thickness of the intermediate layer, the ratio of the group B elements in the components other than oxygen in the oxide film layer, and the thickness of the oxide film layer were investigated.
  • hydrogen embrittlement resistance delayed fracture resistance
  • paint adhesion corrosion resistance after painting, and pitting corrosion resistance were evaluated.
  • Hydrogen analysis was performed on the obtained hot stamped molded body. Hydrogen analysis was performed by the temperature programmed desorption method, hydrogen released up to 250° C. was defined as diffusible hydrogen, and the amount was rated as follows. 2: Amount of diffusible hydrogen less than 0.1 ppm by mass 1: Amount of diffusible hydrogen 0.1 ppm by mass or more and less than 0.2 ppm by mass 0: Amount of diffusible hydrogen 0.2 ppm by mass or more
  • Paint adhesion was evaluated according to the method described in Japanese Patent No. 4373778. That is, after immersing the sample in deionized water at 60°C for 240 hours, cut 100 grids at 1 mm intervals with a cutter, and visually measure the number of peeled portions of the grid. Scored as follows. 3: Peeling area 0% or more and less than 10% 2: Peeling area 10% or more and less than 70% 1: Peeling area 70% or more and 100% or less
  • Corrosion resistance evaluation after painting was performed by the method specified in JASO M609 established by the Society of Automotive Engineers of Japan.
  • the coating film was scratched with a cutter, and the width (maximum value on one side) of the coating film blisters from the cut scratches after 180 cycles of the corrosion test was measured and rated as follows.
  • the sample was immersed in a surface conditioning agent Preparen X manufactured by Nihon Parkerizing Co., Ltd. for 1 minute at normal temperature, and then immersed in a coating base chemical agent Palbond SX35 manufactured by the same company at 35° C. for 2 minutes. After that, it was subjected to a combined cycle corrosion test by the method described in JIS H8502.
  • a coating film having a thickness of 15 ⁇ m was applied using Power Float 1200 manufactured by Nippon Paint Co., Ltd., and a cut was applied using a cutter knife as described in JIS H8502.
  • the thickness reduction amount of the steel sheet after 60 cycles of the cut portion was evaluated as follows.
  • Thickness reduction of less than 0.1 mm 4 Thickness reduction of 0.1 mm or more and less than 0.2 mm 3: Thickness reduction of 0.2 mm or more and less than 0.3 mm 2: Thickness reduction of 0.3 mm or more0.
  • Less than 4 mm 1 Thickness reduction of 0.4 mm or more
  • the hot stamped compacts with symbols A01 to A17 have a Si content in the Fe—Al—Si phase of 1 to 20% by mass, and a group A element content of It was within the range of 0.10 to 5.0% by mass. These hot-stamped products had an amount of diffusible hydrogen of less than 0.2 mass ppm in the hydrogen embrittlement resistance test. These hot-stamped products were also excellent in paint adhesion, corrosion resistance after painting, and pitting corrosion resistance. Among them, the hot stamped compacts of A01 to A05, A10, A12, A13, A15 and A17, in which the oxide film layer contained a group B element, had an amount of diffusible hydrogen of 0.5 in the hydrogen embrittlement resistance test. It was less than 1 ppm by mass, and showed particularly excellent hydrogen embrittlement resistance (delayed fracture resistance).
  • the hot-stamped bodies with symbols a1 to a7 have an amount of diffusible hydrogen of 0.2 mass ppm or more in the hydrogen embrittlement resistance test, and compared with the hot-stamped bodies with symbols A01 to A20, the hydrogen embrittlement resistance ( delayed fracture resistance) was inferior. This is because the content of the group A element in the Fe—Al—Si phase was less than 0.1% by mass or higher than 5.0% by mass in the hot stamped compacts with symbols a1 to a7. Conceivable.
  • FIG. 4 is a cross-sectional photograph of the Al coating with the symbol a1.
  • FIG. 5 is a cross-sectional photograph of the Al coating of A13. As shown in FIGS. 4 and 5, in A13, the area ratio of the Fe—Al—Si phase was smaller than in a1. In addition, the Fe--Al--Si phase formed in layers (stripes) in the sample a1 was discontinuous.
  • Hot stamp molded body 1A Plated steel material 10 Steel base material 20 Al coating 21 Interface layer 22 Intermediate layer 22a Fe-Al-Si phase 22b Al-Fe phase 23 Oxide film layer 30 Al-Si plating layer 35 Al-Si- Fe alloy layer

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Abstract

耐遅れ破壊性に優れたホットスタンプ成形体を提供する。ホットスタンプ成形体1は、鋼基材10と、鋼基材10の上に形成されたAl被膜20とを備え、Al被膜20は、鋼基材10との界面に形成され、αFeの一部がAl及びSiで置換された構造を有する界面層21と、界面層21の上に形成された中間層22と、中間層の上に形成された酸化膜層とを含み、中間層22は、αFeの一部がAl及びSiで置換された構造を有するFe-Al-Si相22aを含み、Fe-Al-Si相22aは、Zr、Ce、Y、Ta、Ni、Cu、Nb、Cr、Co、V、及びTiからなる群から選択される1種又は2種以上の元素を含み、酸化膜層23は、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、及びZnからなる群から選択される1種又は2種以上の元素を含む。

Description

ホットスタンプ成形体
 本発明は、ホットスタンプ成形体に関する。
 高強度の鋼材を高い寸法精度で成形する方法として、ホットスタンプ(熱間プレス、ホットプレス、ダイクエンチ、プレスクエンチ等とも呼ばれる。)が知られている。ホットスタンプは、鋼板等の鋼材をオーステナイト域に加熱して熱間で成形を行い、成形後の冷却によって所望の特性を得るというものである。
 ホットスタンプでは、加熱時に鋼材の表面にスケールが生成する場合があり、これを後工程で除去する必要がある。これを回避するため、ホットスタンプ用の鋼材にAlめっきを施してスケールの生成を抑制する技術が知られている。
 特公昭63-3929号公報には、高温酸化時に低い酸化増量値を示す溶融アルミニウムめっき鋼板の製造方法が開示されている。特許第2943021号公報には、オーステナイトステンレス鋼板帯表面にAlを被覆した後、700~800℃の温度範囲内で、非酸化性雰囲気で拡散熱処理をする、表層にNiAl金属間化合物を有するオーステナイトステンレス鋼板帯の製造方法が開示されている。
 国際公開第2018/221738号には、塗装後耐食性等に優れたホットスタンプ部材が開示されている。このホットスタンプ部材は、鋼材と、Al-Fe金属間化合物層と、酸化膜層とを有し、酸化膜層中にBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znからなる群から選択される1種又は2種以上の元素が、酸素を除いた比率で0.01原子%以上80原子%以下含まれる。
 特表2017-536472号公報には、鋼基材と、Alを主成分とする保護被膜とからなる熱間成形用の平鋼製品が開示されている。同公報には、保護被膜が、合計で0.1重量%~0.5重量%の少なくとも1種のアルカリ土類金属又は遷移金属を含み、アルカリ土類金属又は遷移金属の酸化物が熱間成形中に保護被膜の外表面上に形成されることが記載されている。
特公昭63-3929号公報 特許第2943021号公報 国際公開第2018/221738号 特表2017-536472号公報
 Alめっきが施された鋼材をホットスタンプする際、Alが酸化される過程で酸素と大気中の水分とが消費される。このとき放出される水素が鋼材に吸収される場合があり、潜在的な遅れ破壊の原因となり得る。
 本発明の課題は、耐遅れ破壊性に優れたホットスタンプ成形体を提供することである。
 本発明の一実施形態によるホットスタンプ成形体は、鋼基材と、前記鋼基材の上に形成されたAl被膜とを備え、前記Al被膜は、前記鋼基材との界面に形成され、αFeの一部がAl及びSiで置換された構造を有する界面層と、前記界面層の上に形成された中間層と、前記中間層の上に形成された酸化膜層とを含み、前記中間層の厚さが15μm以上であり、前記中間層は、αFeの一部がAl及びSiで置換された構造を有するFe-Al-Si相を含み、前記Fe-Al-Si相は、Zr、Ce、Y、Ta、Ni、Cu、Nb、Cr、Co、V、及びTiからなる群から選択される1種又は2種以上の元素を含み、前記Fe-Al-Si相中のSiの含有量が1~20質量%であり、Zr、Ce、Y、Ta、Ni、Cu、Nb、Cr、Co、V、及びTiの合計の含有量が0.10~5.0質量%であり、前記酸化膜層は、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、及びZnからなる群から選択される1種又は2種以上の元素を含み、前記酸化膜層中の酸素を除く成分中におけるBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、及びZnの合計の比率が0.01~80.0質量%である。
 本発明によれば、耐遅れ破壊性に優れたホットスタンプ成形体が得られる。
図1は、ホットスタンプを実施する前のめっき鋼材の構成を模式的に示す断面図である。 図2は、めっき鋼材にホットスタンプを実施して形成されるホットスタンプ成形体の一例の構成を模式的に示す断面図である。 図3は、本発明の一実施形態によるホットスタンプ成形体の構成を模式的に示す断面図である。 図4は、代符a1のAl被膜の断面写真である。 図5は、代符A13のAl被膜の断面写真である。
 本発明者らは、Alめっきが施された鋼材、特にAl-Siめっきが施された鋼材にホットスタンプを実施した際の水素吸収について種々の検討を行った。
 図1は、ホットスタンプを実施する前のめっき鋼材1Aの構成を模式的に示す断面図である。めっき鋼材1Aは、鋼基材10と、Al-Siめっき層30とを備えている。めっき鋼材1Aは、鋼基材10とAl-Siめっき層30との間に、鋼基材10のFeがめっき層に拡散することで形成されたAl-Si-Fe合金層35をさらに備えている。
 図2は、めっき鋼材1Aにホットスタンプを実施して形成されるホットスタンプ成形体の一例であるホットスタンプ成形体9の構成を模式的に示す断面図である。ホットスタンプ成形体9は、鋼基材10と、鋼基材10の上に形成されたAl被膜20とを備えている。
 Al被膜20は、複数の層からなる。Al被膜20は具体的には、鋼基材10との界面に形成された界面層21と、界面層21の上に形成された中間層22と、中間層22の上に形成された酸化膜層23とを含んでいる。ただし、中間層22は互いに構造の異なるFe-Al-Si相22aとAl-Fe相22bとを含んでおり、Fe-Al-Si相22aとAl-Fe相22bとが層状に分布している場合がある。また、上記の分類は、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した場合の見え方に基づくものであり、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察した場合、それぞれの層がいくつかの結晶相の集合体として観察される可能性がある。
 界面層21は、めっき鋼材1A(図1)のAl-Si-Fe合金層35に由来する部分であり、主にαFeのbcc構造の一部がAl及びSiに置換された構造を有している。界面層21は、τ相等の中間相を含んでいる場合がある。
 中間層22は、Fe-Al-Si相22aと、Al-Fe相22bとを含んでいる。Fe-Al-Si相22aは、界面層21と同様に、αFeのbcc構造の一部がAl及びSiに置換された構造を有している。Al-Fe相22bは、FeAl13及びFeAlの構造を有している。Fe-Al-Si相22aは、図2に示すように、中間層22の厚さ方向の中間の位置において、上下をAl-Fe相22bに挟まれた状態で、層状(帯状)に形成されることが多い。
 酸化膜層23は、Alの酸化物を主体とする層である。
 本発明者らは、Fe-Al-Si相22aに特定の元素、具体的にはZr、Ce、Y、Ta、Ni、Cu、Nb、Cr、Co、V、及びTi(以下、これら11種の元素を「A群元素」と呼ぶ。)の1種又は2種以上の元素が所定量含有されている場合に、鋼基材10の水素吸収が抑制されることを明らかにした。
 図3は、Fe-Al-Si相22aに所定量のA群元素を含むホットスタンプ成形体の一例であるホットスタンプ成形体1の構成を模式的に示す断面図である。ホットスタンプ成形体1では、ホットスタンプ成形体9(図2)の場合と比較して、Fe-Al-Si相22aの大きさが小さくなっている。ホットスタンプ成形体9(図2)ではFe-Al-Si相22aは層状(帯状)であるのに対し、ホットスタンプ成形体1ではFe-Al-Si相22aは不連続になっている。また、A群元素は、Fe-Al-Si相22aに選択的に分配されている。
 このことから、A群元素は、加熱中にFe-Al-Si相22aに選択的に分配されるとともに、Fe-Al-Si相22aの安定化を妨げる作用を持っていると考えられる。
 Fe-Al-Si相22aの安定化が妨げられることによって、Al-Fe相22bの成長が促進される。Al-Fe相22bが厚くなることによって、Al被膜20の表面へのAlの拡散が抑制され、Alの酸化が抑制される。これによって、鋼基材10の水素吸収が抑制される。また、Al-Fe相22bが水素原子を固定することによって、鋼基材10の水素吸収が抑制される。
 本発明者らはさらに、酸化膜層23に、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、及びZn(以下、これら7種の元素を「B群元素」という。)の1種又は2種以上の元素が所定量含まれるようにすることで、鋼基材10の水素吸収をさらに抑制できることを明らかにした。B群元素は、Alよりも酸化されやすい性質を持ち、Alの酸化を抑制することで、鋼基材10の水素吸収を抑制する効果を有している。
 中間層22のFe-Al-Si相22aに所定量のA群元素を含有させ、かつ、酸化膜層23に所定量のB群元素を含むようにすることで、これらの重畳効果によって、優れた耐遅れは破壊性を有するホットスタンプ成形体1が得られる。
 本発明は、以上の知見に基づいて完成された。以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
 [ホットスタンプ成形体]
 再び図3を参照して、本発明の一実施形態によるホットスタンプ成形体1の構成を説明する。ホットスタンプ成形体1は、鋼素材をホットスタンプによって成形した成形体である。ホットスタンプ成形体1は、鋼基材10と、鋼基材10の上に形成されたAl被膜20とを備えている。
 Al被膜20は、鋼基材10との界面に形成された界面層21と、界面層21の上に形成された中間層22と、中間層22の上に形成された酸化膜層23とを備えている。
 [界面層]
 界面層21は、鋼基材10との界面に形成される。界面層21は、αFeのbcc構造の一部がAl及びSiに置換された構造を有している。
 界面層21の化学組成は、厚さ方向に沿って変化する分布を有している。界面層21の化学組成は例えば、厚さ方向の平均で、Fe:60~98質量%、Al:1~40質量%、Si:1~20質量%である。界面層21は、Si、Fe、及びAl以外の元素を少量含有していてもよい。界面層21に含まれるSi、Fe、及びAl以外の元素の合計の含有量の上限は、好ましくは3.0質量%であり、さらに好ましくは1.5質量%である。界面層21と鋼基材10との境界が明確ではない場合もあるが、この場合は中間層22の界面から10μmまでの深さの範囲を界面層21として当該範囲の平均の化学組成を求めるものとする。
 界面層21の化学組成は、Al被膜20の断面を電子線マイクロアナライザ(EPMA)やSEMのエネルギー分解型分光器(EDS)で分析することで測定することができる。
 界面層21の厚さは、特に限定されないが、例えば5~15μmである。
 [中間層]
 中間層22は、界面層21の上に形成される。中間層22は、Fe-Al-Si相22aと、Al-Fe相22bとを含んでいる。Fe-Al-Si相22aは、界面層21と同様に、αFeのbcc構造の一部がAl及びSiに置換された構造を有している。Al-Fe相22bは、FeAl13及びFeAlの構造を有している。なお、Al-Fe相22bにも、固溶したSiが存在する場合がある。
 Fe-Al-Si相22aとAl-Fe相22bとは、Al被膜20の断面をEPMAやSEMのEDSで化学組成を分析することで判別することができる。Fe-Al-Si相22aとAl-Fe相22bとは、X線回折や電子線回折によって結晶構造を分析することで判別することもできる。
 なお、界面層21とFe-Al-Si相22aとは互いに類似した構造を有しているが、両者は位置によって区別することができる。すなわち、界面層21は鋼基材10との界面に形成されるのに対し、Fe-Al-Si相22aは中間層22の厚さ方向の中間の位置に形成される。
 Fe-Al-Si相22a中のSi含有量は、1~20質量%である。Si含有量が1質量%よりも低いと、酸化膜層23が成長し、結果として鋼基材10への水素吸収量が増加する。Si含有量が20質量%よりも高いと、中間層22が十分に成長せず、やはり鋼基材10への水素吸収量が増加する。Fe-Al-Si相22a中のSi含有量の下限は、好ましくは5質量%であり、さらに好ましくは8質量%である。Fe-Al-Si相22a中のSi含有量の上限は、好ましくは18質量%であり、さらに好ましくは16質量%である。
 Fe-Al-Si相22a中のFe含有量は、特に限定されないが、例えば30~80質量%である。Fe-Al-Si相22a中のAl含有量は、特に限定されないが、例えば5~50質量%である。
 Fe-Al-Si相22aは、Fe、Al、及びSiに加えて、Zr、Ce、Y、Ta、Ni、Cu、Nb、Cr、Co、V、及びTiからなる群から選択される1種又は2種以上の元素を含んでいる。以下、Zr、Ce、Y、Ta、Ni、Cu、Nb、Cr、Co、V、及びTiの11種の元素をA群元素という。A群元素の中でも、Zr、Ce、Ni、Cr、Co、V、及びTiが好ましく、Ni及びCrが特に好ましい。
 Fe-Al-Si相22a中のA群元素の合計の含有量は、0.10~5.0質量%である。A群元素は、Fe-Al-Si相22aの安定化を妨げることにより、Al-Fe相22bの成長を促進し、鋼基材10の水素吸収を抑制する。A群元素の含有量の合計が0.1質量%よりも低いと、この効果が十分に得られない。一方、A群元素の含有量の合計が5.0質量%よりも高いと、Fe-Al-Si相22aが却って肥大化する場合がある。Fe-Al-Si相22a中のA群元素の含有量の合計の下限は、好ましくは0.20質量%であり、さらに好ましくは0.30質量%である。Fe-Al-Si相22a中のA群元素の含有量の上限は、好ましくは4.0質量%であり、さらに好ましくは3.0質量%である。
 Fe-Al-Si相22aは、Si、Fe、Al、及びA群元素以外の元素を少量含有していてもよい。Fe-Al-Si相22aに含まれるSi、Fe、Al、及びA群元素以外の元素の合計の含有量の上限は、好ましくは1.0質量%であり、さらに好ましくは0.5質量%である。
 Fe-Al-Si相22aの化学組成は、界面層21の場合と同様に、Al被膜20の断面をEPMAやSEMのEDSで分析することで測定することができる。具体的には、複数箇所で元素の含有量を測定し、その平均値を当該元素の含有量とする。次に説明するAl-Fe相22bの化学組成も、同様の方法で測定することができる。
 Al-Fe相22bの化学組成は、特に限定されないが、例えば、Fe:15~70質量%、Al:30~85質量%、Si:0~20質量%である。Al-Fe相22bは上述のとおり、基本的に、FeAl13及びFeAlの構造を有するが、固溶したSiが存在する場合がある。Al-Fe相22bは、Si、Fe、及びAl以外の元素を少量含有していてもよい。Al-Fe相22bに含まれるSi、Fe、及びAl以外の元素の合計の含有量の上限は、好ましくは1.0質量%であり、さらに好ましくは0.5質量%である。
 中間層22におけるFe-Al-Si相22aの面積率は、好ましくは5~35%である。中間層22におけるFe-Al-Si相22aの面積率が低いほど、鋼基材10の水素吸収が抑制される傾向がある。中間層22におけるFe-Al-Si相22aの面積率の上限は、さらに好ましくは30%であり、さらに好ましくは25%である。
 中間層22は、Fe-Al-Si相22a及びAl-Fe相22bに加えて、それ以外の相を少量含んでいてもよい。Fe-Al-Si相22a及びAl-Fe相22b以外の相は、例えばτ相である。中間層22における、Fe-Al-Si相22a及びAl-Fe相22b以外の相の面積率は、好ましくは10.0%以下であり、さらに好ましくは5.0%以下である。
 中間層22の厚さは、15μm以上である。中間層22が厚いほど、Al被膜20の表面へのAlの拡散が抑制され、Alの酸化が抑制される。また、中間層22で水素が固定化されやすくなる。そのため、中間層22が厚いほど、鋼基材10の水素吸収が抑制される傾向がある。さらに、中間層22が厚いほど、塗料密着性や耐食性も向上する傾向がある。中間層22の厚さの下限は、好ましくは20μmであり、さらに好ましくは25μmである。中間層22の厚さの上限は、特に限定されないが、例えば50μmである。
 [酸化膜層]
 酸化膜層23は、中間層22の上に形成される。酸化膜層23は、Alの酸化物を主体とする層である。酸化膜層23は、Al及びO以外の元素を含有していてもよい。酸化膜層23は、例えば、Si、Fe、及び上述したA群元素を含有していてもよい。
 酸化膜層23はさらに、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、及びZnからなる群から選択される1種又は2種以上の元素を含む。以下、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、及びZnの7種の元素をB群元素という。B群元素の中でも、Mg、Ca、Sr、及びBaが好ましく、Mgが特に好ましい。B群元素は、酸化物の状態で存在することが好ましい。
 酸化膜層23中の酸素を除く成分中におけるB群元素の合計の比率(以下、単に「B群元素の比率」という。)は、0.01~80.0質量%である。B群元素は、Alよりも酸化されやすい性質を持ち、Alの酸化を抑制することで、鋼基材10の水素吸収を抑制する効果を有している。B群元素の比率が0.01質量%よりも低いと、この効果が十分に得られない。B群元素の比率が80.0質量%よりも高いと、却って酸化膜層23が厚くなる場合がある。B群元素の比率の下限は、好ましくは1.0質量%であり、さらに好ましくは3.0質量%であり、さらに好ましくは10質量%であり、さらに好ましくは15質量%である。B群元素の比率の上限は、好ましくは60.0質量%であり、さらに好ましくは40.0質量%であり、さらに好ましくは35質量%である。
 酸化膜層23の化学組成は、界面層21及び中間層22と同様に、Al被膜20の断面をEPMAやSEMのEDSで分析することで測定することができる。TEMのEDSでも可能である。酸化膜層23の化学組成はまた、グロー放電分光器(GDS)やオージェ電子分光分析法(AES)による深さ方向組成分析法によって測定することもできる。
 酸化膜層23の厚さは、好ましくは0.01~1.00μmである。酸化膜層23が薄いほど、鋼基材10の水素吸収が抑制される傾向がある。酸化膜層23の厚さの上限は、好ましくは0.50μmであり、さらに好ましくは0.30μmである。
 酸化膜層23と中間層22との界面は、酸素濃度の分布を観察することで決定できる。本実施形態では、GDSを用いて酸素の検出強度が最大値の1/6まで低下した位置を酸化膜層23と中間層22との界面であると判断する。
 なお、A群元素とB群元素の組み合わせとしては、NiとMgとの組み合わせ、及び、CrとMgとの組み合わせが特に好ましい。すなわちFe-Al-Si相22aは、Ni及びCrからなる群から選択される1種又は2種の元素を含み、Fe-Al-Si相22a中のNi及びCrの合計の含有量が0.10~5.0質量%であり、酸化膜層23は、Mgを含み、酸化膜層23中の酸素を除く成分中におけるMgの比率が0.01~80.0質量%であることが特に好ましい。
 [鋼基材]
 鋼基材10は、ホットスタンプに好適に利用可能な鋼材であれば特に制限はない。ホットスタンプ成形体1に適用可能な鋼基材としては例えば、化学組成が質量%で、C:0.1~0.6%、Si:0.01~0.60%、Mn:0.50~3.00%、P:0.05%以下、S:0.020%以下、Al:0.10%以下、Ti:0.01~0.10%、B:0.0001~0.0100%、N:0.010%以下、Cr:0~1.0%、Mo:0~1.0%、Cu:0~1.0%、Ni:0~1.0%、残部:Fe及び不純物である鋼材を例示できる。ホットスタンプされる前の鋼基材の形態としては例えば熱延鋼板や冷延鋼板等の鋼板を例示できる。以下、鋼基材10の化学組成について説明する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
 C:0.1~0.6%
 炭素(C)は、目的とする機械的強度を確保するために含有される。C含有量が低すぎると、十分な機械的強度の向上が得られない場合がある。一方、C含有量が高すぎると、伸び、絞りが低下しやすくなる。C含有量の上限は、より好ましくは0.4%である。
 Si:0.01~0.60%
 シリコン(Si)は、機械的強度を向上させる元素であり、Cと同様に目的とする機械的強度を確保するために含有される。Si含有量が低すぎると、十分な機械的強度の向上が得られない場合がある。一方、Si含有量が高すぎると、鋼基材表層に形成したSi酸化物の影響により、めっきを行う際に濡れ性が低下して不めっきが生じるおそれがある。
 Mn:0.50~3.00%
 マンガン(Mn)は、鋼を強化させる強化元素の一つであり、焼入れ性を高める元素の一つでもある。Mnはまた、不純物の一つであるSによる熱間脆性を防止するのにも有効である。Mn含有量が低すぎると、これらの効果が十分に得られない場合がある。一方、Mn含有量が高すぎると、残留オーステナイトが多くなり過ぎて強度が低下する恐れがある。
 P:0.05%以下
 リン(P)は、鋼基材中に含まれる不純物である。鋼基材に含まれるPは、鋼基材の結晶粒界に偏析して鋼基材の靱性を低下させる場合がある。P含有量はできる限り少なくすることが好ましい。
 S:0.020%以下
 硫黄(S)は、鋼基材中に含まれる不純物である。鋼基材に含まれるSは、硫化物を形成して鋼基材の靱性を低下させる場合がある。S含有量はできる限り少なくすることが好ましい。
 Al:0.10%以下
 アルミニウム(Al)は、一般に鋼の脱酸目的で使用される。しかし、Al含有量が多い場合、鋼基材のAc点が上昇するため、ホットスタンプの際に鋼の焼入れ性確保に必要な加熱温度を上昇させる必要がある。そのため、Al含有量は好ましくは0.10%以下である。Al含有量は、より好ましくは0.05%以下であり、さらに好ましくは0.01%以下である。
 Ti:0.01~0.10%
 チタン(Ti)は、強度強化元素の一つである。Ti含有量が低すぎると、強度向上効果や耐酸化性向上効果が十分に得られない場合がある。一方、Ti含有量が高すぎると、炭化物や窒化物が形成され、鋼が軟質化する恐れがある。
 B:0.0001~0.0100%
 ボロン(B)は、焼入れ時に作用して強度を向上させる効果を有する。B含有量が低すぎると、強度向上効果が十分に得られない場合がある。一方、B含有量が高すぎると、介在物が形成されて鋼基材が脆化し、疲労強度が低下する恐れがある。
 N:0.010%以下
 窒素(N)は、鋼基材中に含まれる不純物である。鋼基材に含まれるNは、窒化物を形成して鋼基材の靱性を低下させる場合がある。さらに、鋼基材に含まれるNは、Bと結合して固溶B量を減らし、Bの焼入れ性向上効果を低下させる場合がある。N含有量はできる限り少なくすることが好ましい。
 鋼基材10は、Cr、Mo、Cu及びNiを含んでいてもよい。
 Cr:0~1.0%
 Mo:0~1.0%
 Cu:0~1.0%
 Ni:0~1.0%
 鋼基材の焼入れ性を向上させるため、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、Cu(銅)及びNi(ニッケル)からなる群から選択される1又は2以上の元素を含有させてもよい。これらの元素の含有量の好ましい下限は、いずれも0.01%である。一方、過剰に含有させても効果が飽和し、コストの上昇を招く。
 鋼基材10の化学組成の残部は、Fe及び不純物である。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入される元素、あるいは製造過程の環境等から混入される元素をいう。不純物は例えば、上記で挙げた元素の他、Zn、Co、Sn、Nb、V、As、Zr、Ca、Mg等である。
 [ホットスタンプ成形体の製造方法]
 次に、ホットスタンプ成形体1の製造方法の一例を説明する。以下に説明する製造方法では、鋼板等の鋼素材にAlめっきを施してめっき鋼材とし、めっき鋼材に対してホットスタンプを行うことによって、鋼基材10の上にAl被膜20を形成する。ここで説明する方法は一例であり、ホットスタンプ成形体1の製造方法を限定するものではない。
 [めっき工程]
 溶融めっき法により鋼素材の表面にめっき層を形成する。めっき浴の温度は、好ましくは600~700℃である。めっき浴の温度が600℃よりも低いと、めっき浴が低粘度になり、均一なめっきが困難になる。めっき浴の温度が700℃よりも高いと、揮発によって短時間に成分が変化し、工程管理が困難になる。
 A群元素の添加は、めっき浴への添加によって行う。めっき浴中のA群元素の含有量は、好ましくは0.05~5.0質量%である。めっき浴中のA群元素の含有量が高いほど、Fe-Al-Si相22a中のA群元素の含有量も高くなる傾向がある。めっき浴中のA群元素の含有量の下限は、より好ましくは0.2質量%であり、さらに好ましくは0.5質量%である。めっき浴中のA群元素の含有量の上限は、より好ましくは3.0質量%であり、さらに好ましくは2.0質量%である。
 B群元素の添加も、めっき浴への添加によって行う。B群元素を添加する場合、めっき浴中のB群元素の含有量は、好ましくは0.01~1.0質量%である。めっき浴中のB群元素の含有量が高いほど、酸化膜層23中のB群元素の含有量も高くなる傾向がある。めっき浴中のB群元素の含有量の下限は、より好ましくは0.05質量%であり、さらに好ましくは0.08質量%である。めっき浴中のB群元素の含有量の上限は、より好ましくは0.8質量%であり、さらに好ましくは0.6質量%である。
 めっき浴中のSi含有量は例えば、1.0~20.0質量%である。めっき浴の残部は主にAlである。めっき浴は、Al、Si、A群元素、及びB群元素以外の元素を少量含有していてもよい。めっき浴に含まれるAl、Si、A群元素、及びB群元素以外の元素の合計の含有量は、好ましくは5.0質量%以下であり、さらに好ましくは3.0質量%以下であり、さらに好ましくは2.0質量%以下であり、さらに好ましくは1.0質量%以下である。
 鋼素材を700~800℃の水素還元雰囲気に保持した後、めっき浴に浸漬する。全工程を非酸化性雰囲気で実施することが好ましい。めっきは、めっき層の厚さが20~30μmになるようにすることが好ましい。めっき層の厚さは、ホットスタンプ工程後に中間層22の厚さが15μm以上になるように調整する。めっき層の厚さは、めっき浴の温度、粘度、浸漬時間、ガス吹付等によって調整することができる。
 [ホットスタンプ工程]
 めっき鋼材を必要なサイズに整形した後、ホットスタンプを実施する。加熱方式は、高温炉及び通電加熱のいずれでもよい。昇温速度は例えば、1~50℃/sである。保持温度は850~950℃、保持時間は2分間以上とすることが好ましい。降温(冷却)速度は例えば、30~1000℃/sである。
 保持時間が長すぎると中間層の結晶構造が変化する場合がある。保持時間の上限は、好ましくは30分間であり、さらに好ましくは10分間である。
 以上の工程によって、ホットスタンプ成形体1を製造することができる。上記ではめっき鋼材をホットスタンプする方法を説明したが、これに代えて、鋼基材10の表面に蒸着や溶射によってAl等を付着させることでAl被覆層を形成し、このAl被覆層を有する鋼基材10をホットスタンプすることで、ホットスタンプ成形体1を製造してもよい。
 本実施形態によれば、耐遅れ破壊性に優れたホットスタンプ成形体が得られる。
 以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。
 表1に示す化学組成を有する鋼板に対して、溶融めっき法によりAl-Siめっき層を鋼板の両面に形成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 めっき浴は、表2に示す化学組成のものを使用した。溶融めっき時のめっき浴の温度は700℃とした。めっき浴に鋼板を浸漬させた後、ガスワイピング法で付着量を片面あたり70g/mに調整した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 めっき鋼板を露点20℃の合成空気気流下、炉温900℃の電気抵抗炉において均熱時間が5分間となるように加熱した。その後、金型で成形すると同時に金型で冷却して、ホットスタンプ成形体を得た。
 得られたホットスタンプ成形体について、Fe-Al-Si相中のSiの含有量、Fe-Al-Si相中のA群元素の含有量、中間層におけるFe-Al-Si相の面積率、中間層の厚さ、酸化膜層中の酸素を除く成分中におけるB群元素の比率、及び酸化膜層の厚さを調査した。また特性として、耐水素脆性(耐遅れ破壊性)、塗料密着性、塗装後耐食性、及び耐孔食性を評価した。
 [耐水素脆性]
 得られたホットスタンプ成形体を水素分析した。水素分析は、昇温脱離法にて実施し、250℃までに放出された水素を拡散性水素と定義し、その量によって下記のように評点付けした。
 2: 拡散性水素の量 0.1質量ppm未満
 1: 拡散性水素の量 0.1質量ppm以上0.2質量ppm未満
 0: 拡散性水素の量 0.2質量ppm以上
 [塗料密着性]
 塗料密着性は特許第4373778号公報に記載の方法に準じて評価した。すなわち、試料を60℃の脱イオン水に240時間浸漬後にカッターで1mm間隔の碁盤目を100個切り、碁盤目部の剥離した部分の個数を目視で測定することで算出した面積率に基づいて下記のように評点付けした。
 3: 剥離面積 0%以上10%未満
 2: 剥離面積10%以上70%未満
 1: 剥離面積70%以上100%以下
 [塗装後耐食性]
 塗装後の耐食性評価は、自動車技術会制定のJASO M609に規定する方法で行った。塗膜にカッターで疵を入れ、腐食試験180サイクル後のカット疵からの塗膜膨れの幅(片側最大値)を計測し、下記のように評点付けした。
 3: 膨れ幅  0mm以上1.5mm未満
 2: 膨れ幅1.5mm以上3.0mm未満
 1: 膨れ幅3.0mm以上
 [耐孔食性]
 試料を日本パーカライジング社製表面調整剤プレパレンXに常温で1分間浸漬した後、同社製塗装下地化成剤パルボンドSX35に35℃で2分間浸漬した。その後、JIS H 8502に記載の方法で複合サイクル腐食試験に供した。日本ペイント社製のパワーフロート1200で厚さ15μmの塗膜を付与し、JIS H 8502に記載のようにカッターナイフでカットを付与した。カットを付与した部分の60サイクル経過後の鋼板の板厚減少量から、下記のように評点付けした。
 5: 板厚減少量0.1mm未満
 4: 板厚減少量0.1mm以上0.2mm未満
 3: 板厚減少量0.2mm以上0.3mm未満
 2: 板厚減少量0.3mm以上0.4mm未満
 1: 板厚減少量0.4mm以上
 結果を表3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 表3に示すように、代符A01~A17のホットスタンプ成形体は、Fe-Al-Si相中のSiの含有量が1~20質量%の範囲内であり、A群元素の含有量が0.10~5.0質量%の範囲内であった。これらのホットスタンプ成形体は、耐水素脆性試験において拡散性水素の量が0.2質量ppm未満であった。これらのホットスタンプ成形体は、塗料密着性、塗装後耐食性、及び耐孔食性も良好であった。これらの中でも、酸化膜層中にB群元素が含まれていたA01~A05、A10、A12、A13、A15及びA17のホットスタンプ成形体は、耐水素脆性試験において拡散性水素の量が0.1質量ppm未満であり、特に優れた耐水素脆性(耐遅れ破壊性)を示した。
 代符a1~a7のホットスタンプ成形体は、耐水素脆性試験において拡散性水素の量が0.2質量ppm以上であり、代符A01~A20のホットスタンプ成形体と比較して耐水素脆性(耐遅れ破壊性)が劣っていた。これは、代符a1~a7のホットスタンプ成形体では、Fe-Al-Si相中のA群元素の含有量が0.1質量%未満であるか、5.0質量%よりも高かったためと考えられる。
 図4は、代符a1のAl被膜の断面写真である。図5は、代符A13のAl被膜の断面写真である。図4及び図5に示すように、代符A13では、代符a1と比較して、Fe-Al-Si相の面積率が小さくなっていた。また、代符a1では層状(帯状)に形成されていたFe-Al-Si相が不連続になっていた。
 以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示にすぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。
1,9 ホットスタンプ成形体
1A めっき鋼材
10 鋼基材
20 Al被膜
21 界面層
22 中間層
22a Fe-Al-Si相
22b Al-Fe相
23 酸化膜層
30 Al-Siめっき層
35 Al-Si-Fe合金層

Claims (5)

  1.  鋼基材と、
     前記鋼基材の上に形成されたAl被膜とを備え、
     前記Al被膜は、
     前記鋼基材との界面に形成され、αFeの一部がAl及びSiで置換された構造を有する界面層と、
     前記界面層の上に形成された中間層と、
     前記中間層の上に形成された酸化膜層とを含み、
     前記中間層の厚さが15μm以上であり、
     前記中間層は、αFeの一部がAl及びSiで置換された構造を有するFe-Al-Si相を含み、
     前記Fe-Al-Si相は、Zr、Ce、Y、Ta、Ni、Cu、Nb、Cr、Co、V、及びTiからなる群から選択される1種又は2種以上の元素を含み、
     前記Fe-Al-Si相中のSiの含有量が1~20質量%であり、Zr、Ce、Y、Ta、Ni、Cu、Nb、Cr、Co、V、及びTiの合計の含有量が0.10~5.0質量%であり、
     前記酸化膜層は、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、及びZnからなる群から選択される1種又は2種以上の元素を含み、
     前記酸化膜層中の酸素を除く成分中におけるBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、及びZnの合計の比率が0.01~80.0質量%である、ホットスタンプ成形体。
  2.  請求項1に記載のホットスタンプ成形体であって、
     前記中間層におけるFe-Al-Si相の面積率が5~35%である、ホットスタンプ成形体。
  3.  請求項1又は2に記載のホットスタンプ成形体であって
     前記酸化膜層の厚さが0.01~1.0μmである、ホットスタンプ成形体。
  4.  請求項1又は2に記載のホットスタンプ成形体であって、
     前記Fe-Al-Si相中のNi及びCrの合計の含有量が0.10~5.0質量%であり、
     前記酸化膜層中の酸素を除く成分中におけるMgの比率が0.01~80.0質量%である、ホットスタンプ成形体。
  5.  請求項3に記載のホットスタンプ成形体であって、
     前記Fe-Al-Si相中のNi及びCrの合計の含有量が0.10~5.0質量%であり、
     前記酸化膜層中の酸素を除く成分中におけるMgの比率が0.01~80.0質量%である、ホットスタンプ成形体。
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